射頻處理對(duì)花椒粉品質(zhì)及EVOH/PA包裝薄膜性能的影響

吳 甜，唐亞麗，2*，盧立新，2，丘曉琳，2，王 軍，2

（1 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫214122 2 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇無(wú)錫214122）

射頻技術(shù)是一種頻率為3 kHz～300 MHz 的介電加熱技術(shù)[1]。作為一種新型的加熱方法，射頻利用分子在電磁波中的運(yùn)動(dòng)來(lái)加熱產(chǎn)品[2]。與其它熱滅菌方法相比，射頻具有穿透深度大，加熱均勻性好，所得產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[3]。許多學(xué)者使用射頻技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行殺蟲、殺菌。如堅(jiān)果類：杏仁[4-5]、栗子[6]、開心果[7]、核桃[8]；果蔬類：干果[9-10]、獼猴桃汁[11]、菠蘿罐頭[12]；農(nóng)作物類：小麥和玉米種子[13-14]、大米[15]。一些常見食品也采用射頻殺菌技術(shù)，如牛奶[16]、牛肉[17]、真空包裝的魚肉[18]、黑胡椒粉和紅胡椒粉[19-20]等。在射頻電磁場(chǎng)下，材料的含水量、密度、成分，電極板間距的大小，材料的擺放位置，外部環(huán)境的變化都會(huì)對(duì)射頻處理效果有影響。

食品安全問(wèn)題受到廣泛重視。在近年來(lái)的食品安全事件中，部分安全事件牽涉的食品都屬于低水分活度食品，這說(shuō)明低水分活度食品的殺菌工藝尤為重要。射頻是一種優(yōu)良的殺菌技術(shù)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷加大其在食品加工領(lǐng)域的研究，研究了射頻技術(shù)對(duì)內(nèi)裝物品質(zhì)的影響，然而關(guān)于射頻對(duì)于外部包裝材料的影響研究甚少。本文研究了射頻處理對(duì)花椒粉品質(zhì)的影響，為射頻場(chǎng)下花椒粉殺菌工藝參數(shù)的選擇提供了一定的參考依據(jù)。此外，本文也研究了射頻技術(shù)對(duì)于EVOH/PA 外部包裝材料性能的影響，使得射頻技術(shù)可以更好地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 材料

花椒粉（Aw=0.5818），江蘇省泰州市興化市姚富村；EVOH/PA 食品包裝袋，康小廚的包裝。

1.2 試劑

平板計(jì)數(shù)瓊脂、氯化鈉，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；蒸餾水，無(wú)錫江大教育服務(wù)有限公司。

1.3 設(shè)備與儀器

27.12 MHz 射頻平行極板加熱系統(tǒng)，江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院；低溫SHP-1500 生化培養(yǎng)箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；16 通道熒光光纖測(cè)溫儀，華光天銳有限公司；KTHA-015TBS 恒溫恒濕箱，慶聲電子科技有限公司；E43.140 電子材料試驗(yàn)機(jī)，英國(guó)LLOYD 儀器公司；AquaLab 水分活度測(cè)試儀，Meter Group 公司；W3/060 氧氣/水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀，濟(jì)南Labtech 公司；CR-400/410 色彩色差計(jì)，柯尼卡美能達(dá)投資有限公司。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 包裝件的準(zhǔn)備 裁剪包裝袋大小至140 cm×130 cm，使用熱封機(jī)將其制成三面密封袋。稱取25 g 花椒粉裝入包裝袋，封口。

1.4.2 射頻平行極板加熱系統(tǒng) 采用射頻平行極板加熱系統(tǒng)對(duì)包裝件進(jìn)行殺菌處理。將處理的包裝件放入射頻平行極板加熱系統(tǒng)中，通過(guò)操作面板改變極板間距、極板電壓等試驗(yàn)參數(shù)。設(shè)備示意圖見圖1。

1.4.3 包裝件溫度測(cè)定 從預(yù)試驗(yàn)中得知，射頻加熱花椒粉包裝件時(shí)，冷點(diǎn)位置在包裝件上表面的邊角位置。在試驗(yàn)過(guò)程中，將光纖探頭使用透明膠帶固定于包裝袋內(nèi)部上表面邊角位置，實(shí)時(shí)讀取內(nèi)部花椒粉的溫度。用于菌落測(cè)試的包裝件，為避免光纖探頭插入包裝袋內(nèi)部后污染花椒粉，在預(yù)試驗(yàn)中記錄達(dá)到目標(biāo)溫度（50，60，70，80 ℃）時(shí)所需時(shí)間，在相對(duì)應(yīng)的時(shí)間取出包裝件。

1.4.4 射頻處理 將預(yù)制包裝件放于平行極板中心位置，調(diào)節(jié)極板間距（25，30，35，40 mm），測(cè)量不同極板間距、不同含水量的物料對(duì)其升溫速率的影響。

