毛雪杰，吴劲锋，李晓伟，常兵兵，胡为江

(1.甘肃农业大学机电工程学院，兰州市，730070；2.甘肃正生酵母科技有限公司，甘肃白银，730900)

0 引言

西瓜(学名：Citrullus lanatus(Thunb.)Matsum.et Nakai)一年生蔓生藤本，属于葫芦科植物，西瓜成熟季节性强、不易贮藏，目前每年都有大量的西瓜未能得到有效利用。每年约有60%左右的西瓜用在鲜食上，若将40%的尾瓜加工成西瓜汁，不仅能实现西瓜的综合利用，减少瓜农经济损失，也能促进西瓜的产业化加工进程。在西瓜汁生产线各加工工艺中，杀菌工艺则是极其重要的一个环节。

目前对于生产线上杀菌工艺已有一些研究，主要运用到的技术有超高压、高压二氧化碳、强脉冲磁场等，如刘野等[1]利用超高压对鲜榨西瓜汁杀菌效果的研究，结果表明600 Mpa，60 min超高压处理后的西瓜汁中的微生物指标符合《果、蔬汁饮料卫生标准的要求》；高梦祥等[2]利用脉冲磁场对西瓜汁进行杀菌试验，研究表明磁场强度7.59 T，脉冲数15，西瓜汁温度20 ℃最佳参数下，西瓜汁的菌落总数和大肠杆菌数可达到商业无菌要求；但由于超高压处理所需压力大，对设备要求比较高，脉冲磁场杀菌机理尚没有得到充分研究，相关研究仍停留在实验室阶段[3]。微波杀菌作为一种新型杀菌技术，然而未见其对西瓜汁进行处理的相关报道。

微波技术，是一种新型杀菌技术，利用波长在0.1～1 000 mm、频率在300～300 000 MHz的电磁波使细菌膜断层的电位分布影响细胞膜周围的电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透性能，细菌因此营养不良，不能正常新陈代谢，生长发育受阻碍死亡[4-6]；从频率角度来说，微生物各种组织都有固有频率，当微波频率与某组织的固有频率相同时，该组织就产生谐振，从而吸收能量，当该组织吸收的能量超过某一阈值时，就会引起生物效应而致死。

微波杀菌正是利用电磁场效应和生物效应起到对微波生物的杀灭作用，这使其更具有在液体食品杀菌上的优势。微波杀菌技术目前在果蔬汁的应用研究较多。其中曾小峰等[7]研究热处理杀菌和微波杀菌方式对血橙汁品质的影响，结果表明微波杀菌方式相对于热处理杀菌能更好的保留营养成分，更利于血橙汁的品质保证。李根等[8]研究微波和巴氏杀菌对NFC苹果汁品质的影响，结果表明微波杀菌相对于巴氏杀菌更好地保持了果汁原有的颜色、营养成分，也更好地起到灭酶的效果。

然而未见微波杀菌技术对葫芦科等热敏性农作物进行处理的相关报道。由于微波技术可以较好地控制物料温度，所以利用微波技术对西瓜汁进行杀菌研究是十分有意义的。

因此，本研究采用微波技术对西瓜汁进行杀菌试验研究并通过理化特性的测量，分析其杀菌效果及理化指标、风味等的变化。

1 材料与方法

1.1 试验设备、仪器及材料的制备

试验主要设备和仪器有：HWI-3箱式微波真空干燥机，整机功率为6.6 kW，微波功率为3 kW，微波频率为2 450±50 MHz；LX-B150L型立式自动电热压力蒸汽灭菌器；DHP-9162型电热恒温培养箱一台；VD850型超净工作台；美的搅拌机(MJ-BL25B2)；希玛彩屏红外线测温仪(AR320+)。辅助性器材有电子天平、锥形瓶、量筒、玻璃试管15×150 mm；2 mL式胶头滴管、移液枪、培养皿、50 mL聚四氟乙烯瓶等。

1.2 样品与培养基的制备

试验选取靖远旱砂西瓜作为试验材料，首先选用新鲜、完整成熟良好的西瓜，用纯净水清洗干净取其瓜瓤，进行打浆，经300目尼龙过滤袋过滤，取其瓜瓤和瓜籽混合过滤液作为试验原液。根据食品安全国家标准GB 4789.2—2016《食品微生物学检验菌落总数测定》[9]制备培养基。

