張仲陽，張向超，俞龍泉，肖若楠，葛芳，程青龍，焦蓮，范翔，宋曉聰

（石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北 石家莊 050035）

西瓜含有大量的葡萄糖、蘋果酸、果糖、氨基酸、番茄素以及豐富的維生素C等物質(zhì)，是一種營養(yǎng)、安全的食品。當(dāng)前，工業(yè)上普遍采用巴氏滅菌技術(shù)，但西瓜中含有大量的熱敏性揮發(fā)物質(zhì)（如：順 3-壬烯醇，順-3-己烯醇），在加熱滅菌的過程中會產(chǎn)生濃重的煮熟氣味，嚴(yán)重影響了西瓜汁的風(fēng)味[1]。因此，普通的熱滅菌技術(shù)不適用于西瓜汁加工。而低溫滅菌技術(shù)在處理過程中熱效應(yīng)很低，因此，它克服了一般熱滅菌技術(shù)傳熱相對較慢和對滅菌對象產(chǎn)生熱損傷等缺點(diǎn)，特別適合于對熱敏性的物料和制品的滅菌處理[2]。

穩(wěn)定性ClO2是目前國際上公認(rèn)的性能優(yōu)良的滅菌劑、食品保鮮劑，被世界衛(wèi)生組織(WHO)列為A1級安全消毒劑。據(jù)報道，用ClO2消毒，不會在水中產(chǎn)生致癌、致畸、致突變物質(zhì)[3]，國外已研究了 ClO2對萵苣、青椒、胡蘿卜、草莓等果蔬表面致病菌的抑制作用，取得了良好效果[4]，在飲料中應(yīng)用，能夠有效殺滅致病菌，而不影響飲料原有風(fēng)味。近年來，我國也開始重視ClO2產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用，國家標(biāo)準(zhǔn)GB-2760將穩(wěn)定性ClO2列入食品添加劑中，應(yīng)用于果蔬保鮮、魚類加工及食品加工助劑。但我國對ClO2在果汁飲品滅菌方面的應(yīng)用研究比較少，并且沒有發(fā)現(xiàn)脫除ClO2的相關(guān)報道。本研究以鮮榨西瓜汁為原料，研究了超聲波協(xié)同ClO2對西瓜汁滅菌的效果以及真空結(jié)合超聲波脫除ClO2殘留的技術(shù)，以期為果汁飲料的低溫滅菌提供技術(shù)支持。

1.材料與方法

1.1 材料與儀器

西瓜 品種為無籽西瓜，購于石家莊北國超市; 食品添加劑級穩(wěn)定態(tài)ClO2溶液 經(jīng)活化后濃度約為20000mg/L，根據(jù)衛(wèi)生部制定的國家標(biāo)準(zhǔn)GB25580-2010制造，天津市張大科技發(fā)展有限公司生產(chǎn); 菌落總數(shù)測定所需藥品和器材 按GB4789.2-2010《食品衛(wèi)生微生物檢驗(yàn)菌落總數(shù)測定》中規(guī)定配置。

SB-5200-DTD超聲波清洗機(jī)（40kHz ,200W） 寧波新芝生物科技股份有限公司； 303-4電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海勝啟儀器儀表有限公司； LDZX-75KBS立式蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠； MJ-35JM03A美的榨汁機(jī) 廣東美的精品電器制造有限公司； UV-1800島津紫外可見分光光度計 日本島津公司；2XZ-2型旋片式真空泵 浙江黃巖天龍真空泵廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對于西瓜汁的處理均在超凈臺（萬級）內(nèi)完成，溫度為室溫，實(shí)驗(yàn)用具均經(jīng)過滅菌處理。

1.2.1 新鮮西瓜汁的制備 選成熟度八九成熟且無腐爛變質(zhì)、無蟲蝕的無籽西瓜，用西瓜刀切開西瓜，用鐵勺取出瓜瓤，用榨汁機(jī)對其榨汁。將榨好的西瓜汁（內(nèi)無較大顆粒狀物質(zhì)，已被榨汁機(jī)濾去）分裝在250mL的錐形瓶中，每瓶60mL。

1.2.2 配制ClO2溶液 取一定量穩(wěn)定態(tài)ClO2溶液加入食品級鹽酸活化后，用蒸餾水稀釋20倍（濃度約為1g/L），放入棕色試劑瓶以便使用（現(xiàn)配現(xiàn)用，ClO2在室溫下每天約有2%～10%的離解率[7]）。

