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软包装三文鱼片微波杀菌工艺的研究

2020-06-03 280 上传者：管理员

摘要：采用与三文鱼介电特性相同的模拟食品作为化学标记法的载体,确定了微波加热的冷点位置并测量了冷点位置的时间-温度曲线,以此计算目标微生物的致死率,优化软包装三文鱼片的微波杀菌工艺条件。通过调整微波杀菌的工艺参数,使得冷点位置的处理程度达到目标杀菌程度,最后在冷点位置接种微生物验证该工艺参数的杀菌效果。结果表明,当微波加热的净功率为8kW,加热时间3min,保温时间5min,保温温度95℃,三文鱼的杀菌程度达到F90=11.5min。以生孢梭菌作为接种微生物,采用该杀菌工艺,使其减少了7个数量级。与传统杀菌工艺相比,微波杀菌大幅降低了杀菌时间,提高了产品的品质,且对目标微生物的致死效果高于传统杀菌。

关键词：
三文鱼片
工艺研发
微波杀菌
软包装食品
食品品质
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三文鱼(salmon),学名鲑鱼,属硬骨鱼纲,鲑形目,鲑科,肉质细嫩,营养丰富,含有多种不饱和脂肪酸[1,2]。生食三文鱼是最营养的食用方法,但是其自身容易受到微生物污染[3]。随着生活节奏的加快,消费者更加重视高品质、长货架期的方便食品[4]。长货架期的方便食品必须经过杀菌处理,以保证食品的安全性。传统的三文鱼罐头产品采用高温蒸汽杀菌,长时间的高温处理会对三文鱼中热敏感性物质、营养成分造成很大损害[5],以至于三文鱼的风味、色泽、质地都会有不同程度的下降,从而影响产品的外观及口感[6]。对比传统的罐头产品,软包装产品具有传热快,携带方便的优点,在缩短杀菌时间的同时,还能够较长时间保持食品风味[7]。

目前工业生产上用于食品的杀菌技术大都是利用热水和蒸汽加热,较低的传热速率导致较长的杀菌时间,使得食品的加热处理过度,从而对食品品质有所影响。近年来,研究者一直致力于研究新的杀菌方式应用于工业化生产。其中微波杀菌是唯一获得美国食品药品监管局FDA许可的可以用于长货架期食品工业化生产的杀菌技术[8]。微波杀菌基于微波的热效应和非热效应,利用微波的穿透性能,使食品内部物料快速升温,在短时间内杀灭微生物,达到杀菌效果[9]。对比传统的杀菌方式,微波加热速度快,可以降低加热时间,提高产品品质。

和传统杀菌相同,微波杀菌也需要保证食品冷点位置达到工业杀菌的要求。传统杀菌的冷点位置一般位于食品的几何中心,而微波杀菌产品的冷点位置受电场强度影响,冷点位置就是电场强度低的位置[8]。因此要进行微波杀菌工艺的研发,首先要保证微波加热食品的温度分布是稳定且可重复的。然后确定该食品的冷点位置并记录冷点位置的时间-温度曲线,以此计算目标微生物的致死率,保证杀菌工艺的安全性。最后对该杀菌工艺进行微生物验证。本文以上海海洋大学自主研发的896MHz,75kW的单模微波杀菌系统为平台,研发软包装三文鱼片的微波杀菌工艺,以此建立微波杀菌的工艺研发流程,为相关产品的工艺研发提供指导。

1、材料与方法

1.1 材料与仪器

冷冻大西洋三文鱼(Salmosalar),原产国智利,美威(水产)上海有限公司。浓缩乳清蛋白粉,南京高溯生物科技有限公司;无水CaCl2,上海麦克林生化科技有限公司;D-核糖、L-赖氨酸,北京百灵威科技有限公司;生孢梭菌(Clostridiumsporogenes),广东环凯微生物科技有限公司;硫乙醇酸盐流体培养基,上海盛思生化科技有限公司。

KeySIGHTE5071C矢量网络分析仪,是德科技(中国)有限公司;PICOVACQ/1TC形无线温度传感器,法国TMI-ORION公司;HENKELMANJumbo35形真空包装机,荷兰HENKELMAN公司;FLIRT420红外热像仪,美国菲力尔公司;896MHz,75kW工业微波杀菌系统,上海海洋大学自主研发设计;SystecHX-320形柜式灭菌器,赛斯太克(上海)贸易有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 介电特性的测量

介电特性影响微波加热后食品的温度分布[5],本文所用的介电特性测量系统如图1所示,主要由矢量网络分析仪、同轴电缆、同轴探头、样品测试腔、热电偶、数显温度计、循环油浴系统组成。

