用于調理雞肉的大氣等離子體冷殺菌工藝優化

劉 政,李 娜,伍 軍,孫運金

(1.北京農學院食品科學與工程學院,食品質量與安全北京實驗室,北京 102206; 2.北京農學院食品科學與工程學院,農產品有害微生物及農殘安全檢測與控制北京市重點實驗室,北京 102206)

預制雞肉又稱調理雞肉,是以新鮮雞胸肉為原材料,適當添加輔料,經滾揉、腌制、分切、加工等工藝加工而成的系列風味肉制品,并以不同的包裝(袋裝、盒裝)、貯藏方式(冷凍、冷藏)進行儲運、銷售的產品[1]。調理雞肉,不僅營養豐富,方便便捷,而且節能省時,加熱即可食用,逐漸受到年輕消費群體的喜愛。但是調理雞肉的食用品質易受到蛋白質,脂肪氧化以及微生物污染等因素的影響,造成了儲藏期較短的缺點。市場上的調理肉制品大多采用PE普通托盤包裝,沒有經過系統的殺菌預處理及貯藏保鮮包裝,貨架期為2～3 d。如何有效解決調理肉制品貯藏保鮮的技術問題是解決其應用和發展的關鍵。

大氣等離子體是在大氣狀態下實現的一種放電等離子體,含有電子、離子、激發態分子、高能粒子、原子、活性氧、活性氮等活性成分,對細菌、孢子、病毒、真菌均具有殺菌作用[2-5]。包括輝光放電[6-7]、滑動弧放電[8]、介質阻擋放電[9-11]、射流放電[12]、電暈放電[13]等。李兆杰等[14]研究輝光放電等離子體對魚肉、奶粉、牛奶、淀粉、橙汁等五種食品進行殺菌處理,研究表明有明顯的殺菌效果。王卓等[15]通過介質阻擋放電等離子體對藍莓進行殺菌處理,在45 kV,50 s工藝條件下,細菌以及真菌分別降低1.75,1.77 lg(CFU/g),顯著降低了藍莓腐敗率。黃明明等[16]對介質阻擋放電等離子體處理氣調包裝的生鮮牛肉的研究表明,等離子體可有效抑制牛肉中腐敗菌的生長和生物胺的形成。李天琪[17]研究結果表明介質阻擋放電等離子體在60 kV、60 s殺菌參數下對魷魚的殺菌效果最好,可將細菌和真菌降低至0.01×103(CFU/g)以下。上述放電方式例如輝光放電,介質阻擋放電等殺菌效果較顯著,但均存在能耗高、處理樣品較小的特點。相比之下,滑動弧放電技術殺菌能力強,能耗低,高效率,具有工業化應用的潛力。例如張志偉[18]研究滑動弧放電對鮮切蘿卜殺菌效果的影響,在170 V,5 min時殺菌率達到92.35%。鑒于等離子體在冷殺菌領域彰顯的殺菌效果和非熱特點,本文選取其中的一種大氣等離子體技術——滑動弧放電技術,對調理雞肉進行殺菌處理,優化大氣離子體對調理雞肉的處理工藝,達到延長調理雞肉貯藏期的效果。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

雞胸肉 北京昌平區華都肉聯廠/低溫冷鏈配(4 ℃);平板計數培養基、無菌均質袋(17 cm×30 cm) 北京暢華試劑公司。

大氣等離子體放電裝置 實驗室自制;YX-280高壓滅菌鍋 江陰濱江醫療設備廠;JB-CJ-2FC超凈工作臺 蘇州佳寶凈化工程設備有限公司;HWHS-250L恒溫恒濕培養箱 上海衡鼎儀器設備有限公司;SCIENTZ-11無菌均質器 寧波新芝生物科技股份有限公司;OTS-800無油空氣壓縮機 臺州市奧突斯工貿有限公司;BCD-323WLDPN冰箱 青島海爾股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大氣等離子體放電裝置 大氣等離子體放電處理器主要由電源、處理放應室、氣體流量測試表等組成，見圖1。反應室內有兩個平行銅電極(長度93 mm,厚度3.6 mm),氣體從反應器頂端通入。調理雞肉樣品放在反應器端口下部,氣體經過反應器時被兩銅片間10 kV電壓擊穿,產生滑動弧放電,處理反應器下端的調理雞肉樣品。等離子體放電的處理參數包括滑動弧放電功率,氣體流量以及處理時間。

