不同模式催化式红外辐射对香葱杀菌效果及品质的影响

(江苏大学食品与生物工程学院,江苏省食品物理加工重点实验室,江苏镇江 212013)

香葱具有较高的营养价值,香葱内的蒜辣素能刺激机体消化液的分泌,同时可抑制癌细胞的生长[1],而其所含有的大蒜素则具有杀菌、消毒的作用[2]。脱水干燥是香葱加工的一个重要方式,脱水香葱因其使用方便,储存时间长,广泛用于调味品行业,是我国重要的出口脱水蔬菜之一[3]。微生物指标是进出口果蔬严控的指标之一,所以生产加工过程中对微生物的控制至关重要。

脱水香葱的生产工艺主要包括整理、清洗、切分、干燥、包装等步骤[4],其中杀菌主要在清洗的步骤中完成,热风干燥也能达到一定的杀菌效果。目前由于技术成熟、操作方便、处理量大,企业广泛在清洗过程中添加次氯酸钠溶液进行前期的减菌处理。但次氯酸钠易与有机物发生化学反应,产生三氯甲烷、四氯化碳、二恶因等一类致癌的氯代有机化合物,对水体环境造成污染[5],还会造成香葱表面色泽发黑,口味变淡,使香葱质构发生变化,不利于干燥前的剪切。

催化式红外辐射是近年来新兴的蔬菜脱水干燥技术,其主要利用天然气代替电能,利用红外辐射对物料进行加热以达到脱水干燥的目的。具有热效率高、节能环保、设备简单等优点[6-8]。在脱水香葱加工中可利用催化式红外辐射在清水清洗和切分步骤后对香葱进行热杀菌,从而避免次氯酸钠的使用,在后续干燥过程中也可代替传统的热风干燥节约能源。国内外就催化式红外辐射技术对食品杀菌干燥展开了大量实验并取得了显著的效果[9-15]。Wang等[9]通过催化式红外辐射结合保温处理,对新鲜稻谷中黄曲霉孢子进行杀菌,红外60 ℃处理后保温120 min能够降低8.3 lg CFU/g并去除5.3%水分(湿基)。因此,催化式红外辐射技术有望取代氯化物杀菌,减少环境污染,提升脱水香葱产业的发展[16]。

目前国内外利用催化式红外辐射对香葱进行减菌处理的研究较少,本文的目的为研究不同模式和温度下红外辐射对香葱的杀菌效果,并对不同条件处理后香葱的品质进行分析。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

TM350手持式红外测温仪 Tecmen电子有限公司(香港,中国);JYL-C012果蔬榨汁机 九阳股份有限公司(杭州,浙江,中国);XH-C漩涡混合器 金坛市医疗仪器厂;TGL-16高速台式冷冻离心机 长沙湘仪离心机仪器有限公司;WFJ 7200型可见分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司;FNH310色差仪 深圳H恩驰科技有限公司;催化式红外设备 镇江美博红外科技有限公司(图1),催化式红外设备由上下两块催化式红外加热板(30 cm×60 cm)和处理室(长:100 cm×高:100 cm×宽:60 cm)组成。

图1 催化式红外设备Fig.1 CIR(catalytic infrared)dehydrator

1.2 实验方法

1.2.1 原料预处理 实验前将香葱从冷藏室中取出,放至室温(25 ℃)待用。选择颜色鲜艳,结构规整,无机械损伤的部分,清洗,切成长度为1 cm的葱段。

1.2.2 催化式红外杀菌处理 红外加热的温度主要是通过控制红外辐射距离来实现。使用前先将催化式红外发生器预热15 min,然后通过气体控制阀通入液化气后点火,试验过程通气阀气压控制在1.5 kPa,工作时催化式红外发生器的表面温度可达到(395±5) ℃。实验过程中采用两种加热模式,即只开上板或者同时开启上下两块红外加热板进行研究,以下步骤简称单板、双板,每块板功率为0.9 kW。

前期预实验,将切好的香葱单层平铺在金属网上,打开催化式红外加热设备,选择红外加热模式(单板或双板),将金属网放入样品架上,用手持红外测温仪测定香葱表面温度。由于香葱叶片薄,表面积大,测量过程中发现辐照距离一定时,在加热过程中香葱表面温度快速升至一定数值后趋于稳定,故认定加热过程中,辐射距离一定,香葱表面温度不变。通过预实验发现,采用单板红外加热时,只开启上方加热板,当加热板与样品距离为35、25、15、8、4 cm时,对应香葱表面温度分别为50、60、70、80、90 ℃;采用双板加热时,同时开启上下两块加热板,当上下两块加热板与样品距离均为36、30、26、20 cm时,所对应香葱表面温度分别为60、70、80、90 ℃。

