响应面法优化切片腊肉的脉冲强光—紫外照射杀菌工艺

刘娜　梁美莲　谭媛元　徐鑫　邓力　何腊平　曾雪峰　梁才　张汝萍　周娟　朱秋劲

摘 要：采用脉冲强光-紫外照射处理方法对腊肉的保鲜效果进行研究，通过响应面法分析优化切片腊肉杀菌率的影响因素。在单因素试验基础上，选取腊肉切片厚度、脉冲强光-紫外照射距离、闪照时间为影响因素，以杀菌率为响应值，用Box-Behnken试验设计建立响应面分析模型。结果表明：腊肉切片厚度为3 mm、腊肉距离脉冲强光光源6 cm、距离紫外光源15 cm、闪照时间为5 min时，腊肉样品的杀菌率可达99.67%，与模型拟合程度高，杀菌效果显著。

关键词：响应面分析；脉冲强光；紫外照射；腊肉；杀菌；栅栏技术

Abstract： The effect of pulsed ultraviolet （UV） light treatment on the preservation of Chinese bacon was evaluated. Response surface methodology was employed to optimize the factors affecting the efficiency of sterilization of sliced Chinese bacon. Slice thickness， illumination distance and time were selected as independent variables by one-factor-at-a-time

method for the development of a response surface regression model with sterilization efficiency as response using a

Box-Behnken design. Results showed that the maximum sterilization efficiency of 99.67% was obtained when 3 mm thick bacon slices were illuminated for 5 min by a pulsed light source 6 cm away and a UV light source 15 cm away. The experimental data were well fitted to the developed model. Significant sterilization efficiency could be achieved by using pulse UV light treatment.

Key words： response surface analysis； pulsed light； ultraviolet irradiation； Chinese bacon； sterilization； hurdle technology

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201706006

中圖分类号：TS251.5 文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2017）06-0029-06

引文格式：

刘娜， 梁美莲， 谭媛元， 等. 响应面法优化切片腊肉的脉冲强光-紫外照射杀菌工艺[J]. 肉类研究， 2017， 31（6）： 29-34. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201706006. http：//www.rlyj.pub

LIU Na， LIANG Meilian， TAN Yuanyuan， et al. Optimization of pulsed ultraviolet light sterilization of sliced chinese bacon using response surface methodology[J]. Meat Research， 2017， 31（6）： 29-34. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201706006. http：//www.rlyj.pub

中式腊肉文化已有几千年历史，腊肉具有色泽美观、腊香味浓郁、食用方便、易于贮藏的特点[1]，但肉品表面会有各种微生物，随着加工的进行和贮藏时间的延长，腊肉表面的菌相构成会发生改变，从而对肉类贮藏产生破坏作用[2]。肉制品需要防腐的主要原因是微生物危害，目前很多技术被应用于腊肉的加工和贮藏，如真空包装、气调包装、微波杀菌、辐照保鲜等技术[3]在一定程度上有效延长了腊肉的保质期，选择新型的杀菌和保鲜方法也成为有效开展肉制品防腐的热点研究内容。

我国近几年才出现使用脉冲强光杀灭微生物的相关研究，且主要应用于流体[4-5]，在腊肉制品方面的应用目前尚无报道。脉冲强光导致菌体失活是复合作用，在180～280 nm波长范围内，紫外线光化学效应和红外热效应使菌体机能失活，通过水分蒸发对膜结构的破坏等导致菌体死亡[6-7]，Nicorescu等[8]对脉冲强光处理接种在香料上的枯草芽孢杆菌进行研究，发现处理条件为0.6 J/cm2时可有效减少枯草芽孢杆菌的数量。作为一种表面抗菌技术[8]，紫外辐射具有利用效率高、操作简单、便于管理等特点，主要用于水处理、医院空气消毒、食品包装车间消毒以及果蔬、肉制品等[9]的杀菌。紫外辐射技术主要利用紫外线杀死微生物，在253.7 nm波长附近时杀菌率最高[10]。脉冲强光结合紫外辐射技术的研究较少，脉冲紫外线的杀菌效率是否比连续紫外线高更是争论不休[11-13]。

Luo Wei等[14]的研究表明，在特定频率下，脉冲紫外线比连续紫外线的杀菌效果更好。

脉冲强光结合紫外辐射技术在肉制品保鲜中的研究很少，本研究采用脉冲强光-紫外照射双重杀菌技术，以腊肉的切片厚度、脉冲强光-紫外照射距离、闪照时间为影响因素，切片腊肉的杀菌率为响应值，采用