圖1 大氣等離子體放電設備

1.2.2 樣品處理 將案板、菜刀、PE保鮮膜、PP食品級托盤等所有試驗相關的用品放入超凈工作臺,紫外燈照射30 min。把新鮮雞胸肉放入超凈工作臺,進行預處理(去皮、去骨),切丁(2.0 cm×2.0 cm×1.5 cm),稱取20 g為一組,加輔料(食鹽2%、料酒2%、淀粉8%、五香粉12%、味精0.5%以及一定量的醬油、蔥、姜、蒜)配制后在4 ℃冰箱腌制3 h。隨機抽取三組記為對照組,其余按照不同殺菌條件進行等離子體處理(每個樣品做五次平行實驗)。

1.2.3 大氣等離子體放電對調理雞肉殺菌工藝的研究

1.2.3.1 單因素實驗 放電功率對調理雞肉殺菌率及感官的影響,氣體流量選取40 L/min,處理時間選取60 s,功率設定0、300、350、400、450、500 W;不同處理時間對調理雞肉殺菌率及感官的影響,氣體流量選取40 L/min,放電功率選取450 W,處理時間分別為0、30、60、90、120、150 s;不同氣體流量對調理雞肉殺菌率及感官的影響,處理時間選取60 s,殺菌功率選取450 W,氣體流量為0、20、40、60、80、100 L/min。

1.2.3.2 響應面試驗 根據響應面Box-Behnken設計原理以及結合單因素結果,在此以放電功率、處理時間、氣體流量設計三因素三水平的響應面分析試驗,以殺菌率為響應值進行響應面分析,得到并通過回歸方程和模型確定出大氣等離子體對調理雞肉殺菌最優參數。

表1 響應面分析因素與水平

1.2.3.3 殺菌率 取肉樣20 g放于均質袋中,加入180 mL生理鹽水,封口,均質器以15次/s拍打30 s,梯度稀釋后選取適宜稀釋度進行涂平板(本實驗選取稀釋度:10-1、10-2、10-3CFU/mL),然后37 ℃培養24 h計數,計算其殺菌率[19]。

殺菌率計算公式如下:

式中:N0:對照組菌落數,(CFU/g),NP:處理組菌落數,(CFU/g)。

1.2.4 感官評價 調理雞肉感官評價指標包括肉樣的色澤、粘度、氣味、彈性,邀請食品專業的學生12人(男女比例1∶1)組成固定評定小組,根據表2調理雞肉評價標準進行感官評價。評分參照GB 16869-2005《鮮凍禽產品》和GB/T 22210-2008《肉與肉制品感官評定規范》,每項指標占25%分值,總分值10分(綜合評價),8分及8分以上為新鮮肉樣。

表2 調理雞肉感官評價標準

1.3 數據處理

單因素實驗結果用Origin 9軟件分析作圖,用Design-Expert.V8.0.6.1軟件處理響應面試驗結果,并用最小二乘法進行二次多項式回歸統計分析。

2 結果與分析

2.1 等離子體放電工藝對調理雞肉的殺菌率和感官性能的影響

2.1.1 放電功率對殺菌率的影響 從圖2與表3中可知,隨著放電功率的增加,殺菌率呈先上升后平緩的趨勢,調理雞肉的感官品質隨殺菌功率增大逐漸降低。功率升高將提高電極間的電離度,產生更高濃度的活性帶電粒子,提高了殺菌率。但當功率達到450 W之后,電離氣體雖可有效、完全滅殺產品表面的微生物,但不能滅殺產品內部微生物。因此,殺菌率隨功率的升高達到了一個恒定值。活性帶電粒子在滅菌的同時還對樣品表面產生一定程度的轟擊作用[20],導致感官評價下降。

圖2 放電功率對調理雞肉殺菌率的影響

表3 放電功率對調理雞肉感官性能的影響(分)

在處理時間60 s和氣體流量為40 L/min時,隨著功率逐漸增加,處理組的感官評價均低于對照組。綜合考慮殺菌率與感官評價,選擇放電功率350～450 W進行響應面實驗。

2.1.2 處理時間對殺菌率的影響 由圖3可知,60 s之前隨著放電處理時間的延長,殺菌率上升明顯;當處理時間超過60 s時,殺菌率維持在恒定水平。放電處理時間的延長可增加電離氣體中活性帶電粒子與調理雞肉的作用時間,使其殺菌效果更好。

