郭 建， 陳芹芹， 畢金峰， 呂 瑩， 張 星， 楊忻瑞

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室 北京100193）

蔬菜粉是一種重要的蔬菜加工產(chǎn)品， 可代替新鮮蔬菜補充人體所需營養(yǎng)物質(zhì)， 是國際暢銷產(chǎn)品[1-2]。胡蘿卜粉是一種常見的蔬菜粉，廣泛地應用于饅頭、面條、餅干、面包等產(chǎn)品中，不僅改善了產(chǎn)品色調(diào)值，還提高了產(chǎn)品營養(yǎng)價值[2]。 將其添加在香腸、火腿[3-4]中，可使產(chǎn)品口感柔和細膩，結(jié)構(gòu)均勻蓬松，同時賦予食品誘人的色調(diào)值，在很大程度上減少了發(fā)色劑亞硝酸鹽的用量， 提高了食品的安全性和消費者的可接受度。

胡蘿卜粉屬于低水分活度食品[5]，由于水分含量低，干物質(zhì)含量高，因此便于儲存、運輸和加工。以往的研究表明低水分活度條件下微生物難以生長、繁殖[6]。然而，最近研究發(fā)現(xiàn)，同類型粉體食品，例如香料粉，往往含有較高的微生物數(shù)量[7]，這些微生物可能包括威脅人體健康的產(chǎn)毒致病菌[8]，它們可能廣泛來自植物生長、采摘、加工、儲運階段。而使用組織受損的胡蘿卜片容易受微生物污染，且干燥制粉后這些微生物仍保持較高的含量。

現(xiàn)有的低水分食品殺菌技術包括化學處理或物理處理。 化學處理法，例如環(huán)氧乙烷、臭氧殺菌法，雖然殺菌效果好，但是可能殘留化學物質(zhì)危害人體健康， 因此在多數(shù)國家和地區(qū)被禁止使用[9]。相比之下，物理殺菌法不產(chǎn)生化學殘留，是現(xiàn)代殺菌技術研究的重點領域之一[10]。 紅外線是一種波長介于760 nm～1 mm 的非電離輻射類電磁波，可將物體表面快速加熱， 之后通過熱傳導和熱輻射使物體迅速升溫[11-12]。 研究表明，紅外輻射在食品粉體中具有良好的干燥及殺菌效果[13]。 近年來，將紅外輻射用于殺菌的研究多有報道， 并取得了較好的效果。 畢延娣等[14-15]研究了胡蘿卜粉、冬棗粉在中短波紅外線處理下初始微生物的變化情況，指出中短波紅外線對這些粉體食品中的微生物有顯著的殺滅作用。然而，上述殺菌研究針對的初始微生物數(shù)量往往較低， 且沒有考慮胡蘿卜粉受污染的情況。另外，目前的紅外輻射技術多與其它技術聯(lián)合， 以最大程度地發(fā)揮紅外輻射快速加熱的優(yōu)點。張鑫等[1]將脫水菠菜紅外輻射180 s 后于70℃保溫45 min 的殺菌效果相當于高溫蒸汽處理180 s 并70 ℃熱風干燥處理30 min 的效果。 Fu等[16]研究表明紅外輻射和熱空氣聯(lián)合可以顯著降低葡萄籽中需氧菌和霉菌孢子的含量。 Venkitasamy 等[17-18]將紅外輻射、熱空氣保溫與回火技術相結(jié)合用于杏仁和開心果處理， 接種及天然存在的微生物含量均顯著降低。 研究表明冷激處理單獨作用雖不影響微生物存活數(shù)量，但與其它處理，例如射頻[19]、脈沖電場[20]聯(lián)用后可顯著降低微生物存活數(shù)量。趙偉等[9]研究表明射頻后的冷激可以將微生物從3.0 lg （CFU/g）降至1.0 lg （CFU/g）。然而，紅外輻射與回火、冷激技術聯(lián)合用于胡蘿卜粉殺菌的研究還未見報道。

