黑胡椒射频杀菌工艺及品质研究
作者单位：上海海洋大学
学位级别：硕士
导师姓名：焦阳
授予年度：2022年
学科分类：0832[工学-食品科学与工程（可授工学、农学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 082203[工学-发酵工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 083203[工学-农产品加工及贮藏工程]
摘 要：黑胡椒因特殊气味受到人们喜爱,是世界上最重要的经济型香料作物之一。因此近年来,对于黑胡椒及胡椒制品的加工方式和食品安全等问题受到消费者的广泛关注,而新型食品加工技术在食品加工工业中有着广泛研究与应用前景。射频加热技术作为一种新型的加热方法,具有升温速度快、整体加热、杀菌效果良好等特点,受到研究者的重视。本文研究内容主要包括四个部分:1.黑胡椒射频加热过程的有限元仿真及温度分布研究;2.黑胡椒射频加热中屎肠球菌作为沙门氏菌替代物的可行性研究;3.黑胡椒射频及联合杀菌工艺研究;4.黑胡椒射频联合杀菌后的品质研究。本研究使用单个颗粒几何模型和等效属性几何模型两种模拟方式对黑胡椒射频加热进行有限元数值模拟,使用40.68 MHz的射频加热设备对放置于容器(14×14×2 cm)的单层黑胡椒颗粒进行射频加热实验。通过对黑胡椒粒径进行分级,确定样品粒径约为0.5 cm(占总量的70%)。测量黑胡椒颗粒的密度、温度范围为20-100℃的介电特性及导热系数等物理特性,并使用CRIME方程计算等效属性的介电特性,采用COMSOL Multiphysics软件建立热电磁耦合模型。通过对单层黑胡椒颗粒的射频加热实验和模拟实验的表面温度分布图、中心点和边角点升温曲线,对比两种建模方式的适用性,使用决定系数R作为判断标准。对比分析射频加热实验和计算机模拟的温度分布图发现实验结果与模拟结果一致,单层样品表面均存在边角过热现象,且冷点位于样品几何中心。对比实验和模拟样品的中心点和边角点的升温曲线发现单独颗粒几何建模的中心点和边角点的决定系数R分别为0.99和0.95,等效属性几何建模的中心点和边角点的决定系数R分别为0.98和0.92。两种几何建模方式的的模拟效果均与实验能够较好契合,但对比建模和运算难度,发现采用等效属性建模方法更加简便快捷。新鲜收获的黑胡椒会经过日光晾晒,长途运输等处理,在流通过程中会感染多种真菌,细菌。真菌中的霉菌会使黑胡椒腐败变质,无法使用,大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌会使人致病,其中对人体危害最大的是沙门氏菌。本研究中为探索射频热杀菌过程中屎肠球菌NRRL B-2354作为沙门氏菌ATCC 14028替代菌的可行性,使用等温实验测定黑胡椒颗粒中屎肠球菌NRRL B-2354和沙门氏菌ATCC 14028的耐热性参数(D值和z值),并使用40.68MHz的射频加热设备对黑胡椒颗粒(a=0.65)开展射频杀菌实验验证。等温实验结果表明,黑胡椒颗粒中屎肠球菌的耐热性(D=8.14±0.75 min,D=4.79±0.48 min,D=3.42±0.08min)高于沙门氏菌(D=5.05±0.54 min,D=4.33±0.29 min,D=2.19±0.29min)。射频杀菌实验中,将2 g接种微生物的黑胡椒颗粒真空包装后置于45 g黑胡椒中心位置,在40.68 MHz射频场中加热15 min,黑胡椒颗粒中的沙门氏菌的减少量相较于屎肠球菌更多,证明在射频加热中屎肠球菌的耐热性高于沙门氏菌,可作为黑胡椒颗粒杀菌过程中沙门氏菌的合适替代菌。射频杀菌属于热杀菌,具有快速升温、穿透深度大、适合大体积样品加热、对食品的品质影响小的特点。但射频杀菌由于边角效应的存在,会产生温度分布不均的现象,导致样品边角部位温度过高,品质劣化。而臭氧杀菌作为新型冷杀菌方式,因其杀菌效果好,对品质影响小,无污染,杀菌范围大等优点,适合黑胡椒这种多孔样品的杀菌,因此选择将臭氧杀菌与射频杀菌相结合,达到降低杀菌温度、有效杀菌和降低品质劣化的目的。本研究中使用沙门氏菌的替代物屎肠球菌作为研究对象,以a=0.65的黑胡椒颗粒为样品,研究射频联合臭氧杀菌的杀菌效果及不同处理对黑胡椒品质的影响。使用60 W的臭氧杀菌设备对接种后的样品进行40 min的臭氧杀菌,单独臭氧杀菌表明臭氧对黑胡椒的杀菌效果有限,仅能杀灭约1 lg CFU/g的目标菌。使用40.68 MHz的射频设备将黑胡椒加热至85℃,发现能够将黑胡椒中的屎肠球菌完全灭活。研究结果表明采用40 min臭氧10 min射频加热和10 min射频加热40 min臭氧的联合杀菌方式均能在70℃时将黑胡椒上目标菌完全灭活。该研究证明臭氧联合射频的杀菌处理能够有效降低杀菌温度。杀菌实验完成后,对有效杀菌方式处理后的样品进行品质检验。分别对单独射频加热、先臭氧后射频和先射频后臭氧三种杀菌方式处理的黑胡椒样品进行色差、水分活度、挥发性风味物质的检测。结果表明:三种处理方式对a值影响较小,但处理后样品的b值均显著性降低,表明黑胡椒颜色变蓝;经先射频后臭氧处理的黑胡椒总色差Δ值最小(1.09±0.14)。对比不同杀菌处理后样品的水分活度,三种方式处理后样品水分活度均下降,先臭氧后射频处理方式对样品水分活度影响最小。使用SPME-
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