响应面法优化臭氧处理玉米的杀菌工艺_周显青.pdf

2023 年 2 月第 44 卷第 1 期河南工业大学学报(自然科学版)Journal of Henan University of Technology(Natural Science Edition)Feb.2023Vol.44 No.1收稿日期:2022-03-16基金项目:财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系资助项目(CARS-03);国家自然科学基金青年科学基金项目(32001745);中国科协第五届青年人才托举工程项目(2019QNRC001)作者简介:周显青(1964),男,江西吉水人,博士,教授,研究方向为谷物科学及产后加工与利用。通信作者:张咚咚,博士,副教授,E-mail:。响应面法优化臭氧处理玉米的杀菌工艺周显青,宋慧玲,张咚咚河南工业大学 粮油食品学院 粮食储藏与安全教育部工程研究中心 河南省粮食产后减损工程技术研究中心,河南 郑州 450001摘要:玉米作为我国食品和饲料工业重要的原料之一,含有丰富的营养物质,储藏不当极易引起微生物的快速生长繁殖,直接威胁其储藏安全。为了保障玉米及其加工制品的安全储藏与可食用性,基于臭氧对微生物的杀灭作用,以杀菌率为响应指标,通过单因素试验确定了不同臭氧处理条件的合适水平,并采用响应面法优化确定了臭氧处理玉米的最佳工艺条件,同时监测了臭氧处理前后的玉米主要品质指标变化情况。结果表明:影响杀菌率的因素从大到小为臭氧处理量、玉米处理量、臭氧处理时间;臭氧处理时间与玉米处理量交互作用显著(P 0.01);臭氧处理玉米的最佳杀菌工艺为臭氧处理量188.32 mg/m3、臭氧处理时间 24 min、玉米处理量 467 g,此条件下臭氧的杀菌率为 82.28%,且对玉米主要品质指标无明显影响。臭氧处理作为一种绿色安全的储粮防霉技术手段,研究结果可为玉米的安全储藏和臭氧的实仓应用提供数据依据。关键词:臭氧处理;玉米;杀菌;工艺优化中图分类号:TS210文献标志码:A文章编号:1673-2383(2023)01-0097-07DOI:10.16433/j.1673-2383.2023.01.013Optimization of sterilization process of corn treated with ozone by response surface methodologyZHOU Xianqing,SONG Huiling,ZHANG DongdongCollege of Food Science and Engineering,Engineering Research Center of Grain Storage and Security of Min-istry of Education,Henan Provincial Engineering Technology Research Center on Grain Post Harvest,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,ChinaAbstract:As one of the important raw materials of Chinas food industry and feed industry,corn is rich in nutrients.Improper storage is easy to cause rapid growth and reproduction of microorganisms,which direct-ly threatens storage safety.Therefore,it is urgent to explore an efficient,green and environmentally friend-ly method to inhibit the growth and reproduction of microorganisms during corn storage.Ozone can be used for killing microorganisms in grain storage due to its pollution-free,low cost,high sterilization efficiency,broad-spectrum and other characteristics.In this work,the sterilization rate was set as the response index,the appropriate level of different ozone treatment conditions was determined through single factor test,and the optimal sterilization process conditions of ozone treated corn were optimized by response