将切好的香葱均匀单层平铺在金属网上,开启催化式红外设备,加热板温度稳定后,将金属网放入红外发生器上进行杀菌实验。实验分别采用单板(上板)和双板(上下两块红外板)两种红外辐射模式对香葱进行杀菌研究,单板采用50、60、70、80、90 ℃五个温度梯度,每隔1 min取样一次;双板采用60、70、80、90 ℃四个温度梯度,每隔30 s取样一次。所有实验结果重复三次,取平均值。预实验中由于单板50 ℃处理对大肠菌群减菌效果达不到要求,故在微生物测定后未对此温度下处理样品的水分含量、颜色和维生素C含量进行测定。

1.2.3 微生物测定 对处理前后的香葱进行微生物含量测定。香葱菌落总数测定方法参照GB/T 4789.2-2016[17],其中细菌总数的对数值用lg CFU/g表示;大肠菌群测定方法参照GB/T 4789.3-2016[18],采用最可能数计数法(MPN),根据复发酵实验确证的大肠菌群LST阳性管数,检索MPN表。

NY5184-2002《无公害脱水蔬菜标准》[19]中规定了脱水蔬菜的微生物指标为细菌总数≤100000 CFU/g,即lg CFU/g≤5,大肠菌群数≤100 CFU/g。

作为教育产品的提供者，对高职院校来说品牌象征着综合竞争力和社会影响力。在日趋激烈的教育市场竞争环境中，在国家政策的引导下，公办职业院校正经历着中等学校“争牌子”、心系升本“升牌子”、评估等级“保牌子”、示范院校“创牌子”的磨练。部分公办高职院校被传统的观念束缚，认为只有民办院校才需要进行品牌建设、广告公关传播、宣传推广，即使有些公办高职院校领导已经意识到品牌建设的重要性，但学校中并没有成立专业的团队对院校的品牌进行建设，更没有成立专门的机构对品牌进行建设与维护，相对于企业而言，品牌建设在高职院校中还处于摸索阶段。

1.2.4 水分含量测定 参照GB/T 5009.3-2010[20]用直接干燥法对处理前后香葱水分含量进行测定。处理前对样品称重,不同条件处理后将样品取出置于105 ℃烘箱干燥3 h,取出放入干燥器中冷却0.5 h测定样品中干燥减失的重量,再通过干燥前后称量数值计算出水分含量。

式(1)

式中:MC为香葱湿基水分含量,%;m1为香葱初始质量,g;m2为香葱烘干后质量,g。

1.2.5 颜色测定 采用色差仪测定香葱表面颜色。测量时随机选取托盘内的香葱叶片部分,将色差仪的光孔垂直压在香葱表面上轻压、读数,每组重复10次。取每个部分的色差平均值记为香葱表面的色值,实验选用Lab表色系统[21],其中L*值表示亮度,数值越大颜色越亮;a*值表示红色/绿色值,负值绝对值越大颜色越绿;b*值表示黄色/蓝色值,正值越大,颜色越接近黄色。下标0代表新鲜香葱的颜色值。颜色变化值ΔE通过公式(1)计算所得,ΔE值越大,表示产品的颜色变化越大。

式(2)

1.2.6 维生素C含量测定 本实验参照马宏飞[22]的方法,利用维生素C对紫外产生吸收和对碱不稳定的特点,用紫外分光光度计测量维生素C含量。称取10.0 g香葱样品于研钵中,加入10 mL 1% HCl,匀浆后转移到50 mL容量瓶中,定容后移至离心管中4000 r/min离心10 min得到上清液为待测提取液。取1.0 mL提取液放入盛有2 mL 10% HCl的50 mL容量瓶中定容,以蒸馏水为空白,在最大吸收波长处测定其吸光度。吸取1.0 mL提取液、10 mL蒸馏水和4 mL 1 mol/L NaOH溶液放入50 mL容量瓶中,摇匀静置20 min后加入4 mL 10% HCl,混匀定容,以蒸馏水为空白,在最大吸收波长243.4 nm处测定其吸光度。待测香葱提取液与碱处理香葱提取液的吸光度之差即为香葱样品吸光度。测得香葱样品的吸光度后,依据标准曲线方程,计算香葱中维生素C的含量:

式(3)

式中:VC为维生素C的含量,mg/100 g;c为由香葱吸光度从标准曲线方程计算得到的维生素C浓度,μg/mL;V1为测吸光度时吸取样品溶液的体积,mL;V2为吸取样品定容总体积,mL;V3为待测样品总体积,mL;W为香葱质量,g;100为100 g香葱。

