微波杀灭玉米黑曲霉工艺优化

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(吉林大学生物与农业工程学院，吉林长春 130022)

微波杀灭玉米黑曲霉工艺优化

徐艳阳,于静,朱志红,董周永

(吉林大学生物与农业工程学院，吉林长春 130022)

应用响应面法对微波杀灭玉米黑曲霉工艺进行优化研究,考查微波功率、微波时间和装载量对玉米黑曲霉孢子减少对数周期和玉米裂纹率的影响,并建立相应的回归模型。结果表明最佳工艺条件为：微波功率119W,微波时间6min,装载量50g,在此条件下,玉米黑曲霉孢子减少对数周期为1.3769,玉米裂纹率为0,与理论预测值基本符合,为微波法杀灭玉米霉菌的工业应用提供理论参考。

微波,杀菌,玉米,黑曲霉,响应面法

玉米是我国的主要粮食作物之一,其产量居杂粮之首,播种面积居世界第二位[1]。玉米通常在收获和储藏加工过程中易受霉菌的污染。在储藏过程中的霉菌污染以青霉属、曲霉属、根霉属和镰刀霉属为主,其中青霉属和曲霉属是优势菌属[2],产生毒素的主要是曲霉属和镰刀霉属。由于玉米自身的一些特点,如胚部较大营养成分丰富、原始水分高、成熟度不均匀等[3],在储藏过程中比其它类粮食更易发生霉变,使其食用品质下降,严重的甚至产生毒素危害人体健康。微波是指频率为300MHz-300GHz之间的电磁波[4],因其在杀菌过程中时间短、速度快、温度低、安全高效且易于控制等特点[5-7],被广泛应用于医药和食品工业中。目前一些学者研究表明微波对人参、锥栗、香菇和饮料等食品的杀菌是有效的[8-11],靳志强、胡坚[12-14]等研究了微波对寄生曲霉的动力学模型和效应机制。因此本文对玉米黑曲霉的微波杀菌工艺进行研究,为探索玉米的安全储藏方法提供科学依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

玉米黑曲霉 由本院食品微生物实验室自霉变玉米中分离鉴定得到；冷藏鲜玉米 由本院玉米实验基地提供,无霉变粒,颜色气味正常。

硝酸钠,磷酸氢二钾,硫酸镁,氯化钾,硫酸亚铁,蔗糖,琼脂,氯化钠,吐温-80等均为分析纯试剂。

MM721AAU-PW美的微波炉 美的微波电器制造有限公司；JA3003A电子精密天平 上海精天电子仪器有限公司；DSX-280A不锈钢手提式高压蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂；DHP060恒温培养箱 上海实验仪器厂有限公司；SW-CJ-1DF洁净工作台 上海博讯实业有限公司医疗设备厂；QL-901试管振荡器 金坛市医疗仪器厂；SHA-C水浴恒温振荡器 金坛市恒丰仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1 黑曲霉孢子悬液的制备 挑取斜面保藏的黑曲霉菌丝转接至平板,28℃下培养3～5d；在含菌平板中加入一定量的洗脱液(体积分数0.05%吐温80),将孢子洗涤下来,然后用无菌纱布过滤除去菌丝体；用无菌水将菌悬液调至300mL,摇匀,备用。

1.2.2 玉米染菌 将玉米浸泡于孢子悬液中3min,然后平铺在无菌滤纸上,置于超净工作台内30min,备用。

1.2.3 实验指标及方法 黑曲霉致死效果采用孢子减少的对数周期(Y1)来表示：

式(1)

式中,N为经微波处理的残存菌落数(CFU/mL),N0为初始菌落数(CFU/mL)。

玉米裂纹率参照文献[15]的放大镜观测法。

1.2.4 黑曲霉计数 玉米黑曲霉菌落数的测定方法按照GB 4789.15-2010[16]。

1.3单因素实验设计

1.3.1 微波功率对黑曲霉致死效果的影响 称取10.0g玉米样品,平铺于无菌滤纸上置于微波炉内,分别以微波功率119、231、385、539、700W处理2min。

1.3.2 微波时间对黑曲霉致死效果的影响 称取10.0g玉米样品,平铺于无菌滤纸上置于微波炉内,以微波功率119W分别处理2、4、6、8、10min。

1.3.3 玉米装载量对黑曲霉致死效果的影响 称取质量为10.0、30.0、50.0、70.0、90.0g玉米样品,平铺于无菌滤纸上置于微波炉内,采用微波功率231W处理3min。

