催化式红外辐射对葡萄籽灭菌的影响

付瑞鹏 王 华 ，2，3* 张 昂 李 华 ，2，3

（1 西北农林科技大学葡萄酒学院 陕西杨凌 712100

2 陕西省葡萄与葡萄酒工程研究中心 陕西杨凌 712100

3 西北农林科技大学葡萄与葡萄酒（合阳）试验站 陕西合阳 715300

4 秦皇岛出入境检验检疫局检验检疫技术中心 河北秦皇岛 066004）

葡萄籽是葡萄酒产业的主要固体废弃物，占葡萄鲜果质量的5%～10%[1-3]。葡萄籽含油量达6%～22%，其中不饱和脂肪酸含量高达90%[4]，而且葡萄籽油还含有多种微量元素、脂溶性维生素和抗氧化物质，营养丰富，具有多种生理作用，如抗氧化，抗炎症，预防心脑血管疾病等[5-6]，因此葡萄籽主要用于葡萄籽油加工。在生产葡萄酒过程中，葡萄籽主要从葡萄皮渣中分离而得，含有大量的水分、糖和微生物[7]。葡萄籽表面微生物大量繁殖，使得葡萄籽腐败变质，造成巨大的经济损失[8]。干燥是食品行业中的重要环节，不仅可以延长食品的贮藏期，还具有杀菌效果[9-10]。食品工业普遍采用对流干燥法加工物料，然而对流干燥存在能耗大，能源利用率和干燥速率低，终产物品质差等问题[11]。

对于微生物的灭菌，普遍采用高温蒸汽法，然而该方法存在加工时间长，能耗大，产品质量不高等缺点[12]。而红外辐射灭菌技术具有辐射效率高，加热时间短，热传递速率高，产品质量高等优点[13]，尤其是先进的催化式红外技术已广泛应用于食品干燥、护色和杀菌[14-16]。目前对葡萄籽的灭菌研究还未见报道。红外辐射技术是利用辐射传热的方式加热，当红外辐射频率与照射物料中的水分热运动频率一致时，红外辐射会被吸收转化成水分子的热运动，导致物料温度升高，水分损失[17]。本文利用天然气催化式红外辐射技术进行葡萄籽的灭菌处理，对灭菌效果进行分析，并对处理后葡萄籽的颜色及葡萄籽油的品质和产量进行评价，以期对后续葡萄籽油提取的优化试验提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验在美国加州大学戴维斯分校进行。葡萄籽（葡萄品种 ‘赤霞珠’），美国Santa Rosa的Sonomaceutical葡萄酒公司。葡萄籽的初始含水量和粗脂肪含量分别为11.43%和13.93%（d.b）。

1.2 试验试剂

平板琼脂计数培养基、n-正己烷（色谱纯试剂）、氢氧化钾、三氯甲烷、冰乙酸、碘化钾、硫代硫酸钠标准液、四氯甲烷（均为分析纯试剂），美国Sigma-Aldrich公司。

1.3 试验仪器与设备

催化式红外发生器，美国Catalytic Drying Technologies公司；手持红外测温仪，美国Fluke公司；PG2002-S电子天平，美国Mettler Toledo公司；CR-400 Konica Minolta色彩色差仪，日本Minolta公司；植物粉碎机，美国Steinlit公司；磁力搅拌器，美国Corning公司；真空泵，美国Welch公司；R-205旋转蒸发仪，美国Buchi分析公司；637G电热鼓风干燥箱，美国Colorado Springs公司；C24KC温控摇床，美国Edison公司；5804 R Eppendorf离心机，美国Government Scientific Source公司。

1.4 试验方法

1.4.1 红外辐射处理 开启系统的天然气开关之前，需要先对红外发生装置进行预热，使温度达到天然气进行催化反应所需要的温度。预热30 min后开启天然气开关进行通气反应，利用天然气催化式红外线对葡萄籽进行单面红外辐射。红外处理条件：物料距红外辐射距离为18 cm。将葡萄籽均匀平铺在物料盘中进行试验。

