毛雪杰，吳勁鋒，李曉偉，常兵兵，胡為江

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，蘭州市，730070；2.甘肅正生酵母科技有限公司，甘肅白銀，730900)

0 引言

西瓜(學名：Citrullus lanatus(Thunb.)Matsum.et Nakai)一年生蔓生藤本，屬于葫蘆科植物，西瓜成熟季節(jié)性強、不易貯藏，目前每年都有大量的西瓜未能得到有效利用。每年約有60%左右的西瓜用在鮮食上，若將40%的尾瓜加工成西瓜汁，不僅能實現(xiàn)西瓜的綜合利用，減少瓜農(nóng)經(jīng)濟損失，也能促進西瓜的產(chǎn)業(yè)化加工進程。在西瓜汁生產(chǎn)線各加工工藝中，殺菌工藝則是極其重要的一個環(huán)節(jié)。

目前對于生產(chǎn)線上殺菌工藝已有一些研究，主要運用到的技術有超高壓、高壓二氧化碳、強脈沖磁場等，如劉野等[1]利用超高壓對鮮榨西瓜汁殺菌效果的研究，結果表明600 Mpa，60 min超高壓處理后的西瓜汁中的微生物指標符合《果、蔬汁飲料衛(wèi)生標準的要求》；高夢祥等[2]利用脈沖磁場對西瓜汁進行殺菌試驗，研究表明磁場強度7.59 T，脈沖數(shù)15，西瓜汁溫度20 ℃最佳參數(shù)下，西瓜汁的菌落總數(shù)和大腸桿菌數(shù)可達到商業(yè)無菌要求；但由于超高壓處理所需壓力大，對設備要求比較高，脈沖磁場殺菌機理尚沒有得到充分研究，相關研究仍停留在實驗室階段[3]。微波殺菌作為一種新型殺菌技術，然而未見其對西瓜汁進行處理的相關報道。

微波技術，是一種新型殺菌技術，利用波長在0.1～1 000 mm、頻率在300～300 000 MHz的電磁波使細菌膜斷層的電位分布影響細胞膜周圍的電子和離子濃度，從而改變細胞膜的通透性能，細菌因此營養(yǎng)不良，不能正常新陳代謝，生長發(fā)育受阻礙死亡[4-6]；從頻率角度來說，微生物各種組織都有固有頻率，當微波頻率與某組織的固有頻率相同時，該組織就產(chǎn)生諧振，從而吸收能量，當該組織吸收的能量超過某一閾值時，就會引起生物效應而致死。

微波殺菌正是利用電磁場效應和生物效應起到對微波生物的殺滅作用，這使其更具有在液體食品殺菌上的優(yōu)勢。微波殺菌技術目前在果蔬汁的應用研究較多。其中曾小峰等[7]研究熱處理殺菌和微波殺菌方式對血橙汁品質(zhì)的影響，結果表明微波殺菌方式相對于熱處理殺菌能更好的保留營養(yǎng)成分，更利于血橙汁的品質(zhì)保證。李根等[8]研究微波和巴氏殺菌對NFC蘋果汁品質(zhì)的影響，結果表明微波殺菌相對于巴氏殺菌更好地保持了果汁原有的顏色、營養(yǎng)成分，也更好地起到滅酶的效果。

然而未見微波殺菌技術對葫蘆科等熱敏性農(nóng)作物進行處理的相關報道。由于微波技術可以較好地控制物料溫度，所以利用微波技術對西瓜汁進行殺菌研究是十分有意義的。

因此，本研究采用微波技術對西瓜汁進行殺菌試驗研究并通過理化特性的測量，分析其殺菌效果及理化指標、風味等的變化。

1 材料與方法

1.1 試驗設備、儀器及材料的制備

試驗主要設備和儀器有：HWI-3箱式微波真空干燥機，整機功率為6.6 kW，微波功率為3 kW，微波頻率為2 450±50 MHz；LX-B150L型立式自動電熱壓力蒸汽滅菌器；DHP-9162型電熱恒溫培養(yǎng)箱一臺；VD850型超凈工作臺；美的攪拌機(MJ-BL25B2)；?，敳势良t外線測溫儀(AR320+)。輔助性器材有電子天平、錐形瓶、量筒、玻璃試管15×150 mm；2 mL式膠頭滴管、移液槍、培養(yǎng)皿、50 mL聚四氟乙烯瓶等。