surface meth-od.Meanwhile,the changes of main quality indexes of corn before and after ozone treatment were moni-tored.The results showed that the factors affecting ozone sterilization rate were ozone treatment capacity,corn treatment capacity and ozone treatment time.The interaction between ozone treatment time and corn 河南工业大学学报(自然科学版)2023 年treatment capacity was significant(P 0.01).Based on the response surface test results of ozone steriliza-tion rate and regression equation analysis,the mathematical model of the relationship between the sterilization rate and ozone treatment capacity,ozone treatment time,corn treatment capacity was established.The analy-sis showed that the determination coefficient R2 of the regression equation was 0.992 4,indicating that the equation was significant and the response surface model fitted well,and the optimized sterilization process parameters obtained could be used for the sterilization process research of ozone treated corn.The optimized sterilization conditions of ozone treatment on corn were as follows:ozone treatment capacity 188.32 mg/m3,ozone treatment time 24 min and corn treatment capacity 467 g,and under this condition,the sterilization rate of ozone was 82.28%,and the comparative study before and after ozone treatment showed that the optimized ozone sterilization process had no significant effect on the main quality indexes of corn.Ozone is a green and safe technology for grain storage and mildew prevention.The results of this study can provide a data basis for the safe storage of corn and the real warehouse application of ozone.Key words:ozone treatment;corn;sterilization;process optimization玉米作为我国主要的粮食作物,是轻工食品业和畜牧业重要的原料来源。玉米籽粒具有胚部大、新收获水分高、吸湿性强等特点,在储藏过程中,尤其在高温高湿储藏环境下易受到微生物侵害,微生物的大量繁殖直接导致玉米的品质下降,使其储藏品质的稳定性变差,从而危害人畜健康。因此,探究一种高效、绿色环保的方法抑制玉米储藏过程中的微生物生长繁殖是目前亟须解决的问题。臭氧作为一种强氧化剂,在 3060 min 内可以迅速分解成氧气,绿色无污染,本身的强氧化性可以通过改变微生物中细胞膜的通透性从而达到抑菌的效果。国内外学者关于臭氧处理在粮食产后的应用研究中,主要探讨了臭氧处理对小麦粉中微生物死亡率、鲜面条货架期、小麦粉理化性质和熟面条质构特性1的影响。研究了臭氧处理对小麦2、油菜籽3和稻谷4-6储藏期间理化指标,以及霉菌和储藏稳定性指标的影响。关于臭氧处理对玉米表面微生物杀灭效果的影响,以及处理前后玉米品质的变化等方面的研究鲜有报道。基于此,作者研究了臭氧处理量、臭氧处理时间、玉米处理量对储藏后玉米表面微生物杀灭效果的影响,对臭氧处理玉米的杀菌工艺进行优化,可为玉米臭氧储藏实仓应用提供依据。