1.3 数据处理

数据处理和统计分析采用SPSS 17.0统计分析软件。

2 结果与分析

2.1 单板和双板不同温度条件下对总菌落的杀菌效果

单板和双板红外辐射在不同温度条件下对香葱杀菌效果如图2所示。

图2 单双板模式下不同温度红外处理后的菌落总数Fig.2 Number of colonies at different temperatures usingsingle-and double-plate modes of infrared treatment 注:A:单板;B:双板。

图2(A)中,香葱表面菌落总数随着处理时间的延长而减少,在50、60、70、80、90 ℃条件下处理5 min后,菌落总数趋于平稳,杀菌效果增加缓慢,时香葱表面剩余菌落总数分别为4.94、4.46、4.15、4.11、3.80 lg CFU/g,低于《无公害脱水蔬菜标准》规定的5 lg CFU/g。其中,60 ℃以上处理3 min即可达到菌落总数的减菌标准。在3 min时杀菌速率达到最大值,此时50、60、70、80、90 ℃杀菌速率为0.36、0.65、0.65、0.79、0.87(lg CFU/g)/min。在只考虑杀菌效果的情况下,温度越高,杀菌效果越好,杀菌效率越高。

在图2(B)中,双板模式下因为加热强度大于单板,在相同温度条件下,短时间内可以达到快速杀菌效果。从图2(B)中可以看出,在双板条件下,因为红外热辐射强度大,不同温度的杀菌效果无显著性差异。双板60、70、80、90 ℃杀菌2 min后剩残留落总数分别为4.40、4.32、4.15、4.14 lg CFU/g。其中,60 ℃以上处理1 min即可达到菌落总数的减菌标准。在1 min杀菌速率达到最大值,此时60、70、80、90 ℃杀菌速率为2.26、2.48、2.54、2.65(lg CFU/g)/min,菌速率显著高于单板条件。主要是由于上下同时加热样品受热均匀温度快速升高,微生物尚未产生热适应性而迅速失活。

表1 不同红外热辐射模式不同温度下处理后大肠菌群数Table 1 Count numbers of E. coli treated at different modes and temperatures of infrared radiation

综上,催化式红外辐射对香葱表面菌落总数的杀菌效果随着杀菌时间、温度和强度增加而增加,随后趋于稳定。单板模式50、60、70、80、90 ℃辐射5 min,双板模式60、70、80、90 ℃辐射1 min,样品表面剩余菌落总数<5 lg CFU/g,可以满足对总菌落的减菌要求。杨继红[23]利用红外辐射结合保温处理对巴旦木进行杀菌处理,红外加热100 s后在90 ℃保温10 min,片球菌减少了5.68 lg CFU/g,而在70 ℃保温60 min仅降低3.23 lg CFU/g。这说明红外热辐射能够在短时间内达到足够高的温度,通过干扰微生物的热适应性来能得到满意的杀菌效果。

2.2 单板和双板不同温度条件下对大肠杆菌的杀菌效果

不同温度条件下大肠菌群数如表1所示。

大肠杆菌作为一种常见的菌种,是作为评价食品污染程度的重要指标,是国际上公认的卫生监测指示菌[24]。温度越高,强度越大,红外对大肠杆菌的杀菌效果越好。由表1可知,相同时间内,温度越高,大肠杆菌残存菌落数量越少。表1中单板50 ℃条件下杀菌3 min,大肠杆菌的菌落总数为15000 MPN/g,而70 ℃条件下杀菌3 min,大肠菌群数约降低十倍,80 ℃和90 ℃条件下,大肠杆菌的菌落总数约缩小1000倍。时间对杀菌效果影响相对较小,在60 ℃条件下处理3～6 min,大肠杆菌数量均处于一个数量级。在单板80、90 ℃条件下处理3 min可达到《无公害脱水蔬菜标准》所规定的低于100 MPN/g。双板加热条件下,催化式红外对香葱表面大肠杆菌的杀菌效果明显,60 ℃以上条件下处理1 min时香葱表面的大肠菌群数已达到《无公害脱水蔬菜标准》的规定。综上所述,单板模式下香葱温度80、90 ℃杀菌3 min,双板模式下香葱温度60、70、80、90 ℃杀菌1 min,大肠菌群<100 MPN/g,可以满足减菌要求。

