酸性氧化電位水處理對鮮參切片的殺菌效果及色澤的影響

徐艷陽，魯海玲，陳云潔，查宏曉

（吉林大學食品科學與工程學院，吉林長春 130062）

人參（Panax ginsengC.A.Meyer）是五加科（Araliaceae）人參屬多年生草本植物的根和根莖，其根為紡錘形或圓柱形，是我國傳統名貴的中藥材，被譽為“百草之王”[1]。人參的生長對氣候條件要求較嚴格，世界只有少部分地區適合種植人參。長白山區屬于溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫-7～3 ℃，降水量700～1400 mm，特別適宜人參生長，是其道地產區。吉林省長白山人參的產量占全國總產量的85%、世界總產量的70%[2]。2012年人參（人工種植5年及5年以下）被列為新資源食品，為吉林省人參產業的跨越式發展提供了新契機。人參的收獲和加工季節性很強，鮮參采收后不耐儲藏，極易出現“燒熱”、“跑漿”、發霉、黑腐、軟化等現象，由于保鮮技術落后以及冷藏鏈建設的不完善，導致損失率可達25%～30%。因此研究開發新型保鮮技術尤為必要。

殺菌是食品加工中的重要操作單元。在傳統的熱殺菌技術基礎上，現代非熱殺菌技術已經成為研究的熱點，如超高壓、輻照、超聲波、脈沖強光技術及酸性電解水殺菌技術等[3-5]。其中酸性電解水殺菌技術是20世紀80年代日本首先研制的，我國于1994年引進。酸性電解水（Acidic Electrolyzed Water，AEW）是電解氯化鈉和（或）鹽酸水溶液后，生成以次氯酸為主要殺菌成分的酸性水溶液[6]，分為酸性氧化電位水（Acidic Electrolyzed-Oxidizing Water，AEOW）和微酸性電解水（Slightly Acidic Electrolyzed Water，SAEW），pH分別為 2.0～3.0、5.0～6.5。酸性電解水因能夠有效殺滅微生物[7]；生產中無有害化學物質，使用無殘留[8]；對多種酶有抑制作用[9]；以及生產成本相對便宜、便于工業化應用[10]等優點，已被用于食品加工[11-15]、醫療器械、公共環境衛生等行業的清洗殺菌[16-17]。

近年來，酸性電解水在生鮮果蔬殺菌方面有一定的應用。如Keatsirirote[18]、Liu等[19-23]分別用酸性電解水對鮮姜黃、西蘭花、豆芽、橘柚、余甘子、鮮切積雪草葉進行殺菌研究；另外，Zhao[24]、Song[25]、Saravanakumar等[26-28]應用微酸性電解水處理了鮮切獼猴桃、卷心菜、甜椒、野生菌和萵苣等果蔬，結果均表明酸性電解水在殺滅微生物、延緩果蔬腐敗的同時，對果蔬中的營養物質含量無顯著影響。鑒于人參產業的保鮮技術需求，以及目前未見酸性氧化電位水在人參殺菌保鮮加工方面的研究，因此，本文以長白山人參為研究對象，應用酸性氧化電位水進行殺菌，探討其對鮮切參片的處理工藝條件及顏色的影響，以期為酸性氧化電位水在人參保鮮加工中的應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

三年生鮮人參 每支人參重量約為30～50 g，琿春華瑞參業生物工程股份有限公司；胰蛋白胨、酵母浸粉 均為生物制劑，北京奧博星生物技術有限責任公司；檸檬酸、乳酸、葡萄糖、磷酸二氫鉀 均為分析純，北京化工廠；瓊脂粉 生物制劑，廣州塞國生物科技有限公司；二氧化氯泡騰片 濰坊市佰特消毒劑有限責任公司。

