響應面法優化脈沖強光殺滅干豆腐細菌條件的研究

王 勃 趙 旭 朱力杰 惠麗娟 馬 濤 王鑫垚

（渤海大學化學化工與食品安全學院1，錦州 121013）

（遼寧省糧食科學研究所2，沈陽 110032）

響應面法優化脈沖強光殺滅干豆腐細菌條件的研究

王 勃1趙 旭2朱力杰1惠麗娟1馬 濤1王鑫垚1

（渤海大學化學化工與食品安全學院1，錦州 121013）

（遼寧省糧食科學研究所2，沈陽 110032）

采用響應面法對影響脈沖強光殺滅干豆腐細菌效果的因素進行研究，得出影響滅菌率的大小順序為：照射距離＞脈沖強光能量＞照射時間；最佳滅菌條件為：脈沖強光能量400 J，照射距離10 cm，照射時間15 s，此條件下的滅菌率可達98.83%。經過脈沖強光照射的干豆腐其感官品質與未處理樣品相差甚微。

干豆腐 脈沖強光 細菌 滅菌 條件優化

中國傳統豆制品具有獨特的口感、風味，營養豐富且易于消化吸收［1］。在眾多豆制品中，干豆腐味美價廉且深受人們喜愛。當前市場上銷售的大部分干豆腐多為家庭手工作坊式生產［2］，為了延長產品保質期而添加國標中明令禁止的防腐劑。目前部分生產企業用于豆制品的保鮮技術主要有物理保鮮、化學保鮮和生物保鮮［3-5］。但這些殺菌保鮮技術各有弊端，亟需一種安全、高效的殺菌技術來使傳統豆制品達到保鮮的目的。

脈沖強光殺菌技術是利用瞬時、高強度的脈沖光能量進行快速滅菌的一種物理殺菌新技術［6-8］，它利用惰性氣體燈發出與太陽光譜相近、波譜范圍由紫外線至紅外線區域的強烈脈沖閃光來殺滅固體表面、氣體和透明液體中的微生物［6-9］。利用脈沖強光處理樣品基本不產生殘留物，也不涉及有害化學物質［10］。使用脈沖強光技術對食品殺菌，能保持食品原有的色、香、味，這對風味食品以及不適于高溫滅菌的食品尤為重要。

本研究以細菌滅菌率為指標，脈沖強光能量、照射距離和照射時間為影響因素，采用Box-Behnken試驗設計及響應面分析優化脈沖強光殺滅干豆腐細菌的條件，以期為脈沖強光技術在豆制品滅菌中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

干豆腐：水分 61.43 g／100 g、脂肪5.71 g／100 g、蛋白質16.28 g／100 g；平板計數瓊脂培養基（PCA）：北京奧博星生物技術有限責任公司。

1.2 儀器與設備

LA50-800A脈沖強光表面殺菌實驗柜：寧波中物光電殺菌技術有限公司；LRH-150生化培養箱：上海一恒科學儀器有限公司；TA.XTplus2物性測定儀：英國Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 脈沖強光能量對干豆腐細菌滅菌率的影響

設計照射距離為10 cm，照射時間為15 s，脈沖強光能量取 100、200、300、400和 500 J，頻次為 2次／s，對干豆腐進行照射處理，未做處理的干豆腐作為空白對照，分別取樣并制備菌懸液，選擇3個稀釋度的菌懸液各吸取1 mL至培養皿與培養基混合均勻后在36℃進行恒溫培養，48 h后測定菌落總數。

1.3.2 照射距離對干豆腐細菌滅菌率的影響

設計脈沖強光能量為300 J，照射時間為15 s，照射距離取 8、9、10、11和 12 cm，頻次為 2次／s，參照1.3.1中提到的方法對干豆腐進行處理并測定菌落總數

1.3.3 照射時間對干豆腐細菌滅菌率的影響

設計脈沖強光能量為300 J，照射距離為10 cm，照射時間取5、15、25、35和45 s，頻次為 2次／s，參照1.3.1中提到的方法對干豆腐進行處理并測定菌落總數。

1.3.4 菌落總數測定

根據食品安全國家標準GB 4789.2—2010《食品微生物學檢驗：菌落總數測定》進行菌落總數的測定。

1.3.5 滅菌率的計算

殺菌效果用滅菌率表示，計算公式［11］為：

滅菌率 ＝［（N-N0）／N］×100%

式中：N為滅菌前的菌落總數；N0為滅菌后的菌落總數。

1.3.6 試驗設計

根據Box-Benhnken試驗設計原理，選擇影響干豆腐細菌滅菌率（Y）的3個因素：脈沖強光能量（A）、照射距離（B）、照射時間（C）進行組合，以 -1、0、1分別代表自變量的低、中、高水平，進行三因素三水平的試驗設計，共17個試驗點，5個中心點重復試驗［12］。

