唐明禮，王 勃，劉 賀，何余堂，惠麗娟，馬 濤*

響應(yīng)面優(yōu)化脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅表面大腸桿菌的殺菌效果

唐明禮，王 勃，劉 賀，何余堂，惠麗娟，馬 濤*

（渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，渤海大學(xué)糧油科學(xué)與技術(shù)研究所，遼寧 錦州 121013）

采用脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅表面進(jìn)行殺菌處理，研究脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅表面大腸桿菌的殺菌效果。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析方法建立大腸桿菌數(shù)量降低對(duì)數(shù)值的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，利用模型對(duì)脈沖能量、脈沖次數(shù)和脈沖距離及其交互作用進(jìn)行分析。結(jié)果表明：脈沖強(qiáng)光可有效殺死煎餅表面的大腸桿菌，優(yōu)化條件為脈沖能量500 J、次數(shù)40 次、距離10.9 cm，此時(shí)脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅表面大腸桿菌的數(shù)量可減少2.15 個(gè)對(duì)數(shù)值，提高了煎餅的貨架期及食用安全性。

脈沖強(qiáng)光；煎餅；大腸桿菌；殺菌效果

脈沖強(qiáng)光是一種非熱殺菌技術(shù)，通過(guò)紫外線、光化學(xué)效應(yīng)、光熱效應(yīng)、物理效應(yīng)的綜合作用殺死食品中的致病菌及腐敗微生物[1-5]，可以延長(zhǎng)食品的保藏期。利用脈沖強(qiáng)光處理樣品既不影響食品感官和營(yíng)養(yǎng)的品質(zhì)，又能確保食品中微生物的安全，并具有能源消耗少、無(wú)殘留有毒化合物、極大靈敏性等優(yōu)點(diǎn)[6-11]，脈沖光能最大程度保持食品的色、香、味，在食品應(yīng)用領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用[12]。

煎餅是中國(guó)傳統(tǒng)食品之一，由五谷雜糧磨成面糊經(jīng)過(guò)發(fā)酵或不發(fā)酵攤烙而成。但煎餅在熟制回軟過(guò)程中容易受到二次污染，造成產(chǎn)品滋生大腸桿菌。大腸桿菌（Escherichia coli）是腸道中的寄居菌，有時(shí)能夠產(chǎn)生毒素，引起人和動(dòng)物致病[13-14]。食用被大腸桿菌污染的食品會(huì)出現(xiàn)嘔吐、惡心、腹痛等病狀[15]。同時(shí)大腸桿菌也用于食品糞源性污染衛(wèi)生監(jiān)測(cè)的指示菌，故控制和殺滅煎餅中的大腸桿菌對(duì)于提高煎餅的食用安全性具有重要意義。

本實(shí)驗(yàn)以大腸桿菌數(shù)量降低的對(duì)數(shù)值為指標(biāo)，研究脈沖強(qiáng)光的脈沖能量、脈沖次數(shù)、脈沖距離對(duì)煎餅表面大腸桿菌的殺滅效果，并對(duì)其殺菌條件進(jìn)行優(yōu)化，為延長(zhǎng)煎餅貨架期、提高食用安全性提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

煎餅（蛋白質(zhì)：11.5 g/100 g、脂肪：2.8 g/100 g、碳水化合物：72.5 g/100 g、水分：13.2 g/100 g） 本溪寨香生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司。

煌綠乳糖膽鹽（BGLB）肉湯、月桂基硫酸鹽胰蛋白胨（LST）肉湯 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

ZWB-I-01（LA50-800H）脈沖強(qiáng)光 寧波中物光電殺菌技術(shù)有限公司；GMSX-280手提式壓力蒸汽滅菌器 北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；DHP-9082電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市鑫鑫試驗(yàn)儀器廠；AR224CN電子天平 奧豪斯儀器（上海）有限公司；THZ臺(tái)式恒溫振蕩器 太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠。

1.3 方法

1.3.1 脈沖強(qiáng)光處理

脈沖強(qiáng)光能夠產(chǎn)生200～1 100 nm波長(zhǎng)范圍的光，工作電壓2 800 V、最高能量500 J、最大次數(shù)100 次，可顯著殺滅食品中的微生物，其殺菌原理如圖1所示。在無(wú)菌條件下，將25.00 g的樣品均勻地分布在無(wú)菌的石英板上，通過(guò)調(diào)整石英板來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品與脈沖氙燈之間的距離，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定操作界面上脈沖能量和脈沖次數(shù)對(duì)樣品進(jìn)行殺菌處理。脈沖強(qiáng)光處理后，處理組和未處理組直接進(jìn)行大腸桿菌計(jì)數(shù)。

