高密度二氧化碳技术生产苹果浆工艺的优化

南 霞,张 超,马 越,霍乃蕊,赵晓燕

(1.山西农业大学,食品科学与工程学院,山西太谷 030801;2.北京市农林科学院蔬菜研究中心，果蔬农产品保鲜与加工北京市重点实验室，农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，农业部都市农业(北方)重点实验室,北京 100097)



高密度二氧化碳技术生产苹果浆工艺的优化

南 霞1,2,张 超2,马 越2,霍乃蕊1,*,赵晓燕2

(1.山西农业大学,食品科学与工程学院,山西太谷 030801;2.北京市农林科学院蔬菜研究中心，果蔬农产品保鲜与加工北京市重点实验室，农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，农业部都市农业(北方)重点实验室,北京 100097)

采用高密度二氧化碳技术对苹果浆进行处理,以期降低苹果浆中菌落总数,保留其原有颜色。研究考察高密度二氧化碳处理压力、温度、时间对苹果浆品质的影响,在此基础上,选取高密度二氧化碳处理压力、时间以及温度为影响因素,以菌落总数和色差为响应值,进行高密度二氧化碳处理工艺的响应面优化。结果表明:随着压力增大,时间延长以及温度提高,苹果浆中菌落总数和颜色变化呈现降低趋势;当高密度二氧化碳处理压力为20 MPa,温度为40 ℃,处理45 min时,苹果浆中菌落总数为1.5 lg cfu/mL,色差为1.02,与理论值相对误差均小于5%,表明回归模型真实可靠。

高密度二氧化碳,苹果浆,菌落总数,色差

杀菌是保证食品安全的前提,常见的灭菌方式包括超声波杀菌、微波杀菌以及巴氏杀菌等,超声波杀菌通过空化作用使细胞破裂;微波杀菌通过微波热效应和非热效应的作用使微生物体内的蛋白质和生理活性物质发生变异和破坏;而巴氏杀菌是通过高温使微生物体内蛋白质或DNA变性的方式对微生物进行杀灭。上述物理振动或热杀菌方式会破坏食品中的营养成分,影响食品感官特征,研究显示超声波灭菌处理加重鲜榨苹果汁的褐变程度[1]、微波杀菌处理降低桑椹果汁中总酚和VC含量[2]、而巴氏杀菌处理显著降低鲜枣汁中VC含量[3]。

高密度二氧化碳(Dense phase carbon dioxide,DPCD)技术属于新型非热杀菌技术,其通过将高压CO2溶解、渗透进入微生物细胞内部,降低胞内pH,钝化胞内酶、引起细胞代谢紊乱,导致微生物死亡[4]。该技术可以较好保持食品原料的营养成分、风味物质以及质构形态[5-6]。研究发现DPCD处理在30 MPa压力下,可以杀灭西瓜汁中99.3%的微生物,并对西瓜汁的风味和颜色影响较小[7];在8 MPa压力和36 ℃处理荔枝汁,将其菌落总数降低4.5个对数值[8];在55 ℃和15 MPa的处理压力下,将可使虾和牡蛎中菌落总数降低至 300 cfu/g以下,并对产品的色泽没有显著影响[9-10]。

苹果浆富含果肉,最大程度保留了苹果的营养成分。但是目前常用的杀菌方式会对产品的营养和感官特性产生负面的影响。本文采用DPCD处理技术对苹果浆进行灭菌,评价DPCD处理工艺对苹果浆中菌落总数和颜色的影响,并采用响应面分析的方法确定DPCD的最佳杀菌工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

苹果 山西富士，北京果香四溢蔬菜超市曙光花园店;营养琼脂 北京奥博星生物技术有限责任公司;氯化钠 国药集团化学试剂有限公;次氯酸钠溶液 分析纯;维生素C 食品添加剂，石药集团维生药业。