本文以高帶菌量胡蘿卜粉為研究對象， 首先探究了紅外輻射對胡蘿卜粉的殺菌工藝， 然后探討紅外輻射-回火、 紅外輻射-冷激對胡蘿卜粉微生物含量及其對水分活度、色調(diào)值、類胡蘿卜素含量等品質(zhì)的影響， 以期為果蔬粉體殺菌技術提供試驗數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

胡蘿卜（紅森）購于北京當?shù)爻?，置于?.0± 0.5）℃的冷庫中保存。蛋白胨、平板計數(shù)瓊脂、葡萄糖、馬鈴薯瓊脂，北京陸橋技術有限責任公司；乙醇、丙酮、BHT、NaCl，國藥集團化學試劑有限公司；一次性使用塑料培養(yǎng)皿，浙江柏美特醫(yī)用塑料有限公司。

1.2 設備與儀器

紅外輻射設備（1 350W），圣泰科紅外科技有限公司；CPA-125 電子天平， 德國Sartorius 公司；紫外-可見光分光光度計，日本島津公司；恒溫培養(yǎng)搖床， 上海?，攲嶒炘O備有限公司；SW-CJ-1F超凈工作臺，蘇州安泰空氣技術有限公司；LDZX-50KBS 不銹鋼立式壓力蒸汽滅菌鍋， 上海申安醫(yī)療器械廠；FW-100 高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；BagMixer400S 拍打式均質(zhì)機，法國Interscience 公司；Aqualab Pre 水分活度儀，美國Decagon 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 胡蘿卜粉制備 將胡蘿卜用清水洗滌3 遍直至洗滌用水澄清透明。 然后用切片機將其切片（3 mm），在室溫下放置12 h，用熱泵60 ℃干燥6 h。 干胡蘿卜片用萬能粉碎機粉碎（20 000 r/min），粉碎3 次，每次5 s，間隔1 min，胡蘿卜粉過60 目篩，密封后于4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 紅外輻射處理 將10 g 胡蘿卜粉平鋪在15 cm×10 cm 的鋁制正方體容器底部，當紅外輻射設備溫度升至100，110，120 ℃時將胡蘿卜粉迅速放入設備托盤上， 在各溫度下分別放置2.5，5，10 min。 紅外輻射管與樣品距離為80 mm。

1.3.3 紅外輻射-回火聯(lián)合處理 紅外輻射-回火處理過程， 是指在一個完整的紅外輻射處理過程中加入了一個較長時間的保溫過程，在此過程中，首先胡蘿卜粉進行紅外輻射加熱 （100 ℃，5 min；110 ℃，2.5 min）， 之后迅速用鋁蓋將容器密封，放入70 ℃（參考Venkitasamy 等[17]的研究，70 ℃作為一個溫和而有效的殺菌溫度被選用于胡蘿卜粉回火處理溫度）熱風烘箱內(nèi)維持1～4 h，之后取下鋁蓋將胡蘿卜粉放入紅外輻照箱內(nèi)進行第2 階段紅外輻射處理（100 ℃，5 min；110 ℃、2.5 min）并最終取出冷卻至室溫。 對胡蘿卜粉進行微生物數(shù)量測定和品質(zhì)分析。 紅外100 ℃下兩階段處理標記為IR’1，110 ℃下兩階段處理標記為IR’2。

1.3.4 紅外輻射-冷激聯(lián)合處理 將經(jīng)過100 ℃，10 min 處理（IR1）的胡蘿卜粉和110 ℃，5 min 處理（IR2）的胡蘿卜粉包裝于聚乙烯密封袋中，放置于-20 ℃下冷激分別處理1，2，3，7 d。 對胡蘿卜粉進行微生物指標及品質(zhì)指標分析。

1.4 胡蘿卜粉微生物指標及品質(zhì)指標測定

1.4.1 胡蘿卜粉中微生物數(shù)量測定 經(jīng)處理的胡蘿卜粉及對照胡蘿卜粉 （3 g） 迅速放入含有27 mL 0.1%蛋白胨溶液的均質(zhì)袋中， 用BagMixer400S 拍打式均質(zhì)機以8 次/s 速度均質(zhì)4 min，之后用0.1%蛋白胨溶液進行梯度稀釋，取合適稀釋倍數(shù)的菌懸液（1 mL）于相應的培養(yǎng)基中進行總菌落數(shù)計數(shù)（平板計數(shù)瓊脂培養(yǎng)基）和霉菌、酵母數(shù)計數(shù)（葡萄糖馬鈴薯瓊脂培養(yǎng)基），具體的操作方法和計數(shù)規(guī)則參照GB 4789.2-2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數(shù)測定》[21]及GB 4789.15-2016 《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 霉菌和酵母計數(shù)》[22]中的方法。