圖1 脈沖強(qiáng)光殺菌裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of sterilization device with pulsed light

1.3.2 大腸桿菌的計(jì)數(shù)

采用GB 4789.2—2010《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗(yàn)：大腸桿菌測(cè)定》方法計(jì)數(shù)。

1.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取脈沖能量為100、200、300、400、500 J，脈沖次數(shù)為25 次，脈沖距離為11.8 cm，研究脈沖能量對(duì)大腸桿菌數(shù)量降低對(duì)數(shù)值的影響。

選取脈沖次數(shù)為15、20、25、30、35、40 次，脈沖能量為300 J，脈沖距離為11.8 cm，研究脈沖次數(shù)對(duì)大腸桿菌數(shù)量降低對(duì)數(shù)值的影響。

選取脈沖距離為10.9、11.8、12.7、13.6、14.5、15.4 cm，脈沖能量為300 J，脈沖次數(shù)為25 次，研究脈沖距離對(duì)大腸桿菌數(shù)量降低對(duì)數(shù)值的影響。

1.3.4 響應(yīng)面法優(yōu)化脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅表面殺菌效果的影響

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Design Expert（version 8.0.6）軟件以脈沖能量、脈沖次數(shù)、脈沖距離為考察變量，分別以A、B、C表示，以對(duì)數(shù)值Y為響應(yīng)值，以＋1、0、-1分別代表自變量的高、中、低水平，按方程對(duì)自變量進(jìn)行編碼。其中，x為自變量的編i碼值，Xi為自變量的真實(shí)值，X0為試驗(yàn)中心點(diǎn)處自變量的真實(shí)值，X為自變量的變化步長(zhǎng)[16-18]。因子編碼及各自變量水平見表1。

表1 試驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Factors and coded levels used in response surface methodology

1.3.5 微生物計(jì)數(shù)

采用大腸桿菌數(shù)量降低對(duì)數(shù)值分析各因素對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌效果的影響[19-20]。

式中：N0為脈沖前煎餅表面大腸桿菌數(shù)；N為脈沖后煎餅表面大腸桿菌數(shù)；lgS為殺菌前后大腸桿菌數(shù)量降低的對(duì)數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 脈沖能量、次數(shù)和距離對(duì)煎餅表面大腸桿菌的影響

圖2 脈沖能量對(duì)煎餅中大腸桿菌殺菌效果的影響Fig.2 Effect of pulse energy on E. coli sterilization on pancake

為考察脈沖能量對(duì)大腸桿菌殺菌效果的影響，以脈沖能量為橫坐標(biāo)，大腸桿菌數(shù)量降低的對(duì)數(shù)值為縱坐標(biāo)，繪制趨勢(shì)圖，由圖2可知，脈沖能量對(duì)煎餅中大腸桿菌具有明顯的致死作用，隨著能量的增加，脈沖強(qiáng)光對(duì)大腸桿菌的殺菌效果逐漸增強(qiáng)，300 J以上時(shí)殺菌效果趨于平緩，在400 J時(shí)煎餅表面大腸桿菌數(shù)量可以減少2 個(gè)對(duì)數(shù)值。

圖3 脈沖次數(shù)對(duì)煎餅中大腸桿菌殺菌效果的影響Fig.3 Effect of pulse number on E. coli sterilization on pancake

圖3 顯示在脈沖能量300 J、脈沖距離11.8 cm時(shí)，脈沖次數(shù)對(duì)煎餅表面大腸桿菌數(shù)量減低對(duì)數(shù)值的影響。當(dāng)脈沖次數(shù)達(dá)到30 次時(shí)，曲線逐漸趨于平緩，當(dāng)脈沖次數(shù)是40 次時(shí)，大腸桿菌的數(shù)量可減少1.60 個(gè)對(duì)數(shù)值。

圖4 脈沖距離對(duì)煎餅中大腸桿菌殺菌效果的影響Fig.4 Effect of pulse distance on E. coli sterilization on pancake