1.4.2 保温处理 微生物在瞬间加热后抗热性会变强，而在较高温度下维持一段时间可以达到更好的灭菌效果[16]。为了研究保温处理对葡萄籽品质和灭菌效果的影响，将红外处理后的样品迅速装入无菌瓶中，置于60℃和75℃条件下分别保温10，20，60 min。每个试验重复3次。

1.4.3 红外辅助法提取葡萄籽油工艺 通过前期预试验，获得葡萄籽油最佳提取条件：葡萄籽粒度0.8～1.0 mm，料液比为1∶5 g/mL，提取温度 50℃，磁力搅拌器转速200 r/min，提取时间60 min。称取红外辐射处理后葡萄籽30.0 g，粉碎后置于圆底烧瓶中，以n-正己烷为提取溶剂，按照上述条件进行提取。

1.5 指标测定方法

1.5.1 微生物测定 依据Erdogdu等[8]所述的方法对葡萄籽中细菌总数进行测定，结果以每克葡萄籽（干重）所含细菌总数的对数值来表示（lg CFU/g）。

1.5.2 颜色测定 采用色差分析仪测定样品颜色指标。为考察灭菌处理前、后葡萄籽的色泽变化，分别对原料和处理后样品进行测定。试验重复3次，取其平均值。试验选用Lab表色系统[16]，其中L*值表示亮度，数值越大，颜色越亮；a*值表示绿色/红色值，数值越大表示颜色越红；b*值表示蓝色/黄色值，数值越大颜色越黄；△E值表示颜色变化。

1.5.3 葡萄籽油酸值、过氧化值和碘值的测定 按照AOAC所述方法测定葡萄籽油得率[18]。按照AOCS所述方法分别测定葡萄籽油酸值、过氧化值和碘值[19]。

1.6 数据处理与统计分析

每个试验重复3次，采用Excel录入试验数据。利用SPSS Statistics 17软件统计，平均值显著水平为5%。

2 结果与分析

2.1 红外辐射联合保温处理灭菌效果分析

未处理的葡萄籽中细菌总数（Total aerobic bacterial counts，TAB）的对数值为4.89 lg CFU/g。由图1a可见，随着保温温度升高、保温时间延长，葡萄籽中细菌总数逐渐降低，然而总体杀菌效果较差。由图1b可见，单独进行红外辐射处理（IR），随着辐射时间延长，葡萄籽中细菌总数迅速降低，杀菌效率比单纯保温处理高。红外辐射使物料表面瞬时达到高温，破坏物料表面微生物细胞的DNA、RNA、核糖体、细胞膜和蛋白质等结构，从而杀灭细菌；另外，红外辐射属于分子转动光谱，微生物在辐射源下产生剧烈的转动效应，破坏其营养细胞或酶系统，进而造成其死亡[10]。延长红外辐射处理时间能够增强灭菌效果，然而长时间处理会导致物料表面温度过高，破坏物料品质。有研究表明，100℃以上高温短暂时间处理脱水蔬菜，再于较高温度下保温处理一段时间，可以提高细菌的死亡率[16]。

本试验利用红外辐射和后续保温进行联合处理葡萄籽，既要杀灭细菌，又要尽量减少对葡萄籽品质的破坏。在不同保温温度和保温时间下，测定葡萄籽中细菌总数对数值（图1b）。葡萄籽在红外辐射处理后，分别置于60℃或75℃保温10，20，60 min，结果显示保温处理后葡萄籽中细菌总数显著降低。其中当红外辐射98 s、75℃保温60 min（处理记为IR-H（75℃）-60 min）时，葡萄籽中细菌总数降到最低，为1.66 lg CFU/g，比单独辐射处理的物料细菌总数降低43.14%，比单独保温处理的物料细菌总数降低57.65%，比未处理的物料细菌总数降低65.99%。随着前期红外辐射时间延长，后期保温温度升高和保温时间延长，杀菌效果也显著增强。物料经过前期红外辐射处理，瞬时高温杀死不耐热的微生物，对耐热的微生物也造成损伤，再通过后期的高温保温处理，可以有效阻止其恢复[20]。

