红外辐射灭菌

 　　与传统灭菌技术相比，红外辐射灭菌技术具有辐射均匀、热传递速率高、加热时间短、无化学残留、产品质量高等优点。

红外加热与灭菌技术

　　红外线波长5.6μm～100μm，频率为4×10¹⁴～3×10¹¹Hz。很多物质对波长在3～15μm范围的红外辐射有很强的吸收带。在石英管上半管外表镀金可使辐射波更集中，热能利用率提高45～50%。

　　红外加热原理：

　　对红外敏感的物质，其分子、原子吸收远红外后，不仅能发生能级的跃迁，也扩大了以平衡位置为ZX的各种运动的幅度，质点的内能量加大。微观结构质点运动加剧的宏观反映就是物质的温度升高，即物质吸收红外线后，便产生自发的热效应。由于这种热效应直接产生于物体内部，所以能迅速有效地对物质加热。

　　食品中的很多成分在3～10μm的红外线区有强烈的吸收能力，因此在食品加热中，往往选择红外线进行加热。应该了解，物质对红外辐射是有选择性的吸收，它只对其中频率ν_mn满足hν_mn=E_m-E_n(E_m、E_n分别为分子的高、低两个能量级或基态能级)的远红外辐射产生吸收，其频率不能满足此式的红外则不被吸收而穿过。

　　为提高红外加热效率，应该了解物料的红外线吸收特性。其次，应该了解辐射与消失的匹配，当物料的选择性吸收与辐射源的选择性辐射一致时，称为匹配辐射加热。要实现理想匹配，应该根据不同的物料选择合适的辐射源，使辐射源的光谱与物料的吸收光谱相对应。干燥过程中还兼有杀菌作用。

　　红外灭菌原理：

　　红外线是一种电磁波，它以辐射方式向外传播，照射到待杀菌的物品上，传热直接由表面渗透到内部，热效应好，且特别易被生物体如各种病菌吸收。病菌吸收热能超过它的承受极限，自然会被活活“热”死。

　　照射强度越大，残活菌数越少，一般照射功率要在12kW以上。红外线的特点：这种消毒方式具有速度快、穿透力强的特点。它不仅可用于一般的粉状和块状食品杀菌，还可以用于坚果类食品如咖啡豆、花生和谷物的杀菌和杀灭霉菌及袋装食品的直接杀菌。

　　红外照射功率分别为6、8、10与12kW，采用6kW以上功率，足以达到YZ要求，对霉菌8KW以上功率照射，10min即可将活菌全部杀死。红外灭菌干燥箱中间必须设置隔离墙将控制区与洁净区(10～30万级)隔离开，出口设在洁净区。红外除灭菌外，还广泛应用于食品干燥，用于干燥它实际上兼有灭菌功能，但它有其一定穿透深度，不同食品其穿透深度不同。详见下表。

　　红外在食品防腐杀菌中的应用：

　　用红外线照射刚采集的高水分的新鲜柑橘、橘子、苹果等，能降低其水分含量，减少储存过程中因水分过大而造成的腐烂现象。

　　采用红外线辐射加热，还能杀死细菌、微生物，可用于各种袋装食品的灭菌处理，因为这些食品，不能采用传统的高温消毒的方法，它还广泛用于奶制品、豆制品等食品的保鲜技术中。此外它还广泛应用于茶叶杀青、蔬菜脱水。

脱水菠菜的红外辐射灭菌研究

　　(一)材料与方法

　　1、材料与试剂

　　微生物含量超标的脱水菠菜，热风干燥后存放于15℃常温库中。脱水菠菜的初始含水率为7%～8%，测定得其自然生长的初始含菌量约为10⁵～10⁶CFU/g。胰蛋白胨;煌绿乳糖胆盐肉汤(BGLB)、月桂基硫酸盐胰蛋白胨肉汤(LST);琼脂粉、葡萄糖、氯化钠、丙酮、无水乙醇(均为分析纯)国。

　　2、仪器与设备

　　催化式红外设备;催化式燃气红外加热器;红外测温仪;XO-6D无菌均质机;DC-P3型全自动色差计;LRH系列生化培养箱;恒温培养摇床;电热鼓风干燥箱;7200型分光光度计;JYL-350九阳料理机。

