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        紫外線照射對(duì)煉乳空桶殺菌效果及其動(dòng)力學(xué)研究

        2019-06-03 03:36:04張微微孫艷輝韋海陽(yáng)賈小麗劉淑蘭顧海洋
        食品與機(jī)械 2019年4期
        關(guān)鍵詞:空桶煉乳回歸方程

        張微微 孫艷輝 韋海陽(yáng) 賈小麗 劉淑蘭 顧海洋

        (1.滁州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院,安徽 滁州 239000;2.安徽達(dá)諾乳業(yè)股份有限公司,安徽 滁州 239514)

        隨著食品工業(yè)發(fā)展,作為一種優(yōu)良的乳品工業(yè)原料,煉乳已被廣泛應(yīng)用到糖果、糕點(diǎn)、餐飲和乳品飲料行業(yè)中。煉乳富含蛋白質(zhì)、脂肪和糖等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),極適合微生物生長(zhǎng)繁殖[1-2]。產(chǎn)品包裝能使煉乳免受微生物污染,減少環(huán)境溫濕度、光照和氧氣等對(duì)其品質(zhì)的影響,在保持食品品質(zhì)和安全的同時(shí),延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期[2-4]。包裝材料,一般采取集中生產(chǎn)、部分配送給各個(gè)罐裝生產(chǎn)線的物流方式。由于在運(yùn)輸及儲(chǔ)備過(guò)程中存在一定的污染可能,因此它的殺菌效果直接影響了相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量,成為生產(chǎn)中非常重要的一環(huán)。包裝材料的殺菌在食品無(wú)菌技術(shù)中至關(guān)重要[1,4-6]。

        國(guó)內(nèi)外包裝材料的殺菌可分為熱殺菌和冷殺菌2種。熱殺菌主要利用各種微生物對(duì)高溫的敏感反應(yīng),以此達(dá)到消毒的目的,但消毒設(shè)備復(fù)雜,能耗較高,不符合節(jié)能高效的可持續(xù)發(fā)展政策[7]。且有研究[8]指出金屬包裝容器經(jīng)高溫滅菌工藝會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)危害人體健康等。因此,冷殺菌成為食品行業(yè)中重點(diǎn)關(guān)注的新型殺菌技術(shù)。作為一種物理冷殺菌方式,紫外線殺菌主要依靠紫外線照射使得細(xì)胞內(nèi)DNA發(fā)生交聯(lián),組織DNA解旋復(fù)制,從而達(dá)到抑制微生物的繁殖[1,8-10]。紫外線殺菌具有工藝簡(jiǎn)單、無(wú)藥劑殘留、效率高、維修費(fèi)用低等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于空氣[11]、物體表面[12]、水[13-14]等領(lǐng)域,成為廣大學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。

        近年來(lái),隨著強(qiáng)力紫外線燈的開(kāi)發(fā),紫外線殺菌的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣[15-16],逐漸成為食品加工廠與制藥廠不可或缺的殺菌設(shè)備[9,17],而且在肉制品工業(yè)、鮮切蔬菜保鮮等方面亦有廣泛的應(yīng)用[18-20]。研究[21-22]發(fā)現(xiàn)紫外線殺菌在保證食品在商業(yè)無(wú)菌的前提下,不造成營(yíng)養(yǎng)流失,對(duì)于包裝容器的滅菌效果顯著,但對(duì)乳制品金屬容器中的研究尚未涉及。

        本研究擬將紫外線照射應(yīng)用于煉乳桶,結(jié)合殺菌效果和動(dòng)力學(xué)研究,探明紫外線設(shè)備殺菌可行性,建立殺菌數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證分析殺菌性能,以期為紫外線技術(shù)在乳制品企業(yè)無(wú)菌包裝技術(shù)中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        煉乳桶:25 cm×25 cm×35 cm(長(zhǎng)×寬×高),桶口直徑 6 cm;

        大腸桿菌、金黃色葡萄球菌:由本院微生物實(shí)驗(yàn)室提供;

        平板計(jì)數(shù)瓊脂、孟加拉紅培養(yǎng)基:北京陸橋技術(shù)股份有限公司。

        1.2 主要設(shè)備

        紫外燈:ZW30Z18Y型,長(zhǎng)度分別為15,17,19,20 cm,照射強(qiáng)度分別為74.0,91.2,112.6,145.7 μW/cm2,螺旋式,杭州亞光照明燈飾有限公司;