1.3 试验因素与指标确定

1.3.1 微波功率对鲜榨西瓜汁微生物和品质的影响

将鲜榨西瓜汁放入聚四氟乙烯瓶中密封，置于微波装置腔体托盘内，分别设置2 kW、3 kW、4 kW、5 kW 的微波功率参数，设定初始温度和微波处理时间为30 ℃、180 s，待微波杀菌处理完成后，取出处理后的西瓜汁，待冷却至常温后，将做密封保存处理后的鲜榨西瓜汁与冷却后的试验样品一并放入4 ℃实验室冰箱内待测[6, 10]。

1.3.2 微波处理时间对鲜榨西瓜汁微生物和品质的影响

将鲜榨西瓜汁放入聚四氟乙烯瓶子中密封，置于微波装置腔体托盘内，分别设置微波处理时间60 s、120 s、180 s、240 s、300 s，并设定微波功率和温度为3 kW、30 ℃，待微波杀菌处理完成后，取出处理后的西瓜汁，待冷却至常温后，将做密封保存处理后的鲜榨西瓜汁与冷却后的试验样品一并放入4 ℃实验室冰箱内待测[6]。

1.3.3 样品初始温度对鲜榨西瓜汁微生物和品质的影响

将鲜榨西瓜汁，分别进行10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃样品初始温度处理，放入聚四氟乙烯瓶子中密封，置于微波装置腔体托盘内，分别设置微波功率参数为3 kW，微波处理时间为180 s，待微波杀菌处理完成后，取出处理后的西瓜汁，待冷却至常温后，将做密封保存处理的鲜榨西瓜汁与冷却后的试验样品一并放入4 ℃实验室冰箱内待测。

1.3.4 响应面试验及验证方案

根据单因素试验结果分析，利用Box-Benhnken中心组合试验设计，进行三因素三水平响应面试验设计[11]。利用Design Expert软件分析获得工艺优化参数，以最优工艺参数为试验条件，进行验证试验，试验编码表如表1所示。

表1 响应面设计因素水平编码表

1.3.5 理化指标测定方案

以可滴定酸、总糖、可溶性固形物含量、Vc含量、pH值为指标，比较试验样品处理前后对理化性质的影响。按果汁行业标准SB/T 10203—1994进行测定[12]，pH值采用便携式pH计直接测定，总糖以及可滴定酸均采用直接滴定法，可溶性固形物的含量常温下采用手持式折光仪测定，Vc采用2,6-二氯靛酚法测定。

1.3.6 感官评定分析方案

建立感官描述语及其定义、参考样，如表2所示，设置2～3个以上的参考点[13]。取对照组鲜榨西瓜汁、经过微波处理和水浴处理后的西瓜汁，分别进行样品标注1～3，由品评小组(20人)按照评定标准在西瓜汁感官评价表上，如表3所示，进行打分，各指标均采用15分制，取20位评价员的平均值作为最终打分结果[14]。

表2 西瓜汁感官评定参考

表3 西瓜汁感官评价表

2 试验结果分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 不同微波功率对鲜榨西瓜汁杀菌效果的影响

调整微波杀菌装置的功率，对初始温度为30 ℃的试验原液分别进行180 s，不同功率的杀菌试验。经过菌落总数的培养，观察计算试验原液和试验样品的菌落总数的变化，结果如图1所示。由图1可知，在初始温度为30 ℃和微波处理时间为180 s的固定杀菌条件下，随着微波功率的不断升高，鲜榨西瓜汁中的菌落总数对数值显著减少。为了更好地描述杀菌效果，将对不同微波功率下的杀菌率(试验所得菌落数和对照组菌落数之差与对照组菌落数比值)进行分析比较[15]。当微波功率为2 kW时，杀菌率为18.5%，当微波功率为3 kW时，杀菌率达到62.4 %，故在3 kW的微波功率时杀菌效果要远好于微波功率为2 kW时；当微波功率为5 kW时，杀菌率到达95.5%，杀菌效果最好，且菌落总数对数值0.29<2(细菌总数<100 CFU/mL)，符合国家强制性标准GB 1929 7—2003《果、蔬汁饮料卫生标准》[16]规定。由此可知，微波功率的升高有利于杀灭微生物。

