滾筒式催化紅外聯合保溫處理對返潮干香菇殺菌效果及品質的影響

李 婷

曲文娟1，2

吳本剛1，2

王 蓓1，2

馬海樂1，2

潘忠禮3

蔣群輝4

(1. 江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013；2. 江蘇大學食品物理加工研究院，江蘇 鎮江 212013；3. 美國加州大學戴維斯分校生物與農業工程系，美國 加州 95616；4. 鎮江美博紅外科技有限公司，江蘇 鎮江 212013)

干香菇是一種高蛋白、低脂肪的綠色食品，營養價值、藥用價值和經濟價值較高[1]。然而，干香菇組織結構疏松，富含親水性膠體成分[2]，從加工到消費環節都可能因貯藏不當吸濕返潮[2-3]。課題組前期研究[4]發現，黑曲霉(Aspergillusniger)作為一種常見的濕生性腐生致霉菌，很容易污染返潮干香菇，導致香菇霉菌含量超標、品質劣變、質量等級下降、甚至喪失食用價值。干香菇一旦霉變可能產生具有腎毒性和致癌性的赭曲霉毒素A(OTA)[5]。

現階段，高溫蒸汽、熏蒸、60Co輻照是工業上應用最廣泛的殺菌技術[6-7]，然而，這些技術不同程度地存在能耗高、不環保、品質差、食用安全隱患等局限性[7-10]。近年來，催化式紅外輻射(CIR)作為一種優質的新型熱殺菌技術，以天然氣為主要熱源，加熱過程中僅產生少量的水蒸氣和二氧化碳，具有能量利用率高、節能環保、成本低等優點[11-13]，在食品殺菌領域備受關注。它是在鉑、鈀等催化劑的作用下，由空氣與天然氣在輻射板表面發生氧化反應產生的波長在3.3～8.0 μm的電磁波形式的熱輻射[13]，加熱效率高，可使物料表面瞬時達到高溫，使得物料表面微生物的DNA、RNA、核糖體、蛋白質、細胞膜等結構被破壞[14-15]，從而達到殺菌目的。盡管國內外已有一些采用催化式紅外進行農副產品殺菌的報道[15-19]，但都是建立在靜態殺菌基礎上的，還未見采用滾筒式催化紅外設備開展返潮干香菇殺菌研究的相關報道。

研究擬在實驗室前期研究的基礎上，采用滾筒式催化紅外設備研究不同殺菌溫度下紅外聯合保溫熱處理對黑曲霉含量超標返潮干香菇殺菌的可行性，分析殺菌動力學特性，考察同步干燥效果，并對不同殺菌條件處理后香菇的品質進行評價，以期為催化式紅外聯合保溫熱處理殺菌技術在返潮干香菇殺菌的工業化應用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

椴木干冬菇：申香215，濕基含水率為(9.79±0.20)%，湖北十堰伏龍山綠色食品開發有限公司(同一批次)；

黑曲霉菌株(AspergillusnigerNG_065763.1)：實驗室前期于霉變干香菇上分離純化，并采用18S rDNA全序列分析鑒定。

1.2 主要儀器設備

滾筒式催化紅外設備(見圖1)：江蘇大學自制；

商用電子臺枰：K-FINE型，浙江凱豐集團有限公司；

高壓蒸汽滅菌鍋：HVE-50型，日本Hirayama公司；

拍擊式無菌均質器：LC-PJ-400M型，上海力辰邦西儀器科技有限公司；

非接觸式手持紅外測溫儀：AS872B型，香港?，攦x表設備公司；

高精度色差儀：SC-10型，深圳三恩馳科技有限公司；

電子鼻傳感器：PEN3型，德國AIRSENSE公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 返潮干香菇制備 試驗挑選無病害、無機械損傷、菇體完整、厚度均勻[(1.22±0.23) cm]、大小相近[直徑為(3.61±0.31) cm]、菌蓋圓平、色澤自然的香菇為試驗材料。根據前期試驗所測自然霉變干香菇濕基水分含量(16.1%～21.5%)，將原料干香菇紫外滅菌20 min，然后以其質量為基數，加入不同比例的無菌水，密封于無菌均質袋中于(4±1) ℃下保存5 d以平衡樣品水分[20]。采用直接干燥法[21]測定樣品水分含量，最終得到初始濕基水分含量(IMC)分別為(16.0±0.5)%，(18.1±0.9)%，(21.4±0.4)%的“返潮干香菇”樣品。每次試驗前，將樣品取出于(25±1) ℃放置4 h以平衡樣品溫度。