1.2.3 ClO2濃度對西瓜汁滅菌的影響 取60mL西瓜汁，加入一定量的ClO2溶液處理西瓜汁一定時間，以原汁和經(jīng)過巴氏滅菌（83℃熱處理30min）處理的西瓜汁作為對照，測定菌落總數(shù)，評價滅菌效果?？疾?ClO2濃度、作用時間對西瓜汁滅菌的影響。

1.2.3.1 采用1+20、1+15、1+12、1+10、1+6濃度的ClO2處理西瓜汁3min，研究ClO2對滅菌效果的影響。

1.2.3.2 采用濃度為1+15的ClO2分別處理西瓜汁10s、3、5、10min，研究ClO2作用時間對滅菌效果的影響。

1.2.4 超聲波對西瓜汁滅菌的影響 設(shè)定超聲功率，對西瓜汁進(jìn)行一定時間的處理，以原汁作為對照，測定菌落總數(shù)，考察超聲波功率、作用時間對滅菌效果的影響。

1.2.4.1 采用200W超聲波處理西瓜汁10s、1、3、5、10min，研究超聲時間對滅菌效果的影響。

1.2.4.2 采用40、80、120、160、200W的超聲波處理西瓜汁5min，研究超聲功率對滅菌效果的影響。

1.2.5 ClO2結(jié)合超聲波對西瓜汁滅菌的影響 用上述優(yōu)選的ClO2濃度結(jié)合優(yōu)選的超聲波功率對西瓜汁進(jìn)行處理，以原汁和巴氏滅菌（83℃熱處理 30min）的西瓜汁作為對照，測定菌落總數(shù)，比較滅菌效果，優(yōu)選作用時間。確定最佳作用時間后，改變超聲波功率，研究超聲功率對西瓜汁滅菌效果的影響。

1.2.5.1 采用1+15的ClO2結(jié)合80W超聲波處理西瓜汁0、30s、1、2、5min，研究作用時間對滅菌效果的影響。

1.2.5.2 采用1+15的ClO2結(jié)合40、80、120、160、200W的超聲波處理西瓜汁5min，研究ClO2結(jié)合超聲波時，超聲功率對滅菌效果的影響。

1.2.6 ClO2脫除工藝研究 采用真空結(jié)合超聲波的方法，對一定濃度的ClO2西瓜汁溶液進(jìn)行處理。單因素考察溫度、真空度、超聲功率、時間對 ClO2去除效果的影響。

在真空度 98.6～98.8kPa，超聲功率 200W，作用時間 10min的處理?xiàng)l件下,研究溫度對ClO2脫除效果的影響。在35℃，真空度98.6～98.8kPa，作用時間1min的處理?xiàng)l件下，研究超聲功率對ClO2脫除效果的影響。在35℃，超聲波功率40W，作用時間5min的處理?xiàng)l件下，研究真空度對ClO2脫除效果的影響. 在35℃，超聲波功率40W，真空度98.7kPa的處理?xiàng)l件下，研究作用時間對于ClO2脫除效果的影響。在35℃，超聲波功率40W，真空度98.7kPa（壓強(qiáng)2.5kPa），時間5min條件下，處理1+4、1+6、1+12、1+20、1+30濃度ClO2的西瓜汁溶液，研究此工藝的脫除效果。

將脫色后的60mL西瓜汁倒入250mL的三口燒瓶中，并使燒瓶侵入超聲波清洗機(jī)的水中，用鐵夾使之固定在鐵架臺上。將真空傳感器和接引管插入三口燒瓶，確定密封完好后，加入ClO2溶液2mL（體積比1:30），立即蓋上玻璃塞。設(shè)定真空度，設(shè)定超聲波功率、時間及溫度進(jìn)行處理。將處理后的溶液用紫外可見分光光度計測定其濃度。

1.3 測定方法

1.3.1 菌落總數(shù)的測定 按照GB 4789.2-2010食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)進(jìn)行，測定菌落總數(shù)。每個條件的實(shí)驗(yàn)均設(shè)6個實(shí)驗(yàn)組，總菌落數(shù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。

1.3.2 ClO2濃度的測定 采用紫外可見分光光度法[6]，測定溶液360nm處的吸光度[5]。配制10、20、30、50、100、150mg/L的ClO2標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用紫外可見分光光度計制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線即可求出ClO2的濃度。

采用V1+V2形式表示ClO2溶液濃度（簡稱ClO2濃度），例如：穩(wěn)定態(tài)ClO2溶液+西瓜汁（1+6）即1體積穩(wěn)定態(tài)ClO2溶液與6體積的西瓜汁相混后的溶液。