        紫外殺菌裝置(圖1):由紫外燈殺菌裝置和鋁合金框架組成,紫外燈殺菌裝置主要是螺旋式紫外燈管和燈座及其插座組成,紫外燈管,燈座固定安裝在鋁合金固定架子上,四周為鏤空結(jié)構(gòu)的測(cè)試臺(tái),紫外燈可照射桶內(nèi)表面和外表面,桶可以自由伸縮,且盡可能地避免紫外線暴露。

        1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        紫外殺菌試驗(yàn):操作在微生物無(wú)菌室中進(jìn)行,將煉乳桶置于殺菌裝置中,分別選擇4種照射強(qiáng)度紫外燈(74.0,91.2,112.6,145.7 μW/cm2)、5種照射時(shí)間(30,60,90,120,150 s)和3種照射距離(紫外燈嵌入桶內(nèi)垂直距離15,17,19 cm),進(jìn)行4×5×3多因素設(shè)計(jì),形成60組試驗(yàn)條件,每個(gè)組合重復(fù)3次。采樣后進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)培養(yǎng),計(jì)算平均殺菌率。

        1.底座 2.紫外燈 3.空桶 4.鋁合金外框

        1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

        (1)微生物取樣與培養(yǎng):該操作在生物安全柜中進(jìn)行。被測(cè)定容器表面積>100 cm2,用無(wú)菌棉捻子均勻涂抹100 cm2面積范圍,并轉(zhuǎn)動(dòng)捻子,除手接觸部位,再將捻子放入10 mL滅菌生理鹽水試管中,對(duì)采集樣品進(jìn)行充分震蕩,根據(jù)污染程度,進(jìn)行適當(dāng)稀釋。

        (2)菌落總數(shù)檢測(cè):按GB/T 4789.2—2016執(zhí)行。

        (3)金黃色葡萄球菌檢測(cè):按GB/T 4789.10—2016執(zhí)行。

        (4)大腸桿菌檢測(cè):按GB/T 4789.3—2016執(zhí)行。

        (5)殺菌率T按式(1)計(jì)算:

        (1)

        式中:

        T——?dú)⒕剩?;

        N0——桶內(nèi)初始菌數(shù),CFU/L ;

        Nt——照射時(shí)間t時(shí)刻的剩余菌體數(shù),CFU/L。

        1.5 數(shù)據(jù)分析

        試驗(yàn)中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,通過(guò)SAS 9.2統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行分析處理,多重比較進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 照射強(qiáng)度對(duì)紫外線殺菌效果的影響

        對(duì)不同紫外燈照射強(qiáng)度的5種照射時(shí)間和3種照射距離的殺菌率數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平均,獲得紫外線對(duì)煉乳桶的殺菌率(圖2)。在試驗(yàn)選用的紫外燈照射強(qiáng)度范圍內(nèi),紫外線照射強(qiáng)度為74.0 μW/cm2時(shí),紫外線對(duì)桶內(nèi)細(xì)菌總數(shù)的殺菌率為(87.21±10.68)%,可能是在該照射強(qiáng)度下,不同紫外線照射時(shí)間和紫外燈垂直照射距離殺菌率差異較大,也反映了該照射強(qiáng)度紫外線殺菌效果較差。但當(dāng)照射強(qiáng)度從74.0 μW/cm2升高到91.2 μW/cm2,紫外線殺菌效果顯著增強(qiáng)(P<0.05),此時(shí)其殺菌效果提高了4.7%。隨著照射強(qiáng)度增加,紫外線的殺菌率超過(guò)了99%,且與其他處理組殺菌率存在顯著差異(P<0.05)。當(dāng)照射強(qiáng)度達(dá)到一定值后,殺菌率與照射時(shí)間和垂直照射距離不再呈顯著變化,該現(xiàn)象與目前紫外線用于食品表面微生物殺菌研究[12]結(jié)果保持一致。分析可能是桶內(nèi)表面不平整地方的微生物難以在短時(shí)間內(nèi)被完全殺滅;其次,不同微生物對(duì)于紫外線的抵抗力呈不同的敏感性。考慮裝置的耗電成本,建議照射強(qiáng)度在91.2 μW/cm2左右即可滿足商業(yè)無(wú)菌要求。

        不同字母表示差異顯著(P<0.05)