　　3、方法

　　(1)原料预处理

　　为达到更强的灭菌效果，脱水菠菜保持在湿热下灭菌。称取一定量的脱水菠菜放入无菌袋中，以原料脱水菠菜原料质量为基数，向其中加入一定比例无菌水，配制成湿度约为30%(含水率约为37%～38%)、20%(含水率约为27%～28%)和10%(含水率约为17%～18%)的样品，在室温下维持15min均衡物料湿度，实验中分别取不同含水率的物料量为(21.43±0.05)、(18.75±0.05)、(16.67±0.05)g，以未处理前物料量15.00g为基准。

　　(2)红外辐射处理

　　利用天然气催化式红外线对物料进行单面红外辐射，用红外测温仪测定辐射板表面和物料表面温度。红外处理条件为：物料距红外辐射板距离为21cm，燃气压力为2kPa。将物料均匀平铺在物料盘中进行实验，在红外辐射下，物料干燥后质量降低到约15.00g时即停止红外辐射(此时物料水分与初始原料水分相近，即降低到安全水分以内)。

　　(3)保温处理

　　在瞬时加热后微生物的抗热性变得很强，因此让微生物在较高温度下维持一段时间可以达到更好的灭菌效果。为达到更有效的灭菌效果，实验中将脱水菠菜维持在一个较高湿度中。将红外处理过的样品迅速放入无菌袋中，烘箱温度分别设置为70、80、90℃。

　　70℃条件下保温时间分别为30、45、60min，80℃条件下保温时间分别为15、30、45min，90℃条件下保温时间分别为10、15、20min。每个实验重复3次，每次取样用于微生物和理化性质测定。

　　(4)高温蒸汽灭菌

　　利用蒸汽发生器产生蒸汽，温度控制在工业蒸汽灭菌的温度即100℃。每次实验取未处理的脱水菠菜约15.00g，将物料均匀平铺在物料盘中进行蒸汽处理。经过高温蒸汽灭菌处理后，迅速将处理后的脱水菠菜转移到热风中进行干燥，达到安全水分附近即停止(即质量接近初始质量15.00g)。

　　4、指标测定

　　(1)微生物测定

　　杀菌效果采用微生物残活率对数值来表示，计算公式如下。

　　lgS=lg(N/N₀)

　　式中：N₀为杀菌处理前样品中的菌落总数/(CFU/mL);N为杀菌处理后样品中的菌落总数/(CFU/mL);lgS为杀菌处理前后菌落总数降低的对数即微生物残活率。

　　MPN(大肠菌群Z可能数)：根据复发酵实验确证的大肠菌群LST阳性管数，检索MPN表。细菌总数的对数值用lg(CFU/g)表示。

　　脱水蔬菜的微生物指标为细菌总数≤100000(CFU/g)，即lg(CFU/g)≤5，大肠菌群数MPN≤100(CFU/g)。

　　(2)颜色测定

　　采用全自动色差计测定样品颜色指标。在脱水蔬菜农业标准中，外观色泽是用来评价脱水蔬菜品质的一个重要指标。为了考察灭菌处理前后脱水菠菜的色泽变化，分别对原料和处理后样品进行测定。

　　实验重复3次，取其平均值，作为评价脱水菠菜处理前后色泽变化的依据。实验选用Lab表色系统，其中L*值表示亮度，其范围在0(黑)～100(白)，值越大，颜色越亮;a*值表示绿色值/红色值，其值越大表示绿色损失越严重;b*值表示蓝色/黄色值，值越大颜色越黄。

　　(3)叶绿素含量测定

　　叶绿素含量测定采用分光光度法。称取0.5g实验材料于试管中，在室温避光条件下用直接浸提法提取叶绿素，提取剂为丙酮:乙醇体积比1:1。每支试管加入提取剂10mL，不断摇动，直到叶片变白，定容至25mL，并以相应试剂为参比，分别在645nm和663nm波长处测定吸光度。每次实验重复3次。

　　叶绿素a含量：

　　叶绿素b含量：

　　叶绿素总含量：

　　Cab/(mg/g)=Ca+Cb

　　式中：A663nm为波长663nm的吸光度;A645nm为波长645nm的吸光度;V为提取液体积/mL;m为实验材料质量/g。

　　(二)结果与分析

　　1、红外辐射处理

　　(1)红外辐射对物料表面温度的影响

　　脱水蔬菜标准中规定，Z终产品含水率应≤8%。因此，在红外辐射阶段当脱水菠菜含水量降至安全水分时就停止加热，避免过高的温度对物料的品质造成破坏。燃气压力固定为2kPa，物料盘距红外辐射板距离为21cm时，红外辐射板表面平均温度达到(397.5±17.6)℃。