1.4.2 水分活度的測定 胡蘿卜粉的水分活度用Aqualab Pre 水分活度儀進行測定。

1.4.3 顏色測定 用佳能D700 單反相機對胡蘿卜粉進行攝影記錄，圖片通過USB 接口傳輸至電腦，用LensEye-NET 軟件對圖像進行分析，以獲得胡蘿卜粉的L*（明暗值）、a*（紅綠值）、b*（黃藍值）。 總色差值ΔE 被應用于衡量由熱處理導致的顏色變化。以未經(jīng)處理的胡蘿卜粉為對照，通過式（1）計算ΔE 值。

式中，L*——處理后胡蘿卜粉的明暗值；a*——處理后胡蘿卜粉的紅綠值；b*——處理后胡蘿卜粉的黃藍值；L0*——未處理胡蘿卜粉的明暗值，a0*——未處理胡蘿卜粉的紅綠值；b0*——未處理胡蘿卜粉的黃藍值；ΔE——處理前、 后的總色差值。

1.4.4 總類胡蘿卜素含量測定 采用有機溶劑法提取脂溶性類胡蘿卜素，并在波長450 nm 處測定吸光度。 本文參照了Knockaert 等[23]的方法并略有修改。 取0.5 g 胡蘿卜粉加50 mL 提取液（含體積分數(shù)為50%正己烷，25%丙酮，25%乙醇， 質(zhì)量分數(shù)為0.1% BHT 和0.5 g NaCl）， 在磁力攪拌器上攪拌20 min 之后向上述溶液中加入15 mL 蒸餾水，攪拌10 min，將混合物放入分液漏斗，收集有機相并用正己烷定容。在波長450 nm 處測定吸光度，用正己烷加0.1% BHT 做空白。整個操作在避光條件下進行。 其含量按式（2）計算：

式中，A450nm——波長450 nm 處的吸光值；V——提取液總體積，mL；M——樣品質(zhì)量，g（值為2 560）——β-胡蘿卜素在正己烷中的消光系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗重復至少3 次，用GraphPad Prism 軟件（Version 8.0，美國）進行方差分析和圖形繪制，當P＜0.05 表明差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外輻射對胡蘿卜粉微生物的影響

未處理及經(jīng)紅外處理的胡蘿卜粉中細菌和霉菌、酵母的存活狀況如表1 所示。結(jié)果表明胡蘿卜粉初始細菌總數(shù)為8.94 lg（CFU/g），霉菌和酵母菌數(shù)為7.75 lg（CFU/g），這說明組織結(jié)構(gòu)遭到破壞的胡蘿卜片很容易滋生細菌和真菌， 并說明在進行非生物脅迫功能性胡蘿卜粉制備時， 胡蘿卜在短期貯存時需要注意微生物數(shù)量的控制[24-25]。當紅外處理時間為2.5 min 時，120 ℃的細菌殺菌效果要顯著高于100 ℃和110 ℃， 表明紅外處理過程中溫度是影響細菌殺菌效果的重要指標； 當溫度一定時（100，110，120 ℃），隨著紅外處理時間的延長，細菌的數(shù)目顯著減少。這是由于在紅外輻射作用下， 樣品在經(jīng)歷短時升溫過程后溫度得以維持在較高水平從而對微生物存在失活作用。 張鑫等[1]的試驗結(jié)果表明，當目標溫度為115 ℃、處理50 s 時，細菌總數(shù)降低了0.42 lg（CFU/g）。 Fu 等[16]的試驗結(jié)果表明，當目標溫度約為120 ℃（未詳細標明）、處理108 s 時，葡萄籽中的總需氧菌和霉菌酵母菌分別降低了1.97 lg （CFU/g） 和0.62 lg（CFU/g）。 與上述研究結(jié)果相比，本試驗相似條件下微生物的失活效率較低【目標溫度120 ℃，處理2.5 min 時，細菌、霉菌和酵母分別降低0.61，0.84lg（CFU/g）】，產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是由于胡蘿卜粉的水分活度較低所致。 已有研究表明當水分活度較低時， 紅外輻射對于微生物的殺滅作用較弱[26-27]。 另外，胡蘿卜粉中的微生物菌群結(jié)構(gòu)不明確，可能存在著大量如蠟樣芽孢桿菌[27]和片球菌[11]等耐熱微生物從而限制了紅外輻射的作用效果。值得注意的是， 當紅外輻射120 ℃、 處理10 min時， 細菌、 霉菌和酵母的數(shù)量均低于檢測限（10 CFU/g），在此條件下胡蘿卜粉已經(jīng)嚴重褐變，褐變反應產(chǎn)物能引起細胞毒性和DNA 損傷[28]。