表1 試驗因素及水平設計

1.3.7 模型的驗證

通過響應面法優化脈沖強光殺滅干豆腐細菌的滅菌條件。在優化條件下進行試驗，通過比較預測值和試驗值驗證模型的有效性［13］。

1.3.8 脈沖強光參數對干豆腐質構的影響

參照1.3.1，1.3.2，1.3.3中的參數條件，對上述15組經過脈沖強光照射的干豆腐進行質構的測定，未做處理的干豆腐作為空白對照。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 脈沖強光能量對干豆腐細菌滅菌率的影響

圖1可見，能量過低不利于較好地殺滅干豆腐表面的細菌。當試驗所用的脈沖強光能量在100～300 J范圍內，細菌的滅菌率呈迅速上升的趨勢。在能量為400 J時滅菌率達到98.14%，隨著能量繼續增大至500 J，滅菌率增加的并不明顯。因此，選擇脈沖強光能量400 J為響應面試驗的中心試驗點。

圖1 脈沖強光能量對干豆腐細菌滅菌率的影響

2.1.2 照射距離對干豆腐細菌滅菌率的影響

如圖2所示，照射距離為10 cm時，細菌滅菌率最大。當照射距離在10～12 cm之間時，滅菌率迅速降低。因此，脈沖強光遠距離照射時，干豆腐細菌滅菌效果不好。根據滅菌率，選擇照射距離10 cm為響應面試驗的中心試驗點。

圖2 照射距離對干豆腐細菌滅菌率的影響

2.1.3 照射時間對干豆腐細菌滅菌率的影響

如圖3所示，當照射時間在5～15 s時，細菌的滅菌率迅速增加，在時間為15 s時達到96.39%。接下來隨著照射時間的延長滅菌率變化的并不明顯。于是選擇照射時間15 s為響應面試驗的中心試驗點。

圖3 照射時間對干豆腐細菌滅菌率的影響

2.2 響應面法優化脈沖強光滅菌條件

2.2.1 模型的建立及其顯著性檢驗

響應面試驗設計及結果見表2。響應面法以最經濟的方式，較少的試驗次數和較短的時間對所選的試驗參數進行全面研究［14］。利用 Design Expert 8.0.6軟件對表2試驗數據進行多元回歸擬合，獲得響應值細菌滅菌率（Y）對自變量脈沖強光能量（A）、照射距離（B）和照射時間（C）的二次多項式回歸模型方程：

Y＝97．92-1．29A-3．25B-0．12C-0．40AB+3．63AC-1．42BC-5．18A2-5．81B2-7．68C2

表2 響應面試驗設計及結果

對回歸模型進行方差分析，結果見表3。從表3中可以看出模型是極顯著的（P＜0.000 1），失擬項不顯著，回歸模型的決定系數R2＝0.995 3，說明該模型能夠解釋99.53%的響應值變化，僅有總變異的0.47%不能用該模型解釋，模型擬合程度良好，試驗誤差小。因此，可用此模型分析和預測經脈沖強光照射處理后干豆腐細菌的滅菌率。由表4回歸方程系數顯著性檢驗可知，模型一次項B、交互項AC、二次項 A2、B2、C2極顯著；一次項 A、交互項 BC顯著；一次項C、交互項AB不顯著。由P值顯著性的大小可以看出試驗因素的影響大小為：照射距離（B）＞脈沖強光能量（A）＞照射時間（C）。

表3 回歸模型方差分析

表4 回歸方程系數顯著性檢驗

2.2.2 響應面分析與優化

回歸模型方程的響應面分別見圖4～圖6。對響應面及等高線圖進行分析，可以直觀地看出優化區域和不同因素之間相互作用的程度［15］。此外，橢圓形等高線圖表示兩兩之間的交互作用比較顯著。

圖4 脈沖強光能量、照射距離及其交互作用對干豆腐細菌滅菌率的響應面

圖5 脈沖強光能量、照射時間及其交互作用對干豆腐細菌滅菌率的響應面

圖6 照射距離、照射時間及其交互作用對干豆腐細菌滅菌率的響應面

圖4表示的是將照射時間控制在0水平，脈沖強光能量、照射距離及其交互作用對干豆腐細菌滅菌率的影響。脈沖強光能量和照射距離的交互作用對細菌滅菌率的影響不顯著。圖5響應面顯示的是當照射距離在0水平時，脈沖強光能量、照射時間及其交互作用對干豆腐細菌滅菌率的影響。脈沖強光能量和照射時間的交互作用對細菌滅菌率的影響極顯著。圖6顯示的是脈沖能量在0水平時，照射距離、照射時間及其交互作用對干豆腐細菌滅菌率的影響。應用Design Expert 8.0.6軟件獲得干豆腐細菌的脈沖強光滅菌最優條件為：脈沖強光能量388 J、照射距離9.7 cm、照射時間14.9 s，此條件下預測的細菌滅菌率為98.44%?？紤]到脈沖強光設備及實際操作方便，將工藝參數調整為脈沖強光能量400 J、照射距離10 cm、照射時間15 s。

