响应面优化脉冲强光对煎饼表面
大肠杆菌的杀菌效果

唐明礼，王 勃，刘 贺，何余堂，惠丽娟，马 涛*

（渤海大学化学化工与食品安全学院，渤海大学粮油科学与技术研究所，辽宁 锦州 121013）

摘 要：采用脉冲强光对煎饼表面进行杀菌处理，研究脉冲强光对煎饼表面大肠杆菌的杀菌效果。在单因素试验基础上，利用响应面分析方法建立大肠杆菌数量降低对数值的二次多项数学模型，利用模型对脉冲能量、脉冲次数和脉冲距离及其交互作用进行分析。结果表明：脉冲强光可有效杀死煎饼表面的大肠杆菌，优化条件为脉冲能量500 J、次数40 次、距离10.9 cm，此时脉冲强光对煎饼表面大肠杆菌的数量可减少2.15 个对数值，提高了煎饼的货架期及食用安全性。

关键词：脉冲强光；煎饼；大肠杆菌；杀菌效果

Optimization of Pulsed Light Parameters for Enhanced Sterilization of E. coli on
Pancake Using Response Surface Methodology

TANG Ming-li, WANG Bo, LIU He, HE Yu-tang, HUI Li-juan, MA Tao*

(Grain and Oil Science and Technolgy Institute, Bohai University, College of Chemistry, Chemical Engineering and Food Safety,
Bohai University, Jinzhou 121013, China)

Abstract: Pulsed light was used for surface sterilization of pancake and the effect of pulsed light parameters on the logarithmic reduction of E. coli on pancake was explored by response surface methodology on the basis of single factor experiments. A quadratic polynomial model for the logarithmic reduction of E. coli on pancake as a function of pulsed light parameters was established to analyze the effects of pulse energy, number and distance, and their pairwise interactions.
E. coli on the surface of pancake could be effectively killed by using pulsed light. The pulsed light conditions were optimized as follows: pulse energy 500 J, pulse number 40, and pulse distance 10.9 cm. Under these conditions, pulsed light resulted in a reduction of 2.15 logarithmic units for E. coli on pancake, which in turn prolonged the shelf life and improved the microbiological safety.

Key words: pulsed light; pancake; E. coli; bactericidal effect

中图分类号：TS20 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）16-0091-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201416017

脉冲强光是一种非热杀菌技术，通过紫外线、光化学效应、光热效应、物理效应的综合作用杀死食品中的致病菌及腐败微生物[1-5]，可以延长食品的保藏期。利用脉冲强光处理样品既不影响食品感官和营养的品质，又能确保食品中微生物的安全，并具有能源消耗少、无残留有毒化合物、极大灵敏性等优点[6-11]，脉冲光能最大程度保持食品的色、香、味，在食品应用领域具有较广泛的应用[12]。

煎饼是中国传统食品之一，由五谷杂粮磨成面糊经过发酵或不发酵摊烙而成。但煎饼在熟制回软过程中容易受到二次污染，造成产品滋生大肠杆菌。大肠杆菌（Escherichia coli）是肠道中的寄居菌，有时能够产生毒素，引起人和动物致病[13-14]。食用被大肠杆菌污染的食品会出现呕吐、恶心、腹痛等病状[15]。同时大肠杆菌也用于食品粪源性污染卫生监测的指示菌，故控制和杀灭煎饼中的大肠杆菌对于提高煎饼的食用安全性具有重要意义。

本实验以大肠杆菌数量降低的对数值为指标，研究脉冲强光的脉冲能量、脉冲次数、脉冲距离对煎饼表面大肠杆菌的杀灭效果，并对其杀菌条件进行优化，为延长煎饼货架期、提高食用安全性提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

煎饼（蛋白质：11.5 g/100 g、脂肪：2.8 g/100 g、碳水化合物：72.5 g/100 g、水分：13.2 g/100 g） 本溪寨香生态农业有限公司。

煌绿乳糖胆盐（BGLB）肉汤、月桂基硫酸盐胰蛋白胨（LST）肉汤 北京奥博星生物技术有限责任公司。

1.2 仪器与设备

ZWB-I-01（LA50-800H）脉冲强光 宁波中物光电杀菌技术有限公司；GMSX-280手提式压力蒸汽灭
菌器 北京市永光明医疗仪器有限公司；DHP-9082电热恒温培养箱 上海一恒科学仪器有限公司；HH-6数显恒温水浴锅 金坛市鑫鑫试验仪器厂；AR224CN电子天平 奥豪斯仪器（上海）有限公司；THZ台式恒温振荡器 太仓市实验设备厂。

1.3 方法

1.3.1 脉冲强光处理

脉冲强光能够产生200～1 100 nm波长范围的光，工作电压2 800 V、最高能量500 J、最大次数100 次，可显著杀灭食品中的微生物，其杀菌原理如图1所示。在无菌条件下，将25.00 g的样品均匀地分布在无菌的石英板上，通过调整石英板来实现样品与脉冲氙灯之间的距离，根据实验条件设定操作界面上脉冲能量和脉冲次数对样品进行杀菌处理。脉冲强光处理后，处理组和未处理组直接进行大肠杆菌计数。