图1 微波功率对鲜榨西瓜汁菌落总数的影响

2.1.2 不同微波处理时间对鲜榨西瓜汁杀菌效果的影响

调整微波处理时间，对初始温度为30 ℃的试验原液在微波功率为3 kW的固定条件下，分别进行杀菌试验。经过菌落总数的培养，观察计算试验原液和试验样品的菌落总数的变化，结果如图2所示。由图2可知，在样品初始温度为30 ℃和微波功率为3 kW的固定条件下，随着微波处理时间的不断增加，鲜榨西瓜汁中的菌落总数对数值明显处于下降趋势。微波处理时间为60 s时，其杀菌率为36.1%，与对照组相比下降幅度比较大；在微波处理时间120 s和180 s时，其菌落总数对数值下降趋势不明显，说明微波处理时间为120 s和180 s时，灭菌效果相差不大；微波处理时间为240 s时，杀菌率达到82.8%，其菌落总数对数值为1.1，已符合国家强制性标准GB 19297—2003《果、蔬汁饮料卫生标准》[16]规定；值得注意的是微波处理时间为300 s时，未检测到菌落总数，说明微波处理对鲜榨西瓜汁有很好的杀菌效果。

图2 微波处理时间对鲜榨西瓜汁菌落总数的影响

微波的非热生物效应及其生物学机理：微波场会使细胞膜附近的电荷和膜电位发生变化，细菌细胞膜离子通道和膜通透性发生异常改变，导致膜功能障碍，细胞的正常代谢功能和生理活动受到干扰破坏，微生物细胞的生长受到抑制和死亡。对于微波功率升高更有利于杀灭微生物这一结论的原因可能是随着微波功率的增大，电场强度逐渐增强，加速了细胞膜附近的电荷和膜电位的运动速率，从而增强了杀灭微生物的效果。

2.1.3 不同样品初始温度对鲜榨西瓜汁杀菌效果的影响

调整样品初始温度，对试验原液在微波功率为3 kW，微波处理时间为180 s的固定条件下，分别进行杀菌试验。经过菌落总数的培养，观察计算试验原液和试验样品的菌落总数的变化，结果如图3所示。

图3 样品初始温度对鲜榨西瓜汁菌落总数的影响

由图3可知，在微波处理时间为180 s和微波功率为3 kW 的固定的条件下，样品不同的初始温度，其杀菌效果也随之变化。样品初始温度为10 ℃、20 ℃、30 ℃ 时，其杀菌率分别为29.5%、42%、65.5%，与对照组菌落总数相比，杀菌率呈明显下降趋势；当初始温度为40 ℃和50 ℃时，其杀菌效果明显趋于平缓，在样品初始温度为50 ℃时，其菌落总数对数值为1.5，虽已符合国家强制性标准GB 19297—2003《果、蔬汁饮料卫生标准》[16]的规定，但菌落总数对数值偏高，造成上述结果的原因可能是经过微波处理时间180 s之后，当温度达到一定高度时，此时的杀菌效果已经达到峰值，随着样品初始温度的升高，对其杀菌效果已影响较小。

2.2 响应面分析结果

2.2.1 响应面分析试验设计及结果

根据前期单因素试验的研究结果，以微波功率、微波处理时间、样品初始温度为试验因素，以细菌总数对数值为试验指标进行响应面设计试验，用X1表示微波处理时间、X2表示微波功率、X3表示样品初始温度、Y表示细菌总数对数值，应用Design-Expert 8.0.6软件进行Box-Behnken中心组合试验设计并确定西瓜微波杀菌工艺的最佳参数组合，每组试验重复3次，试验设计方案如表4所示。

表4 响应面分析试验设计

通过对表4中试验数据的二次多项回归拟合，获得细菌总数对数值的回归方程

Y=0.9-0.70X1-0.84X2-0.52X3+

0.08X1X2+0.28X1X3+0.30X2X3-

0.059X12+0.50X22+0.30X32

2.2.2 回归模型建立与显著性分析

回归模型及各因素的显著性分析结果如表5所示，模型的F值为17.69，表明该模型具有显著性，模型P值=0.000 5<0.01，表明该模型是非常显著的。其中Radj2=0.903 7，其含义是该回归模型反应响应值变化的程度为90.37%，表明其拟合度良好，杀菌试验准确性良好，建立的回归模型较准确地描述了响应值与各个试验因素之间的关系。

表5 回归模型及各因素的显著性分析

由表5可知，回归模型的一次项系数X1的P值<0.000 1，说明达到了极显著水平，X1、X2、X3、X22的P值均小于0.05，说明均是模型显著项，因此在试验因素水平的可取范围内，各因素对细菌总数对数值的影响大小依次为：微波处理时间>微波功率>样品初始温度。

2.2.3 试验结果验证

采用Design Expert软件进行优化分析，根据响应面设计已建立的数学模型在试验范围内优化得到的最优条件为：微波处理时间为180 s、微波功率为3 kW、样品初始温度为30 ℃，此时对应西瓜汁中的菌群总数对数值为1.98，较对照组(6.38)降低了4.4个对数值，达到了国家强制性标准GB 19297—2003《果、蔬汁饮料卫生标准》[16]的规定值。