图1 介电特性测量系统

试验前半小时打开矢量网络分析仪进行预热,选择开放式同轴探头技术作为测量方法[10],相关参数设置如下:测量频率范围为300～3000MHz,频率间隔为5MHz;测量温度范围为20～120℃,温度间隔为10℃。安装开放式同轴探头并依次用空气、金属短柱、去离子水进行校准,将样品装入测试腔内并利用热电偶跟踪测量实时温度,之后将开放式同轴探头与装有样品的测试腔连接,利用循环油浴调节测试腔内温度,进而测定不同频率、温度下样品的介电常数及介电损耗。

1.2.2 三文鱼模拟食品的研发

在微波杀菌过程中,只能用红外热成像仪观察到三文鱼表面的温度,或利用热电偶测量内部有限个数的温度值,没有办法得到完整的温度场[11],而利用与三文鱼介电特性相似的模拟食品,结合化学标记法可得到模拟食品内部完整的温度分布[12]。模拟食品的制作方法在ZHANG等[13]和WANG等[14]的基础上加以改进和优化,以乳清蛋白粉为主要实验原料,通过调整乳清蛋白粉、CaCl2、D-核糖和L-赖氨酸的成分配比,使得制作的乳清蛋白模拟食品与三文鱼的介电特性相匹配。

1.2.3 冷点位置的确定和热处理程度的计算

微波杀菌中,冷点位置一般位于电场强度最弱的位置,且食品的介电特性对电场分布影响较大,为了确定微波加热的冷点位置,化学标记法与计算机视觉系统相结合是最有效的方法。化学标记法的原理:还原糖和氨基酸在高温下发生美拉德反应,生成棕色的产物,温度越高、加热时间越长,反应生成物越多、颜色越深[15],该反应不可逆,可以记录微波加热的处理程度。以模拟食品作为化学标记法的载体,进行微波杀菌处理,将处理后的模拟食品用相机拍照,照片经MATLAB软件处理转换成伪彩图找到模拟食品具体的冷点位置,并用无线温度记录仪记录时间-温度曲线,确定食品的冷点位置。

检测结果显示,杀菌前三文鱼的菌落总数为3.1×103CFU/g。欧洲冷冻食品联合会及FDA[16,17]认为,鱼类产品在F90=10min的热处理程度下可以达到巴氏杀菌效果,此时目标微生物肉毒梭状芽孢杆菌的数量可以减少6个对数值。因此,在这种热处理程度下就可以杀灭三文鱼中的目标微生物。在本杀菌工艺中,将无线金属温度传感器[18,19]插入三文鱼的冷点位置,以记录温度曲线,并计算热致死值F[20],以F90=10min为杀菌目标,进一步设计微波杀菌三文鱼片的工艺条件。

1.2.4 微波杀菌工艺参数的确定

为保证本实验设计的微波杀菌处理程度达到目标杀菌程度,需要通过实验调整微波杀菌系统的工艺参数(功率、时间、温度)。微波杀菌主要包括微波加热、保温、冷却3个阶段。首先需要调节传送带的速度,控制微波加热时间,以达到目标杀菌温度;其次控制保温时间,以达到F90=10min的目标杀菌程度;最后对杀菌后的样品进行冷却处理。在确定了微波杀菌的工艺参数后,以同样的杀菌程度为目标,进行传统的蒸汽杀菌实验,与微波杀菌进行对比。传统杀菌处理在柜式灭菌器中进行,包括升温、恒温以及降温3个阶段,通过调节杀菌的温度和时间,达到和微波杀菌相同的杀菌程度。

1.2.5 微生物验证

在杀菌工艺确定之后,需要对其进行微生验证。参照TANG[21]的研究结果,以生孢梭菌PA3679作为肉毒梭状芽孢杆菌的替代菌进行微生物验证。在三文鱼的冷点位置接种生孢梭菌(Clostridiumsporogenes),根据初步测试的微波杀菌参数对三文鱼进行杀菌处理。用无菌生理盐水稀释处理冷点周围的三文鱼肉,吸取样品稀释液,倾注硫乙醇酸盐流体培养基,在36℃恒温培养箱中培养24h后计数。计算杀菌后生孢梭菌降低的数量级。

2、结果与分析

2.1 基于三文鱼介电特性的模拟食品的研发

在微波杀菌过程中,食品的介电特性是影响微波加热冷热点分布的重要因素,因此模拟食品的研发最重要的就是和食品的介电特性相匹配。经实验确定:乳清蛋白粉质量浓度(下同)为100g/L,D-核糖为10g/L,L-赖氨酸为10g/L,无水CaCl2为2g/L时,在频率为896MHz,温度范围20～120℃内乳清蛋白模拟食品的介电常数及介电损耗与三文鱼接近。896MHz下三文鱼与模拟食品介电常数、介电损耗在20～120℃温度范围内的对比如图2所示。

