與傳統(tǒng)滅菌技術(shù)相比，紅外輻射滅菌技術(shù)具有輻射均勻、熱傳遞速率高、加熱時間短、無化學(xué)殘留、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

紅外加熱與滅菌技術(shù)

紅外線波長5.6μm～100μm，頻率為4×1014～3×1011Hz。很多物質(zhì)對波長在3～15μm范圍的紅外輻射有很強(qiáng)的吸收帶。在石英管上半管外表鍍金可使輻射波更集中，熱能利用率提高45～50%。

紅外加熱原理：

對紅外敏感的物質(zhì)，其分子、原子吸收遠(yuǎn)紅外后，不僅能發(fā)生能級的躍遷，也擴(kuò)大了以平衡位置為中心的各種運(yùn)動的幅度，質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)能量加大。微觀結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動加劇的宏觀反映就是物質(zhì)的溫度升高，即物質(zhì)吸收紅外線后，便產(chǎn)生自發(fā)的熱效應(yīng)。由于這種熱效應(yīng)直接產(chǎn)生于物體內(nèi)部，所以能迅速有效地對物質(zhì)加熱。

食品中的很多成分在3～10μm的紅外線區(qū)有強(qiáng)烈的吸收能力，因此在食品加熱中，往往選擇紅外線進(jìn)行加熱。應(yīng)該了解，物質(zhì)對紅外輻射是有選擇性的吸收，它只對其中頻率νmn滿足hνmn=Em-En(Em、En分別為分子的高、低兩個能量級或基態(tài)能級)的遠(yuǎn)紅外輻射產(chǎn)生吸收，其頻率不能滿足此式的紅外則不被吸收而穿過。

為提高紅外加熱效率，應(yīng)該了解物料的紅外線吸收特性。其次，應(yīng)該了解輻射與消失的匹配，當(dāng)物料的選擇性吸收與輻射源的選擇性輻射一致時，稱為匹配輻射加熱。要實(shí)現(xiàn)理想匹配，應(yīng)該根據(jù)不同的物料選擇合適的輻射源，使輻射源的光譜與物料的吸收光譜相對應(yīng)。干燥過程中還兼有殺菌作用。

紅外滅菌原理：

紅外線是一種電磁波，它以輻射方式向外傳播，照射到待殺菌的物品上，傳熱直接由表面滲透到內(nèi)部，熱效應(yīng)好，且特別易被生物體如各種病菌吸收。病菌吸收熱能超過它的承受極限，自然會被活活“熱”死。

照射強(qiáng)度越大，殘活菌數(shù)越少，一般照射功率要在12kW以上。紅外線的特點(diǎn)：這種消毒方式具有速度快、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)。它不僅可用于一般的粉狀和塊狀食品殺菌，還可以用于堅果類食品如咖啡豆、花生和谷物的殺菌和殺滅霉菌及袋裝食品的直接殺菌。

紅外照射功率分別為6、8、10與12kW，采用6kW以上功率，足以達(dá)到抑制要求，對霉菌8KW以上功率照射，10min即可將活菌全部殺死。紅外滅菌干燥箱中間必須設(shè)置隔離墻將控制區(qū)與潔凈區(qū)(10～30萬級)隔離開，出口設(shè)在潔凈區(qū)。紅外除滅菌外，還廣泛應(yīng)用于食品干燥，用于干燥它實(shí)際上兼有滅菌功能，但它有其一定穿透深度，不同食品其穿透深度不同。詳見下表。

紅外在食品防腐殺菌中的應(yīng)用：

用紅外線照射剛采集的高水分的新鮮柑橘、橘子、蘋果等，能降低其水分含量，減少儲存過程中因水分過大而造成的腐爛現(xiàn)象。

采用紅外線輻射加熱，還能殺死細(xì)菌、微生物，可用于各種袋裝食品的滅菌處理，因?yàn)檫@些食品，不能采用傳統(tǒng)的高溫消毒的方法，它還廣泛用于奶制品、豆制品等食品的保鮮技術(shù)中。此外它還廣泛應(yīng)用于茶葉殺青、蔬菜脫水。