圖3 處理時間對調理雞肉殺菌率的影響

從表4可知,隨殺菌時間的延長,調理雞肉的感官評價值逐漸降低,在殺菌60 s之前,能保持肉樣原有的感官品質的80%,90 s之后,肉樣會出現表面變干,肉色暗淡,150 s時有異味產生,感官品質下降至50%。電離的氣體除了與微生物的相互作用之外,還對調理雞肉的表面產生一定的損傷,具體表現在雞肉中的水分在電離氣體的作用下分解,迅速脫離肉體表面,造成調理雞肉表面發干。同時,等離子體產生的活性氧、活性氮等物質具有氧化性[21-22],在達到一定處理時間后對調理雞肉的色澤產生一定的影響。因此,在不影響感官評價的前提下,合理的等離子體處理時間為30～60 s。

表4 處理時間對調理雞肉感官性能的影響(分)

2.1.3 氣體流量對殺菌率的影響 由圖4可知,在其他條件保持不變時,氣體流量對調理雞肉的殺菌率有一定的影響。當氣體流量較低時,電離的氣體到達調理雞肉表面時間較長,內部的活性粒子成分有可能湮滅,導致殺菌率較低。當氣體流量升至為40 L/min時,殺菌率達到最高;氣體流量高于40 L/min,殺菌率逐漸降低,這可能是較快的氣體流量降低了等離子體的電離度,使得電離不完全,從而降低了殺菌效果。

圖4 氣體流量對調理雞肉殺菌率的影響

從表5可看出,氣體流量的變化對調理雞肉的感官性能影響較小。隨著氣體流量的增高,調理雞肉表面的離子、電子、高能粒子等隨之增多,提高了滅菌率,大氣等離子體處理對調理雞肉的感官評價沒有較大的影響。綜合評價,選擇20～60 L/min為氣體流量。

表5 氣體流量對調理雞肉感官性能的影響(分)

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 回歸模型建立以及顯著性分析 在單因素的基礎上,通過選取放電功率(A)、處理時間(B)、氣體流量(C)等因素進行響應面Box-Behnken設計,研究其對殺菌率(Y)的影響。各組實驗設計及殺菌率結果見表6。利用Design-Expert.V8.0.6.1軟件進行設計之間的多元回歸擬合,得到以殺菌率(Y)為目標函數的二次多項回歸方程:

表6 響應面設計及結果

Y=84.83+3.83A-2.01B+0.095C-4.33AB-0.028AC-2.25BC+9.91A2-12.41B2-17.27 C2

由表7中的方差分析可知,實驗設計模型p=0.0012<0.01極顯著;失擬項p=0.0702>0.05不顯著,表明建立的二次回歸模型能有效對響應值進行預測。通過表7回歸模型系數顯著性分析結果可知,影響殺菌率(Y)的各因素按主次順序排列為:放電功率(A)>處理時間(B)>氣體流量(C),A2、B2和C2對指標影響極顯著(p<0.01),A對指標影響顯著(p<0.05),其他因素的影響均不顯著。

表7 殺菌率回歸模型方差分析

2.2.2 響應面模型交互作用 通過分析模型的響應曲面圖,如圖5～圖7所示,響應面的彎曲程度反映兩因素的交互作用對指標的影響程度,曲面越大,說明因素與變量交互越顯著;反之越弱。由此可知，三種因素的兩兩交互作用對響應值的影響不顯著。從圖5可以看出,放電功率比處理時間的曲面斜率更大,表明放電功率對殺菌率的影響更顯著。從圖6可以看出,處理時間比氣體流量的曲面斜率更大,表明處理時間對殺菌率的影響更顯著。從圖7可以看出,放電功率比氣體流量的曲面斜率更大,表明放電功率對殺菌率的影響更顯著。

圖5 放電功率和處理時間對殺菌率交互作用的響應面圖

圖6 處理時間和氣體流量對殺菌率交互作用的響應面圖

圖7 放電功率和氣體流量對殺菌率交互作用的響應面圖

2.3 驗證試驗

通過響應面優化出最優條件:放電功率450 W,處理時間52.25 s,氣體流量40.39 L/min,預測殺菌率達到99.38%。根據實際情況,校正處理時間52 s,氣體流量40 L/min。在此工藝下進行三次驗證實驗,測出殺菌率為96.34%±0.32%,與理論殺菌率相差3.04%，表明了該方程與實際擬合較好,驗證了此模型的合理性。

3 結論

本研究通過大氣等離子體冷殺菌技術對調理雞肉進行處理,表明大氣等離子體對調理雞肉表面具有良好的殺菌效果。根據實際情況選取處理工藝:滅菌功率450 W,處理時間52 s,氣體流量40 L/min。驗證實驗測得殺菌率為96.34%±0.32%。與預測值相對誤差小于5%,殺菌效果明顯。本實驗為延長調理雞肉貯藏期的研究提供前期的殺菌基礎理論,后期通過大氣等離子體殺菌處理技術結合其他保鮮技術研究貯藏期。