ZS-AEOW-1500酸性氧化電位水生成器 長春云衛科技有限公司；SX721 pH/ORP測量儀 上海三信儀表廠；AL104型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；BXM-30R立式壓力蒸汽滅菌器、HPX-9272數顯電熱培養箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；SW-CJ-1FD潔凈工作臺 蘇州安泰空氣技術有限公司；VOSHIN-800R無菌均質器 無錫沃信儀器有限公司；CR-400色差計 深圳市三恩時科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 酸性氧化電位水（AEOW）的制備 應用酸性氧化電位水生成器電解飽和氯化鈉溶液15 min，制得酸性氧化電位水。其主要理化指標包括有效氯含量（Available Chlorine Concentration，ACC）為 61.3～66.7 mg/L、pH為2.43～2.58和氧化還原電位（Oxidation Reduction Potential，ORP）為 1134～1183 mV。其中pH和ORP由pH/ORP測定儀測得；ACC采用碘量法進行測定[29]，測定過程為：準確量取10.0 mL酸性氧化電位水，置于250 mL碘量瓶中，加入2 moL/L硫酸溶液10 mL，100 g/L碘化鉀溶液10 mL，此時溶液出現棕色。蓋上蓋并振搖搖勻，并加數滴蒸餾水于碘量瓶蓋緣，置暗處5 min。打開蓋，讓蓋緣蒸餾水流入瓶內。用硫代硫酸鈉溶液（1 moL/L）滴定游離碘，邊滴邊搖勻，待溶液呈現淺黃色時加入5 g/L淀粉指示劑10滴，溶液立即變藍色，繼續滴定至藍色消失，即為滴定終點。記錄消耗的硫代硫酸鈉溶液總量，并將滴定結果用空白試驗校正。1 moL/L硫代硫酸鈉標準溶液1 mL相當于0.03545 g有效氯，按下面公式計算有效氯含量。

式中：X為有效氯含量，mg/L；C為硫代硫酸鈉標準滴定溶液的濃度，moL/L；V1為滴定消耗硫代硫酸鈉溶液體積（減空白），mL；V2為碘量瓶中酸性氧化電位水的體積，mL。

1.2.2 液體培養基的制備 分別稱取胰蛋白胨5.0 g、酵母浸粉2.5 g、葡萄糖1.0 g，加入1000 mL蒸餾水溶解，混勻后用1.0 mol/L的氫氧化鈉溶液調節pH至 7.0±0.2，于 121 ℃ 高壓滅菌 20 min，備用。

1.2.3 菌懸液的制備 稱取25.0 g鮮人參置于盛有225 mL磷酸鹽緩沖溶液的無菌均質袋中，均質3 min，制成1:10的樣品勻液。然后吸取25 mL 1:10的樣品勻液于盛有225 mL液體培養基的錐形瓶中，在(36±1) ℃、120 r·min-1條件下進行搖床培養 48 h。取培養液5 mL于盛有一定體積磷酸鹽緩沖溶液的錐形瓶中混勻，即為菌懸液，其濃度為8～9 lg CFU·mL-1。

1.2.4 鮮參切片的染菌 鮮參用自來水清洗，在超凈工作臺內瀝干，切成1.0～1.5 mm鮮參切片，在80 ℃熱水中漂燙1 min，迅速冷卻至室溫，按鮮參切片:菌懸液=1:3 g/mL浸泡20 min后，取出鮮參切片靜置1 h，鮮參切片菌落總數控制在 7～8 lg CFU·g-1。

1.2.5 單因素實驗設計 影響酸性氧化電位水殺菌效果的因素有電解氯化鈉濃度、電解時間、料液比、浸泡溫度、浸泡時間、pH、有效氯濃度、重復使用次數等，根據預實驗結果和實驗儀器的實際情況，選擇浸泡時間、料液比、浸泡溫度、pH四個因素進行單因素實驗。

1.2.5.1 浸泡時間對酸性氧化電位水殺菌率的影響分別取染菌的鮮參切片 5份，每份 10.0 g，在AEOW 中浸泡 3、6、9、12、15 min，固定其他因素AEOW體積為 80 mL、浸泡溫度20 ℃、pH2.5±0.1，測定鮮參切片菌落總數并計算殺菌率。

1.2.5.2 料液比對酸性氧化電位水殺菌率的影響分別取染菌的鮮參切片5份，每份10.0 g，按照料液比為 1:4、1:8、1:12、1:16、1:20 g/mL在 AEOW中浸泡，固定其他因素為浸泡時間9 min、浸泡溫度20 ℃、pH2.5±0.1，然后測定鮮參切片菌落總數并計算殺菌率。

