三文鱼(salmon)，学名鲑鱼，属硬骨鱼纲，鲑形目，鲑科，肉质细嫩，营养丰富，含有多种不饱和脂肪酸[1-2]。生食三文鱼是最营养的食用方法，但是其自身容易受到微生物污染[3]。随着生活节奏的加快，消费者更加重视高品质、长货架期的方便食品[4]。长货架期的方便食品必须经过杀菌处理，以保证食品的安全性。传统的三文鱼罐头产品采用高温蒸汽杀菌，长时间的高温处理会对三文鱼中热敏感性物质、营养成分造成很大损害[5]，以至于三文鱼的风味、色泽、质地都会有不同程度的下降，从而影响产品的外观及口感[6]。对比传统的罐头产品，软包装产品具有传热快，携带方便的优点，在缩短杀菌时间的同时，还能够较长时间保持食品风味[7]。
目前工业生产上用于食品的杀菌技术大都是利用热水和蒸汽加热，较低的传热速率导致较长的杀菌时间，使得食品的加热处理过度，从而对食品品质有所影响。近年来，研究者一直致力于研究新的杀菌方式应用于工业化生产。其中微波杀菌是唯一获得美国食品药品监管局(Food and Drug Administration, FDA)许可的可以用于长货架期食品工业化生产的杀菌技术[8]。微波杀菌基于微波的热效应和非热效应，利用微波的穿透性能，使食品内部物料快速升温，在短时间内杀灭微生物，达到杀菌效果[9]。对比传统的杀菌方式，微波加热速度快，可以降低加热时间，提高产品品质。
和传统杀菌相同，微波杀菌也需要保证食品冷点位置达到工业杀菌的要求。传统杀菌的冷点位置一般位于食品的几何中心，而微波杀菌产品的冷点位置受电场强度影响，冷点位置就是电场强度低的位置[8]。因此要进行微波杀菌工艺的研发，首先要保证微波加热食品的温度分布是稳定且可重复的。然后确定该食品的冷点位置并记录冷点位置的时间-温度曲线，以此计算目标微生物的致死率，保证杀菌工艺的安全性。最后对该杀菌工艺进行微生物验证。本文以上海海洋大学自主研发的896 MHz，75 kW的单模微波杀菌系统为平台，研发软包装三文鱼片的微波杀菌工艺，以此建立微波杀菌的工艺研发流程，为相关产品的工艺研发提供指导。
冷冻大西洋三文鱼(Salmo salar)，原产国智利，美威(水产)上海有限公司。浓缩乳清蛋白粉，南京高溯生物科技有限公司；无水CaCl2，上海麦克林生化科技有限公司；D-核糖、L-赖氨酸，北京百灵威科技有限公司；生孢梭菌(Clostridium sporogenes)，广东环凯微生物科技有限公司；硫乙醇酸盐流体培养基，上海盛思生化科技有限公司。
Key SIGHT E5071C矢量网络分析仪，是德科技(中国)有限公司；PICOVACQ/1TC形无线温度传感器，法国TMI-ORION公司；HENKELMAN Jumbo 35形真空包装机，荷兰HENKELMAN公司； FLIR T420红外热像仪，美国菲力尔公司；896 MHz，75 kW工业微波杀菌系统，上海海洋大学自主研发设计；Systec HX-320形柜式灭菌器，赛斯太克(上海)贸易有限公司。
1.2.1 介电特性的测量
介电特性影响微波加热后食品的温度分布[5]，本文所用的介电特性测量系统如图1所示，主要由矢量网络分析仪、同轴电缆、同轴探头、样品测试腔、热电偶、数显温度计、循环油浴系统组成。
图1 介电特性测量系统
Fig.1 Measurement system for dielectric properties
试验前半小时打开矢量网络分析仪进行预热，选择开放式同轴探头技术作为测量方法[10]，相关参数设置如下：测量频率范围为300～3 000 MHz，频率间隔为5 MHz；测量温度范围为20～120 ℃，温度间隔为10 ℃。安装开放式同轴探头并依次用空气、金属短柱、去离子水进行校准，将样品装入测试腔内并利用热电偶跟踪测量实时温度，之后将开放式同轴探头与装有样品的测试腔连接，利用循环油浴调节测试腔内温度，进而测定不同频率、温度下样品的介电常数及介电损耗。
1.2.2 三文鱼模拟食品的研发
