响应面法优化脉冲强光杀灭干豆腐细菌条件的研究

王 勃 赵 旭 朱力杰 惠丽娟 马 涛 王鑫垚

（渤海大学化学化工与食品安全学院1，锦州 121013）

（辽宁省粮食科学研究所2，沈阳 110032）

响应面法优化脉冲强光杀灭干豆腐细菌条件的研究

王 勃1赵 旭2朱力杰1惠丽娟1马 涛1王鑫垚1

（渤海大学化学化工与食品安全学院1，锦州 121013）

（辽宁省粮食科学研究所2，沈阳 110032）

采用响应面法对影响脉冲强光杀灭干豆腐细菌效果的因素进行研究，得出影响灭菌率的大小顺序为：照射距离＞脉冲强光能量＞照射时间；最佳灭菌条件为：脉冲强光能量400 J，照射距离10 cm，照射时间15 s，此条件下的灭菌率可达98.83%。经过脉冲强光照射的干豆腐其感官品质与未处理样品相差甚微。

干豆腐 脉冲强光 细菌 灭菌 条件优化

中国传统豆制品具有独特的口感、风味，营养丰富且易于消化吸收［1］。在众多豆制品中，干豆腐味美价廉且深受人们喜爱。当前市场上销售的大部分干豆腐多为家庭手工作坊式生产［2］，为了延长产品保质期而添加国标中明令禁止的防腐剂。目前部分生产企业用于豆制品的保鲜技术主要有物理保鲜、化学保鲜和生物保鲜［3-5］。但这些杀菌保鲜技术各有弊端，亟需一种安全、高效的杀菌技术来使传统豆制品达到保鲜的目的。

脉冲强光杀菌技术是利用瞬时、高强度的脉冲光能量进行快速灭菌的一种物理杀菌新技术［6-8］，它利用惰性气体灯发出与太阳光谱相近、波谱范围由紫外线至红外线区域的强烈脉冲闪光来杀灭固体表面、气体和透明液体中的微生物［6-9］。利用脉冲强光处理样品基本不产生残留物，也不涉及有害化学物质［10］。使用脉冲强光技术对食品杀菌，能保持食品原有的色、香、味，这对风味食品以及不适于高温灭菌的食品尤为重要。

本研究以细菌灭菌率为指标，脉冲强光能量、照射距离和照射时间为影响因素，采用Box-Behnken试验设计及响应面分析优化脉冲强光杀灭干豆腐细菌的条件，以期为脉冲强光技术在豆制品灭菌中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

干豆腐：水分 61.43 g／100 g、脂肪5.71 g／100 g、蛋白质16.28 g／100 g；平板计数琼脂培养基（PCA）：北京奥博星生物技术有限责任公司。

1.2 仪器与设备

LA50-800A脉冲强光表面杀菌实验柜：宁波中物光电杀菌技术有限公司；LRH-150生化培养箱：上海一恒科学仪器有限公司；TA.XTplus2物性测定仪：英国Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 脉冲强光能量对干豆腐细菌灭菌率的影响

设计照射距离为10 cm，照射时间为15 s，脉冲强光能量取 100、200、300、400和 500 J，频次为 2次／s，对干豆腐进行照射处理，未做处理的干豆腐作为空白对照，分别取样并制备菌悬液，选择3个稀释度的菌悬液各吸取1 mL至培养皿与培养基混合均匀后在36℃进行恒温培养，48 h后测定菌落总数。

1.3.2 照射距离对干豆腐细菌灭菌率的影响

设计脉冲强光能量为300 J，照射时间为15 s，照射距离取 8、9、10、11和 12 cm，频次为 2次／s，参照1.3.1中提到的方法对干豆腐进行处理并测定菌落总数

1.3.3 照射时间对干豆腐细菌灭菌率的影响

设计脉冲强光能量为300 J，照射距离为10 cm，照射时间取5、15、25、35和45 s，频次为 2次／s，参照1.3.1中提到的方法对干豆腐进行处理并测定菌落总数。

1.3.4 菌落总数测定

根据食品安全国家标准GB 4789.2—2010《食品微生物学检验：菌落总数测定》进行菌落总数的测定。

1.3.5 灭菌率的计算

杀菌效果用灭菌率表示，计算公式［11］为：

灭菌率 ＝［（N-N0）／N］×100%

式中：N为灭菌前的菌落总数；N0为灭菌后的菌落总数。

1.3.6 试验设计

根据Box-Benhnken试验设计原理，选择影响干豆腐细菌灭菌率（Y）的3个因素：脉冲强光能量（A）、照射距离（B）、照射时间（C）进行组合，以 -1、0、1分别代表自变量的低、中、高水平，进行三因素三水平的试验设计，共17个试验点，5个中心点重复试验［12］。