表1 不同紅外輻射溫度和時間下胡蘿卜粉中微生物存活量Table 1 Microbial populations in carrot powders under different temperature and time of infrared radiation

2.2 紅外輻射對胡蘿卜粉品質(zhì)的影響

2.2.1 水分活度的變化 由圖1 可以看出， 胡蘿卜粉的初始水分活度約為0.24， 此條件下微生物難以繁殖，然而微生物對熱處理的抗性增加[29]。 紅外輻射過程中，胡蘿卜粉水分活度顯著降低（P＜0.05）。 在100，110，120 ℃下紅外輻射處理10 min后，胡蘿卜粉水分活度分別降至0.123，0.129，0.101。 水分活度是食品的重要參數(shù)，低水分活度抑制了食品品質(zhì)劣變，賦予食品較長的貨架期，同時也削弱了熱處理對食品中微生物的滅活效果。

圖1 紅外輻射對于胡蘿卜粉水分活度的影響Fig.1 Effects of infrared radiation on water activity of carrot powders

2.2.2 色調(diào)值變化 圖2 展示了胡蘿卜粉色調(diào)值參數(shù)L*，a*，b*，ΔE 值在各紅外處理條件下的變化情況。數(shù)據(jù)表明，紅外輻射處理顯著影響了胡蘿卜粉的色調(diào)值（P＜0.05）。當處理時間為2.5 min，相應處理溫度為100，110，120 ℃時，ΔE 值分別為4.19，5.22，6.19； 而當處理時間延長至10 min，相應處理溫度為100，110，120 ℃時，ΔE 值分別為9.11，8.65，33.12。胡蘿卜粉的L*、 a*、 b*值在處理溫度為100，110，120 ℃時無明顯變化規(guī)律，而120 ℃時這些參數(shù)顯著降低，表明此時蘿卜粉亮度降低，紅色減弱，黃色減弱。

圖2 紅外輻射對于胡蘿卜粉色調(diào)值的影響Fig.2 Effects of infrared radiation on color parameters of carrot powders

2.2.3 總類胡蘿卜素含量變化 如圖3 所示，胡蘿卜粉中總類胡蘿卜素含量在處理前為308.8 μg/g， 胡蘿卜粉中類胡蘿卜素的含量隨著紅外輻射處理時間的延長和溫度的升高而下降。 當120℃處理10 min 時， 總類胡蘿卜素的含量降低至177.1 μg/g， 而當100 ℃處理10 min、110 ℃處理5 min 時，類胡蘿卜素含量可分別保持在227.8 μg/g和237.7 μg/g。 類胡蘿卜素具有多個共軛雙鍵，易受到溫度、光照、氧氣的影響，在加工過程中熱燙以及某些熱殺菌措施更會加劇其含量的降低[30]。類胡蘿卜素是胡蘿卜中的重要呈色物質(zhì)， 它的含量是影響胡蘿卜粉色調(diào)值的重要因素之一。

圖3 紅外輻射處理對胡蘿卜粉類胡蘿卜素含量的影響Fig.3 Effects of infrared radiation on the carotenoid content of carrot powders