2.3 杀菌同步干燥过程研究

单板和双板两种模式下杀菌过程中香葱湿基含水率变化如图3所示。

图3 单双板模式下不同距离处理后香葱含水率变化Fig.3 Moisture content of chives treated by single-anddouble-plate modes of infrared at different distances 注:A:单板;B:双板。

由图3可知,在杀菌同步干燥过程中,湿基含水率随着时间的增加而减少,温度越高,湿基含水率越低。图3(A)中,单板模式处理过程中的水分含量变化随着温度的不同变化不同。单板加热5 min时,60、70、80、90 ℃的湿基含水率分别为87.84%、86.82%、83.47%、74.21%。60和90 ℃水分减少量差异显著,分别为12.16%和25.79%。图3(B)中,双板模式处理过程中,60和70 ℃的干燥曲线较为一致,80和90 ℃的干燥情况相近。双板加热1.5 min,60和90 ℃水分减少量分别为13.48%和17.24%。

综上所述,使用催化式红外热辐射对香葱杀菌的同时,可以同步去除12.16%～25.76%的水分,节省了后续干燥时间和能耗,省去了工业中清洗次氯酸钠溶液的工艺,减少了水资源的消耗。

2.4 香葱色泽变化

催化式红外在单、双板两种模式下不同温度杀菌后香葱的色泽变化如表2所示。

表2 单双板模式处理后香葱色泽变化Table 2 Color changes of chives with single-and double-plate modes of treatment

注:同列数据中不同字母代表差异显著(P<0.05)。

表3 单双板模式处理后香葱维生素C含量变化(mg/100 g)Table 3 Changes of vitamin C content of chives with single-and double-plate modes of treatment(mg/100 g)

注:同行数据中不同字母代表差异显著(P<0.05)。从表2显示的结果看,两种模式下L*随处理温度的升高而有增大的趋势,即亮度稍有增大,这是由于水分含量逐渐降低,颜色变得鲜亮,但差异不显著(P>0.05);单板模式下,由a*和b*的测定结果可知,红外辐射处理后,样品颜色变绿;双板模式下a*和b*无显著性变化。ΔE变化不大,感官上未出现样品发黄的现象,这与张鑫[13]利用催化式红外辐射对菠菜进行杀菌的色泽结果接近,颜色变化远远低于高温蒸汽灭菌(ΔE=21.61)。且本研究中经红外热辐射处理的香葱色泽更为青绿,这是由于红外辐射能够同步进行杀青,阻止过氧化物酶导致的褐变[25-26]。综上所述,红外辐射杀菌有利于保持香葱的原色泽。

2.5 香葱维生素C含量变化

在同一模式下,温度越高,维生素C的损失率越大。维生素C的保留率为初始的40.7%～79.7%。单板70 ℃处理或双板60 ℃处理开始出现显著性降低(P<0.05)。单板模式杀菌后维生素C含量在12.95～16.06 mg/100 g之间,60 ℃香葱维生素C含量最高,为16.06 mg/100 g。双板模式杀菌后维生素C含量在8.21～11.23 mg/100 g之间。维生素C是热敏性水溶性维生素,且易随水溶液流失[27],相较于传统的蒸汽杀菌或次氯酸钠溶液浸泡式杀菌,红外热辐射处理无需使用水等溶剂、处理温度较低、处理时间短,因此能够保留更多的维生素C。综合所得减菌效果、色泽和VC含量可以得出,不同模式下,使香葱达到减菌要求且保持好的品质的适宜温度和时间为:单板模式下80、90 ℃处理3 min,双板模式下60、70、80、90 ℃处理1 min。

3 结论

研究了催化式红外设备在单板和双板两种模式不同温度下对香葱的杀菌效果。温度越高、强度越大,杀菌效果越好。确定了杀菌时间,单板模式50、60、70、80、90 ℃辐射5 min,双板模式60、70、80、90 ℃辐射1 min可以满足减菌要求。在单板模式下,杀菌速率在3 min时达到最大值;双板模式下,在1 min时杀菌速率达到最大值。杀菌过程中,香葱水分含量随着杀菌时间的增加而减少,温度越高,去除的水分越快。不同温度下杀菌后可去除香葱内部12.16%～25.76%的水分。单板模式处理后样品颜色变鲜绿;双板模式处理后,颜色在感官上未出现样品发黄的现象。维生素C本身较不稳定,单板模式杀菌后维生素C含量在12.95～16.06 mg/100 g之间,双板模式杀菌后维生素C含量在8.21～11.23 mg/100 g之间。综上所述,不同模式下,使香葱达到减菌要求且保持好的品质的适宜温度和时间为:单板模式下80、90 ℃处理3 min,双板模式下60、70、80、90 ℃处理1 min。