1材料与方法1.1材料与试剂2020 年产的同批次郑单 958 玉米(容重为732 g/L,水分含量为 11.20%):河南省郑州市农贸市场。平板计数培养基:北京市奥博星生物技术有限公司;KOH、NaCl:洛阳市化学试剂厂;百里香酚蓝、酚酞:天津市天新精细化工开发中心;无水乙醇、95%乙醇:分析纯,天津市津东天正精细化学试剂厂;硫酸锌、盐酸、亚铁氰化钾:分析纯,无锡市晶科化工有限公司。1.2仪器与设备JSFM-I 水分磨:杭州大吉光电仪器有限公司;LF-820Y 臭氧发生器、臭氧浓度检测仪:郑州良丰环保科技有限公司;DNP-9082 恒温恒湿培养箱:上海精胜科学仪器有限公司;BKQ-B50II立式高压蒸汽灭菌锅:济南欧莱博电子商务有限公司;JXFM110 锤式旋风磨:杭州大吉光电仪器有限公司;XQ-600 脂肪酸值滴定仪:河南精迈仪器仪表有限公司;柯尼卡美能达 CR-10plus 色差计:青岛科睿德仪器有限公司;SGWZZ-3 大角度恒温自动旋光仪:广州沪瑞明仪器有限公司;便携式电导率仪:济南欧莱博科学仪器有限公司。1.3试验方法1.3.1玉米前处理水分调节:将 50 kg 玉米样品平摊在薄膜上,分堆用喷雾法将水分调至 16%左右,并在润麦器中旋转搅拌 30 min,然后于 4 冰箱中放置 24 h,测得最终水分为 16.02%。模拟储藏:将经水分调节后的玉米样品装入透气的纱布袋中,每袋约 5 kg,共 10 袋,分别放入35 、RH 70%的恒温恒湿箱中模拟储藏 21 d,之后置于 4 冰箱存放。1.3.2臭氧杀菌处理工艺试验臭氧处理模拟装置见图 1。为避免外界温度89第 44 卷第 1 期周显青,等:响应面法优化臭氧处理玉米的杀菌工艺对臭氧的影响,试验均在 25 条件下进行。图 1臭氧处理装置Fig.1Ozone reaction unit diagram用敞口的聚乙烯盒子(长宽高=15 cm10 cm10 cm),称取一定质量模拟储藏后的玉米样品并摊平,置于密闭箱子(长宽高=23 cm23 cm16 cm)的中心位置。将臭氧模拟箱体密封后,依次打开冷却水进出口、臭氧发生器电源开关、工作开关,通过调节电流表、氧气流量计和阀门控制臭氧处理量,遥控器调节臭氧处理量检测仪的上限和下限以确定处理量并显示于仪器表盘,臭氧发生器工作 10 min 左右后使处理量达到设定数值,放入玉米样品并密封箱体,达到设定的臭氧处理量后开始计时,达到所需时间后关闭阀门隔绝臭氧,取出玉米样品,以上述方法进行下一个样品的处理。以 3 个不同因素条件对玉米样品进行臭氧处理后,取样 25 g,测定臭氧处理前后玉米中的细菌菌落总数,3 次平行试验。1.3.3单因素试验研究臭氧处理量(A)、臭氧处理时间(B)、玉米处理量(C)3 个因素对臭氧杀菌率的影响,并对数据进行方差分析,从而确定各因素的适宜条件。固定玉米处理量为 500 g,臭氧处理时间为30 min,将 臭 氧 处 理 量 依 次 设 为 42.8、85.6、128.4、171.2、214.0 mg/m3。固定臭氧处理量为 128.4 mg/m3、玉米处理量为 500 g,臭氧处理时间依次设为 10、20、30、40、50 min。固定臭氧处理量为 128.4 mg/m3、臭氧处理时间为 30 min,玉米处理量依次设为 250、500、750、1 000、1 250 g。1.3.4响应面试验在单因素试验基础上,依据 Box-Behnken 中心组合试验设计原理7,选择合适的因素与水平设计响应面优化试验,以杀菌率为响应值,确定臭氧的最佳杀菌工艺组合,重复 3 次。验证试验:以最佳杀菌工艺组合对玉米样品进行臭氧处理,取样 25 g,测定臭氧处理前后玉米中的细菌菌落总数,3 次平行试验。1.3.5杀菌率的测定细菌菌落总数的测定参照 GB/T 4789.22016。计算杀菌率(Y)。Y=a-ba 100%,式中:a、b 分别为臭氧处理前后玉米中细菌菌落总数,CFU/g。1.3.6臭氧处理前后玉米品质的变化根据响应面试验优化出的最佳臭氧杀菌工艺组合,对储藏 21 d 的玉米进行臭氧处理,并测定臭氧处理前后玉米中的细菌菌落总数以及品质指标,试验重复 3 次。1.3.7品质指标测定水分测定参照 GB/T 5009.32016,105 恒重法;脂肪酸值测定参照 GB/T 294052012;发芽率测定参照 GB/T 55202011;淀粉含量测定参照孙福玲8的方法;色泽测定参照张玉荣等9的方法;电导率测定参照向莹莹等10的方法。1.4数据处理试验重复 3 次,采用 Excel 2019 对初始数据进行整理,用 Origin 2018、Design Expert 8.0.6 绘图和回归分析,用 SPSS 22.0 对数据进行方差分析。2结果与讨论2.1单因素试验2.1.1臭氧处理量对杀菌率的影响由图 2 可知:随着臭氧处理量的增加,臭氧的杀菌率呈现先升后降的趋势,可能是由于臭氧99河南工业大学学报(自然科学版)2023 年可以通过破坏菌体细胞膜、细胞壁成分,从而达到杀菌的作用7;臭氧处理量越大,杀菌效果也就越 明 显;臭 氧 的 杀 菌 率 在 臭 氧 处 理 量 为171.2 mg/m3时达到最大值,为 81.4%;当臭氧处理量大于 171.2 mg/m3时,臭氧的杀菌率呈下降趋势,原因可能是高浓度臭氧会使细菌细胞膜形成一层薄膜,阻断臭氧对细菌的破坏,细菌量增加,从而使臭氧的杀菌率降低。