微波杀灭玉米霉菌的工艺优化及品质分析

■彭 凯 吴 薇 李 丽 靳志强 王顺喜

（中国农业大学工学院，北京 100083）

玉米是重要的粮食作物、食品工业原料及饲料来源，现如今已成为我国第一大粮食作物品种。玉米在收获、储存和加工过程中容易发霉，主要原因是受霉菌的污染。霉菌对玉米的危害严重，不仅使其产量和品质下降，而且会产生多种霉菌毒素危害畜禽和人体健康，从而引起社会的广泛关注。

在工业生产中，玉米的灭菌方法主要有物理法、化学法和生物法。物理法包括剔除、水洗、晾晒、脱胚去毒、热处理、辐射、吸附等；化学法包含药物熏蒸、添加防霉剂或氧化剂、碱液浸泡、补充营养素（如叶酸、硒、蛋白质）；生物法主要利用一些生物因子去除细菌和霉菌等有害微生物，但其作用缓慢，而且灭菌不彻底，实际应用中存在一定的局限性，因此难以推广。早在1998年，欧盟委员会就通过审议，禁止使用化学方法处理霉变的粮食，因为化学处理过程中所使用的药物可能会对环境造成污染并通过食物链危害动物和人类健康，而将发霉的玉米与储存良好的玉米进行混合也是被禁止的。物理法灭菌在工业生产中最为常见，但由于传统工艺和设备条件落后，导致灭菌效果不佳，且物理方法如机械分拣、热处理等容易破坏玉米颗粒的组织结构和营养成分，使玉米蛋白质变性、营养物质损失、纤维力学性能下降。

微波辐射灭菌作为一种新兴的工业技术，在食品行业已得到广泛应用，它具有快速、均匀、高效、环保等特点，不仅设备简单、工艺先进、便于控制，而且能够保留更多的营养成分，在玉米的灭菌处理上具有潜在的应用价值。Khalil等研究表明，微波辐射比传统灭菌方法具有更强的杀伤力。相关学者已研究证明微波辐射对人参、锥栗、香菇和五花茶等食品的杀菌有良好效果。本文就微波辐射对玉米的灭菌工艺及品质影响进行研究，旨在为微波杀灭玉米霉菌的工业应用提供科学依据和理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑曲霉（由本试验室自霉变玉米中分离得到）。

玉米颗粒（由国家玉米改良中心提供），无霉变颗粒，颜色、气味均正常，水分含量为12.6%。

高盐察氏培养基、浓硫酸、盐酸、硼酸、氢氧化钠、乙醚、吐温80及其他试剂均为分析纯（购于北京蓝弋化学试剂有限公司）。

HIL2590-EGCS微电脑式微波炉(海尔集团)；BSA224S-CW万分之一天平(赛多利斯科学仪器有限公司)；HWS-280恒温恒湿培养箱(上海一恒科技有限公司)；BBS-SDS超净工作台(济南鑫贝西生物技术有限公司)；YX-280高压灭菌锅(上海一恒科技有限公司)；HWS-26恒温水浴锅(北京市科华华瑞仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 黑曲霉孢子悬浮液的制备

将黑曲霉菌丝接种在平板上，置于25℃生化培养箱中培养3～4 d，然后加入一定量体积分数为0.1%的吐温80洗脱液，将孢子洗脱下来，用无菌纱布过滤除去菌丝体，再加入无菌水，调制成孢子悬浮液，摇匀，备用。

1.2.2 玉米染菌

取玉米颗粒，浸泡于孢子悬浮液中2 min，然后平铺于无菌滤纸上，置于超净工作台内1 h，备用。测定玉米样品水分含量为16.3%。

1.2.3 菌落计数方法

玉米霉菌菌落数的计数方法按照GB/T 13092-2006测定。

1.2.4 试验指标

灭菌率Y（%）=N/N0×100

式中：N为微波处理后残存的菌落数（CFU/g）；N0为初始菌落数（CFU/g）。

玉米粗蛋白含量的测定方法参考GB/T 6432-94测定；粗脂肪含量的测定方法参考GB/T 6433-2006测定；玉米淀粉含量的测定方法依据鲁浩等方法测定，测定结果取平均值；玉米裂纹率参考白岩等方法测定。

