低温等离子体对荞麦杀菌工艺优化.pdf

Doi:10.120514942.2023.02.013Jun.2023Journal of HainormalUnivatural Sciencenan2023年6 月Vol.36 No.2海南师范自然科学版）第36 卷第2 期低温等离子体对养麦杀菌工艺优化王唯，赵武奇*，解梦梦，陈佩婷，吴妮（陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安710119)摘要：为了研究低温等离子体对荞麦的杀菌效果，确定最佳杀菌工艺参数，以甜荞麦为原料，在单因素试验基础上，以处理时间和电压为因素，杀菌量和色差E为评价指标，进行响应面中心组合试验，分析因子间交互作用，建立荞麦杀菌量和色差的回归模型。利用遗传算法进行综合优化，得出最佳杀菌工艺参数。结果表明低温等离子体对养麦杀菌的最佳工艺参数为处理电压54kV，处理时间48 min。在该条件下，菌落总数为2.6 4lg（CFU/g），色差E为1.8 3，多酚含量为26.22mg/g。低温等离子体技术可用于麦杀菌。关键词：低温等离子体；荞麦；杀菌中图分类号：TS255.3文献标志码：A文章编号：16 7 4-49 42(2 0 2 3)0 2-0 19 8-0 7Optimization of Low Temperature Plasma Sterilization Process forBuckwheatWANG Wei,ZHAO Wuqi,XIE Mengmeng,CHEN Peiting,WU Ni(College of Food Engineering and Nutritional Science,Shaanxi Normal University,Xian 710119,China)Abstract:The bactericidal effect of low temperature plasma on buckwheat was studied and the optimal sterilization param-eters were determined,which provided a theoretical basis for plasma technology for buckwheat sterilization.The commonbuckwheat was used as the raw material.On the basis of single factor experiment,the treatment time and voltage were takenas the factors,the sterilization amount and the color difference E were used as the evaluation indexes,and then the re-sponse surface center combination test was carried out to analyze the interaction between the factors to establish the regres-sion model of sterilization amount and color difference of buckwheat.The genetic algorithm was used for synthetic optimiza-tion to obtain the optimum sterilization process parameters.The results showed that the optimum process parameters for lowtemperature plasma sterilization of buckwheat were processing voltage 54kV and processing time 48min.Under such condi-tions,aerobic bacterial count was 2.64 lg(CFU/g),the color difference E w a s 1.8 3,a n d t h e p o l y p h e n o l c o n t e n t w a s26.22 mg/g.Low temperature plasma technology can be used for buckwheat sterilization.Keywords:low temperature plasma buckwheat;sterilization荞麦是蓼科荞麦属(Fagopyrum)药食同源的食物资源l-3),富含生物类黄酮、手性肌醇、膳食纤维等多种功能组分,具有控制血糖、降血压、降血脂、抗氧化等多种作用(4,近年来得到广泛研究。荞麦主要有甜荞和苦养两个栽培品种 5,其中甜荞食用品质最好，食品生产加工最为常见。荞麦在运输和储藏过程中易受到微生物的侵染，缩短储藏期。为延长荞麦储藏期，避免或减少微生物侵染造成的霉变、腐烂变质，需要对荞麦进行杀菌处理。收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 0基金项目：西安市农业技术研发项目（2 2 NYYF050）第一作者：王唯(2 0 0 0），山西运城人,硕士研究生，研究方向为生物与医药。E-mail:*通信作者：赵武奇（19 6 5一），陕西西安人，副教授，研究方向为食品加工新技术。E-mail:验试199第2 期王唯，等：低温等离子体对荞麦杀菌工艺优化传统的谷物杀菌方式有化学熏蒸、激光清洗、热蒸汽等 6-8 1，化学熏蒸方式易造成试剂残留；激光清洗、热蒸汽等加热杀菌方式会对食物的颜色、气味等特性产生负面影响，甚至破坏食物的结构，导致营养成分的损失。