表1 试验因素及水平设计

1.3.7 模型的验证

通过响应面法优化脉冲强光杀灭干豆腐细菌的灭菌条件。在优化条件下进行试验，通过比较预测值和试验值验证模型的有效性［13］。

1.3.8 脉冲强光参数对干豆腐质构的影响

参照1.3.1，1.3.2，1.3.3中的参数条件，对上述15组经过脉冲强光照射的干豆腐进行质构的测定，未做处理的干豆腐作为空白对照。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 脉冲强光能量对干豆腐细菌灭菌率的影响

图1可见，能量过低不利于较好地杀灭干豆腐表面的细菌。当试验所用的脉冲强光能量在100～300 J范围内，细菌的灭菌率呈迅速上升的趋势。在能量为400 J时灭菌率达到98.14%，随着能量继续增大至500 J，灭菌率增加的并不明显。因此，选择脉冲强光能量400 J为响应面试验的中心试验点。

图1 脉冲强光能量对干豆腐细菌灭菌率的影响

2.1.2 照射距离对干豆腐细菌灭菌率的影响

如图2所示，照射距离为10 cm时，细菌灭菌率最大。当照射距离在10～12 cm之间时，灭菌率迅速降低。因此，脉冲强光远距离照射时，干豆腐细菌灭菌效果不好。根据灭菌率，选择照射距离10 cm为响应面试验的中心试验点。

图2 照射距离对干豆腐细菌灭菌率的影响

2.1.3 照射时间对干豆腐细菌灭菌率的影响

如图3所示，当照射时间在5～15 s时，细菌的灭菌率迅速增加，在时间为15 s时达到96.39%。接下来随着照射时间的延长灭菌率变化的并不明显。于是选择照射时间15 s为响应面试验的中心试验点。

图3 照射时间对干豆腐细菌灭菌率的影响

2.2 响应面法优化脉冲强光灭菌条件

2.2.1 模型的建立及其显著性检验

响应面试验设计及结果见表2。响应面法以最经济的方式，较少的试验次数和较短的时间对所选的试验参数进行全面研究［14］。利用 Design Expert 8.0.6软件对表2试验数据进行多元回归拟合，获得响应值细菌灭菌率（Y）对自变量脉冲强光能量（A）、照射距离（B）和照射时间（C）的二次多项式回归模型方程：

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

表2 响应面试验设计及结果

对回归模型进行方差分析，结果见表3。从表3中可以看出模型是极显著的（P＜0.000 1），失拟项不显著，回归模型的决定系数R2＝0.995 3，说明该模型能够解释99.53%的响应值变化，仅有总变异的0.47%不能用该模型解释，模型拟合程度良好，试验误差小。因此，可用此模型分析和预测经脉冲强光照射处理后干豆腐细菌的灭菌率。由表4回归方程系数显著性检验可知，模型一次项B、交互项AC、二次项 A2、B2、C2极显著；一次项 A、交互项 BC显著；一次项C、交互项AB不显著。由P值显著性的大小可以看出试验因素的影响大小为：照射距离（B）＞脉冲强光能量（A）＞照射时间（C）。

表3 回归模型方差分析

表4 回归方程系数显著性检验

2.2.2 响应面分析与优化

回归模型方程的响应面分别见图4～图6。对响应面及等高线图进行分析，可以直观地看出优化区域和不同因素之间相互作用的程度［15］。此外，椭圆形等高线图表示两两之间的交互作用比较显著。

图4 脉冲强光能量、照射距离及其交互作用对干豆腐细菌灭菌率的响应面

图5 脉冲强光能量、照射时间及其交互作用对干豆腐细菌灭菌率的响应面

图6 照射距离、照射时间及其交互作用对干豆腐细菌灭菌率的响应面

图4表示的是将照射时间控制在0水平，脉冲强光能量、照射距离及其交互作用对干豆腐细菌灭菌率的影响。脉冲强光能量和照射距离的交互作用对细菌灭菌率的影响不显著。图5响应面显示的是当照射距离在0水平时，脉冲强光能量、照射时间及其交互作用对干豆腐细菌灭菌率的影响。脉冲强光能量和照射时间的交互作用对细菌灭菌率的影响极显著。图6显示的是脉冲能量在0水平时，照射距离、照射时间及其交互作用对干豆腐细菌灭菌率的影响。应用Design Expert 8.0.6软件获得干豆腐细菌的脉冲强光灭菌最优条件为：脉冲强光能量388 J、照射距离9.7 cm、照射时间14.9 s，此条件下预测的细菌灭菌率为98.44%。考虑到脉冲强光设备及实际操作方便，将工艺参数调整为脉冲强光能量400 J、照射距离10 cm、照射时间15 s。