　　由下表可知，湿度为30%、20%和10%的脱水菠菜分别需要红外处理180、120、50s才可达到安全水分，即分别为不同含水率的物料量为(21.43±0.05)、(18.75±0.05)、(16.67±0.05)g降低到约15.00g所需时间。此时，物料表面温度分别为121.30、117.57、115.03℃，物料的初始温度为室温。

　　随着湿度增加，红外辐射所需时间增长，脱水菠菜表面达到瞬时高温，同时由于红外辐射具有穿透性，可以对细菌造成一定程度的损伤和致死效应。

　　(2)红外辐射杀菌效果

　　由上表可知，在红外辐射阶段，可以获得显著的细菌减少量。30%、20%和10%湿度下，细菌总数残活率对数值分别下降了1.00、0.63和0.42个数量级。在30%湿度下，由于物料湿度Z大，在红外辐射中处理的时间较长，所以灭菌效果Z佳。

　　在初始脱水菠菜中大肠杆菌MPN(大肠菌群Z可能数)为240CFU/g的情况下，经红外辐照后，原料中大肠菌群数已经降低到合格标准之内(MPN(CFU/g)≤100)。随着湿度增大、辐射时间延长，杀灭愈彻底。大肠菌群的耐热性较低，因此在红外短时间处理后易被杀灭。

　　2、保温处理杀菌效果分析

　　将未处理原料直接在不同温度下进行保温处理研究其灭菌效果。由下表可知，未进行红外辐射而直接进行保温处理的杀菌效果较低，远未达到脱水蔬菜的出口安全标准。红外辐射时间短，杀菌效率较单纯保温处理高，由上表可知，菌落数均未降低到5(lg(CFU/g))以下，仍未达到安全标准。红外辐射处理过程中物料水分逐渐散失，若继续延长红外辐射时间来增强杀菌效果，会导致物料表面温度过高，对物料品质造成较大破坏。

　　前人的研究表明，在高于100℃条件下处理短暂时间，再于较高温度下持续一段时间，易导致细菌的死亡。因此利用红外辐射和后续保温进行联合处理含菌量超标的脱水菠菜，既可以保证脱水菠菜品质又可使其达到合格标准。

　　3、红外辐射保温处理杀菌效果分析

　　红外辐射后大肠菌群数已降低到合格范围内，因此红外辐射保温处理仅对细菌总数的变化进行研究。在不同湿度、保温温度和保温时间下，测定脱水菠菜中细菌总数对数值如下图所示。

　　80℃保温时，在10%、20%、30%湿度下，细菌总数的对数值降低到5以下的次数分别为0、2、3次，表明随着物料湿度的增加，对细菌的杀灭效果逐渐增强。在低湿度条件下作为维持细胞活性的重要组成成分蛋白质的结构更加稳定，因此湿热灭菌效果较干热灭菌效果好。

　　前人的研究表明，在高水分活度情况下，微生物细胞膜被激活，细胞的敏感性增加，因此短暂的红外高温处理对较高湿度物料中的细菌杀灭效果更强，但都不同程度的对细胞造成了损伤。在短暂红外辐射处理后，迅速将物料置于高温下维持一定时间较关键，可以有效杀灭损伤的细菌。

　　不同湿度下90℃保温，在所有9次实验中脱水菠菜细菌总数对数值降低到5以下，均达到合格标准。将保温温度降低到80℃和70℃时，细菌总数对数值降低到5以下的次数都减少。随着保温温度升高和保温时间加长，杀菌效果也显著增强。由于前期红外辐射处理后，物料达到瞬时高温，其中不耐热微生物死亡，而造成损伤的耐热微生物在后期较高温度下保温，可以有效阻止其修复。

　　4、红外辐射保温处理与高温蒸汽灭菌效果分析

　　由上表可知，在相同处理时间下高温蒸汽较红外辐射灭菌效果好，由于蒸汽湿度较高，因此细菌更容易致死。70℃红外辐射保温处理仅后期保温阶段和70℃高温蒸汽灭菌仅后期热风阶段细菌总数相对减少量分别为-0.75和-0.51个数量级。

　　由于红外辐射升温迅速，同时具有高穿透效率，因此较高温蒸汽相比能够对细菌造成更大损伤，从而增强了后期保温阶段的灭菌效果。