楊莉杰，張?zhí)O蘋，汪軒羽，李喜宏

(天津科技大學 食品工程與生物技術學院， 天津 300457)

靈武長棗是寧夏特有優(yōu)良鮮食的大棗品種[1]，呈長橢圓形，營養(yǎng)豐富、酸甜適宜，含有多種有機酸、糖類、礦物質及維生素等，素有“百果之王”的稱號[2]。2016年，年產量高達2.1萬t，種植面積為9 466.67 hm2，掛果面積達3 866.67 hm2，產值近億元[3]。由于鮮棗(水分含量50%以上)鮮食期短，易萎蔫軟爛，約70%的鮮棗被制成干棗。針對干棗含糖量高易蟲蛀長霉難以即食，含水量低口感堅硬難以咀嚼，免洗棗市場份額小等嚴重制約著產業(yè)發(fā)展的問題，文章以靈武長棗干棗為原料，殺菌率為響應值，通過Plackett- Burman design(PBD)和Box-Behnken design(BBD)試驗相結合的方法，對影響干棗保質的工藝條件進行優(yōu)化，得到殺菌率較優(yōu)的保質工藝，使干棗(水分含量18%左右)變成免洗棗(水分含量25%～35%)，延緩了微生物的生長，使菌落總數(shù)達到免洗標準，旨在為免洗棗產業(yè)化發(fā)展提供理論依據(jù)。

目前，國內外學者多研究鮮棗的保鮮，如氣調保鮮[4-5]、保鮮膜保鮮[6]、涂膜保鮮[7-8]、保鮮劑保鮮[9-13]，而對干棗保質研究幾乎沒有。該文在單因素基礎上，通過PBD試驗從諸多影響干棗保質的因素中篩選出主要影響因素[14]，通過BBD試驗優(yōu)化干棗的保質工藝參數(shù)，使其達到免洗標準[15]，實現(xiàn)干棗貯藏安全、低價、高效，以期為產業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

靈武長棗干棗(二級棗)，寧夏中璽棗業(yè)股份有限公司；ε-聚賴氨酸鹽酸鹽(分析純)，天津市大茂化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

PAL- 1型手持式折光儀，日本ATAGO株式會社；PHS- 25型數(shù)顯pH計，上海精密科學儀器有限公司；LS- B50L型立式壓力蒸汽滅菌器，上海華線醫(yī)用核子儀器有限公司；Centrifuge 5804R型高速冷凍離心機，德國Eppendorf公司；T6型紫外可見分光光度計，上海嘉標測試儀器有限公司；DGG- 101- 2A型電熱鼓風干燥箱，天津市天宇實驗儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1大棗前處理

準確稱取靈武長棗干棗500 g，經挑選、打磨、清洗、烘烤等預處理后，制得水分含量約18%的干棗，再于75 ℃蒸餾水中浸泡20 s，浸泡料液比(g/L)1∶5，75 ℃熏蒸盒中熏蒸2.0 h(熏蒸盒為自制，采用透明塑料盒，距離底部5 cm處置一打孔孔徑1 cm的PVC發(fā)泡板，下層為蒸餾水，上層覆蓋保鮮膜，利用熱蒸汽熏蒸大棗)，使棗果均勻吸收水分，最終得到水分含量約30%的高水分大棗。

1.3.2大棗保質工藝

針對高水分大棗，改變保質處理條件(噴涂ε-聚賴氨酸鹽酸鹽的質量比、殺菌方式、殺菌溫度、殺菌時間、包裝方式)后制得免洗大棗，將免洗大棗置于溫度為(35±1) ℃，相對濕度為55%±1%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱里培養(yǎng)180 d后進行破壞性實驗，測定殺菌率。同時，將未經保質處理的高水分大棗作為空白對照組，測定菌落總數(shù)[16]，設為初始值。

1.3.3單因素實驗設計

針對高水分大棗，選取噴涂ε-聚賴氨酸鹽酸鹽的質量比(0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 g/kg)、殺菌方式(75 ℃巴氏殺菌，121 ℃反壓滅菌，輻射距離30 cm、輻射功率20 W的紫外殺菌)、殺菌溫度(55、65、75、85、95 ℃)、殺菌時間(5、15、25、35、45 min)、包裝方式(充氮、普通、真空)，5個因素進行實驗，在相對濕度為55%±1%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱里培養(yǎng)180 d后進行破壞性實驗，測定殺菌率，確定優(yōu)化的實驗條件，殺菌率計算見式(1)。平行重復3次，結果取平均值。

(1)

式(1)中，A1為初始菌落總數(shù),CFU/g；A2為樣品菌落總數(shù),CFU/g。

1.3.4PBD、BBD試驗設計

在單因素實驗的基礎上，以殺菌率為響應值，對ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比、殺菌方式、殺菌溫度、殺菌時間、包裝方式5個因素各設兩個水平，進行二水平的PBD試驗設計，因素水平表見表1。根據(jù)PBD試驗結果，選取3個主要影響因素，根據(jù)BBD試驗設計原理，以殺菌率為響應值，進行三因素三水平的響應面試驗，因素水平編碼表見表2。