为消除传统杀菌方法的不利影响，非热杀菌的技术日益受到人们的重视。低温等离子体(coldplasma)技术作为一种新兴的非热杀菌技术应用于食品杀菌领域，因其具有杀菌过程中不产生有毒有害物质、温度低等优点，近年来受到国内外研究者的关注 10-13。王卓等研究发现等离子体处理可使蓝莓表面的细菌和真菌数目分别下降1.7 5lg(CFU/g)和1.7 7 1g(CFU/g),显著抑制了贮藏期间腐烂的发生(14l;Stefano等研究发现等离子体处理，使芒果表面的李斯特菌和大肠杆菌0 157:H7浓度下降2.5lg（CFU/g），使香瓜表面的啤酒酵母菌浓度减少1lg（CFU/g），使葡萄醋酸杆菌浓度降低2.5lg（CFU/g)15;陈玥等的研究表明，介质阻挡放电(DBD)等离子体对湿面条表面杀菌效果显著,且对湿面条的质构、色泽、水分分布以及面筋蛋白的结构性质等影响不显著 16 ;林向阳等利用介质阻挡放电(DBD)等离子体对鲜榨果汁进行杀菌处理，结果表明，随着橙汁温度及电压的升高，杀菌效果逐渐增强17 ;Min等使用介电阻挡放电（DBD)等离子体抑制了莴苣上的大肠杆菌0 157:H7,且不影响莴苣的物理和生物特性(如表面形态、颜色、呼吸速率或重量损失)18 。本文利用介质阻挡放电（DBD)低温等离子体对甜荞麦进行杀菌处理，探讨杀菌效果，建立养麦杀菌模型，优化得出最佳杀菌工艺参数，为低温等离子体技术应用于荞麦加工提供理论基础。1材料与方法1.1材料与仪器甜荞麦,陕西榆林定之荞农业科技有限公司;氯化钠、平板计数琼脂培养基和Folin-Ciocalteu试剂,西安晶博生物科技有限公司；所用试剂均为分析纯。BK130/36型介质阻挡放电（DBD）低温等离子体，美国PHENIX科技有限公司；LDZX-30KBS蒸汽灭菌锅，上海申安医疗器械厂；WSC-S色差仪，上海精密科学仪器有限公司；超净工作台上海新苗医疗器械制造有限公司。1.2实验方法1.2.1单因素实验称取10 g甜荞麦于密封塑料盒（11.2 cm7.7cmx6.2cm），调节处理电压（0.30、40、50、6 0、7 0 kV）和时间（0、12、2 4、36、48、6 0 mi n），对其进行等离子体杀菌处理，测定菌落总数。1.2.2响应面优化试验以等离子体处理时间和电压为因素，杀菌量和色差AE为评价指标，进行2 因素中心组合试验，表1为因素和水平。表1口响应面中心组合试验的因素和水平Table1Response surface center combination experimental factors and levels水平时间/min电压/kV-11020152701.2.3遗传算法综合优化遗传算法是以达尔文进化论和孟德尔遗传学说为基础的一种寻求最优解的有效方法 19-2 0 ,具有通用性好、全局寻优能力好和收敛速度快等优点，可以满足荞麦杀菌过程中对品质的需求。运适应度函数定义如下：minf=Ewiei,(1)式中，w是第i个指标的目标权重，计算公式为：Zw=1,w 是杀菌量的权值，取值为0.7,w是色差的权值，取值为0.3;e是第i个指标相对于目标值的偏差。ei=(1-ki)2(2)2002023年海南师范大学学报（自然科学版）式中：K是第i个指标的回归方程计算值和单目标优化最优解的比值。k越接近1,结果越接近第i个指标的最优解。1.2.4微生物指标的测定菌落总数的测定参照GB4789.2-2016,杀菌效果按式（3)计算的杀菌量(Y)来衡量N。Y=lg(3)式中，N.表示甜荞麦初始菌落总数，CFU/g;N表示落总数，CFU/g；N表示杀菌后甜荞麦菌落总数，CFU/1.2.5色泽的测定量荞麦粉L*、*、b*值，色差E按式（4)计算。采用WSC-S型色差仪测量荞麦粉L*、a*、b*值，色差E按式（4)计算。AE=/L-L)+(ao-)+(bo*-b)。(4)1.2.6多酚含量的测定参考张海晖等 2 1 的方法。1.3数据处理采用origin2019软件绘图，Design-Expert8.0软件进行响应面设计，MATLAB2016软件进行遗传算法优化，试验重复3次，结果取平均值2结果与分析2.1单因素试验结果与分析2.1.17不同的等离子体处理电压对杀菌量的影响图1是处理时间为48 min时，不同的等离子体处理电压对杀菌量的影响。可以看出，杀菌量随着处理电压的升高呈不断上升趋势。处理电压为0 30 kV，杀菌量上升较缓慢；电压大于30 kV杀菌量上升较快。电压低于30 kV时，起杀菌作用的含氧活性物质激发速度较慢，电场中自由电子能量较低，产生的自由基和活性粒子较少，对菌体细胞损伤小，因此杀菌量上升较缓慢；电压大于30 kV时，含氧活性物质激发的速度加快，自由电子能量升高，产生的自由基和活性粒子增多，对菌体细胞的损伤速度加快，杀菌量上升较快。处理电压为6 0 kV时，养麦菌落总数为2.51g(CFU/g),谷物菌落总数下降到2.7 5lg(CFU/g),可达到贮藏要求 2)2.1.2不同的等离子体处理时间对杀菌量的影响图2 是处理电压为6 0 kV时，不同的等离子体处理时间对杀菌量的影响。随着处理时间的延长，杀菌量不断上升。随着处理时间的延长，一方面具有杀菌作用的含氧活性物质增多，氧化菌体细胞速度加快，导致5432010203040506070电压/kV图1不同的等离子体处理电压对杀菌量的影响Figure1Effect of different plasma treatment voltage onsterilization amount54320102030405060时间/min图2不同的等离子体处理时间对杀菌量的影响Figure 2Effect of different plasma treatment time.onthe amount of sterilization201第2 期王唯，等：低温等离子体对荞麦杀菌工艺优化菌体细胞死亡数量不断增加，杀菌效果越来越好；另一方面，随着处理时间延长，电场中自由电子能量升高，产生的自由基和活性粒子增多,穿透菌体细胞时造成细胞损伤增大,因