故确定最佳臭氧处理量为 171.2 mg/m3。图 2臭氧处理量对杀菌率的影响Fig.2Effect of ozone treatment capacity on sterilization rate2.1.2臭氧处理时间对杀菌率的影响图 3臭氧处理时间对杀菌率的影响Fig.3Effect of ozone treatment time on sterilization rate由图 3 可知,随着臭氧处理时间的延长,杀菌率呈现先上升后下降的变化趋势。当臭氧处理时间小于 30 min 时,杀菌率呈现上升趋势,可能是随着处理时间的延长,臭氧的强氧化作用于更多的细菌细胞膜、细胞壁,抑制了微生物的生长11;当处理时间为 30 min 时,臭氧的杀菌率最高,为 67.47%;当处理时间大于 30 min 时,臭氧的杀菌率呈现出下降趋势,原因可能是臭氧的半衰期为 3060 min,随着处理时间的延长,臭氧的不稳定性会使其分解为氧气12,导致微生物增多13,从而使杀菌率下降。故确定最佳臭氧处理时间为 30 min。2.1.3玉米处理量对臭氧杀菌率的影响由图 4 可知,随着玉米处理量的增加,臭氧的杀菌率呈现先升后降的趋势。当玉米处理量小于 500 g 时,臭氧的杀菌率呈现上升的变化趋势,可能是因为臭氧与玉米的接触面积影响了杀菌效果;当玉米处理量大于 500 g 时,臭氧的杀菌率呈下降的趋势,原因可能是随着玉米处理量的增加,臭氧的穿透力减弱,导致杀灭微生物的效果下降14。当玉米处理量为 500 g 时,臭氧的杀菌率最高,为 67.47%,故确定最佳玉米处理量为500 g。图 4玉米处理量对臭氧杀菌率的影响Fig.4Effect of corn treatment capacity on sterilization rate2.1.4单因素方差分析由表 1 可知,臭氧处理量、臭氧处理时间、玉米处理量对杀菌率均有极显著影响。表 1 3 个因素对杀菌率的单因素方差分析Table 1One way ANOVA of three factors on sterilization rate因素平方和自由度均方FP显著性A942.5874235.647147.7170.000 B325.100481.27555.1990.000 C351.769487.942112.5820.000 注:表示极显著影响(P0.01)。2.2响应面试验2.2.1响应面试验结果试验因素与水平设计见表 2。响应面设计共有 17 个试验,设计方案及结果见表 3。001第 44 卷第 1 期周显青,等:响应面法优化臭氧处理玉米的杀菌工艺表 2响应面因素及水平Table 2 Response surface factors and levels因素水平-101A 臭氧处理量/(mg m-3)149.8171.2192.6B 臭氧处理时间/min253035C 玉米处理量/g400500600表 3响应面试验设计与结果Table 3Response surface test design and results试验号ABCY 杀菌率/%11-1075.99200083.683-10171.32400084.885-1-1071.95610-179.13701-173.11811076.21900085.25100-1173.1211-10-172.531200085.8913-11069.78140-1-182.531500084.151610175.151701179.33通过响应面软件(Design-Expert 8.0.6)对试验数据进行回归分析,得到臭氧杀菌率的多元二次回 归 拟 合 方 程:Y=84.77+2.61A-0.64B-1.05C+0.6AB-0.69AC+3.91BC-6.89A2-4.40B2-3.35C2,对此模型进行方差分析,结果见表 4。由表 4 可知,模型极显著(P 0.05,说明该模型 拟合度较好。拟合 方 程 中R2=0.992 4、R2adj=0.982 7,表明该方程的拟合度较好。模型中的 A、B、C、BC、A2、B2、C2对应的 P均小于 0.05,说明对玉米的杀菌率有显著影响。F 的大小可以反映出各个因素对杀菌率的影响程度,对杀菌率的影响与 F 的大小成正比。由此可见,3 个因素对杀菌率的影响为 ACB。2.2.2因素的交互作用分析经响应面软件分析可得到臭氧杀菌率与臭氧处理量、臭氧处理时间、玉米处理量 3 个因素的响应面图。二次回归拟合方程模型可以被响应面图直观地展现出来。响应面图曲面的弯曲程度与 3 个因素对臭氧杀菌率的影响程度呈正相关15-16。3 个因素交互作用对臭氧杀菌率影响的响应面见图 5。