2.3 紅外輻射-回火、 冷激聯(lián)合殺菌技術對胡蘿卜粉中微生物數(shù)量及品質(zhì)的影響

2.3.1 紅外輻射-回火、冷激聯(lián)合殺菌技術對胡蘿卜粉中微生物數(shù)量的影響 紅外輻射-回火處理對胡蘿卜粉中微生物數(shù)目的具體影響如圖4 所示。 紅外輻射-回火處理過程中（回火時間分別為1，2，3，4 h），胡蘿卜粉中細菌總數(shù)沒有顯著減少，最終處于5.4～5.8 lg（CFU/g）范圍；然而霉菌、酵母數(shù)（IR'1 處理）顯著減少（P＜0.05），最終處于4.5～5.0 lg（CFU/g）范圍。 胡蘿卜粉中微生物數(shù)目沒有隨著保溫時間的增加而大幅減少， 這一現(xiàn)象可能是因為回火處理時的溫度對于胡蘿卜粉中的微生物來說較低，不足以使其失活[11]。Venkitasamy 等[17]報道了僅經(jīng)過紅外處理時開心果果殼上的屎腸球菌數(shù)量降低103CFU/g 而紅外處理加2 h 回火處理使開心果果殼上的屎腸球菌數(shù)降低了106CFU/g[18]。Wang 等[26]用紅外加熱和熱風保溫回火處理對接種于糙米的黃曲霉孢子進行殺滅， 結(jié)果表明紅外60 ℃， 回火處理2 h 可以造成黃曲霉孢子降低2.5～8.3 lg（CFU/g）。 相比于前人研究，本研究中保溫處理對于胡蘿卜粉中微生物殺滅作用較差。 一方面可能是由于微生物種類的差異性所致， 不同微生物的熱抗性存在差異； 另一方面可能是含水量的差異性造成的， 含水量高的環(huán)境中微生物往往更容易失活而含水量低的環(huán)境中微生物的熱抗性更強[31]。

圖4 紅外回火處理對于胡蘿卜粉中細菌（a）及霉菌、酵母（b）的影響Fig.4 Effects of infrared radiation and tempering combination treatment on populations of bacterial （a），yeast and mold （b） in carrot powders

紅外輻射-冷激處理對于胡蘿卜粉的殺菌效果如圖5 所示，紅外-冷激處理顯著降低了胡蘿卜粉中的細菌總數(shù)、霉菌和酵母數(shù)（P＜0.05）。 紅外輻射處理 （IR1 和IR2）7 d 后的冷激貯藏最終使胡蘿卜粉中細菌總數(shù)從（5.91 ± 0.07）lg （CFU/g）和（6.00 ± 0.10）lg （CFU/g） 降至 （5.66 ± 0.06） lg（CFU/g）和（5.74 ± 0.09）lg （CFU/g）；同樣處理條件下的霉菌、酵母菌降低了0.28 lg （CFU/g）及0.40 lg （CFU/g）。 微生物數(shù)目的降低出現(xiàn)在第1 天和第2 天，隨后微生物數(shù)量基本保持穩(wěn)定，這一結(jié)果表明紅外輻射可以與冷激協(xié)同使用控制胡蘿卜粉中的微生物。 已有研究表明某些技術例如脈沖電場[20]、射頻[19]作用于微生物后會造成微生物亞致死損傷， 亞致死損傷的微生物在受到冷激處理后其存活率顯著降低。 Ozturk 等[19]表明射頻處理后-20 ℃冷激48 h 使受到射頻處理的糞腸球菌和腸炎鏈球菌PT30 額外降低了1～2 lg （CFU/g），且冷激之前的射頻處理時間越久，溫度越高，冷激作用越明顯。

圖5 紅外冷激處理對于胡蘿卜粉中細菌（a）及霉菌、酵母（b）的影響Fig.5 Effects of infrared radiation and freezing combination treatment on populations of bacterial （a），yeast and mold （b） in carrot powders