1.4.5 花椒品質(zhì)測(cè)定

1）菌落總數(shù) 將包裝件放于射頻平行極板下殺菌，取對(duì)照組及不同溫度下（50，60，70，80℃）的包裝件，依據(jù)GB 4789.2-2016[22]對(duì)花椒粉進(jìn)行菌落總數(shù)測(cè)定。

2）色值變化 取對(duì)照組及最佳殺菌溫度下的花椒粉，使用色彩色差計(jì)進(jìn)行色差分析。

1.4.6 包裝材料性能測(cè)試

1）力學(xué)性能測(cè)試 依據(jù)《塑料——拉伸性能的測(cè)定 第3 部分薄膜和薄片的試驗(yàn)條件》（GB/T 1040.3-2006）[23]裁剪試樣為120 mm×15 mm，每組裁取5 個(gè)平行樣。

2）阻隔性能測(cè)試 依據(jù)《塑料薄膜和薄片氣體透過(guò)性試驗(yàn)方法 壓差法》（GB/T 1038-2000）[24]檢測(cè)EVOH/PA 包裝薄膜的阻濕性能及阻氧性能。

1.4.7 數(shù)據(jù)處理 所有數(shù)值均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用SAS 軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，P＜0.05，認(rèn)為射頻處理對(duì)材料性能或物料品質(zhì)有顯著性影響。

圖1 射頻平行極板加熱系統(tǒng)示意圖[21]Fig.1 Radio frequency parallel substrate heating system[21]

2 結(jié)果與分析

2.1 射頻處理對(duì)內(nèi)裝物的影響

2.1.1 極板間距對(duì)升溫速率的影響 調(diào)整射頻極板間距分別為25，30，35，40 mm，記錄相同時(shí)間、不同極板間距下，包裝件溫度的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2顯示，射頻極板間距大小對(duì)物料的升溫速率有顯著影響。在極板間距為25～40 mm 范圍內(nèi)，極板間距越小，物料升溫速率越高。在相同的時(shí)間下，25 mm 極板間距下的物料升溫速度最快，240 s 時(shí)包裝件溫度升至100 ℃，而極板間距40 mm 的包裝件的升溫速度最慢。這是由于極板間距的改變影響射頻的輸出功率。在一定的極板間距范圍，極板間距越大，輸出功率越小[11]。由極板、物料和固定電感所組成的加熱電路的頻率與射頻振蕩電路的固有頻率最接近，加熱速率最大[19]。在呂曉英等[11]、白靜等[25]、侯全[12]研究的獼猴桃、蘋果汁、菠蘿等物料中也有相同的現(xiàn)象。

2.1.2 含水率對(duì)升溫速率的影響 選擇含水率為9.2%，11.4%，13.1%，15.3%花椒粉的包裝件。記錄極板間距為30 mm、相同射頻加熱時(shí)間條件下，不同含水率包裝件的升溫曲線。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。隨著物料含水率的升高，包裝件的升溫速率提高。

如圖3所示，在相同的時(shí)間條件，物料含水率高的包裝件升溫速度快。其中含水率為15.3%的物料升溫速度最快，加熱120 s 時(shí)包裝件溫度達(dá)100 ℃以上。物料的升溫速率與物料的介電參數(shù)的關(guān)系密切。物料的含水率越小，其介電損耗因子越小[26]，相同的加熱條件下物料的溫度就越低[27]。王云陽(yáng)[28]將射頻技術(shù)應(yīng)用于堅(jiān)果的干燥中，發(fā)現(xiàn)物料的水分含量高，介電損耗因子大，介電加熱效率高。隨著射頻加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，包裝件升溫速率趨于平穩(wěn)狀態(tài)，這可能是由于包裝袋內(nèi)部的水分增加造成內(nèi)裝物結(jié)塊，使得其密度、水分分布發(fā)生變化，內(nèi)裝物介電性能變化，因此趨于平穩(wěn)狀態(tài)[26]。

2.1.3 溫度對(duì)花椒粉菌落總數(shù)的影響 取含水率9.2%，冷點(diǎn)溫度達(dá)50，60，70，80 ℃的花椒粉包裝件，研究不同殺菌溫度對(duì)花椒粉菌落總數(shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。當(dāng)射頻加熱溫度為80 ℃時(shí)，花椒粉基本無(wú)細(xì)菌被檢出。