1.2 樣品與培養(yǎng)基的制備

試驗選取靖遠旱砂西瓜作為試驗材料，首先選用新鮮、完整成熟良好的西瓜，用純凈水清洗干凈取其瓜瓤，進行打漿，經(jīng)300目尼龍過濾袋過濾，取其瓜瓤和瓜籽混合過濾液作為試驗原液。根據(jù)食品安全國家標準GB 4789.2—2016《食品微生物學檢驗菌落總數(shù)測定》[9]制備培養(yǎng)基。

1.3 試驗因素與指標確定

1.3.1 微波功率對鮮榨西瓜汁微生物和品質(zhì)的影響

將鮮榨西瓜汁放入聚四氟乙烯瓶中密封，置于微波裝置腔體托盤內(nèi)，分別設置2 kW、3 kW、4 kW、5 kW 的微波功率參數(shù)，設定初始溫度和微波處理時間為30 ℃、180 s，待微波殺菌處理完成后，取出處理后的西瓜汁，待冷卻至常溫后，將做密封保存處理后的鮮榨西瓜汁與冷卻后的試驗樣品一并放入4 ℃實驗室冰箱內(nèi)待測[6, 10]。

1.3.2 微波處理時間對鮮榨西瓜汁微生物和品質(zhì)的影響

將鮮榨西瓜汁放入聚四氟乙烯瓶子中密封，置于微波裝置腔體托盤內(nèi)，分別設置微波處理時間60 s、120 s、180 s、240 s、300 s，并設定微波功率和溫度為3 kW、30 ℃，待微波殺菌處理完成后，取出處理后的西瓜汁，待冷卻至常溫后，將做密封保存處理后的鮮榨西瓜汁與冷卻后的試驗樣品一并放入4 ℃實驗室冰箱內(nèi)待測[6]。

1.3.3 樣品初始溫度對鮮榨西瓜汁微生物和品質(zhì)的影響

將鮮榨西瓜汁，分別進行10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃樣品初始溫度處理，放入聚四氟乙烯瓶子中密封，置于微波裝置腔體托盤內(nèi)，分別設置微波功率參數(shù)為3 kW，微波處理時間為180 s，待微波殺菌處理完成后，取出處理后的西瓜汁，待冷卻至常溫后，將做密封保存處理的鮮榨西瓜汁與冷卻后的試驗樣品一并放入4 ℃實驗室冰箱內(nèi)待測。

1.3.4 響應面試驗及驗證方案

根據(jù)單因素試驗結果分析，利用Box-Benhnken中心組合試驗設計，進行三因素三水平響應面試驗設計[11]。利用Design Expert軟件分析獲得工藝優(yōu)化參數(shù)，以最優(yōu)工藝參數(shù)為試驗條件，進行驗證試驗，試驗編碼表如表1所示。

表1 響應面設計因素水平編碼表

1.3.5 理化指標測定方案

以可滴定酸、總糖、可溶性固形物含量、Vc含量、pH值為指標，比較試驗樣品處理前后對理化性質(zhì)的影響。按果汁行業(yè)標準SB/T 10203—1994進行測定[12]，pH值采用便攜式pH計直接測定，總糖以及可滴定酸均采用直接滴定法，可溶性固形物的含量常溫下采用手持式折光儀測定，Vc采用2,6-二氯靛酚法測定。

1.3.6 感官評定分析方案

建立感官描述語及其定義、參考樣，如表2所示，設置2～3個以上的參考點[13]。取對照組鮮榨西瓜汁、經(jīng)過微波處理和水浴處理后的西瓜汁，分別進行樣品標注1～3，由品評小組(20人)按照評定標準在西瓜汁感官評價表上，如表3所示，進行打分，各指標均采用15分制，取20位評價員的平均值作為最終打分結果[14]。