1.2.5.3 浸泡溫度對酸性氧化電位水殺菌率的影響分別取染菌的鮮參切片5份，每份10.0 g。在浸泡溫度為 4、10、15、20、25、30 ℃ 條件下，于 AEOW中浸泡，固定其他因素為浸泡時間為9 min、料液比為1:8 g/mL、pH2.5±0.1，然后測定鮮參切片菌落總數并計算殺菌率。

1.2.5.4 pH對酸性氧化電位水殺菌率的影響 分別取染菌的鮮參切片5份，每份10.0 g，在pH為2.5、3.5、4.5、5.5、6.5 AEOW中浸泡，固定其他因素為時間9 min、料液比1:8 g/mL、浸泡溫度20 ℃，然后測定鮮參切片菌落總數并計算殺菌率。不同pH的AEOW由加入不同體積1 mol/L氫氧化鈉溶液調配制得。

1.2.6 響應面優化試驗設計 在單因素實驗的基礎上，應用Design-Expert 7.0軟件，按照Box-Behnken設計原理，以浸泡時間、料液比、浸泡溫度為自變量，殺菌率（%）為考察指標進行三因素三水平的響應面優化試驗，因素及水平設計見表1。

表1 響應面設計的因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface design

1.2.7 菌落總數的測定和殺菌率的計算 按照GB4789.2-2016《食品微生物學檢驗：菌落總數測定》的方法[30]測定鮮參切片的菌落總數，經過AEOW浸泡殺菌處理后，按下列公式計算其殺菌率：

式中：Y為殺菌率，%；N0為未浸泡處理的鮮參切片殘留菌落總數，CFU·g-1；N1為酸性氧化電位水浸泡處理過的鮮參切片殘留菌落總數，CFU·g-1。

1.2.8 色差的測定 利用色差計測定鮮參切片的顏色，測定參數主要包括亮度值（L*）、紅度值（a*）和黃度值（b*）。總色差ΔE值按如下公式計算：

式中：L*表示亮度，L*=0表示黑色，L*=100表示白色；a*＞0表示紅度，相反則為綠度；b*＞0表示黃度，相反則為藍度。

1.2.9 對比試驗的設計 二氧化氯、檸檬酸和乳酸是食品加工中常用的殺菌劑，應用酸性氧化電位水與100 mg/L二氧化氯溶液、0.5%檸檬酸溶液、0.5%乳酸溶液分別浸泡鮮參切片，即稱取4份10.0 g鮮參切片，分別在酸性氧化電位水、100 mg/L二氧化氯溶液、0.5%檸檬酸溶液和0.5%乳酸溶液溶液中浸泡11 min，料液比為1:10 g/mL、浸泡溫度為25 ℃，然后測定鮮參切片菌落總數和計算殺菌率。

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 浸泡時間對鮮參切片微生物殺菌效果的影響由圖1可知，在3～15 min浸泡時間內，酸性氧化電位水的殺菌率隨著浸泡時間的延長而增大，鮮參切片的初始菌落總數為7.47 lg（CFU/g），經過不同的浸泡時間處理后，菌落總數都不同程度地降低。浸泡時間在3～9 min范圍，隨著浸泡時間的延長，殺菌率顯著增大（P＜0.05），由88.1%增加至92.0%，菌落總數從 6.54 lg（CFU/g）減小到 6.31 lg（CFU/g）；浸泡時間在 9～15 min 范圍，殺菌率的變化不顯著（P＞0.05）。超過9 min后，殺菌率無顯著變化，隨著浸泡時間的延長會增加有效氯的損失，因此確定9 min為進一步響應面優化試驗的0水平。Huang等[31]用AEOW浸泡處理羅非魚、Liao等[32]用微酸性氧化電位水處理金黃色葡萄球菌與大腸桿菌，發現在一定浸泡時間范圍內，時間越長，殺菌效果越好，這與本研究結果一致。

圖1 浸泡時間對鮮參切片微生物殺菌效果的影響Fig.1 Effects of soaking time on microbial germicidal efficacy of fresh-cut ginseng slices