采用清除率表示 ClO2的脫除效果。公式：清除率=（未處理時濃度-處理后殘留濃度）/未處理時濃度×100%

2.結(jié)果與分析

2.1 ClO2濃度對西瓜汁滅菌效果的影響

表1 ClO2濃度對滅菌效果的影響Table 1 Effect of concentration of ClO2 on sterilization

由表1可以看出，ClO2溶液在1+12及以上濃度處理西瓜汁和巴氏滅菌均可達(dá)到100%的滅菌效果。在1+15時，滅菌率可達(dá)90%左右。為研究ClO2結(jié)合超聲波對滅菌效果的影響，濃度選定為1+15,另外發(fā)現(xiàn)，ClO2溶液按1+6及以上濃度添加時西瓜汁會發(fā)生明顯變色，顏色變黃。

表2 作用時間對滅菌效果的影響Table 2 Effect of treatment time on sterilization

表2可以看出，ClO2滅菌需一定的作用時間。處理3、5、10min時的細(xì)菌總數(shù)比處理10s時的細(xì)菌總數(shù)分別減少了58.9%、62.7%、60.8%。ClO2作用時間在3min前滅菌效果提高顯著，在3min后滅菌效果雖有少許提高，但無顯著變化，說明ClO2處理西瓜汁3min左右即可達(dá)到預(yù)期效果，再延長作用時間對菌落數(shù)影響不顯著。

2.2 超聲波對西瓜汁滅菌效果的影響

表3 超聲波時間對滅菌效果的影響Table 3 Effect of ultrasound time on sterilization

由表3可以得出，10s時的滅菌率為62.5%，而1、3、5、10min時的滅菌率分別為 92.5%、92.8%、93.8%、94.0%。可以看出隨著超聲波時間的延長 1min內(nèi)滅菌效果提高顯著，1min之后滅菌效果雖有提高，但提高緩慢，總體來講隨著處理時間的延長菌落總數(shù)呈下降趨勢。

表4 超聲波功率對滅菌效果的影響Table 4 Effect of ultrasound power on sterilization

由表4可以看出, 隨超聲波功率的增大，滅菌效果呈現(xiàn)先高后低的趨勢，功率在80W時達(dá)到最佳效果。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能是由于功率增大，空化泡在聲波的膨脹相內(nèi)可能增長過大，以致它在聲波的壓縮相內(nèi)來不及發(fā)生崩潰，使滅菌效果反而下降。

2.3 超聲波協(xié)同ClO2對西瓜汁滅菌效果的影響

表5 超聲波協(xié)同ClO2滅菌，作用時間對滅菌效果的影響Table 5 1+15 concentration of ClO2, ultrasound power 80W, effects of ultrasound time on sterilization

由表5可得出，處理 30s、1、2、5min時比0s時的細(xì)菌總數(shù)分別減少58.4%、70.0%，83.7%、83.2%。說明超聲波協(xié)同ClO2在2min時即可達(dá)到最佳效果，

表6 超聲波協(xié)同ClO2滅菌，超聲波功率對滅菌效果的影響

菌落數(shù)(cfu/mL) 320±40.41 250±30 210±25.11 730±75.71 870±83 6240±121.65

由表6可知，ClO2與超聲波相結(jié)合時，滅菌效果在功率120W時最佳。與單獨(dú)使用超聲波最佳功率 80W（超聲波實(shí)驗(yàn)優(yōu)選功率）時有所不同，可能是因?yàn)镃lO2的加入改變了西瓜汁的特性。

通過以上的實(shí)驗(yàn)研究，可確定最佳工藝為：ClO2濃度為1+12，超聲波功率120W,作用時間2min。

2.4 測定ClO2濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖1 ClO2吸光度隨濃度變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve that ClO2absorbance changes with concentration

圖1即為測定 ClO2濃度時所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，曲線呈線性變化，斜率為0.0173，相關(guān)系數(shù)R2為0.9987，可見吸光度與ClO2濃度之間的線性關(guān)系較好。

2.5 溫度、超聲波功率、真空度、時間對脫除ClO2效果的影響

2.5.1 溫度對ClO2清除率的影響

圖2 ClO2清除率隨溫度變化的曲線Fig.2 Effects of temperature on the removal rate of ClO2

由圖2可看出，ClO2清除率在20～28℃呈現(xiàn)平緩上升的趨勢，在28～30℃急劇上升，30℃時出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后平緩上升，35℃時達(dá)到最大。這說明溫度對超聲空化的強(qiáng)度和動力學(xué)過程具有非常重要的影響，在超聲和真空體系下過飽和ClO2于28～30℃之間急劇溢出，隨著濃度的降低其溢出速度也相對降低，35℃時濃度降為最低達(dá)到飽和。