图1 不同条件处理后葡萄籽中细菌总数的对数值Fig.1 Effects of infrared radiation with heat insulation treatments on the total bacterial counts in grape seeds

2.2 红外辐射联合保温处理对葡萄籽颜色的影响

颜色是葡萄籽油的重要品质指标之一，是感观评价最直接的标准。葡萄籽的质量决定了葡萄籽油的品质。未处理的葡萄籽L*为31.74，a*为10.50，b*为12.89。经过不同红外辐射保温处理后，葡萄籽的颜色变化如图2所示。

由图2a可知，经过红外辐射处理后，葡萄L*值略有降低，但差异不显著，表明处理前、后葡萄籽的亮度无明显变化。由图2b和图2c可见，葡萄籽经过红外辐射和保温处理后，a*值和b*值随着红外辐射时间延长而增加，处理后的葡萄籽a*值和b*值分别为12.31～13.48和13.22～14.47，分别提高了17.24%～28.38%和2.56%～12.26%。葡萄籽a*值和b*值主要受红外辐射处理的影响，保温处理的温度相对较低，对葡萄籽的颜色影响小。葡萄籽的色素成分主要是花青素，属于热敏性成分，高温可以使花青素结构在短时间就遭到破坏[17]；红外辐射时间越长，葡萄籽的温度越高，花青素的降解越严重。E值反映处理前、后物料色泽的差异，色差值越小，表明处理后色泽保留越好。司旭等[17]采用红外干燥树莓，干燥产品的色差E值为9.93～13.47。在本试验中，葡萄籽经过处理后的色差 E值变化范围为2.14～5.26，这与张鑫等[16]采用红外辐射对菠菜色泽影响相同，表明红外辐射保温处理对葡萄籽颜色的影响小，有利于保持葡萄籽的原色泽。

2.3 红外辐射对葡萄籽油产量的影响

试验将不同条件处理的葡萄籽分别提取葡萄籽油，研究不同红外辐射处理对葡萄籽油产量的影响。由图3可知，经过不同红外辐射处理后，葡萄籽油得率随着红外辐射时间延长而升高。红外辐射产生的瞬时高温，破坏了细胞壁结构，有利于细胞内油脂溢出[21]。红外辐射处理葡萄籽后，其葡萄籽油得率随着保温温度升高和保温时间延长而提高。 其中葡萄籽经过 IR-H（75℃）-（60 min）处理后，其葡萄籽油得率最高，达到10.39%（d.b.），产油量提高了46.96%。葡萄籽油产量的提高可能与红外辐射联合保温处理降低葡萄籽中水分有关。研究发现物料水分含量低，能够促进油脂溶解于有机溶剂中，从而提高溶剂法提取油脂的效率[22]。当种子中的水分含量大于7.5%时，种子的产油量随着水含量的升高而降低[23]。

图2 红外辐射联合保温处理对葡萄籽品质的影响Fig.2 Effects of infrared radiation coupled with heat insulation treatments on the quality of grape seeds

图3 红外辐射联合保温处理对葡萄籽油得率的影响Fig.3 Effects of infrared radiation coupled with heat insulation treatments on the oil yield of grape seeds

2.4 葡萄籽油的理化性质

酸值（AV）、过氧化值（PV）和碘值（IV）是衡量油脂新鲜度、饱和度的主要指标[24]。由图4a可知，葡萄籽经过红外辐射处理后，其所提取的葡萄籽油AV值呈上升趋势。短时间单独红外辐射处理对葡萄籽油AV值影响较小，随着辐射时间延长，AV值逐渐升高。当辐射处理98 s时，葡萄籽油AV值达到最高，为1.27 mg KOH/g，比未处理葡萄籽提高了15.45%。当红外辐射联合保温处理葡萄籽时，其葡萄籽油AV值升高得更快。随着辐射和保温时间延长，保温温度的升高，葡萄籽油AV值也相应提高。 其中 IR-H（75℃）-（60 min）处理的葡萄籽所提取的油脂AV值达到最大，为1.48 mg KOH/g，比未处理葡萄籽提高了34.55%。试验所提取的葡萄籽油酸值均小于4.0 mg KOH/g，符合联合国粮食及农业组织（FAO）对初榨葡萄籽油制定的标准。Al-Bachir[25]用γ射线辐射处理胡桃，处理后其酸值提高了约2倍。Tan等[26]用微波加热处理大豆和玉米，处理后大豆和玉米所提取油脂的酸值也显著增加。本试验采用辐射联合保温处理葡萄籽后，葡萄籽油的酸值也升高，表明热处理会改变物料的酸成分和含量。