2.1.2 料液比對鮮參切片微生物殺菌效果的影響由圖2可知，料液比在1:4～1:20 g/mL范圍內，殺菌率隨著AEOW用量的增多而提高。初始菌落總數為7.46 lg（CFU/g），經過不同體積的AEOW浸泡處理后，菌落總數都有不同程度的降低。料液比從1:4 g/mL變化到1:8 g/mL時，殺菌率顯著提高（P＜0.05），由83.8%增大到92.9%，菌落總數從6.66 lg（CFU/g）減小到 6.31 lg（CFU/g）；料液比從 1:8 g/mL變化到 1:20 g/mL，殺菌率變化不顯著（P＞0.05）。當AEOW用量減少時，人參片與酸性氧化電位水的接觸不充分，所以殺菌效果減弱；當AEOW用量增多時，人參片與其充分接觸，殺菌效果增強；但是人參片與AEOW的接觸面積有限，當料液比在1:8 g/mL以后，再增加AEOW的用量，殺菌率變化并不顯著，這與王瀟等[33]用酸性氧化電位水浸泡中華管鞭蝦、趙德錕等[34]將微酸性氧化電位水用于宣威火腿上的研究結果一致，因此確定料液比1:8 g/mL為響應面試驗進一步優化的0水平。

圖2 料液比對鮮參切片微生物殺菌效果的影響Fig.2 Effect of material-liquid ratio on microbial germicidal efficacy of fresh-cut ginseng slices

2.1.3 浸泡溫度對鮮參切片微生物殺菌效果的影響由圖3可知，在4～30 ℃范圍內，經過不同溫度的AEOW浸泡處理后，鮮參切片的菌落總數有不同程度的降低，殺菌率隨著浸泡溫度的升高而增大。鮮參切片的初始菌落總數為6.43 lg（CFU/g），浸泡溫度在4～20 ℃范圍內，浸泡9 min后，殺菌率由90.1%逐漸增大到93.7%，菌落總數從6.43 lg（CFU/g）減小到6.28 lg（CFU/g）。當浸泡溫度從20 ℃升高到30 ℃，殺菌率稍有減小，但變化不顯著（P＞0.05），此結果與詹苑等[27]關于微酸性電解水對鮮野生菌的殺菌效果一致。可因此確定浸泡溫度20 ℃為響應面試驗進一步優化的0水平。

圖3 浸泡溫度對鮮參切片微生物殺菌效果的影響Fig.3 Effects of soaking temperature on microbical germicidal efficacy of fresh-cut ginseng slices

2.1.4 pH對鮮參切片微生物殺菌效果的影響 由圖4可知，pH在2.5～6.5內，隨著pH的增大，殺菌率顯著減小（P＜0.05），從91.9%降低到43.4%，菌落總數從 6.36 lg（CFU/g）增加到 7.20 lg（CFU/g）。pH范圍為4.0～9.0大部分細菌能夠存活，當pH為2.5±0.1時，嚴重破壞了細菌表面結構中的兩性物質（如脂多糖等），導致細胞壁和細胞膜的通透性增大，使胞內物質溢出，破壞了細胞的代謝機能[35]。pH2.5±0.1時的殺菌率最大，因此不將pH作為響應面試驗進一步優化的因素。

圖4 pH對鮮參切片微生物殺菌效果的影響Fig.4 Effect of pH value on microbical germicidal efficacy of fresh-cut ginseng slices

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 回歸模型的建立及顯著性分析 在單因素實驗結果的基礎上，確定浸泡時間（X1）、料液比（X2）、浸泡溫度（X3）三個因素為Box-Behnken試驗的自變量，鮮參切片微生物的殺菌率（Y）為響應值，進行三因素三水平響應面優化試驗設計，方案及結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Design and results for response surface experiment

應用Design-Expert7.0軟件對試驗數據進行分析，結果見表3。方差分析結果表明：因素X1、X2、X22極顯著（P＜0.01）；因素 X3、X1X2、X12顯著（P＜0.05）；因素 X1X3、X2X3、X32不顯著，因此得到殺菌率對浸泡時間、料液比、浸泡溫度的二次多項回歸模型如下：

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of the regression model

各因素的F值可以反映出各因素對試驗指標的重要性，F值越大，表明對試驗指標的影響越大，即重要性越大。因此，各因素的影響程度大小順序為浸泡時間＞料液比＞浸泡溫度。

該模型P=0.0005＜0.01，差異極顯著；失擬項P=0.5528＞0.05，差異不顯著；決定系數R2為0.9589大于0.9，說明該模型與實際擬合良好，自變量與響應值之間的線性關系顯著，可用于AEOW對鮮參切片微生物殺菌工藝試驗的預測；模型的校正決定系數RAdj2=0.9061，表明試驗擬合程度良好，可以用來確定和預測酸性氧化電位水的殺菌工藝條件。

