中短波红外线对冬枣粉杀菌效果及品质的影响

毕延娣，陈芹芹，毕金峰，颜廷才，赵悦

1(沈阳农业大学 食品学院，辽宁 沈阳，110866)　2(中国农业科学院 农产品加工研究所 农业部农产品加工重点实验室，北京，100193)



中短波红外线对冬枣粉杀菌效果及品质的影响

毕延娣1,2，陈芹芹2，毕金峰1,2，颜廷才1*，赵悦1,2

1(沈阳农业大学 食品学院，辽宁 沈阳，110866)2(中国农业科学院 农产品加工研究所 农业部农产品加工重点实验室，北京，100193)

摘要研究了不同条件中短波红外线处理对冬枣粉菌落总数、霉菌酵母的杀菌效果，对水分、色泽的影响，并应用Weibull模型对不同处理条件下冬枣粉的杀菌效果进行拟合。结果表明：随着温度的升高和时间的延长，杀菌效果增强，水分含量降低，色差值变大；110℃处理5 min 和120℃处理1 min时可全部杀死霉菌和酵母。Weibull模型动力学曲线的决定系数R2均大于0.98，χ2、RMSE的值分别小于0.020 0和0.070 0，拟合效果较好。中短波红外线对冬枣粉杀菌处理的最佳工艺条件为120℃、1 min。

关键词中短波红外线；冬枣粉；杀菌；水分；色泽；Weibull模型

冬枣，又名冻枣、雁来红、苹果枣、冰糖枣[1]，属于鼠李科枣属植物，枣肉甜中带酸，具有浓郁的枣香味。其具有很高的营养价值，含有丰富的碳水化合物，蛋白质，脂肪，粗纤维，矿物质及功能成分，而VC是冬枣中的代表性营养成分，具有重要的生理功能[2-3]。新鲜冬枣水分含量高，通过干燥加工后制成冬枣粉，使冬枣的用途更加广泛[4]。冬枣粉是一种新型的枣制品，通过去核、切分、干燥、粉碎等处理而得，可作为速溶饮料、咀嚼片等产品的原料[5-6]。目前，冬枣粉的主要杀菌方式是热风高温杀菌和辐照杀菌。热风高温杀菌设备庞大，且杀菌效果不理想。辐照杀菌需要专门设备来生产辐射线(辐射源)，投资较大，并且存在安全问题，欧洲很多国家严格限制进口经过辐照处理的食品原料[7-10]。朱佳廷等[11]的研究发现，辐照杀菌会显著降低红枣中的Vc含量。

红外线是介于可见光和微波之间的电磁波，波长范围为0.76～1 000 μm，根据波长长短分为短波(近)红外(0.76～2 μm)、中波红外(2～4 μm)和长波(远)红外(4～1 000 μm)。中短波红外线技术起源于美国的航天工业，20世纪90年代被引进中国，后逐步应用于各个领域。中短波红外线具有很强的穿透力，可直接穿透物料表面对内部进行杀菌，不会对物料的表面性状产生影响，并具有处理时间短、杀菌高效、环保、节能、无残留等优点，是一种很有潜力的新型杀菌技术。此外，中短波红外线杀菌设备小、易操作、使用方便，有利于推广和使用[12-15]。

目前国内有利用远红外线加热对液体食品酱油汤杀菌的报道[16]，而利用中短波红外线杀菌未见报道。本研究以冬枣粉为实验材料，探讨不同条件中短波红外线处理对冬枣粉的杀菌效果，分析其杀菌动力学，同时探讨其对冬枣粉水分含量和色泽的影响。

1材料与方法

1.1材料与试剂

冬枣，于2014年9月15日购于北京市海淀区幸福超市；营养琼脂、孟加拉红培养基，北京陆桥技术有限责任公司；NaCl，国药集团化学试剂有限公司；一次性使用塑料培养皿，浙江柏美特医用塑料有限公司。

1.2仪器与设备

QDPH10-1变温压差果蔬膨化干燥机，天津勤德新材料科技有限公司；FW100 高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；中短波红外线干燥机，STC圣泰科红外科技有限公司；LDZX-50KBS 立式压力蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂；SW-CJ-1F洁净工作台，苏净集团苏州安泰空气技术有限公司；SHP-250 生化培养箱，上海精宏实验设备有限公司；DHG-9023A 电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；电子天平，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；D-25L色差计，美国Hunter Lab公司。

1.3实验方法

1.3.1枣粉的制备

取无伤病的新鲜冬枣，用流动水清洗，去核后切片，厚度约为6 mm。采用变温压差膨化方法干燥枣片，膨化温度100℃、停滞时间10 min、膨化压力0.2 MPa，抽空温度65℃，抽空时间2.5 h。干燥后冬枣片放入高速万能粉碎机中制粉，每次打粉时间10 s，打粉间隔2 min，共打粉3次。