1.3 单因素试验设计

1.3.1 微波功率对微波灭菌率的影响

称取150 g玉米样品，平铺于无菌滤纸上，然后置于微波炉内，分别以微波功率170、340、510、680 W和850 W辐射处理60 s。

1.3.2 辐射时间对微波灭菌率的影响

称取150 g玉米样品，平铺于无菌滤纸上，然后置于微波炉内，以微波功率510 W分别处理30、45、60、75、90、105、120、135 s。

1.3.3 玉米装载量对微波灭菌率的影响

称取50、100、150、200、250 g玉米样品，平铺于无菌滤纸上，然后置于微波炉内，以微波功率510 W辐射处理60 s。

1.3.4 水分含量对微波灭菌率的影响

称取150 g玉米样品，平铺于无菌培养皿中，然后置于超净工作台中进行通风、晾干，使样品的平衡含水量分别降低到14%和11%左右。然后称取150 g玉米样品，添加无菌水进行调制，使水分平衡，将样品的水分含量分别提高到17%和20%左右。将以上样品在微波功率510 W下辐射处理60 s。

1.4 响应面分析

在单因素试验的基础上，根据二次回归正交旋转组合设计原理，采用4因素5水平的响应面分析试验，以灭菌率（Y）为响应值，运用响应面分析法对数据进行回归分析及显著性检验，通过Design-Expert软件优化工艺参数，以确定最佳工艺条件。每个试验重复3次，取平均值。试验因素水平编码见表1。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 微波功率对微波灭菌率的影响

由图1可知，微波功率从170～850 W，灭菌率不断升高，当微波功率超过680 W，灭菌率逐渐接近100%，当微波功率为850 W时，灭菌率达到100%。微波功率介于在680～850 W时，部分玉米样品出现裂纹，考虑到杀菌效果及玉米品质，选取微波功率170～850 W。

表1 试验自变量因素编码及水平

图1 微波功率对微波灭菌率的影响

2.1.2 辐射时间对微波灭菌率的影响

图2 辐射时间对微波灭菌率的影响

由图2可知，当微波功率为510 W时，随着时间的延长，霉变玉米的灭菌率先升高后降低再升高，直至达到100%。30～50 s内灭菌率出现负增长，原因是由于微波促进了霉菌孢子的萌发，加快了霉菌孢子囊释放孢子，导致大量霉菌孢子滋生，这与朱金国等研究结果相似。微波时间超过90 s，玉米开始出现裂纹，且颜色发生褐变。因此，微波时间选取为50～90 s。

2.1.3 装载量对微波灭菌率的影响

由图3可知，随着玉米装载量的增加，灭菌率逐渐下降，说明装载量的增加使霉菌的致死效果降低，原因可能是装载量的增加导致玉米装载厚度增加，从而使微波的穿透能力和灭菌效果下降。因此装载量不宜过多，所以选择玉米装载量为50～250 g。

图3 装载量对微波灭菌率的影响

2.1.4 水分含量对微波灭菌率的影响

图4 水分含量对微波灭菌率的影响

由图4可知，玉米水分含量影响微波的灭菌效果。随着玉米水分含量的升高，微波灭菌率先上升后下降，中等水分含量的玉米微波杀菌效果比低水分含量和高水分含量的玉米杀菌效果好，原因可能是由于水分子的双重作用，一方面水分子可以提高微波杀菌的效果，极性水分子随着微波电磁场的变化而做极性运动，分子间频繁碰撞而产生大量的摩擦热，并以热的形式在物料内表现出来，从而导致玉米颗粒在短时间内温度迅速升高，达到杀菌效果；另一方面，水分过高会使玉米颗粒温度不能快速上升到杀菌温度以至于影响灭菌效果。因此，微波灭菌过程中，玉米水分应该保持在一定范围内，所以玉米水分含量选择为12%～20%。

2.2 响应面法优化与分析

2.2.1 响应面优化试验结果

在单因素试验的基础上，根据二次回归正交旋转组合设计原理，以微波灭菌率作为响应值进行响应面分析，响应面优化试验结果见表2。

表2 响应面试验方案及结果

2.2.2 回归模型的建立及显著性分析

利用Design-Expert 8.05软件对表2中的试验数据进行多元回归拟合，得到微波灭菌率（Y）与编码变量间的方程：

回归模型的方差分析结果如表3所示，回归模型（Y）达到极显著，失拟性在0.05水平以上不显著，表明该模型能够对玉米微波辐射的霉菌效果进行预测和分析。根据回归模型的检验和拟合偏差检验，回归模型的F检验结果在0.01水平上显著，拟合偏差的F检验结果在0.01水平上不显著，说明模型的拟合程度较好，因此，该回归模型成立，可以用来确定微波灭菌的工艺条件。