2.2.2 響應曲面分析 利用Design-Expert 7.0軟件對回歸模型構建響應面及其等高線圖，分析各因素對殺菌率的影響，從等高線圖可以看出兩個自變量之間交互作用的顯著程度，其中圓形表示交互作用不明顯，橢圓形表示兩個自變量之間交互作用明顯。由圖5可知，浸泡時間和料液比的等高線圖為橢圓形，表明浸泡時間和料液比的交互作用顯著，其他交互作用不顯著。

圖5 各因素間交互作用對酸性氧化電位水殺菌率影響的響應面圖Fig.5 Response surface diagram of the interaction of various factors on sterilization rate of acidic electrolyzed-oxidizing water

2.2.3 最佳殺菌條件的確定及驗證試驗 由回歸模型表達式（4）得到酸性氧化電位水的最佳殺菌條件為料液比為1:9.81 g/mL、浸泡時間為10.91 min、浸泡溫度為25 ℃，在此條件下的殺菌率為94.3%。綜合考慮到實際操作條件，將最佳殺菌條件調整為料液比為1:10 g/mL、浸泡時間為11 min、浸泡溫度為25 ℃，在此條件下進行三次驗證試驗，殺菌率為94.4%±0.6%。實際測定值與理論預測值的相對誤差為0.13%，說明試驗結果與模型擬合良好，該響應面法得到的酸性氧化電位水最佳殺菌工藝條件可靠，可用于鮮參切片的殺菌工藝。

2.3 酸性氧化電位水處理對鮮參切片色澤的影響

鮮參切片經酸性氧化電位水處理前后的L*、a*、b*如表4 所示，均無顯著差異（P＞0.05）；浸泡處理后ΔE值為2.75±0.91，表示浸泡處理后總色差值變化較小。綜上證明酸性氧化電位水浸泡處理后的人參片色澤無明顯變化。

表4 鮮參切片在酸性氧化電位水中浸泡前后的色差Table 4 Color difference of fresh-cut ginseng slices soaked in acidic electrolyzed-oxidizing water

經酸性氧化電位水浸泡處理前后，鮮參切片的表面色澤如圖6所示，可以看出無明顯差別。

圖6 酸性氧化電位水浸泡前后鮮參切片的色澤Fig.6 Color of fresh-cut ginseng slices soaked in acidic electrolyzed-oxidizing water

2.4 對比試驗結果

應用100 mg/L的二氧化氯溶液、0.5%的檸檬酸溶液、0.5%的乳酸溶液在浸泡時間11 min、料液比1:10 g/mL、浸泡溫度25 ℃條件下對鮮參切片進行殺菌，不同處理的殺菌效果的對比結果如表5所示。由表5可知，與其他三種殺菌劑相比，AEOW的殺菌率分別提高了24.5%、27.8%、30.7%，說明AEOW的殺菌效果顯著。

表5 不同殺菌劑處理鮮參切片的殺菌效果Table 5 Sterilization effects of fresh-cut ginseng slices treated by different bactericides

3 結論

本文應用酸性氧化電位水對鮮參切片進行了殺菌試驗研究，以浸泡時間、料液比和浸泡溫度為影響因子，殺菌率為評價指標，進行三因素三水平的響應面優化試驗，得到酸性氧化電位水的最佳殺菌條件，并建立了鮮參切片微生物殺菌的二次多項式數學模型。酸性氧化電位水的最佳殺菌條件為: 料液比1:10 g/mL、浸泡時間11 min、浸泡溫度25 ℃，在此優化條件下的殺菌率為94.40%±0.61%，且浸泡處理后鮮參切片色澤無顯著變化。與其他常用的殺菌劑相比，酸性氧化電位水的殺菌率顯著提高了24.5%～30.7%（P＜0.05）。同時酸性氧化電位水的制備工藝簡單，現制現用，成本低廉；而且安全無毒、無殘留；對環境無污染，適合工業化應用。因此，酸性氧化電位水處理是一種有效的殺菌方式，能夠為人參、果蔬類農產品的深加工和保鮮貯藏提供一種非熱加工方法。