2.5.2 超聲波功率對ClO2清除率的影響

圖3 超聲波功率對ClO2清除率的影響Fig.3 Effects of ultrasonic power on the removal rate of ClO2

由圖3可看出，不使用超聲波時的清除率僅有24.90%,而使用200W功率超聲波處理后則能達(dá)到57.90%，說明結(jié)合超聲波對ClO2的脫除有明顯效果。超聲波超聲波功率0～40W之間，ClO2清除率隨功率的增大而增加，在40W時達(dá)到最大，而后趨于平緩且略有下降，這可能是因?yàn)槁暷苓^大，空化泡會在聲波的負(fù)壓相增長得很大而形成屏障，使系統(tǒng)可利用的聲能反而降低。確定40W為最佳功率。

2.5.3 真空度對ClO2清除率的影響

圖4 真空度對ClO2清除率的影響Fig.4 Effects of vacuum degree on the removal rate of ClO2

由圖4可看出，真空度96kPa以下的低真空度對清除率的影響很微小，從97kPa時開始，對清除率的影響急劇增大，直到98.7kPa時趨于平緩，由此可以看出真空度是影響ClO2溶解度的主要因素。確定最佳真空度為98.7kPa。

3.5.4 作用時間對ClO2清除率的影響

圖5 時間對ClO2清除率的影響Fig.5 Effects of treatment time on the removal rate of ClO2

由圖5可看出，ClO2清除率在短時間內(nèi)隨時間的增加而上升，5min后趨于平緩，隨著時間的延長ClO2清除率也緩慢增加，但從經(jīng)濟(jì)的角度考慮確定最佳作用時間為5min。

2.6 最佳工藝處理不同濃度的ClO2效果

表7 超聲結(jié)合真空工藝處理不同濃度ClO2去除效果Table 7 Effect of using optimum process to treat different concentrations of ClO2

由表7可知，用此工藝處理不同濃度的ClO2溶液，無論是高濃度還是低濃度，均可達(dá)到良好的脫除效果（清除率>94%）。

3.討論

國內(nèi)外大量的研究結(jié)果顯示，在消毒過程中ClO2不會與有機(jī)物發(fā)生氯代反應(yīng)生成有機(jī)氯化物，無“三致”作用。ClO2的濃度低于500mg/L時，對人體健康的影響可以忽略不計，低于100mg/L對人體無任何影響[8]。在啤酒中添加ClO2（3.5mg/L），可延長啤酒保鮮期，不影響啤酒的口味[9]；用ClO2處理鮮牛乳，在30℃時保存時間可達(dá)24h[10]；在初乳中添加ClO2（0.5%），可保鮮3個月不發(fā)生霉變[11]；用ClO2對鮮橙汁滅菌，顯著減少大腸桿菌的數(shù)目，且不會影響橙汁原有的感官品質(zhì)[12]。本研究也對處理后的西瓜汁進(jìn)行過粗略的觀察和品嘗過，其顏色略加深，比之處理前色澤更為鮮明。當(dāng)ClO2濃度過高（1+6以上），則導(dǎo)致顏色呈黃色。在1+15時（ClO2濃度66.7mg/L），滅菌率可達(dá)90%（表1），ClO2溶液添加量在1+12（ClO2濃度77mg/L）以上濃度時，能達(dá)到巴氏滅菌（83℃，30min）滅菌效果，此時ClO2使用量低于100mg／kg。

研究表明，超聲波能在短時間內(nèi)殺滅和破壞微生物，能更好的提高和完善食品品質(zhì)，保持食品原有風(fēng)味[13]。由表2可看出，ClO2濃度在1+15時，處理3min達(dá)到了最佳效果，單獨(dú)使用超聲波時1min就可到達(dá)到最佳效果（表3），而兩者結(jié)合后作用時間縮短至2min（表5）。由此看出超聲波能促進(jìn)ClO2的滅菌效果，縮短了ClO2滅菌的作用時間；單獨(dú)使用超聲波處理西瓜汁時，超聲波功率80W達(dá)到最佳效果（表4），結(jié)合ClO2后，超聲波功率120W達(dá)到最佳（表6）。PP Winniczuk[14]等在柑橘汁滅菌研究中顯示，濃度為0.0014%（w/v）的ClO2對酵母菌的滅菌效果6log cfu/ml·min，濃度為0.0031%（w/v）的ClO2對乳酸菌和氧化葡萄酸菌的滅菌效果為6log cfu/ml·min，濃度為0.0048%（w/v）的ClO2對腸膜狀明串珠菌的滅菌效果為6log cfu/mL·min。本實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論的ClO2濃度比之PP Winniczuk研究的濃度稍高（77mg/L相當(dāng)于0.0077%），本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用1+15濃度的ClO2溶液能夠達(dá)到90%的殺菌效果，當(dāng)使用使用1+12濃度的ClO2溶液時（77mg/L），能達(dá)到巴氏滅菌（83℃、30min）相同的效果。