Box-Behnken试验设计分析、优化脉冲强光-紫外照射技术应用于切片腊肉杀菌的条件，结合响应面分析以及验证实验确定最佳参数，为延长腊肉货架期、提高其食用安全性提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

腊肉、真空包装袋 贵州五福坊食品股份有限公司；平板计数琼脂（plate count agar，PCA）培养基

贵州赛兰博科技有限公司；其余试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

YE-01脉冲强光杀菌设备 常州市兰诺光电科技有限公司；BXM-30R立式灭菌锅 上海博讯实业有限公司医疗设备厂；SW-CJ-1D净化工作台 苏州净化设备有限公司；HH-S6六孔水浴锅 北京科伟永兴仪器有限公司；DZ280/2SE真空包装机 绿叶真空机有限公司；LRH-300（F）恒温培养箱 上海柏欣仪器设备厂。

1.3 方法

1.3.1 腊肉样品处理

按照如下步骤对腊肉样品进行处理：腊肉→切片（5 cm×5 cm×3 mm，10.00～15.00 g）→分别用脉冲强光、紫外照射、脉冲强光-紫外照射处理→真空包装→常温（25 ℃恒温箱）贮藏→定期测定菌落总数

1.3.2 单因素试验

选取脉冲强光、紫外照射、脉冲强光-紫外照射3 种方法处理腊肉样品，以腊肉切片厚度、照射距离、闪照时间为影响因素进行单因素试验[15]。

选取切片厚度为1、2、3、4、5 mm，样品距离脉冲强光光源2、6、10、14、18 cm，对应距离紫外光源19、15、11、7、3 cm，脉冲强光-紫外照射时间1、3、5、7、9 min，分别进行单因素试验，探究各因素对切片腊肉杀菌率的影响。

1.3.3 响应面优化试验设计

运用Box-Behnken响应面分析，考察切片厚度、照射距离和闪照时间3 个因素对切片腊肉杀菌率的影响，实验设计见表1。以切片厚度、照射距离和闪照时间3 个因素为自变量，在单因素试验基础上设定试验因素水平值，以杀菌率为响应值进行响应面试验设计[16]。根据

Box-Behnken试验设计原理[17]，通过对实验数据进行分析，预测影响脉冲强光-紫外照射对切片腊肉杀菌率的最佳条件。

1.3.4 菌落总数的测定

参照GB 4789.2—2010《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》[18]中的方法測定。

1.3.5 杀菌率的计算

切片腊肉的杀菌率按照下式计算[19]。

式中：Y为杀菌率/%；S为未经杀菌处理腊肉的菌落总数/（CFU/g）；S0为杀菌处理腊肉的菌落总数/（CFU/g）。

1.4 数据处理

采用Excel软件对单因素试验数据进行方差分析，Design-Expert 8.0.6软件对Box-Behnken响应面试验设计的数据进行分析，用Origin 8.0软件进行数据整理和绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 切片厚度对腊肉杀菌率的影响

由图1可知，随着切片厚度的增大，杀菌率呈减小趋势，且脉冲强光-紫外照射联合使用的效果优于单独脉冲强光照射杀菌或紫外照射杀菌（P>0.05）。当切片厚度为1 mm时，杀菌率最大，杀菌效果最好，切片厚度为5 mm时的杀菌效果最差。由于厚度为1 mm和2 mm的切片太薄、易碎，且厚度为3 mm和2 mm时的表面杀菌率（分别为（96.6±0.06）%和（96.8±0.10）%）差异不显著

（P>0.05），因此选择3 mm作为腊肉的最佳切片厚度。

2.1.2 照射距离对腊肉杀菌率的影响

采用脉冲强光处理样品时，照射距离只取样品与脉冲强光光源的距离；采用紫外照射处理样品时，照射距离只取样品与紫外光源的距离。

由图2可知，腊肉的杀菌率随样品与脉冲强光光源距离的增大呈现减小趋势，这与江天宝[20]、唐明礼[21]等的结论一致；杀菌率随样品与紫外光源距离的减小呈增大趋势；腊肉处于脉冲强光和紫外协同距离下，杀菌率呈现先增大后减小的变化。脉冲强光-紫外照射处理的杀菌效果显著优于单独使用脉冲强光照射杀菌或紫外照射杀菌（P<0.05），在样品距离脉冲强光光源10 cm、紫外光源11 cm时，脉冲强光-紫外照射处理的杀菌率达到最大，为（98.73±0.16）%，即腊肉样品位于脉冲强光-紫外照射中间位置（10 cm，11 cm）时的杀菌效果最好。