1.3.2 返潮干香菇染菌 按m香菇∶V懸液=20∶1 (g/mL)的比例，將孢子數為108CFU/mL的對數生長期(培養96 h)黑曲霉孢子懸液均勻噴灑至不同初始濕基含水率返潮干香菇樣品上，得到霉菌含量超標的返潮干香菇樣品，將染菌樣品單層平鋪于無菌平皿內，置于超凈工作臺，于(25±1) ℃干燥4 h，使樣品初始水分含量與染菌前一致。

1、2. 催化式紅外發生器(1 800 mm ×480 mm×40 mm) 3. 空氣泵 4. 機架 5. 滾筒轉動電機 6. 電器控制箱 7. 進料料斗 8. 滾筒干燥室(Φ 1 000 mm×4 000 mm) 9. 支撐軸 10. 滾筒干燥室內壁擋板 11. 出料料斗 12. 溫度傳感器 13. 紅外板距調整裝置 14. 滾筒干燥室外壁 15. 燃氣管道 16. 傳動齒輪 17. 燃氣壓力表 18. 燃氣調節閥門

1.3.3 滾筒式催化紅外聯合保溫熱處理殺菌試驗 根據課題組前期研究結果所得，調節催化式紅外輻射距離至25 cm、調節催化式紅外輻射溫度至350 ℃，選取3個殺菌溫度(60，70，80 ℃)進行殺菌試驗。通過前期預試驗，初始水分含量為16.0%，18.1%，21.4%返潮干香菇達到各目標殺菌溫度所需的滾筒轉速、紅外處理時間、進料速度見表1。根據表1，不同初始水分含量返潮干香菇經滾筒式催化紅外加熱至各目標溫度后立即密封于無菌均質袋中，并迅速轉移至恒溫烘箱于各自溫度下進行保溫殺菌處理。試驗中每個保溫處理結束后，立即將香菇樣品從無菌均質袋中取出，單層平鋪于無菌環境下自然冷卻，直至香菇溫度與室溫相差小于2 ℃時對樣品稱重并進行菌落計數，同時收集各殺菌溫度下滾筒式催化紅外出料時的樣品進行稱重和菌落計數。

《干香菇輻照殺蟲防霉工藝》[22]規定，干香菇輻照后霉菌數<100 CFU/g即達到合格標準。為了研究一種有效的可應用性的返潮干香菇殺菌方法，將最低殺菌要求設霉菌總數<2 lg(CFU/g)。

1.3.4 霉菌總數測定 采用平板計數法[23]。

1.3.5 殺菌動力學建模 選用Log-Linear+Tail模型[24]對不同殺菌溫度下滾筒式催化紅外殺菌處理后保溫熱處理對返潮干香菇中黑曲霉的殺菌動力學進行擬合。該模型的數學表達式：

N=(N0-Nres)×exp(-kmax×t)+Nres，

(1)

換位后式(1)兩邊同時取對數，得：

(2)

式中：

N——殺菌t時刻樣品中存活的黑曲霉總數，CFU/g；

表1 不同溫度下紅外殺菌階段的工藝參數

N0——殺菌前返潮干香菇樣品中的黑曲霉總數，CFU/g；

Nres——抗逆穩定孢子數，CFU/g；

kmax——單位時間的最大失活速率，min-1；

t——殺菌處理時間，min。

(3)