油脂中的过氧化物多为初级氧化代谢产物，是引起油脂酸败的主要原因[27]。由图4b可知，葡萄籽经过单独红外辐射处理后，其葡萄籽油PV值呈上升趋势。当红外辐射处理98 s时，葡萄籽油的PV值为13.75 mmol/kg，比未处理对照提高43.38%。葡萄籽中过氧化氢物质不稳定，经过红外辐射处理后，容易裂变或脱水生成次级氧化物质，使得PV值升高。经过红外辐射处理的葡萄籽，再进行保温处理，其葡萄籽油PV值比单独辐射处理葡萄籽显著降低（P<0.05）。其中IR-H（75℃）-（10 min）处理的葡萄籽所提取葡萄籽油PV值为7.41 mmol/kg，比未处理葡萄籽降低22.73%。这可能与葡萄籽中含有较高脂溶类抗氧化物质有关，保温处理可以使更多抗氧化物质溶于油脂中，使得PV值降低[28]。试验所提取葡萄籽油的PV值均低于FAO对初榨葡萄籽油制定的PV值的标准。

图4 红外辐射联合保温处理对葡萄籽油酸值和过氧化值的影响Fig.4 Effects of infrared radiation coupled with heat insulation treatments on the oil acid value and peroxide value of grape seeds

碘值（IV）与油脂不饱和度密切相关。葡萄籽经过红外辐射处理后，其葡萄籽油的IV值为126.17～148.39 g I2/100 g，符合FAO对初榨葡萄籽油制定的碘值标准。由图5可知，葡萄籽经过单独红外辐射处理后，其葡萄籽油IV值随着处理时间的延长，先略有上升后迅速下降。当红外辐射处理98 s时，其葡萄籽油IV值降低到127.31 g I2/100 g，比未处理葡萄籽降低12.93%。保温处理对葡萄籽油IV值影响不显著。

3 结论

采用红外辐射和保温处理葡萄籽，可有效杀灭葡萄籽中细菌。随着红外辐射和保温时间的延长，保温温度升高，葡萄籽中细菌总数显著降低。其中红外辐射98 s、75℃保温处理葡萄籽 60 min，灭菌的效果最好，葡萄籽中细菌总数降到1.66 lg CFU/g，比单独辐射处理的葡萄籽降低43.14%，比未处理的葡萄籽降低65.99%。

图5 红外辐射联合保温处理对葡萄籽油碘值的影响Fig.5 Effects of infrared radiation coupled with heat insulation treatments on the oil iodine value of grape seeds

红外辐射联合保温处理葡萄籽，处理后的葡萄籽a*值和b*值分别为12.31～13.48和13.22～14.47，分别提高了17.24%～28.38%和2.56%～12.26%。然而色差E值小，为2.14～5.26，表明葡萄籽处理前后色泽差异小，从外观上也看不出明显差别。

红外辐射联合保温处理可以提高葡萄籽油得率。葡萄籽油得率随着保温温度升高和保温时间的延长而提高。其中葡萄籽经过IR-H（75℃）-（60 min）处理后，其葡萄籽油产率最高，达到10.39%（d.b.），比未处理葡萄籽提高了46.96%。葡萄籽经过红外辐射处理后，其葡萄籽油的AV值和PV值呈上升趋势，IV值呈下降趋势；保温处理促进葡萄籽油AV值升高，有助于降低PV值，对IV值影响不显著。试验各处理提取的葡萄籽油AV值、PV值和IV值均符合FAO对初榨葡萄籽油制定的标准。