        2.2 照射距離對(duì)煉乳空桶內(nèi)微生物的殺菌率影響

        對(duì)不同照射距離的5種照射時(shí)間和4種照射強(qiáng)度的紫外線殺菌率數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平均,獲得紫外線殺菌率如圖3所示。當(dāng)紫外燈裝置垂直進(jìn)入桶內(nèi)15,17,19 cm時(shí),其殺菌率分別為(84.40±9.06)%,(95.58±6.78)%,(96.42±6.43)%。顯然,裝置伸入桶內(nèi)17,19 cm時(shí),其殺菌率顯著>15 cm(P<0.05),主要原因在于照射強(qiáng)度為74.0 μW/cm2的紫外線裝置本身長(zhǎng)度為15 cm,當(dāng)該裝置伸入桶內(nèi)距離桶底部與其他裝置一樣高度時(shí),紫外燈離煉乳桶瓶口就會(huì)有一段距離,導(dǎo)致照射不完全,使得殺菌率降低,而高強(qiáng)度紫外燈裝置其垂直照射均>15 cm,若要距離桶底一樣的距離,其殺菌率較高,但顯然會(huì)有紫外線暴露在外引起照射浪費(fèi)。因此,為確保殺菌效果的前提下,更經(jīng)濟(jì)地照射,本研究的紫外線裝置進(jìn)入桶內(nèi)的最佳距離為17 cm。

        2.3 照射時(shí)間對(duì)煉乳空桶內(nèi)微生物的殺菌率影響

        對(duì)不同照射時(shí)間的4種紫外燈和3種照射距離的紫外線殺菌率數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平均,結(jié)果如圖4所示。隨著照射時(shí)間的增加,紫外線的殺菌效果逐漸增強(qiáng),當(dāng)照射時(shí)間從30 s 增加至60 s時(shí),紫外線殺菌率顯著增強(qiáng)(P<0.05),從(87.98±11.54)%增加到(95.32±3.54)%。但當(dāng)照射時(shí)間從90 s增加至150 s的過(guò)程中,紫外線殺菌率在不同照射時(shí)間之內(nèi)的紫外線殺菌率變化不顯著(P>0.05)。當(dāng)照射時(shí)間為90 s,其平均殺菌率為(97.66±2.34)%,無(wú)法達(dá)到殺菌要求,但當(dāng)其與照射強(qiáng)度和照射距離條件相結(jié)合,可使其符合要求。紫外燈照射強(qiáng)度為91.2 μW/cm2,裝置置入桶內(nèi)15 cm時(shí),殺菌率為(95.6±1.34)%,無(wú)法滿足條件,當(dāng)該裝置置入桶內(nèi)17 cm,殺菌率顯著提高,可使其達(dá)到商業(yè)無(wú)菌要求。綜合考慮,該裝置距離以置入桶內(nèi)17 cm,照射時(shí)間≥90 s為宜。

        不同字母表示差異顯著(P<0.05)

        不同字母表示差異顯著(P<0.05)

        2.4 紫外線殺菌動(dòng)力學(xué)模型

        如上所述,照射強(qiáng)度為91.2~145.7 μW/cm2,照射時(shí)間為90~150 s,桶內(nèi)的微生物可達(dá)到商業(yè)無(wú)菌的要求。但考慮到實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)濟(jì)運(yùn)算,選擇照射強(qiáng)度91.2 μW/cm2,照射時(shí)間90 s,作為本裝置殺菌參數(shù)。為更好地說(shuō)明該裝置殺菌進(jìn)程,對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析,探討其動(dòng)力學(xué)模型。

        (2)

        式中:

        Nt——照射時(shí)間t時(shí)刻的桶內(nèi)剩余菌體數(shù),CFU/L;

        k——?dú)⒕俾食?shù),cm2/(mW·s);

        n——反應(yīng)級(jí)數(shù);

        I——紫外線平均照射強(qiáng)度,mW/cm2;

        t——照射時(shí)間,s。

        本研究中以桶中菌落總數(shù)為依據(jù)數(shù)據(jù)指標(biāo),對(duì)方程進(jìn)行回歸分析,結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 反應(yīng)級(jí)數(shù)回歸方程Table 1 Regression equation of reaction order

        由回歸方程可以看出,在該裝置下紫外線殺菌的反應(yīng)級(jí)數(shù)為1.00~1.04,該殺菌過(guò)程可近似看作一級(jí)光化學(xué)反應(yīng)。

        根據(jù)一級(jí)化學(xué)反應(yīng)模型Nt=N0e-kIt,變形后為

        lnNt=-kIt+lnN0,

        (3)

        式中:

        k——一級(jí)殺菌速率常數(shù),cm2/(mW·s);