图2 三文鱼与乳清蛋白模拟食品介电特性拟合

由图2可知,在实验确定的模拟食品成分配比下,三文鱼和模拟食品的介电特性匹配度较高,可作为化学标记法的载体,分析温度分布确定冷点位置。

2.2 冷点位置的时间-温度曲线

经微波处理后,将模拟食品沿厚度方向从中间切开,在光照良好的条件下拍摄模拟食品的图片,利用MATLAB软件处理图片,将图片转换为伪彩图。图3分别为乳清蛋白模拟食品原图(图3-a)、微波加热后模拟食品图(图3-b)以及处理后模拟食品的伪彩图(图3-c)。未经处理的模拟食品颜色为淡黄色,经微波处理后,模拟食品由于发生美拉德反应变为棕褐色,转换成伪彩图后图片色彩对比鲜明,图3-c中圈出来的部分是模拟食品的冷点位置。

图3 模拟食品的热形图和冷点位置

模拟食品经微波加热得到重复性较好的温度曲线后,在三文鱼同样的冷点位置插入温度传感器,记录经微波杀菌过程中的时间-温度曲线。以此计算出微波杀菌的热处理程度。图4是在冷点位置插入无线温度传感器的模拟食品和三文鱼。

图4 冷点位置插入无线温度传感器的模拟食品和三文鱼

2.3 杀菌工艺参数和微生物验证

本实验所用微波杀菌系统的净功率为8kW,在这个功率下进行实验,多次调整加热的时间后得出,微波加热3min时,三文鱼冷点的温度达到了90℃,即达到了目标杀菌的温度。在95℃的水中保温5min后,通过测量冷点位置的时间-温度曲线,计算得出该工艺的实际热处理程度为F90=11.5min,达到了目标杀菌程度。在确定的杀菌工艺下,接种生孢梭菌在三文鱼的冷点位置,微波杀菌前,生孢梭菌的数量为3.4×108CFU/g,杀菌处理后生孢梭菌的数量为2.1×10CFU/g,微波杀菌处理后生孢梭菌的数量级下降了7个,远大于三文鱼中的原始菌落数,证明此微波杀菌工艺可以保证软包装三文鱼片的微生物安全。

2.4 与传统杀菌工艺的对比

将无线温度传感器插入三文鱼的几何中心记录时间-温度曲线。参照AWUAH等[20]的研究,计算热致死值F和蒸煮值C,微波杀菌与传统杀菌的工艺参数对比如表1所示。

表1 两种杀菌处理的工艺参数

通过杀菌的时间-温度曲线计算2种杀菌处理的实际F90均为11.5min,在同样的F值下,微波杀菌大幅降低了杀菌时间,说明微波可以在较短的时间内杀灭三文鱼中的微生物。微波杀菌的蒸煮值(4.3min)也小于传统杀菌(6.3min),由此可以得出,在同样的杀菌程度下,微波杀菌能更好地保留三文鱼的品质。

微波杀菌和传统杀菌的微生物验证结果对比如表2所示。微波杀菌和传统杀菌处理后生孢梭菌的数量级分别下降了7个和6个,2种杀菌方式都可以有效地减少三文鱼中接种的生孢梭菌的数量,且都达到巴氏杀菌的要求。在同样的杀菌程度下,微波杀菌对于生孢梭菌的致死率要高于传统杀菌,微波杀菌的高致死率可能源于微波场对微生物的非热效应。

表2 微生物验证结果

3、结论

本文研发了软包装三文鱼片的微波巴氏杀菌工艺,并以此建立了微波杀菌的工艺研发流程。微波杀菌工艺研发需遵循以下流程:首先用与杀菌食品介电特性相同的模拟食品作为化学标记法的载体,以此确定微波杀菌的冷点位置,并记录冷点位置的时间-温度曲线;之后通过该曲线计算目标微生物的致死率,根据目标杀菌程度确定微波杀菌工艺参数;最后对该杀菌工艺进行微生物验证。

研究获得的三文鱼微波杀菌工艺参数为:微波杀菌净功率8kW,微波加热时间3min,保温时间5min,达到的杀菌程度为F90=11.5min。微生物验证结果表明,经该微波杀菌处理后,三文鱼中接种的生孢梭菌的数量级降低了7个,达到了杀菌要求。该研究为其他微波杀菌产品的工艺研发提供了指导方向。与传统杀菌相比,在同样的杀菌程度下,微波杀菌大幅减少了杀菌时间,更好的保留了三文鱼的品质。此外,微波杀菌对微生物的致死效果要优于传统杀菌,这可能源于微波场的非热效应。

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