表1 PBD試驗因素水平

表2 BBD試驗因素水平

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及分析采用SPSS 22.0、Design Expert 8.0.6軟件進行，圖表繪制采用Excel 2016進行。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比對大棗殺菌率的影響

經測定，菌落總數(shù)初始值為15 000 CFU/g。參考無核紅棗標準[15]，大棗中菌落總數(shù)應不高于2 000 CFU/g。ε-聚賴氨酸鹽酸鹽于2003年被FDA批準為安全食品保鮮劑，是多肽生物型防腐劑，安全性高、抑菌譜廣、熱穩(wěn)定性好，對大部分霉菌、細菌、噬菌體有抑制作用，與乳酸鏈球菌素相比，對革蘭氏陰性菌抑制作用更顯著[17-18]。

隨著ε-聚賴氨酸鹽酸鹽含量的增加，靈武長棗的殺菌率呈先上升后下降的趨勢，見圖1。ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比為0.07 g/kg時，菌落總數(shù)為1 300 CFU/g，抑菌效應明顯，殺菌率最高，為91.33%；0.09 g/kg時，菌落總數(shù)為1 400 CFU/g，殺菌率為90.67%，有所下降，說明繼續(xù)增加ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比抑菌效果改變不明顯。因此，0.07 g/kg為較優(yōu)的ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比。

不同字母表示差異顯著(P圖1 不同質量比的ε-聚賴氨酸鹽酸鹽對大棗殺菌率的影響Fig.1 Effects of different concentrations of ε-polylysine hydrochloride on sterilizing rate of jujube

2.1.2殺菌方式對大棗殺菌率的影響

由于紫外線的穿透能力弱，對厚度為1 cm的水層滅菌效率為90%，2 cm時滅菌效果為73%，3 cm時滅菌效果為56%[19]。而實驗用大棗肉厚，紫外不易透過，抑菌效果不明顯，微生物易滋生。不同殺菌方式對大棗的殺菌率(見圖2)。由圖2可知，反壓滅菌的殺菌率最高為91.33%，巴氏殺菌次之為90.67%，而紫外殺菌的殺菌率最低為83.33%。巴氏殺菌和反壓滅菌的殺菌率均在90.00%以上，說明二者均能減少大棗中微生物的滋生，二者殺菌率差異不顯著，但反壓滅菌(121 ℃、35 min)耗電多，考慮到經濟節(jié)約，故優(yōu)先選擇巴氏殺菌。

不同字母表示差異顯著(P圖2 不同殺菌方式對大棗殺菌率的影響Fig.2 Effects of different sterilization methods on sterilizing rate of jujube

2.1.3巴氏殺菌溫度對大棗殺菌率的影響

殺菌率隨巴氏殺菌溫度的升高而上升[20-21]。55～75 ℃時，靈武長棗的殺菌率隨著巴氏殺菌溫度的升高而急劇上升，75～95 ℃時緩慢上升(見圖3)。75 ℃時殺菌率為90.67%，85 ℃為91.33%，95 ℃為92.67%，三者相差不大?？紤]到成本的節(jié)約，選擇75 ℃為優(yōu)化的巴氏殺菌溫度。

不同字母表示差異顯著(P圖3 不同巴氏殺菌溫度對大棗殺菌率的影響Fig.3 Effects of different pasteurization temperatures on sterilizing rate of jujube

2.1.4巴氏殺菌時間對大棗殺菌率的影響

靈武長棗的殺菌率隨著巴氏殺菌時間的延長而呈上升趨勢，殺菌效果趨好，見圖4。5～25 min，殺菌率隨著巴氏殺菌時間的延長而緩慢升高；35 min時殺菌率急劇升高，為90.67%，較25 min時升高了4.00%；45 min時為91.33%，未有顯著提高。因此，選擇35 min為較優(yōu)的巴氏殺菌時間。

不同字母表示差異顯著(P圖4 不同巴氏殺菌時間對大棗殺菌率的影響Fig.4 Effects of different pasteurization time on sterilizing rate of jujube

2.1.5包裝方式對大棗殺菌率的影響

大棗含有的糖類物質暴露在空氣中時，微生物會在大棗表面繁殖，降低口感，甚至影響大棗的質量安全。充氮包裝及真空包裝，可以阻隔空氣，能較有效地防止霉菌等需氧微生物的繁殖[22-23]。充氮包裝的殺菌率最高，為92.67%；而真空包裝次之，為90.00%；普通包裝最低，為83.33%(見圖5)，說明充氮包裝能減少大棗中微生物的生長。故優(yōu)先選用充氮包裝方式。

不同字母表示差異顯著(P圖5 不同包裝方式對大棗殺菌率的影響Fig.5 Effects of different packing methods on sterilizing rate of jujube