表3 回归模型方差分析

由表3可知，影响微波灭菌效果的因素均达到极显著水平，按照主次顺序排列为Z2＞Z4＞Z3＞Z1，其中玉米水分含量（Z1）与微波功率（Z2）间存在交互作用，水分含量（Z1）与辐射时间（Z4）存在交互作用，微波功率（Z2）与装载量（Z3）存在交互作用，微波功率（Z2）和辐射时间（Z4）存在交互作用，交互作用主次顺序是Z2Z4＞Z2Z3＞Z1Z2＞Z1Z4。

2.2.3 响应面分析

微波辐射杀灭玉米霉菌工艺条件中水分含量（Z1）、微波功率（Z2）、装载量（Z3）、辐射时间（Z4）之间的交互作用对灭菌率的影响如图5～图8所示。

图5 水分含量与微波功率对灭菌率的交互影响

图6 水分含量与辐射时间对灭菌率的交互影响

图7 微波功率与装载量对灭菌率的交互影响

由图5可知，在相同水分含量下，随着功率的增加，灭菌率逐渐升高。在相同功率下，随着水分含量的增加，灭菌率先升高后降低。这说明灭菌率的提高不能只考虑提高微波功率，还要考虑水分含量的因素，两者都有增效作用。由等高线图可知，微波功率方向上的等值线较水分含量方向上密集，表明微波功率对灭菌率的影响效果更明显。

由图6可知，水分含量和辐射时间存在一定的交互作用。在相同水分含量下，随着功率的增加，灭菌率逐渐升高。在相同功率下，随着水分含量的增加，灭菌率先升高后降低。从等高线图可以看出，辐射时间方向上的等值线较水分含量方向上密集，表明辐射时间对灭菌率的影响效果更明显。

由图7可知，在相同的装载量下，随着微波功率的增加，灭菌率逐渐升高。在相同微波功率下，随着装载量的增加，灭菌率无明显变化，说明灭菌率对玉米装载量并不敏感。由等高线图可知，微波功率方向上的等值线比较密集，表明微波功率对灭菌率的影响比装载量大。

图8 微波功率与辐射时间对灭菌率的交互影响

由图8可知，在相同功率下，随着辐射时间的增加，灭菌率逐渐升高。在相同辐射时间下，随着微波功率的增加，灭菌率逐渐升高。这说明，同时增加微波功率和辐射时间可增加灭菌率，但考虑到玉米品质的影响，要将二者控制在较为合适的范围内。由等高线图的密集程度可知，微波功率和辐射时间对灭菌率的影响均较大。

2.2.4 微波灭菌工艺参数的优化

通过Design-Expert软件对回归模型Y进行模拟和预测，得到回归模型Y的最大值点是：水分含量12.96%、微波功率680 W、玉米装载量200.69 g、灭菌时间64 s，在此条件下，理论上灭菌率达到99.68%。为了验证回归方程的可靠性，综合考虑实际操作的方便，将工艺参数修正为：水分含量13%、微波功率680 W、玉米装载量200 g、灭菌时间64 s，此工艺参数为微波灭菌工艺参数的最佳组合。按照此工艺参数做了4次平行试验，灭菌率的平均值为99.98%，与模拟预测值99.68%相比，相对误差为0.3%，证明了回归方程的可靠性和响应面分析法的有效性，具有实用价值。

2.3 优化条件下玉米品质的分析

在最佳工艺参数下，玉米经微波辐射处理后，水分含量为11.82%，低于玉米贮藏的相对安全水平限，符合入库标准。在64 s内，玉米未检出任何裂纹，即裂纹率为0，因此不会对玉米的外观品质造成影响。玉米颗粒的平均温度为81.3℃，而霉菌一般在70℃下即可杀死，因而达到了理想的灭菌温度。微波辐射对玉米营养指标的影响如表4所示，玉米粗蛋白、淀粉和粗脂肪的变异系数分别为0.86、2.26、0.21，说明在最佳工艺条件下，微波辐射对玉米营养指标基本无影响。

表4 微波辐射对玉米营养指标的影响

3 结论

采用二次回归正交旋转组合设计，结合响应面分析确定了微波辐射杀灭玉米霉菌的最佳工艺条件为：水分含量13%、微波功率680 W、玉米装载量200 g、灭菌时间64 s，各因素影响的主次顺序为：微波功率＞辐射时间＞装载量＞水分含量。在此条件下，微波辐射的平均灭菌率为99.68%，玉米裂纹率为0，粗蛋白、淀粉及粗脂肪的变异系数分别为0.86、2.26和0.21。综上所述，优化的微波辐射灭菌工艺对玉米霉菌具有良好的杀灭效果，且对玉米的品质无不良影响。

（参考文献16篇，刊略，需者可函索）