脫水菠菜的紅外輻射滅菌研究

(一)材料與方法

1、材料與試劑

微生物含量超標(biāo)的脫水菠菜，熱風(fēng)干燥后存放于15℃常溫庫中。脫水菠菜的初始含水率為7%～8%，測定得其自然生長的初始含菌量約為105～106CFU/g。胰蛋白胨;煌綠乳糖膽鹽肉湯(BGLB)、月桂基硫酸鹽胰蛋白胨肉湯(LST);瓊脂粉、葡萄糖、氯化鈉、丙酮、無水乙醇(均為分析純)國。

2、儀器與設(shè)備

催化式紅外設(shè)備;催化式燃?xì)饧t外加熱器;紅外測溫儀;XO-6D無菌均質(zhì)機(jī);DC-P3型全自動色差計;LRH系列生化培養(yǎng)箱;恒溫培養(yǎng)搖床;電熱鼓風(fēng)干燥箱;7200型分光光度計;JYL-350九陽料理機(jī)。

3、方法

(1)原料預(yù)處理

為達(dá)到更強(qiáng)的滅菌效果，脫水菠菜保持在濕熱下滅菌。稱取一定量的脫水菠菜放入無菌袋中，以原料脫水菠菜原料質(zhì)量為基數(shù)，向其中加入一定比例無菌水，配制成濕度約為30%(含水率約為37%～38%)、20%(含水率約為27%～28%)和10%(含水率約為17%～18%)的樣品，在室溫下維持15min均衡物料濕度，實(shí)驗(yàn)中分別取不同含水率的物料量為(21.43±0.05)、(18.75±0.05)、(16.67±0.05)g，以未處理前物料量15.00g為基準(zhǔn)。

(2)紅外輻射處理

利用天然氣催化式紅外線對物料進(jìn)行單面紅外輻射，用紅外測溫儀測定輻射板表面和物料表面溫度。紅外處理?xiàng)l件為：物料距紅外輻射板距離為21cm，燃?xì)鈮毫?kPa。將物料均勻平鋪在物料盤中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在紅外輻射下，物料干燥后質(zhì)量降低到約15.00g時即停止紅外輻射(此時物料水分與初始原料水分相近，即降低到安全水分以內(nèi))。

(3)保溫處理

在瞬時加熱后微生物的抗熱性變得很強(qiáng)，因此讓微生物在較高溫度下維持一段時間可以達(dá)到更好的滅菌效果。為達(dá)到更有效的滅菌效果，實(shí)驗(yàn)中將脫水菠菜維持在一個較高濕度中。將紅外處理過的樣品迅速放入無菌袋中，烘箱溫度分別設(shè)置為70、80、90℃。

70℃條件下保溫時間分別為30、45、60min，80℃條件下保溫時間分別為15、30、45min，90℃條件下保溫時間分別為10、15、20min。每個實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，每次取樣用于微生物和理化性質(zhì)測定。

(4)高溫蒸汽滅菌

利用蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，溫度控制在工業(yè)蒸汽滅菌的溫度即100℃。每次實(shí)驗(yàn)取未處理的脫水菠菜約15.00g，將物料均勻平鋪在物料盤中進(jìn)行蒸汽處理。經(jīng)過高溫蒸汽滅菌處理后，迅速將處理后的脫水菠菜轉(zhuǎn)移到熱風(fēng)中進(jìn)行干燥，達(dá)到安全水分附近即停止(即質(zhì)量接近初始質(zhì)量15.00g)。

4、指標(biāo)測定

(1)微生物測定

殺菌效果采用微生物殘活率對數(shù)值來表示，計算公式如下。

lgS=lg(N/N0)