式中：

D——指數遞減時間(表示滅活90%微生物所需時間)，min；

kmax——單位時間的最大失活速率，min-1。

選用精確因子(Af)、偏差因子(Bf)、擬合指數(R2)和均方根誤差(RMSE)4個參數對模型擬合效果進行評價[25]。其中Af用來評價模型的精確度，Af值越接近1則表明模型越精確；Bf和R2用來評價模型的擬合度，Bf值越接近1、R2值越大則表明模型擬合度越高；RMSE用來評價模型的可靠度，RMSE越小則表明模型可靠度越高。Af、Bf和RMSE的計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：

Af——精確因子；

Bf——偏差因子；

SRME——均方根誤差；

p——預測值；

a——實測值；

n——實測值的數目。

1.3.6 殺菌同步干燥試驗 采用直接干燥法[21]測定殺菌處理前返潮干香菇樣品、紅外加熱至不同溫度時香菇樣品和紅外加熱至不同溫度后于各自溫度下保溫不同時間并自然冷卻處理后香菇樣品的水分含量，并根據式(7)計算紅外階段和自然冷卻處理后的水分損失百分比。

MR=Mt-Mi，

(7)

式中：

MR——水分損失百分比，%；

Mt——香菇在t時刻的濕基水分含量，%;

Mi——返潮干香菇初始濕基水分含量，%。

1.3.7 品質評價指標測定

(1) 顏色：使用SC-10型色差儀測定殺菌前、后香菇表面顏色，采用CIE-L*a*b*系統[13]表示樣品的色值。由于不同香菇個體表面不同部位顏色差異較大，為了保證測量的準確性，每朵香菇至少測定10次，最后取L*(亮度)、a*(紅色/綠色)和b*(黃色/藍色)值的平均值記為每個測試組香菇的表面色值[26]，色澤變化根據式(8)計算。

(8)

式中：

ΔE——色澤變化；

L*、a*、b*——殺菌后香菇色值。

(2) 香氣：使用具有10個MOS傳感器的PEN3型電子鼻對殺菌前、后香菇樣品的香氣變化進行分析。分析條件[27]：空氣為載氣，流速為150 mL/min，注射速度為2.5 mL/s，數據采集時間為360 s，數據采集延遲時間為120 s。

(3) 復水比：分別稱取不同殺菌溫度下香菇樣品于室溫(25 ℃)水中進行復水性試驗，待樣品質量不變時取出，拭干其表面水分后稱重，以復水比反映香菇復水性的高低[28]。復水比根據式(9)計算。

(9)

式中：

RR——復水比；

mm——復水后香菇的質量，g；

m0——復水前香菇的質量，g。

1.4 數據統計

所有試驗至少做3次不同批次的重復試驗，所得數據以“平均值±標準偏差”的形式表示。采用SPSS 22.0中的Duncan檢驗對試驗數據進行顯著性差異分析(P<0.05)，采用Ginafit 1.6進行動力學分析。

2 結果與分析

2.1 聯合處理工藝下返潮干香菇的殺菌效果

由圖2可知，返潮干香菇經滾筒催化紅外處理后霉菌總數顯著降低(P<0.05)，在隨后的保溫過程中，保溫前期，殺菌效果較強，黑曲霉總數隨保溫時間迅速降低，當保溫時間繼續延長，殺菌效果逐漸減弱，霉菌總數下降幅度逐漸減緩。殺菌過程中，香菇初始水分含量和溫度顯著影響(P<0.05)殺菌效果。初始水分含量為16.0%～21.4%的返潮干香菇達到霉菌總數<2 lg(CFU/g)的殺菌要求，60 ℃下需保溫50～80 min，70 ℃下保溫時間降至30～60 min，80 ℃下僅需保溫20～50 min，表明香菇初始水分含量和殺菌溫度越高，殺菌效果越好，殺菌效率越高。這可能是因為微生物的熱抗性會隨水分活度的升高而降低[29]，因此紅外保溫處理對較高初始水分含量返潮干香菇中黑曲霉殺菌效果更強。張鑫等[16]研究也證實在較高的濕度和溫度條件下紅外保溫處理能更好地滅活脫水菠菜中的細菌。