UMC5CM-3700d型分光测色仪 日本柯尼卡美能达公司;恒温恒湿培养箱 MMM集团,德国;GI54DW型高压灭菌锅 美国致微公司;高密度二氧化碳杀菌实验装置 海安石油科研仪器有限公司;电子分析天平 上海精密仪器仪表有限公司;超净工作台 北京东联哈尔仪器制造有限公司;U5-Food高速剪切机 德国Stephan。

1.2 苹果浆的制备

将新鲜苹果贮藏于4 ℃冷库中24 h,使用100 ppm次氯酸钠溶液浸泡清洗5 min,并用蒸馏水漂洗,使用脱水机在800 r/min脱水2 min,手动削去苹果皮,并除去苹果核的部分。将苹果块置于高速剪切机锅体中,加入苹果质量0.7%的维生素C护色,加盖后抽真空至压力0.02 MPa,打浆8 min(转刀速度1500 r/min条件下3 min,3000 r/min条件下5 min)。在打浆过程中控制锅体的温度在(10±2) ℃,将苹果浆分装在无菌铝箔袋中,在4 ℃冰箱保存。

1.3 DPCD处理

使用温度为95 ℃以上蒸馏水对杀菌釜清洗消毒,再用75%乙醇消毒,最后用无菌水清洗[11]。取500 g苹果浆置于杀菌釜内,将杀菌釜的盖子拧紧,插入温度探头。DPCD处理釜容量为1 L,控制二氧化碳流量9 kg/h,升压速率为1 MPa/min,当设备达到设定处理压力时,开始计时,进行杀菌,灭菌时间达到,开排气阀,缓慢将CO2完全释放,将苹果浆用无菌包装袋热封,在4 ℃条件下贮藏备用。

1.4 指标测定

1.4.1 菌落总数测定 采用平板计数法测定,参照GB 4789.2-2010《食品微生物学检验菌落总数测定》[12]测定。

1.4.2 颜色测定 采用分光测色仪的反射模式,选用标准D65光源。室温下以标准白板为标准,测定L*,a*,b*值。色差ΔE越大表示果汁颜色变化越大,通过式(1)计算总色差[13]。

式(1)

1.5 实验方案的设计

1.5. 1 单因素实验 在温度为30 ℃、杀菌时间为20min的条件下,考察杀菌压力(5、10、15、20、25MPa)对菌落总数和色差的影响;在压力为20MPa,杀菌时间20min条件下,考察杀菌温度(10、20、30、40、50 ℃)对菌落总数和色差的影响;在压力为20MPa时,温度为40 ℃条件下,考察杀菌时间(10、15、20、30、45、60min)对菌落总数和色差的影响。每个处理重复三次。

1.5.2 响应面优化实验 在单因素实验的基础上,通过Design-Expert软件设计实验[14-15],以压力(A)、温度(B)、时间(C)为自变量,以-1、0、+1分别代表自变量的高、中、低水平,以菌落总数和色差为响应值,设计三因素三水平实验,实验因素与水平的取值见表1。

表1 响应面分析因素与水平

1.6 数据处理与统计

实验所有数据均重复三次,计算平均值和标准偏差,使用统计分析软件DPS v7.05进行处理,Ducan’s新复极差法进行显著性分析(p≤0.05),图像绘制采用Origin 8.0软件(美国Origin Lab Corporation公司),响应面采用Design-Expert 软件设计。

2 结果与分析

2.1 DPCD处理压力对苹果浆菌落总数和颜色的影响

在不同DPCD处理压力下,苹果浆中菌落总数和色差结果见图1。随着压力增大,苹果浆中菌落总数降低,在处理压力为5 MPa时,微生物数量仅下降18.5%,原因在于DPCD处理压力低时,进入细胞的二氧化碳数量少,不能将大部分的微生物杀灭。当压力增大到15 MPa以上时,菌落总数明显降低,比初始菌落总数,分别下降了86.2%、88.3%、89.1%。由于25 MPa时的菌落总数与20 MPa无显著性差异,选择20 MPa为最佳处理压力。

图1 DPCD处理压力对苹果浆菌落总数和颜色的影响Fig.1 Effect of DPCD pressure on total colony counts and ΔE of apple puree注：不同小写字母代表差异显著(p<0.05)，图2～图3同。