式中：N0為殺菌處理前樣品中的菌落總數(shù)/(CFU/mL);N為殺菌處理后樣品中的菌落總數(shù)/(CFU/mL);lgS為殺菌處理前后菌落總數(shù)降低的對數(shù)即微生物殘活率。

MPN(大腸菌群最可能數(shù))：根據(jù)復(fù)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)確證的大腸菌群LST陽性管數(shù)，檢索MPN表。細(xì)菌總數(shù)的對數(shù)值用lg(CFU/g)表示。

脫水蔬菜的微生物指標(biāo)為細(xì)菌總數(shù)≤100000(CFU/g)，即lg(CFU/g)≤5，大腸菌群數(shù)MPN≤100(CFU/g)。

(2)顏色測定

采用全自動色差計測定樣品顏色指標(biāo)。在脫水蔬菜農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，外觀色澤是用來評價脫水蔬菜品質(zhì)的一個重要指標(biāo)。為了考察滅菌處理前后脫水菠菜的色澤變化，分別對原料和處理后樣品進(jìn)行測定。

實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值，作為評價脫水菠菜處理前后色澤變化的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)選用Lab表色系統(tǒng)，其中L*值表示亮度，其范圍在0(黑)～100(白)，值越大，顏色越亮;a*值表示綠色值/紅色值，其值越大表示綠色損失越嚴(yán)重;b*值表示藍(lán)色/黃色值，值越大顏色越黃。

(3)葉綠素含量測定

葉綠素含量測定采用分光光度法。稱取0.5g實(shí)驗(yàn)材料于試管中，在室溫避光條件下用直接浸提法提取葉綠素，提取劑為丙酮:乙醇體積比1:1。每支試管加入提取劑10mL，不斷搖動，直到葉片變白，定容至25mL，并以相應(yīng)試劑為參比，分別在645nm和663nm波長處測定吸光度。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

葉綠素a含量：

葉綠素b含量：

葉綠素總含量：

Cab/(mg/g)=Ca+Cb

式中：A663nm為波長663nm的吸光度;A645nm為波長645nm的吸光度;V為提取液體積/mL;m為實(shí)驗(yàn)材料質(zhì)量/g。

(二)結(jié)果與分析

1、紅外輻射處理

(1)紅外輻射對物料表面溫度的影響

脫水蔬菜標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，最終產(chǎn)品含水率應(yīng)≤8%。因此，在紅外輻射階段當(dāng)脫水菠菜含水量降至安全水分時就停止加熱，避免過高的溫度對物料的品質(zhì)造成破壞。燃?xì)鈮毫潭?kPa，物料盤距紅外輻射板距離為21cm時，紅外輻射板表面平均溫度達(dá)到(397.5±17.6)℃。

由下表可知，濕度為30%、20%和10%的脫水菠菜分別需要紅外處理180、120、50s才可達(dá)到安全水分，即分別為不同含水率的物料量為(21.43±0.05)、(18.75±0.05)、(16.67±0.05)g降低到約15.00g所需時間。此時，物料表面溫度分別為121.30、117.57、115.03℃，物料的初始溫度為室溫。

隨著濕度增加，紅外輻射所需時間增長，脫水菠菜表面達(dá)到瞬時高溫，同時由于紅外輻射具有穿透性，可以對細(xì)菌造成一定程度的損傷和致死效應(yīng)。

(2)紅外輻射殺菌效果

由上表可知，在紅外輻射階段，可以獲得顯著的細(xì)菌減少量。30%、20%和10%濕度下，細(xì)菌總數(shù)殘活率對數(shù)值分別下降了1.00、0.63和0.42個數(shù)量級。在30%濕度下，由于物料濕度最大，在紅外輻射中處理的時間較長，所以滅菌效果最佳。

在初始脫水菠菜中大腸桿菌MPN(大腸菌群最可能數(shù))為240CFU/g的情況下，經(jīng)紅外輻照后，原料中大腸菌群數(shù)已經(jīng)降低到合格標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)(MPN(CFU/g)≤100)。隨著濕度增大、輻射時間延長，殺滅愈徹底。大腸菌群的耐熱性較低，因此在紅外短時間處理后易被殺滅。