在微波杀菌过程中，只能用红外热成像仪观察到三文鱼表面的温度，或利用热电偶测量内部有限个数的温度值，没有办法得到完整的温度场[11]，而利用与三文鱼介电特性相似的模拟食品，结合化学标记法可得到模拟食品内部完整的温度分布[12]。模拟食品的制作方法在ZHANG等[13]和WANG等[14]的基础上加以改进和优化，以乳清蛋白粉为主要实验原料，通过调整乳清蛋白粉、CaCl2、D-核糖和L-赖氨酸的成分配比，使得制作的乳清蛋白模拟食品与三文鱼的介电特性相匹配。
1.2.3 冷点位置的确定和热处理程度的计算
微波杀菌中，冷点位置一般位于电场强度最弱的位置，且食品的介电特性对电场分布影响较大，为了确定微波加热的冷点位置，化学标记法与计算机视觉系统相结合是最有效的方法。化学标记法的原理：还原糖和氨基酸在高温下发生美拉德反应，生成棕色的产物，温度越高、加热时间越长，反应生成物越多、颜色越深[15]，该反应不可逆，可以记录微波加热的处理程度。以模拟食品作为化学标记法的载体，进行微波杀菌处理，将处理后的模拟食品用相机拍照，照片经MATLAB软件处理转换成伪彩图找到模拟食品具体的冷点位置，并用无线温度记录仪记录时间-温度曲线，确定食品的冷点位置。
检测结果显示，杀菌前三文鱼的菌落总数为3.1×103 CFU/g。欧洲冷冻食品联合会及FDA[16-17]认为，鱼类产品在F90=10 min的热处理程度下可以达到巴氏杀菌效果，此时目标微生物肉毒梭状芽孢杆菌的数量可以减少6个对数值。因此，在这种热处理程度下就可以杀灭三文鱼中的目标微生物。在本杀菌工艺中，将无线金属温度传感器[18-19]插入三文鱼的冷点位置，以记录温度曲线，并计算热致死值F[20]，以F90=10 min为杀菌目标，进一步设计微波杀菌三文鱼片的工艺条件。
1.2.4 微波杀菌工艺参数的确定
为保证本实验设计的微波杀菌处理程度达到目标杀菌程度，需要通过实验调整微波杀菌系统的工艺参数(功率、时间、温度)。微波杀菌主要包括微波加热、保温、冷却3个阶段。首先需要调节传送带的速度，控制微波加热时间，以达到目标杀菌温度；其次控制保温时间，以达到F90=10 min的目标杀菌程度；最后对杀菌后的样品进行冷却处理。
在确定了微波杀菌的工艺参数后，以同样的杀菌程度为目标，进行传统的蒸汽杀菌实验，与微波杀菌进行对比。传统杀菌处理在柜式灭菌器中进行，包括升温、恒温以及降温3个阶段，通过调节杀菌的温度和时间，达到和微波杀菌相同的杀菌程度。
1.2.5 微生物验证
在杀菌工艺确定之后，需要对其进行微生验证。参照TANG[21]的研究结果，以生孢梭菌PA 3679作为肉毒梭状芽孢杆菌的替代菌进行微生物验证。在三文鱼的冷点位置接种生孢梭菌(Clostridium sporogenes)，根据初步测试的微波杀菌参数对三文鱼进行杀菌处理。用无菌生理盐水稀释处理冷点周围的三文鱼肉，吸取样品稀释液，倾注硫乙醇酸盐流体培养基，在36 ℃恒温培养箱中培养24 h后计数。计算杀菌后生孢梭菌降低的数量级。
在微波杀菌过程中，食品的介电特性是影响微波加热冷热点分布的重要因素，因此模拟食品的研发最重要的就是和食品的介电特性相匹配。经实验确定：乳清蛋白粉质量浓度(下同)为100 g/L， D-核糖为10 g/L，L-赖氨酸为10 g/L，无水CaCl2为2 g/L时，在频率为896 MHz，温度范围20～120 ℃内乳清蛋白模拟食品的介电常数及介电损耗与三文鱼接近。896 MHz下三文鱼与模拟食品介电常数、介电损耗在20～120 ℃温度范围内的对比如图2所示。
图2 三文鱼与乳清蛋白模拟食品介电特性拟合
Fig.2 Comparison of dielectric properties of whey protein
model food and salmon
由图2可知，在实验确定的模拟食品成分配比下，三文鱼和模拟食品的介电特性匹配度较高，可作为化学标记法的载体，分析温度分布确定冷点位置。
经微波处理后，将模拟食品沿厚度方向从中间切开，在光照良好的条件下拍摄模拟食品的图片，利用MATLAB软件处理图片，将图片转换为伪彩图。图3分别为乳清蛋白模拟食品原图(图3-a)、微波加热后模拟食品图(图3-b)以及处理后模拟食品的伪彩图(图3-c)。未经处理的模拟食品颜色为淡黄色，经微波处理后，模拟食品由于发生美拉德反应变为棕褐色，转换成伪彩图后图片色彩对比鲜明，图3-c中圈出来的部分是模拟食品的冷点位置。