1.3.4 响应面实验设计 在单因素的基础上,根据BBD(Box-Benhnken Design)中心组合实验设计原理,采用三因素三水平作响应面分析,实验因素水平见表1。

表1 响应面实验因素水平

1.4数据处理与分析

每次实验重复三次,实验数据采用Design-Expert 8.05 软件进行回归和方差分析。p<0.05为差异显著,p<0.01为差异极显著。

2 结果与分析

2.1单因素实验结果

2.1.1 微波功率对玉米黑曲霉致死效果的影响 不同微波功率对玉米黑曲霉致死效果的影响见图1。

图1 微波功率对玉米黑曲霉致死效果的影响

由图1可以看出,当微波功率从119W到385W,黑曲霉孢子减少对数周期上升,当微波功率超过539W,孢子减少达到5个对数周期,致死率接近100%。但随着微波功率的增加,玉米出现裂纹,考虑杀菌效果及玉米品质,选取微波功率119～385W。

2.1.2 微波时间对玉米黑曲霉致死效果的影响 不同微波时间对玉米黑曲霉致死效果的影响见图2。

图2 微波时间对玉米黑曲霉致死效果的影响

由图2可以看出,在功率119W微波作用下,随着微波时间的延长,黑曲霉孢子减少对数周期逐渐上升。微波时间超过6min时,玉米出现裂纹,同时颜色发生褐变,玉米品质开始下降,考虑杀菌效果及玉米品质,微波时间选取2～6min。

2.1.3 玉米装载量对黑曲霉致死效果的影响 不同装载量对玉米黑曲霉致死效果的影响见图3。

图3 装载量对玉米黑曲霉致死效果的影响

由图3可以看出,随着玉米装载量的增加,黑曲霉孢子减少对数周期下降,说明装载量的增加导致黑曲霉致死效果下降,所以玉米的装载量不可过多。然而装载量少于10.0g时,玉米裂纹率达到20.13%,从而降低玉米品质,所以装载量选择30～50g。

2.2响应面法优化与分析

表3 回归方程Y1模型方差分析表

注：**表示极显著(p<0.01)*表示显著(0.01

表4 回归方程Y1系数显著性分析

2.2.1 响应面优化实验结果 在微波杀菌的单因素实验基础上,根据BBD中心组合实验设计原理,采用三因素三水平作响应面分析。以玉米黑曲霉孢子减少的对数周期做响应面,以裂纹率作为玉米品质参考值。响应面优化实验结果见表2。

2.2.2 回归模型的建立及显著性检验 利用Design-Expert8.05统计软件对表2实验数据进行多元回归拟合,获得玉米黑曲霉孢子减少的对数周期(Y1)、裂纹率(Y2)与微波时间(X1)、微波功率(X2)、装载量(X3)间的二次多项回归方程：

Y1=1.40+0.67X1+0.55X2+0.017X3-0.052X1X2-0.35X1X3-0.13X2X3+0.52X12-0.097X22-0.12X32

Y2=6.25+13.61X1+7.05X2-1.85X3+10.84X1X2-1.34X1X3+1.12X2X3+6.16X12+3.85X22-1.46X32

表2 Box-Benhnken Design实验结果

回归模型Y1和Y2方差及回归方程系数显著性分析结果见表3～表6。

由表4可知,微波杀灭玉米黑曲霉的条件参数中,影响玉米黑曲霉孢子减少对数周期因素按主次顺序排列：微波功率>微波时间>装载量。其中微波功率(X1)、微波时间(X2)达到极显著水平,装载量(X3)没有统计显著性。由表4可知,微波功率和装载量之间存在交互作用,达到显著水平。

表5 回归方程Y2模型方差分析表

表6 回归方程Y2系数的显著性分析

由表6可知,微波杀灭玉米黑曲霉的条件参数中,影响玉米裂纹率的因素按主次顺序排列：微波功率>微波时间>装载量。其中微波功率(X1)、微波时间(X2)达到极显著水平,装载量(X3)没有统计显著性。考察因素间交互作用,由表6可知,微波功率和微波时间之间存在交互作用,达到显著水平。