图 1 脉冲强光杀菌装置原理图

Fig.1 Schematic diagram of sterilization device with pulsed light

1.3.2 大肠杆菌的计数

采用GB 4789.2—2010《食品卫生微生物学检验：大肠杆菌测定》方法计数。

1.3.3 单因素试验设计

选取脉冲能量为100、200、300、400、500 J，脉冲次数为25 次，脉冲距离为11.8 cm，研究脉冲能量对大肠杆菌数量降低对数值的影响。

选取脉冲次数为15、20、25、30、35、40 次，脉冲能量为300 J，脉冲距离为11.8 cm，研究脉冲次数对大肠杆菌数量降低对数值的影响。

选取脉冲距离为10.9、11.8、12.7、13.6、14.5、15.4 cm，脉冲能量为300 J，脉冲次数为25 次，研究脉冲距离对大肠杆菌数量降低对数值的影响。

1.3.4 响应面法优化脉冲强光对煎饼表面杀菌效果的影响

在单因素试验基础上，利用Design Expert（version 8.0.6）软件以脉冲能量、脉冲次数、脉冲距离为考察变量，分别以A、B、C表示，以对数值Y为响应值，以
＋1、0、－1分别代表自变量的高、中、低水平，按方程

xi=

Xi－X0

X

对自变量进行编码。其中，xi为自变量的编码值，Xi为自变量的真实值，X0为试验中心点处自变量的真实值，X为自变量的变化步长[16-18]。因子编码及各自变量水平见表1。

表 1 试验因素水平及编码

Table 1 Factors and coded levels used in response surface methodology

注：表中各自变量编码值与真实值之间的关系为x1=（X1－400）/100，x2=(X2－35)/5，x3=（X3－11.8）/0.9。

1.3.5 微生物计数

采用大肠杆菌数量降低对数值分析各因素对脉冲强光杀菌效果的影响[19-20]。

式中：N0为脉冲前煎饼表面大肠杆菌数；N为脉冲后煎饼表面大肠杆菌数；lgS为杀菌前后大肠杆菌数量降低的对数值。

2 结果与分析

2.1 脉冲能量、次数和距离对煎饼表面大肠杆菌的影响

图 2 脉冲能量对煎饼中大肠杆菌杀菌效果的影响

Fig.2 Effect of pulse energy on E. coli sterilization on pancake

为考察脉冲能量对大肠杆菌杀菌效果的影响，以脉冲能量为横坐标，大肠杆菌数量降低的对数值为纵坐标，绘制趋势图，由图2可知，脉冲能量对煎饼中大肠杆菌具有明显的致死作用，随着能量的增加，脉冲强光对大肠杆菌的杀菌效果逐渐增强，300 J以上时杀菌效果趋于平缓，在400 J时煎饼表面大肠杆菌数量可以减少2 个对数值。

图 3 脉冲次数对煎饼中大肠杆菌杀菌效果的影响

Fig.3 Effect of pulse number on E. coli sterilization on pancake

图3显示在脉冲能量300 J、脉冲距离11.8 cm时，脉冲次数对煎饼表面大肠杆菌数量减低对数值的影响。当脉冲次数达到30 次时，曲线逐渐趋于平缓，当脉冲次数是40 次时，大肠杆菌的数量可减少1.60 个对数值。

图 4 脉冲距离对煎饼中大肠杆菌杀菌效果的影响

Fig.4 Effect of pulse distance on E. coli sterilization on pancake

图4为脉冲强光距离对大肠杆菌数量减少对数值的影响，可看出杀菌效果与脉冲距离成反比。在脉冲距离为10.9 cm时，大肠杆菌减少1.4 个对数值。

2.2 试验模型的建立及显著性检验

表2列出了试验设计及其结果。利用Design Expert软件对表2中的数据进行多元回归拟合，得到脉冲强光对脉冲能量（X1）、脉冲次数（X2）、脉冲距离（X3）二次多项回归方程。并对该模型进行方差分析及模型系数显著性检验。模型方差分析见表3，回归模型系数显著性检验见表4。

表 2 响应面试验设计及其结果

Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

依据表2的试验结果，利用Design-Expert软件对数据进行回归分析，拟合后得到脉冲能量（X1）、脉冲次数（X2）、脉冲距离（X3）的二次多项回归方程：Y=1.63＋0.28X1＋0.32X2－0.052X3＋0.26X1X2＋0.01X1X3＋0.08X2X3－0.45X12＋0.036X22－0.074X32。

表 3 脉冲强光对煎饼表面大肠杆菌杀菌效果回归模型的方差分析结果

Table 3 Analysis of variance for the regression equation for E. coli sterilization by pulsed light on pancakes