表2 西瓜汁感官評定參考

表3 西瓜汁感官評價表

2 試驗結果分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 不同微波功率對鮮榨西瓜汁殺菌效果的影響

調(diào)整微波殺菌裝置的功率，對初始溫度為30 ℃的試驗原液分別進行180 s，不同功率的殺菌試驗。經(jīng)過菌落總數(shù)的培養(yǎng)，觀察計算試驗原液和試驗樣品的菌落總數(shù)的變化，結果如圖1所示。由圖1可知，在初始溫度為30 ℃和微波處理時間為180 s的固定殺菌條件下，隨著微波功率的不斷升高，鮮榨西瓜汁中的菌落總數(shù)對數(shù)值顯著減少。為了更好地描述殺菌效果，將對不同微波功率下的殺菌率(試驗所得菌落數(shù)和對照組菌落數(shù)之差與對照組菌落數(shù)比值)進行分析比較[15]。當微波功率為2 kW時，殺菌率為18.5%，當微波功率為3 kW時，殺菌率達到62.4 %，故在3 kW的微波功率時殺菌效果要遠好于微波功率為2 kW時；當微波功率為5 kW時，殺菌率到達95.5%，殺菌效果最好，且菌落總數(shù)對數(shù)值0.29<2(細菌總數(shù)<100 CFU/mL)，符合國家強制性標準GB 1929 7—2003《果、蔬汁飲料衛(wèi)生標準》[16]規(guī)定。由此可知，微波功率的升高有利于殺滅微生物。

圖1 微波功率對鮮榨西瓜汁菌落總數(shù)的影響

2.1.2 不同微波處理時間對鮮榨西瓜汁殺菌效果的影響

調(diào)整微波處理時間，對初始溫度為30 ℃的試驗原液在微波功率為3 kW的固定條件下，分別進行殺菌試驗。經(jīng)過菌落總數(shù)的培養(yǎng)，觀察計算試驗原液和試驗樣品的菌落總數(shù)的變化，結果如圖2所示。由圖2可知，在樣品初始溫度為30 ℃和微波功率為3 kW的固定條件下，隨著微波處理時間的不斷增加，鮮榨西瓜汁中的菌落總數(shù)對數(shù)值明顯處于下降趨勢。微波處理時間為60 s時，其殺菌率為36.1%，與對照組相比下降幅度比較大；在微波處理時間120 s和180 s時，其菌落總數(shù)對數(shù)值下降趨勢不明顯，說明微波處理時間為120 s和180 s時，滅菌效果相差不大；微波處理時間為240 s時，殺菌率達到82.8%，其菌落總數(shù)對數(shù)值為1.1，已符合國家強制性標準GB 19297—2003《果、蔬汁飲料衛(wèi)生標準》[16]規(guī)定；值得注意的是微波處理時間為300 s時，未檢測到菌落總數(shù)，說明微波處理對鮮榨西瓜汁有很好的殺菌效果。

圖2 微波處理時間對鮮榨西瓜汁菌落總數(shù)的影響

微波的非熱生物效應及其生物學機理：微波場會使細胞膜附近的電荷和膜電位發(fā)生變化，細菌細胞膜離子通道和膜通透性發(fā)生異常改變，導致膜功能障礙，細胞的正常代謝功能和生理活動受到干擾破壞，微生物細胞的生長受到抑制和死亡。對于微波功率升高更有利于殺滅微生物這一結論的原因可能是隨著微波功率的增大，電場強度逐漸增強，加速了細胞膜附近的電荷和膜電位的運動速率，從而增強了殺滅微生物的效果。

2.1.3 不同樣品初始溫度對鮮榨西瓜汁殺菌效果的影響

調(diào)整樣品初始溫度，對試驗原液在微波功率為3 kW，微波處理時間為180 s的固定條件下，分別進行殺菌試驗。經(jīng)過菌落總數(shù)的培養(yǎng)，觀察計算試驗原液和試驗樣品的菌落總數(shù)的變化，結果如圖3所示。

