軟包裝三文魚片的微波殺菌工藝

胡蕾琪，郭長凱，欒東磊*

1(上海海洋大學食品熱加工工程技術中心，上海，201306) 2(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)

三文魚(salmon)，學名鮭魚，屬硬骨魚綱，鮭形目，鮭科，肉質細嫩，營養豐富，含有多種不飽和脂肪酸[1-2]。生食三文魚是最營養的食用方法，但是其自身容易受到微生物污染[3]。隨著生活節奏的加快，消費者更加重視高品質、長貨架期的方便食品[4]。長貨架期的方便食品必須經過殺菌處理，以保證食品的安全性。傳統的三文魚罐頭產品采用高溫蒸汽殺菌，長時間的高溫處理會對三文魚中熱敏感性物質、營養成分造成很大損害[5]，以至于三文魚的風味、色澤、質地都會有不同程度的下降，從而影響產品的外觀及口感[6]。對比傳統的罐頭產品，軟包裝產品具有傳熱快，攜帶方便的優點，在縮短殺菌時間的同時，還能夠較長時間保持食品風味[7]。

目前工業生產上用于食品的殺菌技術大都是利用熱水和蒸汽加熱，較低的傳熱速率導致較長的殺菌時間，使得食品的加熱處理過度，從而對食品品質有所影響。近年來，研究者一直致力于研究新的殺菌方式應用于工業化生產。其中微波殺菌是唯一獲得美國食品藥品監管局(Food and Drug Administration, FDA)許可的可以用于長貨架期食品工業化生產的殺菌技術[8]。微波殺菌基于微波的熱效應和非熱效應，利用微波的穿透性能，使食品內部物料快速升溫，在短時間內殺滅微生物，達到殺菌效果[9]。對比傳統的殺菌方式，微波加熱速度快，可以降低加熱時間，提高產品品質。

和傳統殺菌相同，微波殺菌也需要保證食品冷點位置達到工業殺菌的要求。傳統殺菌的冷點位置一般位于食品的幾何中心，而微波殺菌產品的冷點位置受電場強度影響，冷點位置就是電場強度低的位置[8]。因此要進行微波殺菌工藝的研發，首先要保證微波加熱食品的溫度分布是穩定且可重復的。然后確定該食品的冷點位置并記錄冷點位置的時間-溫度曲線，以此計算目標微生物的致死率，保證殺菌工藝的安全性。最后對該殺菌工藝進行微生物驗證。本文以上海海洋大學自主研發的896 MHz，75 kW的單模微波殺菌系統為平臺，研發軟包裝三文魚片的微波殺菌工藝，以此建立微波殺菌的工藝研發流程，為相關產品的工藝研發提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷凍大西洋三文魚(Salmosalar)，原產國智利，美威(水產)上海有限公司。濃縮乳清蛋白粉，南京高溯生物科技有限公司；無水CaCl2，上海麥克林生化科技有限公司；D-核糖、L-賴氨酸，北京百靈威科技有限公司；生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)，廣東環凱微生物科技有限公司；硫乙醇酸鹽流體培養基，上海盛思生化科技有限公司。

Key SIGHT E5071C矢量網絡分析儀，是德科技(中國)有限公司；PICOVACQ/1TC形無線溫度傳感器，法國TMI-ORION公司；HENKELMAN Jumbo 35形真空包裝機，荷蘭HENKELMAN公司； FLIR T420紅外熱像儀，美國菲力爾公司；896 MHz，75 kW工業微波殺菌系統，上海海洋大學自主研發設計；Systec HX-320形柜式滅菌器，賽斯太克(上海)貿易有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 介電特性的測量

介電特性影響微波加熱后食品的溫度分布[5]，本文所用的介電特性測量系統如圖1所示，主要由矢量網絡分析儀、同軸電纜、同軸探頭、樣品測試腔、熱電偶、數顯溫度計、循環油浴系統組成。

圖1 介電特性測量系統Fig.1 Measurement system for dielectric properties

試驗前半小時打開矢量網絡分析儀進行預熱，選擇開放式同軸探頭技術作為測量方法[10]，相關參數設置如下：測量頻率范圍為300～3 000 MHz，頻率間隔為5 MHz；測量溫度范圍為20～120 ℃，溫度間隔為10 ℃。安裝開放式同軸探頭并依次用空氣、金屬短柱、去離子水進行校準，將樣品裝入測試腔內并利用熱電偶跟蹤測量實時溫度，之后將開放式同軸探頭與裝有樣品的測試腔連接，利用循環油浴調節測試腔內溫度，進而測定不同頻率、溫度下樣品的介電常數及介電損耗。