2.3.2 紅外輻射-回火、冷激聯(lián)合殺菌技術對于胡蘿卜粉水分活度的影響 紅外輻射-回火、冷激處理過程中胡蘿卜粉水分活度的變化如圖6 所示。紅外輻射-回火處理對于胡蘿卜粉的水分活度影響不顯著（P＞0.05）。 在冷激處理過程中胡蘿卜粉的水分活度逐漸上升， 水分活度上升的原因可能是由于胡蘿卜粉返潮， 而此時水分活度仍然低于微生物繁殖所需最低水平。 在IR1 條件處理后冷激至第7 天，水分活度增至0.301，在IR2 條件處理后冷激至第7 天，水分活度增至0.261。

圖6 紅外輻射-回火（a）、冷激（b）聯(lián)合處理對于胡蘿卜粉水分活度的影響Fig.6 Effects of infrared radiation and tempering （a） combined with freezing （b） on carrot powder water activity

2.3.3 紅外輻射-回火、冷激聯(lián)合殺菌技術對于胡蘿卜粉色調(diào)值的影響 圖7 表明了紅外輻射-回火、冷激聯(lián)合處理時胡蘿卜粉的色調(diào)值變化。經(jīng)一定時間的回火處理后（1～4 h）胡蘿卜粉的各項色調(diào)值參數(shù)并未呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，其中L*值位于34.34～38.31，a*值位于11.56～15.84，b*值位于24.18～30.26，ΔE 維持在4.04～7.81。 紅外輻射單獨處理導致的ΔE 為5.24，6.8，由此可知，紅外回火處理導致的變化在可接受范圍之內(nèi)。 由于在紅外輻射過程中胡蘿卜粉已經(jīng)受較高的處理溫度，易于降解的色素已被破壞， 而回火處理的溫度較為溫和，故胡蘿卜粉顏色所受影響較弱。

圖7 紅外輻射-回火（a， b）、冷激（c， d）聯(lián)合處理對于胡蘿卜粉色調(diào)值的影響Fig.7 Effects of infrared radiation and tempering （a， b） combined with freezing （c， d）on color parameters of carrot powders

經(jīng)冷激處理后（1～7 d）胡蘿卜粉的L*值位于33.53～40.11，a*值位于11.81～16.20，b*值位于24.44～31.37，ΔE 值維持在5.24～8.41，相比于只由紅外輻射處理導致的色差值5.24，6.8， 冷激階段對于色差值的影響較小。

2.3.4 紅外輻射-回火、冷激聯(lián)合殺菌技術對于胡蘿卜粉類胡蘿卜素含量的影響 紅外輻射-回火、冷激聯(lián)合處理時， 胡蘿卜粉中的類胡蘿卜素變化如圖8 所示。 回火處理時胡蘿卜粉的類胡蘿卜素含量顯著下降（P＜0.05），IR1、IR2 處理后經(jīng)4 h 的回火處理，胡蘿卜粉中的類胡蘿卜素降低了117.1，123.75 μg/g。 這是由于回火處理時類胡蘿卜素發(fā)生了氧化降解。 IR1、IR2 處理后經(jīng)7 d 冷激處理，胡蘿卜粉中類胡蘿卜素的含量仍然可保持在280.2，273.1 μg/g， 這是因為低溫延緩了類胡蘿卜素的氧化降解[32]。

圖8 紅外輻射-回火（a）、冷激（b）處理對于胡蘿卜粉類胡蘿卜素含量的影響Fig.8 Effects of infrared radiation and tempering （a） combined with freezing （b）on carotenoid content of carrot powders

3 結(jié)論

本文研究了紅外輻射及紅外-回火、冷激聯(lián)合殺菌技術對于胡蘿卜粉中微生物（細菌和霉菌、酵母）的滅活效果及胡蘿卜粉水分活度、色調(diào)值、總類胡蘿卜素含量的變化。結(jié)果表明，紅外輻射處理能夠顯著降低胡蘿卜粉中微生物數(shù)目， 其與冷激結(jié)合后存在協(xié)同效應， 且在此處理過程中胡蘿卜粉的色調(diào)值及類胡蘿卜素的含量并未發(fā)生顯著變化。紅外輻射-冷激協(xié)同效應為紅外輻射聯(lián)合殺菌技術研究的一個新發(fā)現(xiàn)。