圖4 為脈沖強(qiáng)光距離對(duì)大腸桿菌數(shù)量減少對(duì)數(shù)值的影響，可看出殺菌效果與脈沖距離成反比。在脈沖距離為10.9 cm時(shí)，大腸桿菌減少1.4 個(gè)對(duì)數(shù)值。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒓帮@著性檢驗(yàn)

表2列出了試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果。利用Design Expert軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到脈沖強(qiáng)光對(duì)脈沖能量（X1）、脈沖次數(shù)（X2）、脈沖距離（X3）二次多項(xiàng)回歸方程。并對(duì)該模型進(jìn)行方差分析及模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。模型方差分析見表3，回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)見表4。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

依據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合后得到脈沖能量（X1）、脈沖次數(shù)（X2）、脈沖距離（X3）的二次多項(xiàng)回歸方程：

表3 脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅表面大腸桿菌殺菌效果回歸模型的方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance for the regression equation for E. collii sterilization by pulsed light on pancakes

表4 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 4 Significance test of the coefficients in the regression equation

由表3方程回歸模型方差分析（ANOVA）可得：F=19.02＞F0.01（9,4）=14.66，P 值為0.000 4，表明模型方程極顯著。失擬項(xiàng)P=0.259 7＞0.05，不顯著。模型的校正決定系數(shù)（）為0.910 2，說(shuō)明該模型能解釋91.02%響應(yīng)值的變化，該方程與實(shí)際擬合得較好，能有效反應(yīng)脈沖強(qiáng)光殺菌效果與脈沖能量、脈沖次數(shù)、脈沖距離之間的關(guān)系，因此所得的方程能預(yù)測(cè)響應(yīng)值隨各參數(shù)的變化規(guī)律。

從表4的回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)可知，一次項(xiàng)中X1（P＜0.01）和X2（P＜0.01）的偏回歸系數(shù)極顯著，說(shuō)明脈沖能量和次數(shù)對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌效果有顯著影響，X3（P＞0.05）的偏回歸系數(shù)不顯著，說(shuō)明脈沖距離對(duì)脈沖強(qiáng)光殺菌效果的影響不顯著。交互項(xiàng)X1X2（P＜0.01）的交互作用對(duì)滅菌率的影響極顯著，X1X3和X2X3的P值大于0.05，說(shuō)明它們對(duì)滅菌效果的影響不顯著。綜合上述分析得知，各因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度為X1（脈沖能量）＞X2（脈沖次數(shù)）＞X3（脈沖距離）。

2.3 脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅表面大腸桿菌數(shù)量的響應(yīng)面分析

利用Design-Expert軟件對(duì)回歸方程構(gòu)建響應(yīng)面分析圖。圖5為脈沖距離11.8 cm時(shí)，脈沖能量和次數(shù)對(duì)煎餅表面大腸桿菌殺菌效果的影響，根據(jù)等高線可看出，固定脈沖能量，殺菌效果隨脈沖次數(shù)的增加逐漸增強(qiáng)。圖6為固定脈沖光次數(shù)35 次，脈沖能量和距離對(duì)殺菌效果的影響，根據(jù)等高線可看出，在脈沖距離10.9～12.7 cm、脈沖能量300～430 J范圍內(nèi)，固定脈沖距離，殺菌效果與脈沖能量成正比。圖7為脈沖能量400 J，脈沖次數(shù)和距離對(duì)大腸桿菌殺菌效果的影響，根據(jù)圖7得知，固定脈沖距離，殺菌效果隨脈沖次數(shù)的增加而增加。

圖5 脈沖能量、次數(shù)及其相互作用對(duì)煎餅表面大腸桿菌殺菌效果的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of pulse energy, number and their mutual interactions on the logarithmic reduction of E. coli on pancake

圖6 脈沖能量、距離及其相互作用對(duì)煎餅表面大腸桿菌殺菌效果的響應(yīng)面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the effects of pulsed energy, distance and their mutual interactions on the logarithmic reduction of E. coli on pancake

圖7 脈沖距離、次數(shù)及其相互作用對(duì)煎餅表面大腸桿菌殺菌效果的響應(yīng)面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots showing the effects of pulsed distance, number and their mutual interactions on the logarithmic reduction of E. coli on pancake