2、保溫處理殺菌效果分析

將未處理原料直接在不同溫度下進(jìn)行保溫處理研究其滅菌效果。由下表可知，未進(jìn)行紅外輻射而直接進(jìn)行保溫處理的殺菌效果較低，遠(yuǎn)未達(dá)到脫水蔬菜的出口安全標(biāo)準(zhǔn)。紅外輻射時間短，殺菌效率較單純保溫處理高，由上表可知，菌落數(shù)均未降低到5(lg(CFU/g))以下，仍未達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。紅外輻射處理過程中物料水分逐漸散失，若繼續(xù)延長紅外輻射時間來增強(qiáng)殺菌效果，會導(dǎo)致物料表面溫度過高，對物料品質(zhì)造成較大破壞。

前人的研究表明，在高于100℃條件下處理短暫時間，再于較高溫度下持續(xù)一段時間，易導(dǎo)致細(xì)菌的死亡。因此利用紅外輻射和后續(xù)保溫進(jìn)行聯(lián)合處理含菌量超標(biāo)的脫水菠菜，既可以保證脫水菠菜品質(zhì)又可使其達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

3、紅外輻射保溫處理殺菌效果分析

紅外輻射后大腸菌群數(shù)已降低到合格范圍內(nèi)，因此紅外輻射保溫處理僅對細(xì)菌總數(shù)的變化進(jìn)行研究。在不同濕度、保溫溫度和保溫時間下，測定脫水菠菜中細(xì)菌總數(shù)對數(shù)值如下圖所示。

80℃保溫時，在10%、20%、30%濕度下，細(xì)菌總數(shù)的對數(shù)值降低到5以下的次數(shù)分別為0、2、3次，表明隨著物料濕度的增加，對細(xì)菌的殺滅效果逐漸增強(qiáng)。在低濕度條件下作為維持細(xì)胞活性的重要組成成分蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，因此濕熱滅菌效果較干熱滅菌效果好。

前人的研究表明，在高水分活度情況下，微生物細(xì)胞膜被激活，細(xì)胞的敏感性增加，因此短暫的紅外高溫處理對較高濕度物料中的細(xì)菌殺滅效果更強(qiáng)，但都不同程度的對細(xì)胞造成了損傷。在短暫紅外輻射處理后，迅速將物料置于高溫下維持一定時間較關(guān)鍵，可以有效殺滅損傷的細(xì)菌。

不同濕度下90℃保溫，在所有9次實(shí)驗(yàn)中脫水菠菜細(xì)菌總數(shù)對數(shù)值降低到5以下，均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。將保溫溫度降低到80℃和70℃時，細(xì)菌總數(shù)對數(shù)值降低到5以下的次數(shù)都減少。隨著保溫溫度升高和保溫時間加長，殺菌效果也顯著增強(qiáng)。由于前期紅外輻射處理后，物料達(dá)到瞬時高溫，其中不耐熱微生物死亡，而造成損傷的耐熱微生物在后期較高溫度下保溫，可以有效阻止其修復(fù)。

4、紅外輻射保溫處理與高溫蒸汽滅菌效果分析

由上表可知，在相同處理時間下高溫蒸汽較紅外輻射滅菌效果好，由于蒸汽濕度較高，因此細(xì)菌更容易致死。70℃紅外輻射保溫處理僅后期保溫階段和70℃高溫蒸汽滅菌僅后期熱風(fēng)階段細(xì)菌總數(shù)相對減少量分別為-0.75和-0.51個數(shù)量級。

由于紅外輻射升溫迅速，同時具有高穿透效率，因此較高溫蒸汽相比能夠?qū)?xì)菌造成更大損傷，從而增強(qiáng)了后期保溫階段的滅菌效果。