微波殺滅玉米黑曲霉工藝優(yōu)化

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(吉林大學生物與農業(yè)工程學院，吉林長春 130022)

微波殺滅玉米黑曲霉工藝優(yōu)化

徐艷陽,于靜,朱志紅,董周永

(吉林大學生物與農業(yè)工程學院，吉林長春 130022)

應用響應面法對微波殺滅玉米黑曲霉工藝進行優(yōu)化研究,考查微波功率、微波時間和裝載量對玉米黑曲霉孢子減少對數周期和玉米裂紋率的影響,并建立相應的回歸模型。結果表明最佳工藝條件為：微波功率119W,微波時間6min,裝載量50g,在此條件下,玉米黑曲霉孢子減少對數周期為1.3769,玉米裂紋率為0,與理論預測值基本符合,為微波法殺滅玉米霉菌的工業(yè)應用提供理論參考。

微波,殺菌,玉米,黑曲霉,響應面法

玉米是我國的主要糧食作物之一,其產量居雜糧之首,播種面積居世界第二位[1]。玉米通常在收獲和儲藏加工過程中易受霉菌的污染。在儲藏過程中的霉菌污染以青霉屬、曲霉屬、根霉屬和鐮刀霉屬為主,其中青霉屬和曲霉屬是優(yōu)勢菌屬[2],產生毒素的主要是曲霉屬和鐮刀霉屬。由于玉米自身的一些特點,如胚部較大營養(yǎng)成分豐富、原始水分高、成熟度不均勻等[3],在儲藏過程中比其它類糧食更易發(fā)生霉變,使其食用品質下降,嚴重的甚至產生毒素危害人體健康。微波是指頻率為300MHz-300GHz之間的電磁波[4],因其在殺菌過程中時間短、速度快、溫度低、安全高效且易于控制等特點[5-7],被廣泛應用于醫(yī)藥和食品工業(yè)中。目前一些學者研究表明微波對人參、錐栗、香菇和飲料等食品的殺菌是有效的[8-11],靳志強、胡堅[12-14]等研究了微波對寄生曲霉的動力學模型和效應機制。因此本文對玉米黑曲霉的微波殺菌工藝進行研究,為探索玉米的安全儲藏方法提供科學依據。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

玉米黑曲霉 由本院食品微生物實驗室自霉變玉米中分離鑒定得到；冷藏鮮玉米 由本院玉米實驗基地提供,無霉變粒,顏色氣味正常。

硝酸鈉,磷酸氫二鉀,硫酸鎂,氯化鉀,硫酸亞鐵,蔗糖,瓊脂,氯化鈉,吐溫-80等均為分析純試劑。

MM721AAU-PW美的微波爐 美的微波電器制造有限公司；JA3003A電子精密天平 上海精天電子儀器有限公司；DSX-280A不銹鋼手提式高壓蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠；DHP060恒溫培養(yǎng)箱 上海實驗儀器廠有限公司；SW-CJ-1DF潔凈工作臺 上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；QL-901試管振蕩器 金壇市醫(yī)療儀器廠；SHA-C水浴恒溫振蕩器 金壇市恒豐儀器廠。

1.2實驗方法

1.2.1 黑曲霉孢子懸液的制備 挑取斜面保藏的黑曲霉菌絲轉接至平板,28℃下培養(yǎng)3～5d；在含菌平板中加入一定量的洗脫液(體積分數0.05%吐溫80),將孢子洗滌下來,然后用無菌紗布過濾除去菌絲體；用無菌水將菌懸液調至300mL,搖勻,備用。

1.2.2 玉米染菌 將玉米浸泡于孢子懸液中3min,然后平鋪在無菌濾紙上,置于超凈工作臺內30min,備用。

1.2.3 實驗指標及方法 黑曲霉致死效果采用孢子減少的對數周期(Y1)來表示：

式(1)