1.3.2中短波红外线杀菌方法

功率1125W，设定温度参数分别为100、110、120℃，时间参数分别为1、2、3、4、5 min。

1.3.3微生物的测定

菌落总数的检测根据GB 4789.2—2010《食品微生物学检验菌落总数测定》[17]，培养基采用营养琼脂，平板(36±1)℃条件下培养(48±2)h；霉菌和酵母菌计数根据GB 4789.15—2010《食品微生物学检验霉菌和酵母计数》[18]，采用孟加拉红培养基，平板在(28±1)℃条件下培养 5 d。杀菌效果以细菌存活率对数值 lg(N/N0)表示，其中N为中短波红外线杀菌后样品的菌数，CFU/g；N0为中短波红外线杀菌前样品的菌数，CFU/g。每个样品2个重复，2个平行。

1.3.4动力学分析

参照ALBERT等[19]、VAN BOEKEL等[20]、CHEN等[21]的方法，灭菌效果用Weibull 模型分析。

ln(N/N0)=-αtβ

式中：N0为中短波红外线处理前样品中初始菌落总数，CFU/g；N为中短波红外线处理后样品中菌落总数，CFU/g；α和β分别为尺度参数和形状参数；t为处理时间。当β< 1时 Weibull 分布为一个凹面向上的曲线，β> 1时曲线凹面向下，β= 1时为一条直线。

1.3.5水分含量的测定

按照GB 5009.3—2010《食品安全国家标准 食品中水分的测定》[22]中规定的直接干燥法测定，结果以干基含水率表示。为保证实验的准确性，测3组平行取其平均值。

1.3.6色泽的测定[23]

采用色彩色差计测定冬枣粉的色泽。用CIELAB 表色系统测定冬枣粉的L、a和b值，其中L代表明度指数，从黑暗到明亮的变化；a代表颜色从绿色到红色的变化；b代表颜色从蓝色到黄色的变化。色差值△E代表冬枣粉杀菌后的色泽(L、a、b)与杀菌前的色泽(L*、a*、b*)的色差值。△E计算方法如下:

每组试验 3 次平行，结果取平均值。

1.4数据分析

采用Excel和origin8.0进行绘图及Weibull模型分析。

2结果与分析

2.1不同条件中短波红外线杀菌对冬枣粉微生物的影响

2.1.1对菌落总数的影响

图1 为在温度100、110、120℃的条件下，中短波红外线处理1、2、3、4、5 min对冬枣粉菌落总数的杀菌效果。由图1可知，随着杀菌温度的提高，菌落总数呈现明显下降的趋势。杀菌时间1 min时，110℃比100℃降低了0.21个对数，120℃比110℃降低了0.36个对数；在杀菌温度100℃下，随着杀菌时间从1min增加到5 min，菌落总数的减少值从2.11个对数到2.27个对数，降低了0.16个对数，说明随着杀菌时间的增加，菌落总数逐渐减少。方差分析结果表明仅在杀菌温度100℃下，杀菌时间对菌落总数有显著影响(P<0.05)；在杀菌时间4 min和5 min时，杀菌温度对菌落总数有显著影响(P<0.05)。杨继红[24]的论文结果也表明，红外线杀菌温度越高，杀菌效果越好。

根据菌落总数的变化，经过 100 ℃/3 min、110℃/5 min和120℃/1 min处理的冬枣粉即可达到NY/T 1884—2010《绿色食品 果蔬粉》中“即食果蔬粉菌落总数应低于1 000 CFU/g ”的标准要求[25]，其菌落总数分别为143、83和65 CFU/g。

图1　不同温度、时间对冬枣粉中菌落总数的影响Fig. 1　Effect of different temperature, time on the total number of colonies in winter jujube powder

2.1.2对霉菌、酵母计数的影响

图2为在100、110及120℃的条件下，中短波红外线处理1、3、5 min对冬枣粉中霉菌、酵母的杀菌效果。由图2可知，随着温度的提高，霉菌、酵母的数量显著降低； 110℃杀菌5 min后，无霉菌、酵母检出；杀菌温度升高到120℃，杀菌时间为1 min也能达到相同的效果。经其它条件杀菌后，冬枣粉中霉菌、酵母总数最高为38 CFU/g，最低小于10 CFU/g，均符合NY/T 1884—2010 《绿色食品 果蔬粉》中“即食果蔬粉霉菌、酵母总数应低于50 CFU/g ”的标准要求[25]。其中120℃处理1 min时的杀菌效果最好。

图2　不同温度、时间对冬枣粉中霉菌、酵母计数的影响Fig. 2　Effect of different temperature, time on the count of mold and yeast in winter jujube powder

2.2中短波红外线杀菌效果的动力学分析

模型拟合精度通过相关系数(R2)、卡方检验值(χ2)、均方根误差(RMSE)统计参数来确定。R2越高，χ2、RMSE越低，模型拟合度越高。由表1可见，3个温度下Weibull模型拟合的R2都在0.98以上，χ2、RMSE的值分别小于0.020 0和0.070 0；Weibull模型中2个动力学参数α和β与温度有关。尺度参数α随着温度的增加而增加，形状参数β随着温度的增加而减少，β值显示处理温度对杀菌曲线形状的影响。100℃与110℃的形状参数β值变化不大，即表明在温度100～110℃下的动力学曲线形状较为稳定，温度升高到120℃ β值降低较多，表明此温度下许多微生物细胞对温度的敏感性增加，导致该条件下微生物大量死亡，此结果与Sencer Buzrul等[26]的文献报道一致。