綜上，采用滾筒催化紅外聯合保溫熱處理可在較低的溫度下有效滅活返潮干香菇中的黑曲霉。這得益于催化式紅外可快速提高香菇表面溫度，減少孢子的耐受時間，從而降低孢子在后續保溫過程中的熱抗性，易于被滅活[17]。此外，返潮干香菇經催化式紅外加熱處理后，立即進行保溫熱處理，可形成一個高溫高濕的環境，有利于霉菌孢子蛋白質凝結沉淀致使其死亡[19]。

字母不同表示在水平P<0.05時存在顯著性差異

2.2 聯合處理工藝下返潮干香菇殺菌動力學分析

由圖3可知，各溫度下的擬合曲線與霉菌對數存活率的實測值均具有較高吻合度。由圖4可知，模型預測值與實測值接近程度很高。分析擬合曲線特征發現，在保溫前期黑曲霉均呈線性失活，隨著保溫時間的延長，孢子下降輻度趨于平緩，出現明顯的“拖尾”現象，且出現“拖尾”現象的時間隨殺菌溫度和香菇初始水分含量的升高而縮短。

圖3 Log-Linear+Tail模型擬合不同溫度下返潮干香菇中黑曲霉在保溫階段的失活曲線

圖4 不同溫度下保溫熱處理對返潮干香菇中黑曲霉殺菌效果的實測值和預測值的相關性

表2模型評價參數顯示，不同溫度下Log-Linear+Tail模型的Af值均接近1，Bf值均在1左右波動，R2值在0.98以上，RMSE值小于0.86，表明Log-Linear+Tail模型能很好地擬合不同殺菌溫度下不同初始水分含量干香菇中黑曲霉在保溫階段的失活動力學曲線。Wang等[19]利用催化式紅外聯合保溫處理對稻谷中黃曲霉殺菌也發現，Log-Linear+Tail模型具有較高的擬合度。模型參數kmax能夠量化殺菌工藝參數對殺菌效果的影響。由表2可知，kmax隨香菇初始水分含量和殺菌溫度的升高而增大，對應的D值隨香菇初始水分含量和殺菌溫度的升高而減小，進一步說明殺菌效果隨水分含量和殺菌溫度升高而增強。

表2 不同溫度下返潮干香菇中黑曲霉在保溫階段的失活動力學模型參數?

2.3 聯合處理工藝對返潮干香菇干燥效果的影響

由圖5可知，不同初始水分含量返潮干香菇的水分損失百分比隨殺菌溫度的升高而增大。當溫度為60 ℃時，聯合處理可去除香菇2.2%～4.0%的水分；當溫度為70 ℃時，聯合處理可去除香菇3.3%～5.1%的水分；當溫度為80 ℃時，聯合處理可去除香菇4.3%～6.0%的水分。由此得出，聯合處理對返潮干香菇具有顯著的干燥效果，且殺菌溫度越高，干燥效果越好。這可能是因為溫度升高，可加快香菇中水分遷移的速率，因此干燥效果越好[20]。對同一溫度條件下不同初始水分含量返潮干香菇的水分損失百分比進行分析，發現香菇初始水分含量越高，達到殺菌要求時水分損失比越大。這可能是因為初始水分含量高的香菇其自由水含量相對較多，因此水分損失量較高。Pan等[30]的研究結論也證實紅外保溫處理過程中稻谷水分的損失量隨稻谷水分含量和溫度的升高而增加。

綜上，采用滾筒式催化紅外聯合保溫處理和自然冷卻處理對返潮干香菇殺菌，可實現同步干燥。

2.4 聯合處理工藝對返潮干香菇色澤的影響

由表3可知，不同初始水分含量返潮干香菇達到殺菌要求時L*值無明顯變化、a*和b*略有減小，但與殺菌前相比均無顯著性差異(P>0.05)，表明催化紅外聯合保溫熱處理殺菌對返潮干香菇色澤影響較小。將60，70，80 ℃下的香菇色澤進行比較，發現各初始水分含量返潮干香菇在3個殺菌溫度下的色澤(L*、a*、b*)和色澤變化(ΔΕ)無顯著性差異(P>0.05)，整體來看，70 ℃下色澤變化相對較小。綜上，在保證殺菌合格的前提下，70 ℃下采用滾筒催化紅外聯合保溫熱處理殺菌可獲得色澤較好的香菇產品。