式中,N為經微波處理的殘存菌落數(CFU/mL),N0為初始菌落數(CFU/mL)。

玉米裂紋率參照文獻[15]的放大鏡觀測法。

1.2.4 黑曲霉計數 玉米黑曲霉菌落數的測定方法按照GB 4789.15-2010[16]。

1.3單因素實驗設計

1.3.1 微波功率對黑曲霉致死效果的影響 稱取10.0g玉米樣品,平鋪于無菌濾紙上置于微波爐內,分別以微波功率119、231、385、539、700W處理2min。

1.3.2 微波時間對黑曲霉致死效果的影響 稱取10.0g玉米樣品,平鋪于無菌濾紙上置于微波爐內,以微波功率119W分別處理2、4、6、8、10min。

1.3.3 玉米裝載量對黑曲霉致死效果的影響 稱取質量為10.0、30.0、50.0、70.0、90.0g玉米樣品,平鋪于無菌濾紙上置于微波爐內,采用微波功率231W處理3min。

1.3.4 響應面實驗設計 在單因素的基礎上,根據BBD(Box-Benhnken Design)中心組合實驗設計原理,采用三因素三水平作響應面分析,實驗因素水平見表1。

表1 響應面實驗因素水平

1.4數據處理與分析

每次實驗重復三次,實驗數據采用Design-Expert 8.05 軟件進行回歸和方差分析。p<0.05為差異顯著,p<0.01為差異極顯著。

2 結果與分析

2.1單因素實驗結果

2.1.1 微波功率對玉米黑曲霉致死效果的影響 不同微波功率對玉米黑曲霉致死效果的影響見圖1。

圖1 微波功率對玉米黑曲霉致死效果的影響

由圖1可以看出,當微波功率從119W到385W,黑曲霉孢子減少對數周期上升,當微波功率超過539W,孢子減少達到5個對數周期,致死率接近100%。但隨著微波功率的增加,玉米出現裂紋,考慮殺菌效果及玉米品質,選取微波功率119～385W。

2.1.2 微波時間對玉米黑曲霉致死效果的影響 不同微波時間對玉米黑曲霉致死效果的影響見圖2。

圖2 微波時間對玉米黑曲霉致死效果的影響

由圖2可以看出,在功率119W微波作用下,隨著微波時間的延長,黑曲霉孢子減少對數周期逐漸上升。微波時間超過6min時,玉米出現裂紋,同時顏色發(fā)生褐變,玉米品質開始下降,考慮殺菌效果及玉米品質,微波時間選取2～6min。

2.1.3 玉米裝載量對黑曲霉致死效果的影響 不同裝載量對玉米黑曲霉致死效果的影響見圖3。

圖3 裝載量對玉米黑曲霉致死效果的影響

由圖3可以看出,隨著玉米裝載量的增加,黑曲霉孢子減少對數周期下降,說明裝載量的增加導致黑曲霉致死效果下降,所以玉米的裝載量不可過多。然而裝載量少于10.0g時,玉米裂紋率達到20.13%,從而降低玉米品質,所以裝載量選擇30～50g。

2.2響應面法優(yōu)化與分析

表3 回歸方程Y1模型方差分析表

注：**表示極顯著(p<0.01)*表示顯著(0.01

表4 回歸方程Y1系數顯著性分析

2.2.1 響應面優(yōu)化實驗結果 在微波殺菌的單因素實驗基礎上,根據BBD中心組合實驗設計原理,采用三因素三水平作響應面分析。以玉米黑曲霉孢子減少的對數周期做響應面,以裂紋率作為玉米品質參考值。響應面優(yōu)化實驗結果見表2。

2.2.2 回歸模型的建立及顯著性檢驗 利用Design-Expert8.05統(tǒng)計軟件對表2實驗數據進行多元回歸擬合,獲得玉米黑曲霉孢子減少的對數周期(Y1)、裂紋率(Y2)與微波時間(X1)、微波功率(X2)、裝載量(X3)間的二次多項回歸方程：

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實驗結果

回歸模型Y1和Y2方差及回歸方程系數顯著性分析結果見表3～表6。

由表4可知,微波殺滅玉米黑曲霉的條件參數中,影響玉米黑曲霉孢子減少對數周期因素按主次順序排列：微波功率>微波時間>裝載量。其中微波功率(X1)、微波時間(X2)達到極顯著水平,裝載量(X3)沒有統(tǒng)計顯著性。由表4可知,微波功率和裝載量之間存在交互作用,達到顯著水平。