2.1.3 闪照时间对腊肉杀菌率的影响

由图3可知，3 种处理方式对样品杀菌率的影响趋势相同：随闪照时间的增加，切片腊肉的杀菌率呈增大趋势。脉冲强光-紫外照射处理5 min时的杀菌率为（98.60±0.18）%，之后杀菌率的升高趋势较平缓

（P>0.05），脉冲强光-紫外照射的杀菌效果优于其他2 种单独处理方式。为了尽量缩短照射时间[22]，减少照射处理对腊肉品质的影响，故选择闪照时间为5 min作为脉冲强光-紫外照射处理切片腊肉的最佳时间。

2.2 响应面优化试验

2.2.1 响应面优化试验结果

以腊肉切片厚度、照射距离和闪照时间为试验因素，脉冲强光-紫外照射处理切片腊肉的杀菌率为响应值（Y）进行试验，响应面试验设计结果见表2。

由表2可知，经脉冲强光-紫外照射处理的切片腊肉的杀菌率与预测值相近，拟合结果良好。

2.2.2 响应面回归模型的建立、方差分析及显著性检验

利用Design-Expert 8.0.6软件，结合对响应面试验结果的分析，得到各因素与响应值的二次回归方程为： Y=94.60-1.26A-0.83B+3.42C-0.47AB-0.33AC-0.55BC+0.89A2-0.46B2-0.93C2。

由表3可知，模型P<0.000 1，说明模型极显著，证明此模型成立，本实验方法可靠。失拟项

P=0.337 6>0.05，故失拟项不显著，说明回归方程不存在失拟因素，回归方程拟合程度较好。在实验范围内，此回归方程可以进一步用来预测和合理解释实验结果。因素A、C对腊肉表面杀菌率的影响均为极显著

（P<0.000 1），因素B的影響为显著（P=0.010 8<0.05），交互项AB、AC的影响不显著（P>0.05），BC的影响显著

（P=0.015 0<0.05），A2、C2的影响显著，B2的影响不显著（P>0.05）。综上所述，脉冲强光-紫外照射处理切片腊肉杀菌率的影响因素主次顺序为：闪照

时间>切片厚度>照射距离。模型的校正决定系数（R2）为0.974 2，说明该模型能解释97.42%的响应值变化，表明模型良好，此方程与实际拟合程度较好。当R2约为1时，表明响应面模型与实验数据拟合良好[23]，此模型能有效反应切片厚度、照射距离和闪照时间之间的关系，因而该方程能预测本实验中响应值随各参数的变化规律[24-25]。

由表4可知，若模型的检验项P<0.01，该项极显著，若模型的检验项P<0.05，该项显著，反之不显著[26-27]。一次项中，A和C的偏回归系数极显著，说明切片厚度和闪照时间对脉冲强光-紫外照射处理切片腊肉的杀菌率有显著影响，交互项BC偏回归系数显著，二次项A2、C2的偏回归系数显著，其他各项的回归系数均未达到显著水平，且分析数据置信度可观。

2.2.3 响应面交互作用及杀菌效果分析

由图4可知，随切片厚度的增加以及脉冲强光照射距离的增加、紫外照射距离的减小，脉冲强光-紫外照射对切片腊肉的杀菌率呈先稍上升后稍下降趋势，响应面三维曲线图的弧度变化较为平缓，切片厚度和照射距离的交互作用效果不显著（P>0.05）。当切片厚度为3 mm、样品距离脉冲强光光源6 cm、距离紫外光源15 cm时，杀菌率最高，为96.20%，说明此时的杀菌效果最好。

由图5可知，随着闪照时间的延长，切片腊肉的杀菌率呈明显的上升趋势（P<0.05），且随着切片厚度的增大，杀菌率呈减小趋势，但效果不明显（P>0.05）。响应面三维曲线弧度有变化，当脉冲强光-紫外照射的闪照时间为5 min、样品切片厚度为3 mm时，切片腊肉的杀菌率最大。在三维曲线图中杀菌率的变化趋势弧度不明显，说明A、C的交互作用不显著。

由图6可知，随着闪照时间的增加，切片腊肉的杀菌率呈上升趋势，而照射距离对杀菌率无显著影响

（P>0.05）。通过观察响应面三维图及等高线图，在距离脉冲强光光源6 cm、距离紫外光源15 cm、闪照时间为5 min时，切片腊肉的杀菌效果最好，此时的杀菌率为98.01%。三维曲线图呈现弧度趋势，说明B、C的交互作用显著。