2.2.3 回归模型的验证

为了验证模型的有效性，采用调整后的条件进行试验，结果得到的灭菌率为98.83%。试验值与预测值相差很小，表明该模型可以较好地反映出脉冲强光杀灭干豆腐细菌的灭菌效果，从而也证明了应用Box-Behnken响应面法优化脉冲强光杀灭干豆腐细菌的灭菌工艺条件的可行性。

2.2.4 脉冲强光参数对干豆腐质构的影响

2.2.4.1 脉冲强光能量对干豆腐质构的影响

从表5可以看出，试验选取的脉冲强光能量对干豆腐硬度、弹性、黏聚性、胶着度、咀嚼度和回复性的影响不显著（P＞0.05），这说明脉冲强光能量不是干豆腐质构指标的影响因素。其中，硬度随脉冲强光能量的增大而略微减小，但变化并不明显，人的感官是感觉不出来的。其他指标数值没有随照射能量的增加而呈现规律性变化，造成这一结果的原因可能是干豆腐本身组织结构的不完全均一性，每片干豆腐之间也会存在差异。总的来看，这些差异并未对干豆腐质构指标造成显著影响（P＞0.05）。

2.2.4.2 脉冲强光照射距离对干豆腐质构的影响

从表6中可以看出，干豆腐硬度、弹性、黏聚性、胶着度、咀嚼度和回复性在试验选取的脉冲强光照射距离范围内变化不明显（P＞0.05），并且各个指标的数值均在没有规律性的上下波动。这可能与干豆腐本身的差异有关，因此，脉冲强光照射距离对干豆腐质构指标的影响不显著（P＞0.05）。

2.2.4.3 脉冲强光照射时间对干豆腐质构的影响

从表7可以看出脉冲强光照射时间对干豆腐的硬度和咀嚼度有显著影响（P＜0.05），对弹性、黏聚性、胶着度和回复性的影响不显著（P＞0.05）。干豆腐经脉冲强光照射30 s时，硬度和咀嚼度与空白对照组的相比差异显著（P＜0.05）。随着照射时间的增加，干豆腐的硬度和咀嚼度逐渐增大。这可能是由于脉冲强光设备自带的风扇（操作过程中需要打开，作用是使操作室内温度不至于过高而耗损设备）不断将干豆腐表面水分带走甚至吹干其表面，从而影响到干豆腐的某些质构指标。尽管如此，能够看出脉冲强光短时间照射对干豆腐质构方面的性质影响不大。在实际生产操作中，可以适当降低操作环境的温度，避免使用风机或者使风的方向对着脉冲强光发生装置而不是产品，尽量保持产品原来状态防止水分挥发而影响口感和质量。

表5 脉冲强光能量对干豆腐质构指标的影响

表6 脉冲强光照射距离对干豆腐质构指标的影响

表6 （续）

表7 脉冲强光照射时间对干豆腐质构指标的影响

3 结论

利用试验设计软件 Design Expert 8.0.6，根据Box-Behnken试验设计建立脉冲强光技术对干豆腐细菌进行灭菌的二次多项数学模型，并优化出灭菌参数。试验得出影响灭菌率的大小顺序为：照射距离＞脉冲强光能量＞照射时间；脉冲强光能量400 J、照射距离10 cm、照射时间15 s。在此条件下进行验证试验，得到的细菌灭菌率为98.83%。

脉冲强光能量和照射距离对干豆腐的硬度、弹性、黏聚性、胶着度、咀嚼度和回复性没有显著影响（P＞0.05），而脉冲强光照射时间只对干豆腐的硬度和咀嚼度有显著影响（P＜0.05），对其他质构指标的影响不显著（P＞0.05）。脉冲强光照射时间为30 s时，干豆腐的硬度和咀嚼度与空白组的相比差异显著。说明脉冲强光杀菌技术可在不影响干豆腐的感官品质情况下达到灭菌保鲜的目的。

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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，实验员，粮食科学

马涛，男，1962年出生，教授，粮食科学