表1　Weibull模型拟合中短波红外线杀灭冬枣粉中

模型的拟合值与试验值的对比如图3所示，由图3可以看出，试验值与预测值的拟合性较好，表明Weibull模型能够较好的拟合中短波红外线处理对冬枣粉的灭菌效果。

图3　100℃、110℃、120℃条件下Weibull模型拟合的杀菌动力学曲线Fig. 3　Survival curves of bacteria inwinter jujube powder at 100, 110, 120℃ fitted with Weibull model

2.3不同条件中短波红外线杀菌对冬枣粉水分含量的影响

图4为不同处理条件对冬枣粉水分含量的影响。

图4　不同温度、时间对冬枣粉水分含量的影响Fig.4　Effect of different temperature, time on the moisture content in winter jujube powder

从图4可知，未处理冬枣粉水分含量为4.12%，随着温度和时间的增加，水分含量逐渐降低，浮动范围为3.62%～1.23%，例如120℃杀菌1 min时水分含量降低了1.5%，说明红外线杀菌也起到了瞬时干燥的作用，有利于贮藏时间的延长。但杀菌时间过长可能会导致冬枣粉中热敏成分发生变化[13]，因此杀菌时间不宜超过5 min。分析水分含量的变化，认为是水通常吸收波长2.7～3 μm的红外线，而中短波红外线的波长为0.75～4 μm，因此水在此波段会更好地吸收辐射，使分子间运动加剧，从而有利于水分的快速蒸发[12]。

2.4不同条件中短波红外线杀菌对冬枣粉色泽的影响

图5为不同处理条件对冬枣粉色泽的影响。由图5-A可知，L值随着温度和时间的增加逐渐变小，说明冬枣粉褐变程度增大，颜色变暗。由图5-B、5-C可以看出，与无处理相比，处理后冬枣粉的a值和b值显著变大，尤其是a值变化最大，未杀菌时a值为4.81，100℃杀菌1 min就增加到7.19，表明冬枣粉的颜色变化更趋向红色。图5-D为冬枣粉经中短波红外线杀菌前后色差值的变化，随着时间的增加，色差值逐渐变大，尤其120℃杀菌3 min以上时，色差值显著增加，这可能是由于高温下处理时间长而导致冬枣粉轻微变糊所致[3]。

图5　不同温度、时间对冬枣粉色泽的影响Fig.5　Effect of different temperature, time on the color in winter jujube powder

结合对比2.1.1和2.1.2不同条件下的杀菌效果，从色泽上考虑，认为中短波红外线杀菌的最适条件为120℃/1 min。

3结论

中短波红外线处理温度及时间对冬枣粉杀菌效果的影响显著，在实验设定的温度和时间条件下，温度越高，时间越长，杀菌效果越好；120℃处理5 min可使冬枣粉菌落总数降低2.96个对数，经110℃处理5 min或120℃处理1 min后，无霉菌、酵母检出；Weibull模型能够较好地拟合中短波红外线处理对冬枣粉的灭菌效果，且在温度100～110℃下的动力学曲线形状较为稳定。随着处理温度和时间的增加，冬枣粉的水分含量下降，色差值增大。综合考虑杀菌效果，对水分、色泽的影响以及设备运行成本，认为杀菌的适宜条件为120℃、1 min。

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Effect of short and medium-wave infrared radiation on bactericidal countrol and quality of winter jujube powder

BI Yan-di1,2, CHEN Qin-qin2, BI Jin-feng1,2, YAN Ting-cai1*, ZHAO Yue1,2

1(College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)2(Key Laboratory of Agro-products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-products ProcessingScience and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

ABSTRACTTotal bacteria, mold and yeast in winter jujube powder at various temperature(100,110,120 ℃)for 1～5 min treated by short and medium-wave infrared radiation were measured. Water moisture and color were also tested after thetreatment. The Weibull model was used to analyze the bactericidal curves at different conditions. The results showed that with the increase of temperature and time, the antibactericidal effect were improved, while the water moisture was decreased, the color change increased. Mold and yeast could be inhibited at 110 ℃ , 5min, or 120 ℃,1min. The correlation coefficients (R2) of Weibull model were more than 0.98 at three temperature levels, χ2 and RMSE were less than 0.020 0 and 0.070 0 , respectively. This proved that Weibull model was suitable for the kinetic analysis of bacterial inactivation. The optimum process condition for winter jujube powder by short and medium-wave infrared radiation is 120 ℃,1min.

Key wordsshort and medium-wave infrared radiation; winter jujube powder; microbial inactivation; water moisture; color; Weibull model

收稿日期：2015-07-01，改回日期：2015-08-22

基金项目：国家自然科学基金项目(31401508)；国家“十二五”科技支撑计划课题“复合果蔬新产品创制与节能减排关键技术开发及示范”(2012BAD31B06)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201602022

第一作者：硕士研究生(颜廷才副教授为通讯作者,E-mail:ytc126127@163.com)。