由图 5a 可知,随着臭氧处理量的增加和处理时间的延长,杀菌率均呈现先上升后下降的变化趋势,原因可能是臭氧的不稳定性会使表 4臭氧杀菌率二次模型的方差分析Table 4Variance analysis of quadratic model of ozone sterilization rate来源平方和自由度均方FP显著性模型493.60954.84101.890.000 1 A54.60154.60101.430.000 1 B3.3313.336.180.041 8C8.7818.7816.310.004 9 AB1.4311.432.650.147 4AC1.9211.923.560.101 0BC61.07161.07113.460.000 1 A2199.811199.81371.190.000 1 B281.47181.47151.350.000 1 C247.22147.2287.720.000 1 残差3.7770.54失拟项0.7030.230.300.822 6纯误差3.0740.77总离差497.3716注:表示差异显著(P0.05),表示差异极显著(P0.01)。其在短时间内分解成氧气12,从而导致长时间臭氧处理后的玉米杀菌效果下降。由图 5b 可知,玉米处理量一定时,随着臭氧处理量的增加,臭氧的杀菌率呈现先上升后缓慢下降的变化趋势。由图 5c 可知:臭氧的杀菌率随着处理时间的延长,呈现先上升后下降的变化趋势;随着玉米处理量的增加杀菌率呈现先上升后又逐渐下降的变化趋势,原因可能是随着玉米处理量增加,臭101河南工业大学学报(自然科学版)2023 年图 5因素的交互作用对臭氧杀菌率影响的响应面Fig.5Response surface chart of the effect of interaction between factors on ozone sterilization rate氧 对 玉 米 籽 粒 的 穿 透 性 减 弱,导 致 杀 菌 率下降14。2.3模型验证根据回归方程预测及响应面模型分析结果显示,当臭氧处理量为 187.29 mg/m3、臭氧处理时间为 24.15 min、玉米处理量为 466.66 g,此时的杀菌率预测值最大,为 83.11%。为验证响应面法得到的结果的准确性,结合实际,将各因素最佳工艺参数修正:A 为 188.32 mg/m3、B 为 24 min、C 为 467 g,此条件下臭氧的杀菌率为 82.28%,可见实测值与预测值相差较小,说明试验所建模型拟合较好。2.4臭氧处理前后玉米品质变化由表 5 可知,经臭氧处理后的玉米中的细菌菌落总数显著减少,表明臭氧处理对玉米细菌菌落总数具有极显著影响(P0.05),表明臭氧处理对玉米的理化指标均无显著影响,其他研究也有类似的结论。Granella 等17研究了臭氧处理对小麦种子在不同温度下真菌总数、发芽率、活力和电导率的影响,结果显示臭氧处理对小麦种子的发芽率和电导率没有显著影响;La-zukin 等18研究了臭氧处理对小麦种子的形态特征的影响,结果显示臭氧处理后小麦种子的发芽率没有发生改变。Freitas-silva 等19研究了臭氧对玉米籽粒中甲基嘧啶磷残留的降解动力学,并评价了臭氧氧化对玉米品质的影响,结果显示臭氧对玉米的品质无显著影响。表 5臭氧处理前后玉米的细菌菌落总数和品质指标的变化Table 5Changes of total bacterial colonies and quality indexes of corn before and after ozone treatment项目Lab水分/%淀粉/%电导率/(S(cm g)-1)发芽率/%脂肪酸值/(mg(100 g)-1)菌落总数/(CFUg-1)处理前85.640.4422.6416.0167.989.9896.7027.5898 500处理后86.320.4222.0515.8567.229.75100.0028.2017 454P 值0.070.230.250.470.120.060.160.400.00显著性 注:表示差异极显著(P0.01)。3结论臭氧具有无污染、成本低、杀菌高效广谱等特性,可以更好地应用于粮食储藏,本试验以玉米籽粒为原料,通过单因素试验研究了不同臭氧处理条件对玉米中细菌的抑制效果;结合响应面试验法,确定臭氧处 理工艺条件:臭氧处 理 量188.32 mg/m3、臭氧处理时间 24 min、玉米处理量 467 g,臭氧的杀菌率为 82.28%;基于臭氧杀菌率的响应面试验结果,以回归方程分析为基础,建立了杀菌率与臭氧处理量、臭氧处理时间、玉米处理量变化关系的数学模型。分析显示,回归方程决定系数 R2为 0.992 4,说明方程显著且响应面模型拟合较好,得到的最佳杀菌工艺参数可用于臭氧处理玉米的杀菌工艺研究。通过臭氧处理玉米前后对比研究可知,最佳臭氧杀菌工艺对玉米品质无显著影响。参考文献:1LI M,ZHU K X,WANG B W,et al.Evalu-ation the quality characteristics of wheat flour and shelf-life of fresh noodles as affected by 201第 44 卷第 1 期周显青,等:响应面法优化臭氧处理玉米的杀菌工艺ozone treatment J.Food 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