圖3 樣品初始溫度對鮮榨西瓜汁菌落總數(shù)的影響

由圖3可知，在微波處理時間為180 s和微波功率為3 kW 的固定的條件下，樣品不同的初始溫度，其殺菌效果也隨之變化。樣品初始溫度為10 ℃、20 ℃、30 ℃ 時，其殺菌率分別為29.5%、42%、65.5%，與對照組菌落總數(shù)相比，殺菌率呈明顯下降趨勢；當初始溫度為40 ℃和50 ℃時，其殺菌效果明顯趨于平緩，在樣品初始溫度為50 ℃時，其菌落總數(shù)對數(shù)值為1.5，雖已符合國家強制性標準GB 19297—2003《果、蔬汁飲料衛(wèi)生標準》[16]的規(guī)定，但菌落總數(shù)對數(shù)值偏高，造成上述結果的原因可能是經(jīng)過微波處理時間180 s之后，當溫度達到一定高度時，此時的殺菌效果已經(jīng)達到峰值，隨著樣品初始溫度的升高，對其殺菌效果已影響較小。

2.2 響應面分析結果

2.2.1 響應面分析試驗設計及結果

根據(jù)前期單因素試驗的研究結果，以微波功率、微波處理時間、樣品初始溫度為試驗因素，以細菌總數(shù)對數(shù)值為試驗指標進行響應面設計試驗，用X1表示微波處理時間、X2表示微波功率、X3表示樣品初始溫度、Y表示細菌總數(shù)對數(shù)值，應用Design-Expert 8.0.6軟件進行Box-Behnken中心組合試驗設計并確定西瓜微波殺菌工藝的最佳參數(shù)組合，每組試驗重復3次，試驗設計方案如表4所示。

表4 響應面分析試驗設計

通過對表4中試驗數(shù)據(jù)的二次多項回歸擬合，獲得細菌總數(shù)對數(shù)值的回歸方程

Y=0.9-0.70X1-0.84X2-0.52X3+

0.08X1X2+0.28X1X3+0.30X2X3-

0.059X12+0.50X22+0.30X32

2.2.2 回歸模型建立與顯著性分析

回歸模型及各因素的顯著性分析結果如表5所示，模型的F值為17.69，表明該模型具有顯著性，模型P值=0.000 5<0.01，表明該模型是非常顯著的。其中Radj2=0.903 7，其含義是該回歸模型反應響應值變化的程度為90.37%，表明其擬合度良好，殺菌試驗準確性良好，建立的回歸模型較準確地描述了響應值與各個試驗因素之間的關系。

表5 回歸模型及各因素的顯著性分析

由表5可知，回歸模型的一次項系數(shù)X1的P值<0.000 1，說明達到了極顯著水平，X1、X2、X3、X22的P值均小于0.05，說明均是模型顯著項，因此在試驗因素水平的可取范圍內(nèi)，各因素對細菌總數(shù)對數(shù)值的影響大小依次為：微波處理時間>微波功率>樣品初始溫度。

2.2.3 試驗結果驗證

采用Design Expert軟件進行優(yōu)化分析，根據(jù)響應面設計已建立的數(shù)學模型在試驗范圍內(nèi)優(yōu)化得到的最優(yōu)條件為：微波處理時間為180 s、微波功率為3 kW、樣品初始溫度為30 ℃，此時對應西瓜汁中的菌群總數(shù)對數(shù)值為1.98，較對照組(6.38)降低了4.4個對數(shù)值，達到了國家強制性標準GB 19297—2003《果、蔬汁飲料衛(wèi)生標準》[16]的規(guī)定值。

為驗證試驗結果，以上計算所得的最優(yōu)工藝參數(shù)為處理條件，進行3次平行驗證試驗。并將微波殺菌和水浴殺菌對西瓜汁理化特性和風味的影響進行對比，如表6所示，菌落總數(shù)大致相同的情況下，其理化性質(zhì)還是有一定的差距。

表6 微波處理對西瓜汁理化性質(zhì)的影響

其中總糖和可滴定酸與對照組相比相差不大，說明這兩種殺菌方式對西瓜汁的總糖和可滴定酸含量影響甚微；兩種殺菌方式對可溶性固形物含量的影響存在顯著性差異；兩種殺菌處理對pH值和Vc含量的影響比較明顯，果汁中Vc含量降低一般是因為受到熱環(huán)境的影響。對比來看，微波處理對西瓜汁的理化特性影響相對較小，與鮮榨西瓜汁的營養(yǎng)成分更接近。