        N0——初始時(shí)刻的菌體數(shù),CFU/L。

        對(duì)該方程進(jìn)行回歸,結(jié)果見(jiàn)表2。計(jì)算獲取一級(jí)殺菌速率常數(shù)k分別為0.37,0.34,0.34 cm2/(mW·s)。菌落總數(shù)的k值不同,可能是由于不同空桶菌落總數(shù)的菌群種類(lèi)與分布不一致,不同種類(lèi)微生物對(duì)紫外線的敏感程度不同。

        表2 速率回歸方程Table 2 Rate regression equation

        2.5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        為更好地理解紫外線殺菌效果,對(duì)已合格的空桶進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),將大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為試驗(yàn)菌株,對(duì)應(yīng)培養(yǎng)基稀釋成10-4CFU/mL供染菌用,按1.4進(jìn)行采樣及計(jì)算,并進(jìn)行驗(yàn)證研究,其殺菌效果、回歸方程與分析測(cè)定分別見(jiàn)表3、4和圖5。

        表3 不同作用時(shí)間的殺菌對(duì)數(shù)值Table 3 Germicidal value for different time

        試驗(yàn)結(jié)果證明:在照射強(qiáng)度為91.2 μW/cm2紫外燈裝置下,紫外照射大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的殺菌效果比較接近。紫外照射30,60 s,殺菌對(duì)數(shù)值<3.00;紫外照射≥90 s,殺菌對(duì)數(shù)值≥3.00。從能耗角度分析,紫外照射90 s即可滿足商業(yè)無(wú)菌要求,≥0.01%,該結(jié)果與紫外照射煉乳空桶的研究一致。

        表4 反應(yīng)級(jí)數(shù)回歸方程Table 4 Regression equation of reaction order

        在相同條件下,從驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)回歸方程可以看出,在該裝置下紫外線殺菌的反應(yīng)級(jí)數(shù)為1.02,殺菌過(guò)程近似一級(jí)光化學(xué)反應(yīng),與試驗(yàn)結(jié)果一致。通過(guò)模型計(jì)算獲取一級(jí)殺菌速率常數(shù)k分別為0.34,0.35 cm2/(mW·s),與原研究結(jié)果一致,且紫外殺菌試驗(yàn)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的k值基本吻合,說(shuō)明紫外線具有較好的殺滅細(xì)菌效果。

        圖5 不同照射時(shí)間下殺菌率回歸分析理論值與測(cè)定值Figure 5 Germicidal rates of ultraviolet with differentradiant time between theory and measurement

        由圖5可知,通過(guò)回歸方程計(jì)算理論值與試驗(yàn)研究測(cè)定值相近,無(wú)顯著差異(P>0.05)。由此可知,選擇照射強(qiáng)度為91.2 μW/cm2紫外燈裝置對(duì)煉乳空桶進(jìn)行殺菌,完全遵循一級(jí)光化學(xué)反應(yīng)模型,且該模型能很好地描述其綜合反應(yīng)進(jìn)程。

        3 結(jié)論

        利用自行設(shè)計(jì)的紫外線殺菌裝置對(duì)煉乳馬口鐵制空桶進(jìn)行處理,通過(guò)多因素試驗(yàn)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究,確定該裝置對(duì)煉乳空桶的殺菌參數(shù),并對(duì)其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。結(jié)果表明,當(dāng)菌落數(shù)≤104CFU/cm2,在同一裝置強(qiáng)度下(紫外線殺菌燈為石英型,照射強(qiáng)度≥90 μW/cm2)照射90 s,殺菌率可達(dá)99.9%,殺滅對(duì)數(shù)值≥3.00,空桶內(nèi)微生物符合商業(yè)無(wú)菌的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明紫外線殺菌反應(yīng)級(jí)數(shù)約為1.00~1.04,可將其看作一級(jí)光化學(xué)反應(yīng),一級(jí)殺菌速率常數(shù)為0.34~0.37 cm2/(mW·s)。本試驗(yàn)表明在該自行設(shè)計(jì)裝置下紫外線照射對(duì)煉乳空桶起到有效殺菌作用,為今后紫外線技術(shù)在乳制品企業(yè)容器無(wú)菌技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。后期項(xiàng)目可結(jié)合掃描電鏡、光譜等技術(shù),進(jìn)一步研究紫外線照射過(guò)程中微生物形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的變化,從而探索殺菌機(jī)理,為紫外殺菌技術(shù)深入應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

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