2.2.3 回歸模型的驗證

為了驗證模型的有效性，采用調整后的條件進行試驗，結果得到的滅菌率為98.83%。試驗值與預測值相差很小，表明該模型可以較好地反映出脈沖強光殺滅干豆腐細菌的滅菌效果，從而也證明了應用Box-Behnken響應面法優化脈沖強光殺滅干豆腐細菌的滅菌工藝條件的可行性。

2.2.4 脈沖強光參數對干豆腐質構的影響

2.2.4.1 脈沖強光能量對干豆腐質構的影響

從表5可以看出，試驗選取的脈沖強光能量對干豆腐硬度、彈性、黏聚性、膠著度、咀嚼度和回復性的影響不顯著（P＞0.05），這說明脈沖強光能量不是干豆腐質構指標的影響因素。其中，硬度隨脈沖強光能量的增大而略微減小，但變化并不明顯，人的感官是感覺不出來的。其他指標數值沒有隨照射能量的增加而呈現規律性變化，造成這一結果的原因可能是干豆腐本身組織結構的不完全均一性，每片干豆腐之間也會存在差異?？偟膩砜?，這些差異并未對干豆腐質構指標造成顯著影響（P＞0.05）。

2.2.4.2 脈沖強光照射距離對干豆腐質構的影響

從表6中可以看出，干豆腐硬度、彈性、黏聚性、膠著度、咀嚼度和回復性在試驗選取的脈沖強光照射距離范圍內變化不明顯（P＞0.05），并且各個指標的數值均在沒有規律性的上下波動。這可能與干豆腐本身的差異有關，因此，脈沖強光照射距離對干豆腐質構指標的影響不顯著（P＞0.05）。

2.2.4.3 脈沖強光照射時間對干豆腐質構的影響

從表7可以看出脈沖強光照射時間對干豆腐的硬度和咀嚼度有顯著影響（P＜0.05），對彈性、黏聚性、膠著度和回復性的影響不顯著（P＞0.05）。干豆腐經脈沖強光照射30 s時，硬度和咀嚼度與空白對照組的相比差異顯著（P＜0.05）。隨著照射時間的增加，干豆腐的硬度和咀嚼度逐漸增大。這可能是由于脈沖強光設備自帶的風扇（操作過程中需要打開，作用是使操作室內溫度不至于過高而耗損設備）不斷將干豆腐表面水分帶走甚至吹干其表面，從而影響到干豆腐的某些質構指標。盡管如此，能夠看出脈沖強光短時間照射對干豆腐質構方面的性質影響不大。在實際生產操作中，可以適當降低操作環境的溫度，避免使用風機或者使風的方向對著脈沖強光發生裝置而不是產品，盡量保持產品原來狀態防止水分揮發而影響口感和質量。

表5 脈沖強光能量對干豆腐質構指標的影響

表6 脈沖強光照射距離對干豆腐質構指標的影響

表6 （續）

表7 脈沖強光照射時間對干豆腐質構指標的影響

3 結論

利用試驗設計軟件 Design Expert 8.0.6，根據Box-Behnken試驗設計建立脈沖強光技術對干豆腐細菌進行滅菌的二次多項數學模型，并優化出滅菌參數。試驗得出影響滅菌率的大小順序為：照射距離＞脈沖強光能量＞照射時間；脈沖強光能量400 J、照射距離10 cm、照射時間15 s。在此條件下進行驗證試驗，得到的細菌滅菌率為98.83%。

脈沖強光能量和照射距離對干豆腐的硬度、彈性、黏聚性、膠著度、咀嚼度和回復性沒有顯著影響（P＞0.05），而脈沖強光照射時間只對干豆腐的硬度和咀嚼度有顯著影響（P＜0.05），對其他質構指標的影響不顯著（P＞0.05）。脈沖強光照射時間為30 s時，干豆腐的硬度和咀嚼度與空白組的相比差異顯著。說明脈沖強光殺菌技術可在不影響干豆腐的感官品質情況下達到滅菌保鮮的目的。

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Optimization of Pulsed Light Sterilization Conditions of Bacterium from Dry Bean Curd Using Response Surface Method

Wang Bo1Zhao Xu2Zhu Lijie1Hui Lijuan1Ma Tao1Wang Xinyao1
（College of Chemistry，Chemical Engineering and Food Safety Bohai Unversity1，Jinzhou 121013）
（Grain Science Research Institute of Liaoning Province2，Shenyang 110032）

Response surface method was used to study factors which influence the effect of bacterium sterilization using pulsed light on dry bean curd.The order of factors which will influence the disinfection rate：irradiation distance＞pulsed light energy＞irradiation time；The optimum conditions obtained were as follows：pulsed light energy 400 J，irradiation distance 10 cm and irradiation time 15 s.The sterilization rate could reach to 98.83%under these conditions.The pulsed light has no significant effect on the sensory quality with untreated dry bean curd.

dry bean curd，pulsed light，bacteria，sterilization，optimization of conditions

TS201.1

A

1003-0174（2015）02-0092-06

2013-10-29

王勃，男，1986年出生，實驗員，糧食科學

馬濤，男，1962年出生，教授，糧食科學