1.2.2 三文魚模擬食品的研發

在微波殺菌過程中，只能用紅外熱成像儀觀察到三文魚表面的溫度，或利用熱電偶測量內部有限個數的溫度值，沒有辦法得到完整的溫度場[11]，而利用與三文魚介電特性相似的模擬食品，結合化學標記法可得到模擬食品內部完整的溫度分布[12]。模擬食品的制作方法在ZHANG等[13]和WANG等[14]的基礎上加以改進和優化，以乳清蛋白粉為主要實驗原料，通過調整乳清蛋白粉、CaCl2、D-核糖和L-賴氨酸的成分配比，使得制作的乳清蛋白模擬食品與三文魚的介電特性相匹配。

1.2.3 冷點位置的確定和熱處理程度的計算

微波殺菌中，冷點位置一般位于電場強度最弱的位置，且食品的介電特性對電場分布影響較大，為了確定微波加熱的冷點位置，化學標記法與計算機視覺系統相結合是最有效的方法。化學標記法的原理：還原糖和氨基酸在高溫下發生美拉德反應，生成棕色的產物，溫度越高、加熱時間越長，反應生成物越多、顏色越深[15]，該反應不可逆，可以記錄微波加熱的處理程度。以模擬食品作為化學標記法的載體，進行微波殺菌處理，將處理后的模擬食品用相機拍照，照片經MATLAB軟件處理轉換成偽彩圖找到模擬食品具體的冷點位置，并用無線溫度記錄儀記錄時間-溫度曲線，確定食品的冷點位置。

檢測結果顯示，殺菌前三文魚的菌落總數為3.1×103CFU/g。歐洲冷凍食品聯合會及FDA[16-17]認為，魚類產品在F90=10 min的熱處理程度下可以達到巴氏殺菌效果，此時目標微生物肉毒梭狀芽孢桿菌的數量可以減少6個對數值。因此，在這種熱處理程度下就可以殺滅三文魚中的目標微生物。在本殺菌工藝中，將無線金屬溫度傳感器[18-19]插入三文魚的冷點位置，以記錄溫度曲線，并計算熱致死值F[20]，以F90=10 min為殺菌目標，進一步設計微波殺菌三文魚片的工藝條件。

1.2.4 微波殺菌工藝參數的確定

為保證本實驗設計的微波殺菌處理程度達到目標殺菌程度，需要通過實驗調整微波殺菌系統的工藝參數(功率、時間、溫度)。微波殺菌主要包括微波加熱、保溫、冷卻3個階段。首先需要調節傳送帶的速度，控制微波加熱時間，以達到目標殺菌溫度；其次控制保溫時間，以達到F90=10 min的目標殺菌程度；最后對殺菌后的樣品進行冷卻處理。

在確定了微波殺菌的工藝參數后，以同樣的殺菌程度為目標，進行傳統的蒸汽殺菌實驗，與微波殺菌進行對比。傳統殺菌處理在柜式滅菌器中進行，包括升溫、恒溫以及降溫3個階段，通過調節殺菌的溫度和時間，達到和微波殺菌相同的殺菌程度。

1.2.5 微生物驗證

在殺菌工藝確定之后，需要對其進行微生驗證。參照TANG[21]的研究結果，以生孢梭菌PA 3679作為肉毒梭狀芽孢桿菌的替代菌進行微生物驗證。在三文魚的冷點位置接種生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)，根據初步測試的微波殺菌參數對三文魚進行殺菌處理。用無菌生理鹽水稀釋處理冷點周圍的三文魚肉，吸取樣品稀釋液，傾注硫乙醇酸鹽流體培養基，在36 ℃恒溫培養箱中培養24 h后計數。計算殺菌后生孢梭菌降低的數量級。

2 結果與分析

2.1 基于三文魚介電特性的模擬食品的研發

在微波殺菌過程中，食品的介電特性是影響微波加熱冷熱點分布的重要因素，因此模擬食品的研發最重要的就是和食品的介電特性相匹配。經實驗確定：乳清蛋白粉質量濃度(下同)為100 g/L，D-核糖為10 g/L，L-賴氨酸為10 g/L，無水CaCl2為2 g/L時，在頻率為896 MHz，溫度范圍20～120 ℃內乳清蛋白模擬食品的介電常數及介電損耗與三文魚接近。896 MHz下三文魚與模擬食品介電常數、介電損耗在20～120 ℃溫度范圍內的對比如圖2所示。

圖2 三文魚與乳清蛋白模擬食品介電特性擬合Fig.2 Comparison of dielectric properties of whey proteinmodel food and salmon