a-未处理模拟食品;b-微波处理后模拟食品;c-模拟食品的伪彩图
图3 模拟食品的热形图和冷点位置
Fig.3 Heating pattern and cold spot of model food
模拟食品经微波加热得到重复性较好的温度曲线后，在三文鱼同样的冷点位置插入温度传感器，记录经微波杀菌过程中的时间-温度曲线。以此计算出微波杀菌的热处理程度。图4是在冷点位置插入无线温度传感器的模拟食品和三文鱼。
图4 冷点位置插入无线温度传感器的模拟食品和三文鱼
Fig.4 Model food and salmon fillet with sensor at cold spot
本实验所用微波杀菌系统的净功率为8 kW，在这个功率下进行实验，多次调整加热的时间后得出，微波加热3 min时，三文鱼冷点的温度达到了90 ℃，即达到了目标杀菌的温度。在95 ℃的水中保温5 min后，通过测量冷点位置的时间-温度曲线，计算得出该工艺的实际热处理程度为F90=11.5 min，达到了目标杀菌程度。
在确定的杀菌工艺下，接种生孢梭菌在三文鱼的冷点位置，微波杀菌前，生孢梭菌的数量为3.4×108 CFU/g，杀菌处理后生孢梭菌的数量为2.1×10 CFU/g，微波杀菌处理后生孢梭菌的数量级下降了7个，远大于三文鱼中的原始菌落数，证明此微波杀菌工艺可以保证软包装三文鱼片的微生物安全。
将无线温度传感器插入三文鱼的几何中心记录时间-温度曲线。参照AWUAH等[20]的研究，计算热致死值F和蒸煮值C，微波杀菌与传统杀菌的工艺参数对比如表1所示。
表1 两种杀菌处理的工艺参数
Table 1 Parameters of two processing treatments.
杀菌方式三文鱼体积/mm3处理时间/minF90/minC/min微波杀菌100×60×16811.54.3传统杀菌100×60×161611.56.3
通过杀菌的时间-温度曲线计算2种杀菌处理的实际F90均为11.5 min，在同样的F值下，微波杀菌大幅降低了杀菌时间，说明微波可以在较短的时间内杀灭三文鱼中的微生物。微波杀菌的蒸煮值(4.3 min)也小于传统杀菌(6.3 min)，由此可以得出，在同样的杀菌程度下，微波杀菌能更好地保留三文鱼的品质。
微波杀菌和传统杀菌的微生物验证结果对比如表2所示。微波杀菌和传统杀菌处理后生孢梭菌的数量级分别下降了7个和6个，2种杀菌方式都可以有效地减少三文鱼中接种的生孢梭菌的数量，且都达到巴氏杀菌的要求。在同样的杀菌程度下，微波杀菌对于生孢梭菌的致死率要高于传统杀菌，微波杀菌的高致死率可能源于微波场对微生物的非热效应。
表2 微生物验证结果
Table 2 Results of microbiological verification
杀菌方式生孢梭菌杀菌前数量/(CFU·g-1)杀菌后数量/(CFU·g-1)降低的数量级微波杀菌3.4×1082.1×107-lg传统杀菌4.2×1082.9×1026-lg
本文研发了软包装三文鱼片的微波巴氏杀菌工艺，并以此建立了微波杀菌的工艺研发流程。微波杀菌工艺研发需遵循以下流程：首先用与杀菌食品介电特性相同的模拟食品作为化学标记法的载体，以此确定微波杀菌的冷点位置，并记录冷点位置的时间-温度曲线；之后通过该曲线计算目标微生物的致死率，根据目标杀菌程度确定微波杀菌工艺参数；最后对该杀菌工艺进行微生物验证。
研究获得的三文鱼微波杀菌工艺参数为：微波杀菌净功率8 kW，微波加热时间3 min，保温时间5 min，达到的杀菌程度为F90=11.5 min。微生物验证结果表明，经该微波杀菌处理后，三文鱼中接种的生孢梭菌的数量级降低了7个，达到了杀菌要求。该研究为其他微波杀菌产品的工艺研发提供了指导方向。与传统杀菌相比，在同样的杀菌程度下，微波杀菌大幅减少了杀菌时间，更好的保留了三文鱼的品质。此外，微波杀菌对微生物的致死效果要优于传统杀菌，这可能源于微波场的非热效应。
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