2.2.4 响应面分析结果预测值的验证

杀菌率最大时的最优参数为腊肉切片厚度3.04 mm、距离脉冲强光光源6.05 cm、距离紫外光源14.95 cm、闪照时间4.95 min，预测杀菌率可达99.84%，此时切片腊肉的杀菌效果得到了显著优化。在此基础上进行验证实验，考虑到实际操作，将参数调整为切片厚度3 mm、距离脉冲强光光源6 cm、距离紫外光源15 cm、闪照时间5 min，在此条件下的杀菌率为（99.67±0.17）%，实际值在预测值的95%置信区间内（98.061 2%，101.616%）。

为证实响应面优化法的可靠性，在上述最佳组合条件下，进行贮藏30 d的验证实验。由表5可知，实际值与预测值非常接近，随着贮藏时间的增加，实际值与预测值的比率虽有减小的趋势但仍接近，这是因为贮藏时间延长会促进腊肉中微生物的生长。验证实验的结果表明，本研究建立的响应面分析模型预测性可靠。

3 结 论

通过脉冲强光-紫外照射杀菌技术可以有效杀灭切片腊肉制品中的细菌，杀菌率影响因素的主次顺序为闪照时间>切片厚度>照射距离。在单因素试验基础上，利用响应面法对脉冲强光-紫外照射的杀菌条件进行优化，以切片厚度、照射距离和闪照时间3 个因素建立腊肉表面杀菌率的二次回归方程。利用响应曲面法分析可知，当切片厚度为3 mm、距离脉冲强光光源6 cm、距离紫外光源15 cm、闪照时间为5 min时，腊肉样品的杀菌率最高（99.67%）。经验证，本研究所建立的响应面分析模型的拟合程度和准确率高，可用于分析、预测各因素对切片腊肉杀菌率的影响，为延长腊肉货架期提供理论依据，并且说明脉冲强光-紫外照射的联合杀菌效果优于单独使用脉冲强光照射或紫外照射杀菌。此外，脉冲强光-紫外照射杀菌技术具有设备投入简单、使用操作便利、成本相对低廉、实用性良好的特点，因此，该技术有很好的应用推广前景。

参考文献：

[1] 王卫东， 曹泽虹， 孙月娥， 等. 复合抗菌膜对腊肉品质的影响[J]. 食品科学， 2012， 33（2）： 276-279.

[2] 林玉桓. 苏州传统腌腊肉加工贮藏中的品质变化[J]. 食品科技， 2011， 36（3）： 132-135. DOI：10.13684/j.cnki.spkj.2011.03.051.

[3] 李湘利， 张子德， 刘静. 肉类保鲜机理研究现状及发展趋势[J]. 肉类工业， 2005（7）： 15-17. DOI：10.3969/j.issn.1008-5467.2005.07.007.

[4] 钟自力， 桑卫国， 刘联国. 鲜啤和白糯米酒脉冲强光冷杀菌技术初探[J]. 食品工业科技， 2012， 33（3）： 259-262. DOI：10.13386/j.issn1002-0306.2012.03.076.

[5] 袁勇军， 唐敏， 陈伟， 等. 脉冲强光对连续流动状态下黄酒杀菌效果及品质的影响[J]. 中国酿造， 2011， 30（1）： 71-74. DOI：10.3969/j.issn.0254-5071.2011.01.021.

[6] OMS-OLIU G， AGUIL?-AGUAYO I， MART?N-BELLOSO O， et al. Effects of pulsed light treatments on quality and antioxidant properties of fresh-cut mushrooms （Agaricus bisporus） [J]. Postharvest Biology and Technology， 2010， 56（3）： 216-222. DOI： 10.1016/j.postharvbio.2009.12.011.

[7] WEKHOF A， TROMPETER F J， FRANKEN O. Pulsed UV Disintegration （PUVD）： a new sterilisation mechanism for packaging and broad medical-hospital applications[C]//The First International Conference on Ultraviolet Technologies. Washington D.C.， 2001： 1-15.

[8] NICORESCU I， NGUYEN B， MOREAU-FERRET M， et al. Pulsed light inactivation of Bacillus subtilis vegetative cells in suspensions and spices[J]. Food Control， 2013， 31（1）： 151-157. DOI：10.1016/j.foodcont.2012.09.047.

[9] ZHENG Xiaolin， TIAN Shiping， MENG Xianghong， et al. Physiological and biochemical responses in peach fruit to oxalic acid treatment during storage at room temperature[J]. Food Chemistry， 2007， 104（1）： 156-162. DOI：10.1016/j.foodchem.2006.11.015.