由圖2可知，在實驗確定的模擬食品成分配比下，三文魚和模擬食品的介電特性匹配度較高，可作為化學標記法的載體，分析溫度分布確定冷點位置。

2.2 冷點位置的時間-溫度曲線

經微波處理后，將模擬食品沿厚度方向從中間切開，在光照良好的條件下拍攝模擬食品的圖片，利用MATLAB軟件處理圖片，將圖片轉換為偽彩圖。圖3分別為乳清蛋白模擬食品原圖(圖3-a)、微波加熱后模擬食品圖(圖3-b)以及處理后模擬食品的偽彩圖(圖3-c)。未經處理的模擬食品顏色為淡黃色，經微波處理后，模擬食品由于發生美拉德反應變為棕褐色，轉換成偽彩圖后圖片色彩對比鮮明，圖3-c中圈出來的部分是模擬食品的冷點位置。

a-未處理模擬食品;b-微波處理后模擬食品;c-模擬食品的偽彩圖圖3 模擬食品的熱形圖和冷點位置Fig.3 Heating pattern and cold spot of model food

模擬食品經微波加熱得到重復性較好的溫度曲線后，在三文魚同樣的冷點位置插入溫度傳感器，記錄經微波殺菌過程中的時間-溫度曲線。以此計算出微波殺菌的熱處理程度。圖4是在冷點位置插入無線溫度傳感器的模擬食品和三文魚。

圖4 冷點位置插入無線溫度傳感器的模擬食品和三文魚Fig.4 Model food and salmon fillet with sensor at cold spot

2.3 殺菌工藝參數和微生物驗證

本實驗所用微波殺菌系統的凈功率為8 kW，在這個功率下進行實驗，多次調整加熱的時間后得出，微波加熱3 min時，三文魚冷點的溫度達到了90 ℃，即達到了目標殺菌的溫度。在95 ℃的水中保溫5 min后，通過測量冷點位置的時間-溫度曲線，計算得出該工藝的實際熱處理程度為F90=11.5 min，達到了目標殺菌程度。

在確定的殺菌工藝下，接種生孢梭菌在三文魚的冷點位置，微波殺菌前，生孢梭菌的數量為3.4×108CFU/g，殺菌處理后生孢梭菌的數量為2.1×10 CFU/g，微波殺菌處理后生孢梭菌的數量級下降了7個，遠大于三文魚中的原始菌落數，證明此微波殺菌工藝可以保證軟包裝三文魚片的微生物安全。

2.4 與傳統殺菌工藝的對比

將無線溫度傳感器插入三文魚的幾何中心記錄時間-溫度曲線。參照AWUAH等[20]的研究，計算熱致死值F和蒸煮值C，微波殺菌與傳統殺菌的工藝參數對比如表1所示。

表1 兩種殺菌處理的工藝參數Table 1 Parameters of two processing treatments.

通過殺菌的時間-溫度曲線計算2種殺菌處理的實際F90均為11.5 min，在同樣的F值下，微波殺菌大幅降低了殺菌時間，說明微波可以在較短的時間內殺滅三文魚中的微生物。微波殺菌的蒸煮值(4.3 min)也小于傳統殺菌(6.3 min)，由此可以得出，在同樣的殺菌程度下，微波殺菌能更好地保留三文魚的品質。

微波殺菌和傳統殺菌的微生物驗證結果對比如表2所示。微波殺菌和傳統殺菌處理后生孢梭菌的數量級分別下降了7個和6個，2種殺菌方式都可以有效地減少三文魚中接種的生孢梭菌的數量，且都達到巴氏殺菌的要求。在同樣的殺菌程度下，微波殺菌對于生孢梭菌的致死率要高于傳統殺菌，微波殺菌的高致死率可能源于微波場對微生物的非熱效應。

表2 微生物驗證結果Table 2 Results of microbiological verification

3 結論

本文研發了軟包裝三文魚片的微波巴氏殺菌工藝，并以此建立了微波殺菌的工藝研發流程。微波殺菌工藝研發需遵循以下流程：首先用與殺菌食品介電特性相同的模擬食品作為化學標記法的載體，以此確定微波殺菌的冷點位置，并記錄冷點位置的時間-溫度曲線；之后通過該曲線計算目標微生物的致死率，根據目標殺菌程度確定微波殺菌工藝參數；最后對該殺菌工藝進行微生物驗證。

研究獲得的三文魚微波殺菌工藝參數為：微波殺菌凈功率8 kW，微波加熱時間3 min，保溫時間5 min，達到的殺菌程度為F90=11.5 min。微生物驗證結果表明，經該微波殺菌處理后，三文魚中接種的生孢梭菌的數量級降低了7個，達到了殺菌要求。該研究為其他微波殺菌產品的工藝研發提供了指導方向。與傳統殺菌相比，在同樣的殺菌程度下，微波殺菌大幅減少了殺菌時間，更好的保留了三文魚的品質。此外，微波殺菌對微生物的致死效果要優于傳統殺菌，這可能源于微波場的非熱效應。