ClO2在消毒過程中會產(chǎn)生兩種無機(jī)副產(chǎn)物，即亞氯酸鹽（ClO2-）和氯酸鹽（ClO3-），而這兩種物質(zhì)對人體有一定的毒副作用[15]。當(dāng)飲水中ClO2及其副產(chǎn)物總濃度為0.5mg/L以下時，出水就可達(dá)飲水標(biāo)準(zhǔn)。吳明松[16]等的研究結(jié)果表明，連續(xù)三代攝入濃度為30、120、360mg/L ClO2-對胎鼠的內(nèi)臟、骨骼發(fā)育無影響, 沒有表現(xiàn)出致畸作用。王麗[17]等對ClO2、ClO2-和ClO3-水溶液進(jìn)行Ames實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，276mg/L ClO2、200mg/L NaClO2和200mg/L NaClO3的水溶液劑量為100mg/L時，三種水溶液均為陰性，只是推測高濃度的ClO2、ClO2-和ClO3-可能對動物具有潛在毒性。為了盡量降低滅菌后ClO2殘留濃度，本研究采用超聲波輔助真空脫除工藝，避免殘余ClO2生成ClO2-。本次研究結(jié)果表明：溫度為35℃、超聲波功率為40W、真空度為98.7kpa，作用5min時，ClO2脫除率均能達(dá)到94%以上，脫除效果明顯。

國外根據(jù)毒理學(xué)研究得出結(jié)論，ClO2是一種有毒化合物，長時間飲用高含量ClO2的水 (2.0mg/L至200mg／L)可能損害肝、腎、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能，影響周圍血液的組成，抑制甲狀腺的功能[18]。但王麗[19]等的研究結(jié)果表明，276.5mg/L的ClO2水溶液、200mg/L的NaClO2水溶液、200mg/L的NaClO3水溶液均為實(shí)際無毒水溶液，也無明顯蓄積毒性。本研究所采用的 ClO2添加量為77mg/L，且經(jīng)脫除工藝ClO2濃度可控制在5mg/L以下，遠(yuǎn)低于王麗等人的研究結(jié)論，不會產(chǎn)生蓄積毒性。

4 結(jié)論

4.1 本實(shí)驗(yàn)對超聲波協(xié)同ClO2的低溫滅菌技術(shù)在西瓜汁生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索性研究，超聲波能夠有效的提高ClO2的滅菌效果，滅菌時間由3min縮短至2min。超聲波協(xié)同ClO2的低溫滅菌技術(shù)對西瓜汁進(jìn)行滅菌處理，不僅能夠達(dá)到優(yōu)良的滅菌效果，而且回避了巴氏滅菌處理時產(chǎn)生煮熟味的問題。西瓜汁滅菌的工藝最佳條件為：穩(wěn)定態(tài)ClO2溶液濃度：1+12(即77 mg/L)、超聲波功率：120W、殺菌時間：2min。

4.2 在ClO2消毒過程中會產(chǎn)生兩種無機(jī)副產(chǎn)物，即ClO2-和ClO3-，而這兩種物質(zhì)對人體有一定的毒副作用，消除殘留 ClO2能夠有效的減少 ClO2-和ClO3-的生成。脫除ClO2的工藝最佳條件（針對60ml溶液）為：溫度：35℃、超聲波功率：40W、真空度：98.7kPa（壓強(qiáng) 2.5kPa）、時間：5min。本工藝作用5min時對各個濃度ClO2脫除率都能達(dá)到94%以上。

4.3 本研究中，低溫滅菌工藝只探討了超聲波輔助工藝，如果采用微波-超聲波聯(lián)合輔助 ClO2滅菌工藝，將會取得更理想的結(jié)果。ClO2脫除工藝只采用了超聲波-真空結(jié)合脫除工藝，如果在 ClO2脫除工藝中再添加還原劑（如：維生素C等），將會擺脫ClO2-殘留的困擾。這些會在今后的研究中逐步得到解決。

4.4 本實(shí)驗(yàn)還有很多未完成的工作，如感官評價，營養(yǎng)物質(zhì)損失評價，ClO2、ClO2-和ClO3-殘留檢測等，這些需要在今后的實(shí)驗(yàn)中加以完善。

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