2.3 感官評定

對西瓜汁的感官評價分別從色澤、香氣、滋味、外觀、口感等5個方面進行了評定，結果如圖4所示。

圖4 微波處理西瓜汁汁定量描述分析法感官評價結果

從色澤方面來說，微波處理比水浴處理較好地保留了西瓜汁原有的色澤，水浴處理明顯加深了鮮榨西瓜汁的顏色；從香氣方面來說，鮮榨西瓜汁氣味主要是由于壬醛、反-2-壬烯醛、香葉基丙酮等成分的存在，使瓜汁散發(fā)青草、黃瓜以及甜味，水浴處理后的西瓜汁沒有了清香味，取而代之的是脂味和刺鼻味，而微波處理后的瓜汁雖不及鮮榨西瓜汁，但也較好地保留了原有的香氣；從滋味方面來說，鮮榨西瓜汁以甜為主味調(diào)，經(jīng)過微波處理后的西瓜汁有明顯的酸味，水浴處理后的西瓜汁出現(xiàn)了不明異味，兩者相比較，微波處理比水浴處理更接近于鮮榨西瓜汁的味道。從外觀上來講，鮮榨西瓜汁色澤光亮，光照通透度好，水浴處理后的瓜汁顏色明顯加深、沉淀增多、較渾濁，微波處理與水浴處理后的瓜汁從顏色、沉淀物等方面來比較，微波處理后的瓜汁更好。從口感方面來講，黏稠度相差不大，微波處理后的瓜汁余香、余味略有下降，水浴處理的瓜汁下降幅度稍大。

綜合以上描述：水浴處理后的西瓜汁加深了瓜汁顏色，增加了某種成分使其散發(fā)出了刺鼻味，破壞了原有的滋味，沉淀物也明顯增多。但微波處理后的西瓜汁保留了一定程度的香氣，滋味略帶酸但未出現(xiàn)異味，較好地保留了鮮榨西瓜汁的風味和口感，感官評價上綜合表現(xiàn)十分優(yōu)異。

3 結論

本文以旱砂西瓜汁為研究對象進行了不同微波功率、微波處理時間和樣品初始溫度3個因素下殺菌效果的試驗驗證和分析。其次通過相應曲面分析的方法研究了以上3個因素對西瓜汁理化指標和感官評定的影響程度。

1)通過從微波功率、微波處理時間、樣品初始溫度3個因素進行單因素試驗，結果表明在樣品初始溫度為30 ℃和微波處理時間為180 s的固定條件下，微波功率越大，殺菌效果越好；在樣品初始溫度為30 ℃和微波功率為3 kW的固定條件下，隨微波處理時間增長，菌落總數(shù)減少，在300 s時已檢測不到微生物；在微波功率為3 kW和微波處理時間為180 s的固定條件下，初始溫度對微生物影響從強趨向弱。

2)運用Design Except軟件，進行響應面設計試驗，對其回歸模型及各因素之間進行了顯著性分析，結果表明各因素對細菌總數(shù)的影響大小依次是：微波處理時間>微波功率>樣品初始溫度，得到的最優(yōu)試驗條件為：微波處理時間為180 s、微波功率為3 kW、樣品初始溫度為30 ℃。

3)通過感官評價分析，比較了相同的樣品在達到完全殺菌效果時，微波和水浴殺菌對西瓜汁理化特性和風味的影響。結果表明，無論對果汁的理化指標還是風味，微波處理均優(yōu)于傳統(tǒng)水浴殺菌處理。并對西瓜汁的感官評價分別從色澤、香氣、滋味、外觀、口感等5個方面進行了評定，結果表明：水浴處理后的西瓜汁加深了瓜汁顏色、增加了某種成分使其散發(fā)出了刺鼻味、破壞了原有的滋味，沉淀物也明顯增多。但微波處理后的西瓜汁保留了一定程度的香氣，滋味略帶酸但未出現(xiàn)異味，較好的保留了鮮榨西瓜汁的風味和口感，感官評價上綜合表現(xiàn)十分優(yōu)異。