随着DPCD处理压力增大,苹果浆ΔE值降低。在处理压力为15、20、25 MPa时,ΔE值分别为2.82、1.77、1.65。原因可能是随着压力的增大,对苹果浆中的PPO、POD等酶的空间结构发生改变,使酶发生钝化,从而抑制了的苹果浆的褐变,ΔE值降低[16]。

2.2 DPCD处理温度对苹果浆杀菌落总数和颜色的影响

在不同处理温度下,苹果浆中菌落总数和色差结果见图2。随着处理温度升高,苹果浆中菌落总数下降。在30、40和50 ℃,菌落总数分别降低88.4%、96.3%、96.6%。原因在于高温提高了二氧化碳的扩散能力[17-18],同时也能增加细胞膜的流动性,使其更容易渗透进入的细胞,达到更好的灭菌效果。40 ℃时菌落总数与50 ℃无显著性,选择40 ℃为最佳温度。随着杀菌温度升高,苹果浆色差降低。

图2 DPCD处理温度对苹果浆杀菌效果和颜色变化的影响Fig.2 Effect of DPCD temperature on total colony counts and ΔE of apple puree

2.3 DPCD处理时间对苹果浆菌落总数和颜色的影响

图3 DPCD处理时间对苹果浆杀菌效果和颜色变化的影响Fig.3 Effect of DPCD time on total colony counts and ΔE of apple puree

在不同DPCD处理时间时,苹果浆中菌落总数和色差见图3。在处理10 min时,苹果浆中菌落总数由3.61降低到2.76 lg cfu/mL。随着灭菌时间的延长,灭菌效果增强,灭菌时间为30 min时,达到1.97 lg cfu/mL,降低了97.8%。在30～60 min灭菌过程中,菌落总数下降缓慢。由于在一定压力和温度下,进入细胞的二氧化碳已达到饱和的状态[19]。随着灭菌时间的延长,ΔE值降低。当灭菌时间达到30 min,ΔE值为1.44。灭菌时间为45、60 min时,ΔE值分别为用1.27、1.18,可以较好的维持苹果浆原有色泽。由图3中的显著性分析可以看出45 min为时间条件。

2.4 响应面实验结果与分析

2.4.1 响应面优化实验结果 用自变量A、B、C来表示灭菌压力(MPa)、灭菌温度(℃)、灭菌时间(min)3个影响因素,以菌落总数和色差为响应值,其实验设计与结果见表2。

表2 Design-Export实验设计结果

结合单因素实验结果,由表3可以看出模型的F=70.82、p=0.0001<0.01,说明该模型极显著,与实验拟合较好。失拟项p>0.05，不显著。一次项A、B、C对DPCD杀菌率影响极显著(p<0.01)。交互项AB(p=0.0021<0.01)、AC(p=0.0009<0.01),以及A2(p=0.0001)、C2(p=0.0001)对杀菌率的影响极显著。综上所述,影响因素的主次顺序为:C(时间)>A(压力)>B(温度)。决定系数R2=0.9778,说明DPCD对苹果浆灭菌的结果与模型回归值有较好的一致性[20-21]。利用软件对表2中实验数据进行多元回归分析,得到各因子对菌落总数影响的二次回归模型:Y1=+1.89-0.27A-0.24B-0.33C-0.16AB-0.18AC+0.30A2-0.25C2

式(2)

表3 响应面方差分析

图4 DPCD处理对苹果浆色差和菌落总数的影响Fig.4 Effect of DPCD treatment on ΔE and total colony counts of apple puree

由表4可以看出模型的F=142.49、p=0.0001<0.01,说明该模型极显著,与实验拟合较好。一次项A、B、C的影响是极显著(p<0.0001),交互项AC(p=0.0014<0.01),AB(p=0.0001<0.01)，BC(p=0.0003<0.01)以及二次项A2(p=0.0001)、C2(p=0.0001)对色差的影响极显著。影响因素的主次顺序为:A(压力)>C(时间)>B(温度)。决定系数R2=0.9876,说明DPCD对苹果浆色差影响的结果与模型回归值有较好的一致性。利用软件对表3中实验数据进行多元回归分析,得到各因子对色差影响的二次回归模型:Y2=1.27-0.45A-0.34B-0.35C-0.28AB-0.17AC+0.22BC+0.64A2+0.069B2-0.0032C