[10] KIYOSHI Yoshino， 姜偉. 紫外线杀菌的原理和最新应用[J]. 中国照明电器， 2005（4）： 28-31. DOI：10.3969/j.issn.1002-6150.2005.04.010.

[11] OMS-OLIU G， MART?N-BELLOSO O， SOLIVA-FORTUNY R. Pulsed light treatments for food preservation： a review[J]. Food and Bioprocess Technology， 2010， 3（1）： 13-23. DOI：10.1007/s11947-008-0147-x.

[12] HAYES J， KIRF D， GARVEY M， et al. Disinfection and toxicological assessments of pulsed UV and pulsed-plasma gas-discharge treated-water containing the waterborne protozoan enteroparasite Cryptosporidium parvum[J]. Journal of Microbiological Methods， 2013， 94（3）： 325-337. DOI：10.1016/j.mimet.2013.07.012.

[13] MOSQUEDA-MELGAR J， RAYBAUDI-MASSILIA R M，

MART?N-BELLOSO O. Influence of treatment time and pulse frequency on Salmonella enteritidis， Escherichia coli and Listeria monocytogenes populations inoculated in melon and watermelon juices treated by pulsed electric fields[J]. International Journal of Food Microbiology， 2007， 117（2）： 192-200. DOI：10.1016/j.ijfoodmicro.2007.04.009.

[14] LUO Wei， CHEN Anjun， CHEN Min， et al. Comparison of sterilization efficiency of pulsed and continuous UV light using tunable frequency UV system[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies， 2014， 26： 220-225. DOI：10.1016/j.ifset.2014.10.002.

[15] 马凤鸣， 李浦， 叶万军， 等. 脉冲强光对梨多酚氧化酶钝化实验研究[J]. 食品工业科技， 2012， 33（6）： 159-162. DOI：10.13386/j.issn1002-0306.2012.06.057.

[16] 马涛， 陈伟玲. 糙米发芽浸泡过程中臭氧对微生物灭菌效果的影响[J]. 食品工业科技， 2013， 34（2）： 245-248.

[17] JOSHI S， YADAV S， DESAI A J. Application of response-surface methodology to evaluate the optimum medium components for the enhanced production of lichenysin by Bacillus licheniformis R2[J]. Biochemical Engineering Journal， 2008， 41（2）： 122-127. DOI：10.1016/j.bej.2008.04.005.

[18] 中華人民共和国卫生部. GB 4789.2—2010 食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定[S]. 北京： 中国标准出版社， 2010.

[19] 赵晨. 脉冲强光杀菌技术对氨基酸饮料杀菌作用的研究[J]. 福建轻纺， 2012（4）： 32-36. DOI：10.3969/j.issn.1007-550X .2012.04.002.

[20] 江天宝， 曹玉兰， 陆蒸. 脉冲强光对烤鳗的杀菌效果及感官品质的影响[J]. 食品工业科技， 2006， 22（12）： 200-204. DOI：10.3321/j.issn：1002-6819.2006.12.042.

[21] 唐明礼， 王勃， 刘贺， 等. 脉冲强光对煎饼中细菌的杀菌效果的研究[J]. 食品工业科技， 2014， 35（8）： 272-275； 282. DOI：10.13386/j.issn1002-0306.2014.08.053.

[22] 王勃， 刘昕， 马涛， 等. 响应面法优化脉冲强光对面包表面细菌的杀菌工艺[J]. 食品科学， 2014， 35（18）： 74-77. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201418014.

[23] SIN H N， YUSOF S， SHEIKH ABDUL HAMID N， et al. Optimization of enzymatic clarification of sapodilla juice using response surface methodology[J]. Journal of Food Engineering， 2006， 73（4）： 313-319. DOI：10.1016/j.jfoodeng.2005.01.031.

[24] 夏海涛， 刘玉芬， 苗文军. 响应面法优化山麻楂粗多糖提取工艺[J]. 食品科学， 2012， 33（20）： 128-131.

[25] 郭丽， 邬应龙. 响应面试验优化交联马铃薯淀粉制备工艺及体外消化性质特征研究[J]. 食品科学， 2013， 34（8）： 76-81.

[26] 唐明礼， 王勃， 刘贺， 等. 响应面优化脉冲强光对煎饼表面大肠杆菌的杀菌效果[J]. 食品科学， 2014， 35（16）： 91-95. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201416017.

[27] 王会然， 李宗军. 响应面试验优化挤压米生产工艺[J]. 食品科学， 2013， 34（8）： 113-117. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201308023.