花椒粉在加熱過(guò)程中，由于水蒸氣的蒸發(fā)而出現(xiàn)脹袋，待溫度降至室溫，包裝件恢復(fù)平衡，脹袋現(xiàn)象消失。需考慮脹袋是否對(duì)貯藏花椒粉的菌落總數(shù)有影響。將經(jīng)射頻處理溫度達(dá)80 ℃的花椒粉包裝件做貯藏試驗(yàn)。貯藏80 d 后，檢測(cè)到花椒粉的菌落總數(shù)并無(wú)增長(zhǎng)，即表明加熱過(guò)程中的脹袋現(xiàn)象并未對(duì)貯藏花椒粉的品質(zhì)產(chǎn)生影響。

2.1.4 射頻處理對(duì)花椒粉色澤的影響 將射頻處理的花椒粉用色差儀分析最佳殺菌溫度80 ℃時(shí)色澤的變化，結(jié)果如表1所示。

圖2 極板間距對(duì)包裝件升溫速率的影響Fig.2 Effect of electrode gap on the heating rate of the package

圖3 含水率對(duì)包裝件升溫速率的影響Fig.3 Effect of water content on the heating rate of the package

圖4 溫度對(duì)花椒粉的菌落總數(shù)的影響Fig.4 Effect of temperature on the total number of colonies of pepper powder

表1 射頻處理后花椒粉色澤變化Table 1 Changes in color of pepper powder after RF treatment

經(jīng)過(guò)SAS 分析，對(duì)照組和射頻殺菌后花椒粉的色澤變化P>0.05，無(wú)顯著差異。

2.2 射頻處理對(duì)包裝材料性能的影響

對(duì)射頻處理的包裝材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。射頻處理后的EVOH/PA 包裝薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率并無(wú)規(guī)律性變化趨勢(shì)。使用SAS 軟件進(jìn)行顯著性分析，P 值均大于0.05，表明射頻處理未對(duì)EVOH/PA 薄膜的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。

射頻加熱處理后包裝件的外部包裝材料阻隔性能檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。隨著包裝件溫度的上升，EVOH/PA 包裝薄膜的阻濕性能、阻氧性能未出現(xiàn)規(guī)律性的變化趨勢(shì)。通過(guò)SAS 軟件分析試驗(yàn)結(jié)果，P>0.05，表明射頻處理未對(duì)包裝薄膜的阻隔性能產(chǎn)生顯著影響。

在射頻場(chǎng)下，包裝材料的力學(xué)性能、阻隔性能并未出現(xiàn)顯著變化。其原因：一方面由于射頻波穿透力強(qiáng)，薄膜在射頻場(chǎng)下被直接穿透。塑料在包裝安全法規(guī)中被視為優(yōu)良的微波透過(guò)材料，可能對(duì)射頻場(chǎng)也適用[29]。另一方面可能是由于介電損耗因子對(duì)電磁波的加熱速率有著顯著影響[28]。由于薄膜的損耗因子很低，因此包裝材料的力學(xué)性能未出現(xiàn)顯著變化。之前的研究發(fā)現(xiàn)，射頻對(duì)PE、PP包裝材料的力學(xué)性能也未產(chǎn)生顯著影響[30]。

3 結(jié)論

隨著極板間距的升高，電場(chǎng)強(qiáng)度變小，極板間的輸出功率減小，因此花椒粉包裝件加熱速率降低。在極板間距為25～40 mm 范圍內(nèi)，當(dāng)極板間距為25 mm 時(shí)，升溫速率最快。240 s 后，包裝件溫度就可達(dá)100 ℃。相反，在相同時(shí)間，極板間距為40 mm 的包裝件溫度未達(dá)到40 ℃。物料的含水量與花椒粉包裝件的升溫速率呈正相關(guān)關(guān)系。在極板間距30 mm，射頻加熱時(shí)間120 s 時(shí)，含水率15.3%的花椒粉包裝件溫度可升至100 ℃，而含水率9.2%的包裝件溫度還未達(dá)到40 ℃。研究表明花椒粉的最佳殺菌溫度為80 ℃，且此溫度未對(duì)花椒粉的色澤產(chǎn)生顯著影響。射頻處理后，花椒粉的外部包裝材料EVOH/PA 薄膜的力學(xué)性能及阻隔性能都未出現(xiàn)顯著的變化。

對(duì)花椒粉預(yù)包裝件采用射頻殺菌技術(shù)，不僅可以保證內(nèi)裝物的品質(zhì)，而且不會(huì)對(duì)EVOH/PA 包裝材料的力學(xué)性能和阻隔性能產(chǎn)生影響?？蛇x擇射頻殺菌作為花椒粉預(yù)包裝件的新型殺菌技術(shù)。

圖5 射頻處理對(duì)EVOH/PA 薄膜拉伸強(qiáng)度/斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.5 Effect of RF treatment on tensile strength/elongation at break of EVOH/PA films

圖6 射頻處理對(duì)EVOH/PA 薄膜阻隔性的影響Fig.6 Effect of RF treatment on the barrier properties of EVOH/PA films