2.5 聯合處理工藝對返潮干香菇香氣的影響

由圖6可知，不同初始水分含量返潮干香菇經殺菌處理后W5S、W2W、W2S、W1W和W1S傳感器響應值均顯著升高，其中80 ℃下響應值最大，70 ℃次之，60 ℃最小，表明紅外聯合保溫熱處理殺菌可同步增強香菇的香味，溫度越高，香菇產品香味越濃郁。這主要歸因于殺菌過程中發生的美拉德反應，使得香菇中具有特征風味的含硫化合物、醇類、呋喃類等香味成分含量增加，從而賦予香菇特殊的香甜氣息[31]。

由圖7可知，各水分含量下的總貢獻率均在85%以上，且第一主成分的貢獻率遠高于第二主成分，說明兩主成分可有效解釋各香菇產品的總體氣味特征，與未處理返潮干香菇相比，殺菌后香菇的風味物質變化主要體現在第一組分的變化。各水分含量下，不同樣品的氣味散點圖被很好地區分開，表明不同樣品之間的氣味存在顯著差異，其中60 ℃下香菇氣味與未處理返潮干香菇差異較70 ℃和80 ℃小。

圖5 不同溫度聯合處理不同初始水分返潮干香菇的水分損失百分比

2.6 聯合處理工藝對返潮干香菇復水性的影響

由表4可知，各初始水分含量香菇產品在60 ℃和70 ℃下的復水比無顯著性差異(P>0.05)，但均顯著高于(P<0.05)80 ℃下的，表明在保證殺菌合格的前提下，60 ℃和70 ℃下采用催化式紅外聯合保溫熱處理對返潮干香菇殺菌可獲得復水性較好的香菇產品。80 ℃下香菇產品的復水性較差可能是因為溫度高，返潮干香菇達到目標溫度所需的滾筒轉速低，紅外處理時間長，香菇內部細胞的細胞壁滲透性被破壞，導致其再吸水的能力降低[32]，且高溫會破壞香菇中的親水物質，導致其親水性能下降[33]。

表3 不同溫度下聯合處理工藝對返潮干香菇色澤的影響?

W1C. 芳香成分和苯類 W5S. 氮氧化合物 W3C. 芳香成分和氨類 W6S. 氫化物 W5C. 短鏈烷烴芳香成分 W1S. 甲基類 W1W. 硫化物 W2S. 醇類和醛酮類 W2W. 芳香成分和有機硫化物 W3S. 長鏈烷烴

圖7 不同溫度聯合處理工藝下返潮干香菇揮發性成分的主成分分析

表4 不同溫度下聯合處理工藝對返潮干香菇復水性的影響?

3 結論

采用滾筒式催化紅外聯合60～80 ℃下的保溫熱處理對霉菌含量超標的返潮干香菇進行殺菌，可以達到工業上輻照殺菌的要求，并實現同步干燥。采用Log-linear+Tail模型能很好地描述不同溫度條件下保溫熱處理對返潮干香菇中黑曲霉的殺菌動力學特征，根據模型參數kmax可預測霉菌總數降低一定數量級所需的時間，為實際生產操作和控制提供參考。綜合殺菌時間和香菇品質，推薦滾筒式催化紅外70 ℃處理10.8～15.2 min(進料速度38～50 kg/h)，后續70 ℃保溫30～60 min為最適殺菌工藝條件，在此條件下，香菇色澤變化較小、香氣較濃郁、復水性較好。研究結果證實滾筒式催化紅外聯合保溫熱處理是一種適用于返潮干香菇殺菌的高效保質殺菌技術，應用前景廣闊，工業化推廣價值較高。后續可對能耗指標進行分析，進一步展示聯合處理技術的優越性。