表 4 回归方程系数显著性检验

Table 4 Significance test of the coefficients in the regression equation

由表3方程回归模型方差分析（ANOVA）可得：F=19.02＞F0.01（9,4）=14.66，P值为0.000 4，表明模型方程极显著。失拟项P=0.259 7＞0.05，不显著。模型的校正决定系数（R2Adj）为0.910 2，说明该模型能解释91.02%响应值的变化，该方程与实际拟合得较好，能有效反应脉冲强光杀菌效果与脉冲能量、脉冲次数、脉冲距离之间的关系，因此所得的方程能预测响应值随各参数的变化规律。

从表4的回归方程系数显著性检验可知，一次项中X1（P＜0.01）和X2（P＜0.01）的偏回归系数极显著，说明脉冲能量和次数对脉冲强光杀菌效果有显著影响，X3（P＞0.05）的偏回归系数不显著，说明脉冲距离对脉冲强光杀菌效果的影响不显著。交互项X1X2（P＜0.01）的交互作用对灭菌率的影响极显著，X1X3和X2X3的P值大于0.05，说明它们对灭菌效果的影响不显著。综合上述分析得知，各因素对响应值的影响程度为X1（脉冲能量）＞X2（脉冲次数）＞X3（脉冲距离）。

2.3 脉冲强光对煎饼表面大肠杆菌数量的响应面分析

利用Design-Expert软件对回归方程构建响应面分析图。图5为脉冲距离11.8 cm时，脉冲能量和次数对煎饼表面大肠杆菌杀菌效果的影响，根据等高线可看出，固定脉冲能量，杀菌效果随脉冲次数的增加逐渐增强。图6为固定脉冲光次数35 次，脉冲能量和距离对杀菌效果的影响，根据等高线可看出，在脉冲距离10.9～12.7 cm、脉冲能量300～430 J范围内，固定脉冲距离，杀菌效果与脉冲能量成正比。图7为脉冲能量400 J，脉冲次数和距离对大肠杆菌杀菌效果的影响，根据图7得知，固定脉冲距离，杀菌效果随脉冲次数的增加而增加。

图 5 脉冲能量、次数及其相互作用对煎饼表面大肠杆菌杀菌效果的
响应面和等高线图

Fig.5 Response surface and contour plots showing the effects of pulse energy, number and their mutual interactions on the logarithmic reduction of E. coli on pancake

图 6 脉冲能量、距离及其相互作用对煎饼表面大肠杆菌杀菌效果的
响应面和等高线图

Fig.6 Response surface and contour plots showing the effects of pulsed energy, distance and their mutual interactions on the logarithmic reduction of E. coli on pancake

图 7 脉冲距离、次数及其相互作用对煎饼表面大肠杆菌杀菌效果的
响应面和等高线图

Fig.7 Response surface and contour plots showing the effects of pulsed distance, number and their mutual interactions on the logarithmic reduction of E. coli on pancake

根据二次多项式的回归方程，结合回归模型的数学分析，对回归方程进行一阶偏导并令等于零，得到响应面的最大值点[21]。整理可得出最佳条件参数为脉冲能量为436.06 J、脉冲次数39.79 次、脉冲距离11.2 cm，此时脉冲强光对煎饼表面大肠杆菌数量可减少2.1 个对数值。根据脉冲强光的设备要求以及杀菌效果，将最佳杀菌条件调整为脉冲能量500 J、脉冲次数40 次、脉冲距离10.9 cm。为证实试验结果，用试验中得到的最佳条件重复实验3 次并取平均值，大肠杆菌的数量可减少2.15 个对数值，与预测值基本一致，说明该方程与实际情况拟合的较好，充分验证了模型的正确性，说明响应面法适用于脉冲强光对煎饼杀菌条件的回归分析和参数优化。

3 结 论

本研究在单因素试验基础上利用响应面法建立了脉冲强光对煎饼大肠杆菌杀菌的二次多项数学模型，经检验该模型合理有效，可用于实际预测。脉冲强光杀灭煎饼表面大肠杆菌的优化条件为脉冲能量为500 J、脉冲次数40 次、脉冲距离10.9 cm，在此条件下，大肠杆菌数量可减少2.15 个对数值。

微生物的类型能够影响脉冲强光的杀菌效率，Aderson等[3]认为不同种类微生物对脉冲强光的敏感性为革兰氏阴性菌大于革兰氏阳性菌。大肠杆菌是革兰氏阴性菌，故脉冲强光对煎饼中的大肠杆菌具有较好的杀灭效果。马凤鸣等[22]使用脉冲强光对大肠杆菌杀菌得到90%以上的杀菌率。有研究[23-25]使用脉冲强光分别对鲜切蘑菇、苹果汁和菌悬液进行了处理，大肠杆菌的数量分别减少了3.03、4、7 个对数值。已有研究只做了脉冲强光单因素的影响，并没有对杀菌条件进行优化，本实验对杀菌条件进行了优化并得到较好的杀菌效果，故脉冲强光杀灭煎饼表面大肠杆菌具有一定的可行性。

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