式(3)

表4 响应面方差分析

图4表示A、B、C中一个变量取零水平时,其余两个变量对苹果浆中菌落总数和色差的交互影响。由图4可以看出,杀菌压力和温度、杀菌时间和温度、杀菌压力和时间对色差的两两交互作用显著;杀菌压力和温度、压力和时间对菌落总数的两两交互作用极显著,原因在于灭菌压力增大,同时提高温度,CO2扩散速度加快,加速进入微生物体内,更快的改变微生物体内pH,破坏细胞结构,导致细胞裂解死亡;杀菌时间和温度两者交互作用不显著。

2.4.2 苹果浆最佳生产工艺条件的优化及验证 为进一步确定高密度二氧化碳生产苹果浆的最佳工艺条件,利用Design Expert 8.0软件程序对工艺条件进行优化,以菌落总数最低为标准,苹果浆最佳生产工艺为:灭菌温度39.75 ℃、灭菌时间45.12 min、灭菌压力为20.34 MPa,在此工艺条件下,苹果浆中菌落总数预测值为1.41 lg cfu/mL,色差为0.94。在上述最佳生产工艺修正后得到：灭菌温度40 ℃、灭菌时间45 min、灭菌压力20 MPa,进行验证实验,获得实际测定苹果浆菌落总数为1.5 lg cfu/mL,色差为1.02,菌落总数的相对偏差为3.7%,色差的相对偏差为4.1%,因此,响应面优化模型真实可靠。

3 结论

采用响应面优化得出最佳DPCD对苹果浆灭菌工艺参数为:灭菌温度40 ℃、灭菌时间45 min、灭菌压力为20 MPa。在此条件下,苹果浆中的菌落总数为1.5 lg(cfu/mL),灭菌率为99.4%,色差1.02。苹果浆既可以达到良好的灭菌作用,也可以保持原有颜色。

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Optimization of the dense phase carbon dioxide treatments on apple puree

NAN Xia1,2,ZHANG Chao2,MA Yue2,HOU Nai-rui1,*,ZHAO Xiao-yan2

(1. Shanxi Agricultural University,College of Food Science and Engineering,Taigu 030801,China; 2. Beijing Vegetable Research Center,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing Key Laboratory of Fruits and Vegetable Storage and Processing,Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops(North China),Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Urban Agriculture(North),Ministry of Agriculture,Beijing 100097,China)

The dense phase carbon dioxide treatment(DPCD)was applied to hold the quality of the fresh apple puree. The effect of DPCD pressures,time and temperature on sterilization efficiency and total color change of the fresh apple puree were investigated. And then the response surface methodology was used to optimize the DPCD parameters. The results showed that the optimal DPCD parameters were the DPCD pressure of 20 MPa at 40 ℃ for 45 min. Under the optimal conditions,the total colony count of the fresh apple puree was 1.5 lg cfu/mL with the total color change of 1.02.The relative error of the test results was less than 5%. The regression model is true and reliable.

dense phase carbon dioxide treatment;apple puree;aerobic bacterial count;total color change

2016-04-29

南霞(1991-)，女，硕士研究生，研究方向：食品生物技术，E-mail：929187336@qq.com。

*通讯作者:霍乃蕊(1972-)，女，博士，教授，主要从事生物技术与食品安全方面的教学与科研工作，E-mail：tgnrhuo@163.com。

国家现代农业科技城成果惠民科技示范工程(Z151100001015017);北京市农林科学院科技创新能力建设专项新学科培养(KJCX20140204 & KJCX20140111-21);果蔬农产品保鲜与加工北京市重点实验室专项(Z141105004414037)。

TS201

B

1002-0306(2016)22-0259-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.042