为验证试验结果，以上计算所得的最优工艺参数为处理条件，进行3次平行验证试验。并将微波杀菌和水浴杀菌对西瓜汁理化特性和风味的影响进行对比，如表6所示，菌落总数大致相同的情况下，其理化性质还是有一定的差距。

表6 微波处理对西瓜汁理化性质的影响

其中总糖和可滴定酸与对照组相比相差不大，说明这两种杀菌方式对西瓜汁的总糖和可滴定酸含量影响甚微；两种杀菌方式对可溶性固形物含量的影响存在显著性差异；两种杀菌处理对pH值和Vc含量的影响比较明显，果汁中Vc含量降低一般是因为受到热环境的影响。对比来看，微波处理对西瓜汁的理化特性影响相对较小，与鲜榨西瓜汁的营养成分更接近。

2.3 感官评定

对西瓜汁的感官评价分别从色泽、香气、滋味、外观、口感等5个方面进行了评定，结果如图4所示。

图4 微波处理西瓜汁汁定量描述分析法感官评价结果

从色泽方面来说，微波处理比水浴处理较好地保留了西瓜汁原有的色泽，水浴处理明显加深了鲜榨西瓜汁的颜色；从香气方面来说，鲜榨西瓜汁气味主要是由于壬醛、反-2-壬烯醛、香叶基丙酮等成分的存在，使瓜汁散发青草、黄瓜以及甜味，水浴处理后的西瓜汁没有了清香味，取而代之的是脂味和刺鼻味，而微波处理后的瓜汁虽不及鲜榨西瓜汁，但也较好地保留了原有的香气；从滋味方面来说，鲜榨西瓜汁以甜为主味调，经过微波处理后的西瓜汁有明显的酸味，水浴处理后的西瓜汁出现了不明异味，两者相比较，微波处理比水浴处理更接近于鲜榨西瓜汁的味道。从外观上来讲，鲜榨西瓜汁色泽光亮，光照通透度好，水浴处理后的瓜汁颜色明显加深、沉淀增多、较浑浊，微波处理与水浴处理后的瓜汁从颜色、沉淀物等方面来比较，微波处理后的瓜汁更好。从口感方面来讲，黏稠度相差不大，微波处理后的瓜汁余香、余味略有下降，水浴处理的瓜汁下降幅度稍大。

综合以上描述：水浴处理后的西瓜汁加深了瓜汁颜色，增加了某种成分使其散发出了刺鼻味，破坏了原有的滋味，沉淀物也明显增多。但微波处理后的西瓜汁保留了一定程度的香气，滋味略带酸但未出现异味，较好地保留了鲜榨西瓜汁的风味和口感，感官评价上综合表现十分优异。

3 结论

本文以旱砂西瓜汁为研究对象进行了不同微波功率、微波处理时间和样品初始温度3个因素下杀菌效果的试验验证和分析。其次通过相应曲面分析的方法研究了以上3个因素对西瓜汁理化指标和感官评定的影响程度。

1)通过从微波功率、微波处理时间、样品初始温度3个因素进行单因素试验，结果表明在样品初始温度为30 ℃和微波处理时间为180 s的固定条件下，微波功率越大，杀菌效果越好；在样品初始温度为30 ℃和微波功率为3 kW的固定条件下，随微波处理时间增长，菌落总数减少，在300 s时已检测不到微生物；在微波功率为3 kW和微波处理时间为180 s的固定条件下，初始温度对微生物影响从强趋向弱。

2)运用Design Except软件，进行响应面设计试验，对其回归模型及各因素之间进行了显著性分析，结果表明各因素对细菌总数的影响大小依次是：微波处理时间>微波功率>样品初始温度，得到的最优试验条件为：微波处理时间为180 s、微波功率为3 kW、样品初始温度为30 ℃。

3)通过感官评价分析，比较了相同的样品在达到完全杀菌效果时，微波和水浴杀菌对西瓜汁理化特性和风味的影响。结果表明，无论对果汁的理化指标还是风味，微波处理均优于传统水浴杀菌处理。并对西瓜汁的感官评价分别从色泽、香气、滋味、外观、口感等5个方面进行了评定，结果表明：水浴处理后的西瓜汁加深了瓜汁颜色、增加了某种成分使其散发出了刺鼻味、破坏了原有的滋味，沉淀物也明显增多。但微波处理后的西瓜汁保留了一定程度的香气，滋味略带酸但未出现异味，较好的保留了鲜榨西瓜汁的风味和口感，感官评价上综合表现十分优异。