2.2.3 响应曲面分析 微波杀灭玉米黑曲霉工艺条件中微波功率、微波时间、装载量3个因素之间交互作用对玉米黑曲霉孢子减少对数周期的影响如图4～图6所示。

图4 微波功率与微波时间对孢子减少 对数周期影响的响应面图

图5 微波功率与装载量对孢子减少 对数周期影响的响应面图

图6 微波时间与装载量对孢子减少 对数周期影响的响应面图

微波时间和微波功率均对玉米黑曲霉孢子减少对数周期有显著性影响(p<0.05)。由图4可知,微波功率对玉米黑曲霉孢子减少对数周期的影响比微波时间大。随着微波功率和时间的同时增大,玉米黑曲霉孢子减少的对数周期持续上升,说明同时增加微波功率和微波时间可增加玉米黑曲霉孢子减少对数周期,但考虑到实际操作中玉米品质,要将二者控制在合适的范围内。由图5和图6可知,微波功率和微波时间对玉米黑曲霉孢子减少对数周期的影响均大于装载量,同时装载量的影响不显著。

利用Design-Expert 8.05软件对回归方程Y1和Y2进行模拟和预测,通过软件对两个指标的综合评价得到微波杀灭玉米黑曲霉的最佳杀菌条件为：微波功率119W、微波时间6min、装载量50g,在此条件下,玉米黑曲霉孢子减少对数周期为1.87933,玉米裂纹率为-2.0%。为了检验此方法的可靠性,综合考虑实际操作条件,将微波杀灭玉米黑曲霉最佳杀菌条件确定为：微波功率119W、微波时间6min、装载量50g。此条件下,既保证了杀菌效果,也保证了玉米品质。通过五次验证实验,测得玉米黑曲霉孢子减少对数周期为1.3769,与理论预测值基本吻合,同时玉米的裂纹率为0,低于国标中的要求20%[17]。

3 结论

采用三因素三水平响应面法建立了玉米黑曲霉孢子减少对数周期(Y1)和玉米裂纹率(Y2)与微波功率(X2)、微波时间(X1)和装载量(X3)三个因素之间的二次回归模型,影响因素的显著性依次为：微波功率>微波时间>装载量。

Y1=1.40+0.67X1+0.55X2+0.017X3-0.052X1X2-0.35X1X3-0.13X2X3+0.52X12-0.097X22-0.12X3(R2=0.9452)

Y2=6.25+13.61X1+7.05X2-1.85X3+10.84X1X2-1.34X3+1.12X2X3+6.16X12+3.85X22-1.46X32(R2=0.9161)

获得微波杀灭玉米黑曲霉的最佳条件为：微波功率119W、微波时间6min、装载量50g。通过五次验证实验,测得玉米黑曲霉孢子减少对数周期为1.3769,玉米裂纹率为0。以往研究[13-14]发现低剂量微波对寄生曲霉的致死效果较好,同时对物料品质影响小。本实验最佳条件下的微波剂量为2.38W/g,属于低剂量,此条件下,对黑曲霉孢子致死效果与前人对寄生曲霉微波效应研究的结果类似,致死率达到90%以上,同时玉米的品质完好。说明本研究的杀菌条件基本符合理论预测值,具有一定的实际价值。

采取微波对玉米黑曲霉进行杀灭处理,通过控制微波功率和微波时间可以达到较好的杀菌效果,同时保证玉米品质。

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Process optimization of killingAspergillusnigerisolated from corn by microwave irradiation

XUYan-yang,YUJing,ZHUZhi-hong,DONGZhou-yong

(School of Biological and Agricultural Engineering,Jilin University,Changchun 130022,China)

Response surface methodology was used to optimize sterilization process for maizeAspergillusnigerby microwave irradiation. Microwave power,microwave time and loads of maize on log reduction period ofAspergillusnigerspores and crack rate of maize were studied,and corresponding regression models were established. The optimal technological conditions were determined as follows:microwave power of 119W,microwave time of 6min,load of maize of 50g. Under these conditions,log reduction of CFU ofAspergillusnigerspores was 1.3769,and maize crack rate was 0. Tested and predicted value were similar basically. The results provides theoretical references for killing maizeAspergillusnigerby microwave treatment.

microwave；sterilization；maize；Aspergillusniger；response surface design

2013-05-06

徐艳阳(1972-),女,博士,副教授,主要从事食品营养与安全方向的研究。

吉林大学基本科研业务费项目(450060487501,200903263);吉林省科技发展计划项目(20120717)。

TS201.1

：B

：1002-0306(2014)01-0181-05