表5 回歸方程Y2模型方差分析表

表6 回歸方程Y2系數的顯著性分析

由表6可知,微波殺滅玉米黑曲霉的條件參數中,影響玉米裂紋率的因素按主次順序排列：微波功率>微波時間>裝載量。其中微波功率(X1)、微波時間(X2)達到極顯著水平,裝載量(X3)沒有統(tǒng)計顯著性?？疾煲蛩亻g交互作用,由表6可知,微波功率和微波時間之間存在交互作用,達到顯著水平。

2.2.3 響應曲面分析 微波殺滅玉米黑曲霉工藝條件中微波功率、微波時間、裝載量3個因素之間交互作用對玉米黑曲霉孢子減少對數周期的影響如圖4～圖6所示。

圖4 微波功率與微波時間對孢子減少 對數周期影響的響應面圖

圖5 微波功率與裝載量對孢子減少 對數周期影響的響應面圖

圖6 微波時間與裝載量對孢子減少 對數周期影響的響應面圖

微波時間和微波功率均對玉米黑曲霉孢子減少對數周期有顯著性影響(p<0.05)。由圖4可知,微波功率對玉米黑曲霉孢子減少對數周期的影響比微波時間大。隨著微波功率和時間的同時增大,玉米黑曲霉孢子減少的對數周期持續(xù)上升,說明同時增加微波功率和微波時間可增加玉米黑曲霉孢子減少對數周期,但考慮到實際操作中玉米品質,要將二者控制在合適的范圍內。由圖5和圖6可知,微波功率和微波時間對玉米黑曲霉孢子減少對數周期的影響均大于裝載量,同時裝載量的影響不顯著。

利用Design-Expert 8.05軟件對回歸方程Y1和Y2進行模擬和預測,通過軟件對兩個指標的綜合評價得到微波殺滅玉米黑曲霉的最佳殺菌條件為：微波功率119W、微波時間6min、裝載量50g,在此條件下,玉米黑曲霉孢子減少對數周期為1.87933,玉米裂紋率為-2.0%。為了檢驗此方法的可靠性,綜合考慮實際操作條件,將微波殺滅玉米黑曲霉最佳殺菌條件確定為：微波功率119W、微波時間6min、裝載量50g。此條件下,既保證了殺菌效果,也保證了玉米品質。通過五次驗證實驗,測得玉米黑曲霉孢子減少對數周期為1.3769,與理論預測值基本吻合,同時玉米的裂紋率為0,低于國標中的要求20%[17]。

3 結論

采用三因素三水平響應面法建立了玉米黑曲霉孢子減少對數周期(Y1)和玉米裂紋率(Y2)與微波功率(X2)、微波時間(X1)和裝載量(X3)三個因素之間的二次回歸模型,影響因素的顯著性依次為：微波功率>微波時間>裝載量。

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)

獲得微波殺滅玉米黑曲霉的最佳條件為：微波功率119W、微波時間6min、裝載量50g。通過五次驗證實驗,測得玉米黑曲霉孢子減少對數周期為1.3769,玉米裂紋率為0。以往研究[13-14]發(fā)現低劑量微波對寄生曲霉的致死效果較好,同時對物料品質影響小。本實驗最佳條件下的微波劑量為2.38W/g,屬于低劑量,此條件下,對黑曲霉孢子致死效果與前人對寄生曲霉微波效應研究的結果類似,致死率達到90%以上,同時玉米的品質完好。說明本研究的殺菌條件基本符合理論預測值,具有一定的實際價值。

采取微波對玉米黑曲霉進行殺滅處理,通過控制微波功率和微波時間可以達到較好的殺菌效果,同時保證玉米品質。

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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

徐艷陽(1972-),女,博士,副教授,主要從事食品營養(yǎng)與安全方向的研究。

吉林大學基本科研業(yè)務費項目(450060487501,200903263);吉林省科技發(fā)展計劃項目(20120717)。

TS201.1

：B

：1002-0306(2014)01-0181-05