2.2 PBD、BBD試驗結果分析

2.2.1PBD試驗結果分析

表3 PBD試驗設計及結果

巴氏殺菌溫度、ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比對殺菌率的影響高度顯著，巴氏殺菌時間對殺菌率的影響顯著；殺菌方式、包裝方式對殺菌率的影響不顯著。因此，選擇對殺菌率影響顯著的3個因素，固定殺菌方式為巴氏殺菌、包裝方式為充氮包裝，進行BBD試驗。經Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析，預測A為0.08 g/kg、B為70 ℃、C為40 min。

表4 PBD試驗方差分析

-，差異不顯著；*,P<0.05，差異顯著；**,P<0.01，差異高度顯著；***,P<0.001，差異極顯著。

2.2.2BBD試驗結果分析

由表6可知，一次項對殺菌率的影響程度由大到小依次為巴氏殺菌溫度(極顯著)、巴氏殺菌時間(高度顯著)、ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比(顯著)。且ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比與巴氏殺菌溫度、巴氏殺菌溫度與巴氏殺菌時間存在高度顯著的交互作用。經修正不顯著項后，二次多項回歸方程為Y=92.42+0.63A+3.20B+0.84C-1.36AB-1.32BC-6.01A2+2.29B2-7.78C2。

表5 BBD試驗設計及結果

圖6 ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比及巴氏殺菌溫度交互作用對殺菌率的影響Fig.6 Effect of interaction between ε-polylysine hydrochloride and pasteurization temperature on sterilizing rate

2.2.3響應面交互作用分析

通過Design-Expert 8.0.6分析，得到ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比、巴氏殺菌溫度、巴氏殺菌時間3個因素之間交互作用的響應面圖和等高線圖，見圖6、圖7。

由圖6可知，巴氏殺菌時間40 min時，ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比和巴氏殺菌溫度對殺菌率影響的等高線為橢圓形，較密集，說明ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比與巴氏殺菌溫度交互作用高度顯著。固定ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比，隨著巴氏殺菌溫度的升高，響應值逐漸增大，但曲面弧度增加較緩。固定巴氏殺菌溫度，隨著ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比的改變，響應值先急劇增大而后緩慢減小，ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比為0.08 g/kg時，殺菌率最高。

表6 BBD試驗方差分析

-,差異不顯著；*,P<0.05，差異顯著；**,P<0.01，差異高度顯著；***,P<0.001，差異極顯著。

圖7 巴氏殺菌溫度及巴氏殺菌時間交互作用對殺菌率的影響Fig.7 Effect of interaction between pasteurization temperature and pasteurization time on sterilizing rate

由圖7可知，ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比為0.08 g/kg時，巴氏殺菌溫度及巴氏殺菌時間對殺菌率影響的等高線為橢圓形，較密集，說明巴氏殺菌溫度與巴氏殺菌時間交互作用高度顯著。固定巴氏殺菌溫度，隨著巴氏殺菌時間的延長，響應值先增大后減小，40 min時，殺菌率最高。固定巴氏殺菌時間，隨著巴氏殺菌溫度的升高，響應值逐漸增大，75 ℃時，殺菌率最高。

2.2.4保質條件的優(yōu)化及驗證實驗

通過Design-Expert 8.0.6對模型優(yōu)化分析，得到優(yōu)化工藝條件為ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比0.08 g/kg、巴氏殺菌溫度75 ℃、巴氏殺菌時間39.85 min(考慮到實驗條件的可操作性，調整為40 min)，殺菌率預測值為97.94%。在優(yōu)化條件下，固定殺菌方式為巴氏殺菌、包裝方式為充氮包裝，進行3次重復驗證實驗，得到殺菌率為98.00%，與BBD試驗預測結果基本一致，說明BBD優(yōu)化條件具有可靠性，該模型具有實用價值。

3 結 論

本文在單因素實驗的基礎上，對ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比、殺菌方式、巴氏殺菌溫度、巴氏殺菌時間、包裝方式5個影響因素，進行二水平的PBD試驗設計。在PBD試驗基礎上，以殺菌率為響應值，選取ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比、巴氏殺菌溫度和巴氏殺菌時間為影響殺菌率的3個主要因素，進行三因素三水平的BBD響應面試驗，通過優(yōu)化驗證試驗，得出優(yōu)化工藝條件為ε-聚賴氨酸鹽酸鹽質量比0.08 g/kg，采用75 ℃、40 min的巴氏殺菌方式及充氮包裝，此時殺菌率為98.00%，與預測值基本一致，說明該模型具有可靠性。產品在貯藏180 d后，其最終水分含量為26.40%，菌落總數(shù)為1 300 CFU/g，仍達到高水分含量(25%～35%)、免洗標準(菌落總數(shù)低于2 000 CFU/g)。研究結果以期為產業(yè)化發(fā)展提供理論依據(jù)。