根據(jù)二次多項(xiàng)式的回歸方程，結(jié)合回歸模型的數(shù)學(xué)分析，對(duì)回歸方程進(jìn)行一階偏導(dǎo)并令等于零，得到響應(yīng)面的最大值點(diǎn)[21]。整理可得出最佳條件參數(shù)為脈沖能量為436.06 J、脈沖次數(shù)39.79 次、脈沖距離11.2 cm，此時(shí)脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅表面大腸桿菌數(shù)量可減少2.1 個(gè)對(duì)數(shù)值。根據(jù)脈沖強(qiáng)光的設(shè)備要求以及殺菌效果，將最佳殺菌條件調(diào)整為脈沖能量500 J、脈沖次數(shù)40 次、脈沖距離10.9 cm。為證實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，用試驗(yàn)中得到的最佳條件重復(fù)實(shí)驗(yàn)3 次并取平均值，大腸桿菌的數(shù)量可減少2.15 個(gè)對(duì)數(shù)值，與預(yù)測(cè)值基本一致，說(shuō)明該方程與實(shí)際情況擬合的較好，充分驗(yàn)證了模型的正確性，說(shuō)明響應(yīng)面法適用于脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅殺菌條件的回歸分析和參數(shù)優(yōu)化。

3 結(jié) 論

本研究在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上利用響應(yīng)面法建立了脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅大腸桿菌殺菌的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，經(jīng)檢驗(yàn)該模型合理有效，可用于實(shí)際預(yù)測(cè)。脈沖強(qiáng)光殺滅煎餅表面大腸桿菌的優(yōu)化條件為脈沖能量為500 J、脈沖次數(shù)40 次、脈沖距離10.9 cm，在此條件下，大腸桿菌數(shù)量可減少2.15 個(gè)對(duì)數(shù)值。

微生物的類型能夠影響脈沖強(qiáng)光的殺菌效率，Aderson等[3]認(rèn)為不同種類微生物對(duì)脈沖強(qiáng)光的敏感性為革蘭氏陰性菌大于革蘭氏陽(yáng)性菌。大腸桿菌是革蘭氏陰性菌，故脈沖強(qiáng)光對(duì)煎餅中的大腸桿菌具有較好的殺滅效果。馬鳳鳴等[22]使用脈沖強(qiáng)光對(duì)大腸桿菌殺菌得到90%以上的殺菌率。有研究[23-25]使用脈沖強(qiáng)光分別對(duì)鮮切蘑菇、蘋果汁和菌懸液進(jìn)行了處理，大腸桿菌的數(shù)量分別減少了3.03、4、7 個(gè)對(duì)數(shù)值。已有研究只做了脈沖強(qiáng)光單因素的影響，并沒(méi)有對(duì)殺菌條件進(jìn)行優(yōu)化，本實(shí)驗(yàn)對(duì)殺菌條件進(jìn)行了優(yōu)化并得到較好的殺菌效果，故脈沖強(qiáng)光殺滅煎餅表面大腸桿菌具有一定的可行性。

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Optimization of Pulsed Light Parameters for Enhanced Sterilization of E. coli on Pancake Using Response Surface Methodology

TANG Ming-li, WANG Bo, LIU He, HE Yu-tang, HUI Li-juan, MA Tao*
(Grain and Oil Science and Technolgy Institute, Bohai University, College of Chemistry, Chemical Engineering and Food Safety, Bohai University, Jinzhou 121013, China)

Pulsed light was used for surface sterilization of pancake and the effect of pulsed light parameters on the logarithmic reduction of E. coli on pancake was explored by response surface methodology on the basis of single factor experiments. A quadratic polynomial model for the logarithmic reduction of E. coli on pancake as a function of pulsed light parameters was established to analyze the effects of pulse energy, number and distance, and their pairwise interactions. E. coli on the surface of pancake could be effectively killed by using pulsed light. The pulsed light conditions were optimized as follows: pulse energy 500 J, pulse number 40, and pulse distance 10.9 cm. Under these conditions, pulsed light resulted in a reduction of 2.15 logarithmic units for E. coli on pancake, which in turn prolonged the shelf life and improved the microbiological safety.

pulsed light; pancake; E. coli; bactericidal effect

TS20

A

1002-6630（2014）16-0091-05

10.7506/spkx1002-6630-201416017

2013-11-15

唐明禮（1988—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：707334794@qq.com

*通信作者：馬濤（1962—），男，教授，博士，研究方向?yàn)榧Z油與植物蛋白工程。E-mail：1040732408@qq.com