與傳統(tǒng)滅菌技術相比，紅外輻射滅菌技術具有輻射均勻、熱傳遞速率高、加熱時間短、無化學殘留、產品質量高等優(yōu)點。

紅外加熱與滅菌技術

紅外線波長5.6μm～100μm，頻率為4×1014～3×1011Hz。很多物質對波長在3～15μm范圍的紅外輻射有很強的吸收帶。在石英管上半管外表鍍金可使輻射波更集中，熱能利用率提高45～50%。

紅外加熱原理：

對紅外敏感的物質，其分子、原子吸收遠紅外后，不僅能發(fā)生能級的躍遷，也擴大了以平衡位置為中心的各種運動的幅度，質點的內能量加大。微觀結構質點運動加劇的宏觀反映就是物質的溫度升高，即物質吸收紅外線后，便產生自發(fā)的熱效應。由于這種熱效應直接產生于物體內部，所以能迅速有效地對物質加熱。

食品中的很多成分在3～10μm的紅外線區(qū)有強烈的吸收能力，因此在食品加熱中，往往選擇紅外線進行加熱。應該了解，物質對紅外輻射是有選擇性的吸收，它只對其中頻率νmn滿足hνmn=Em-En(Em、En分別為分子的高、低兩個能量級或基態(tài)能級)的遠紅外輻射產生吸收，其頻率不能滿足此式的紅外則不被吸收而穿過。

為提高紅外加熱效率，應該了解物料的紅外線吸收特性。其次，應該了解輻射與消失的匹配，當物料的選擇性吸收與輻射源的選擇性輻射一致時，稱為匹配輻射加熱。要實現理想匹配，應該根據不同的物料選擇合適的輻射源，使輻射源的光譜與物料的吸收光譜相對應。干燥過程中還兼有殺菌作用。

紅外滅菌原理：

紅外線是一種電磁波，它以輻射方式向外傳播，照射到待殺菌的物品上，傳熱直接由表面滲透到內部，熱效應好，且特別易被生物體如各種病菌吸收。病菌吸收熱能超過它的承受極限，自然會被活活“熱”死。

照射強度越大，殘活菌數越少，一般照射功率要在12kW以上。紅外線的特點：這種消毒方式具有速度快、穿透力強的特點。它不僅可用于一般的粉狀和塊狀食品殺菌，還可以用于堅果類食品如咖啡豆、花生和谷物的殺菌和殺滅霉菌及袋裝食品的直接殺菌。

紅外照射功率分別為6、8、10與12kW，采用6kW以上功率，足以達到抑制要求，對霉菌8KW以上功率照射，10min即可將活菌全部殺死。紅外滅菌干燥箱中間必須設置隔離墻將控制區(qū)與潔凈區(qū)(10～30萬級)隔離開，出口設在潔凈區(qū)。紅外除滅菌外，還廣泛應用于食品干燥，用于干燥它實際上兼有滅菌功能，但它有其一定穿透深度，不同食品其穿透深度不同。詳見下表。

紅外在食品防腐殺菌中的應用：

用紅外線照射剛采集的高水分的新鮮柑橘、橘子、蘋果等，能降低其水分含量，減少儲存過程中因水分過大而造成的腐爛現象。

采用紅外線輻射加熱，還能殺死細菌、微生物，可用于各種袋裝食品的滅菌處理，因為這些食品，不能采用傳統(tǒng)的高溫消毒的方法，它還廣泛用于奶制品、豆制品等食品的保鮮技術中。此外它還廣泛應用于茶葉殺青、蔬菜脫水。

脫水菠菜的紅外輻射滅菌研究

(一)材料與方法

1、材料與試劑

微生物含量超標的脫水菠菜，熱風干燥后存放于15℃常溫庫中。脫水菠菜的初始含水率為7%～8%，測定得其自然生長的初始含菌量約為105～106CFU/g。胰蛋白胨;煌綠乳糖膽鹽肉湯(BGLB)、月桂基硫酸鹽胰蛋白胨肉湯(LST);瓊脂粉、葡萄糖、氯化鈉、丙酮、無水乙醇(均為分析純)國。

2、儀器與設備

催化式紅外設備;催化式燃氣紅外加熱器;紅外測溫儀;XO-6D無菌均質機;DC-P3型全自動色差計;LRH系列生化培養(yǎng)箱;恒溫培養(yǎng)搖床;電熱鼓風干燥箱;7200型分光光度計;JYL-350九陽料理機。

3、方法

(1)原料預處理

為達到更強的滅菌效果，脫水菠菜保持在濕熱下滅菌。稱取一定量的脫水菠菜放入無菌袋中，以原料脫水菠菜原料質量為基數，向其中加入一定比例無菌水，配制成濕度約為30%(含水率約為37%～38%)、20%(含水率約為27%～28%)和10%(含水率約為17%～18%)的樣品，在室溫下維持15min均衡物料濕度，實驗中分別取不同含水率的物料量為(21.43±0.05)、(18.75±0.05)、(16.67±0.05)g，以未處理前物料量15.00g為基準。

(2)紅外輻射處理

利用天然氣催化式紅外線對物料進行單面紅外輻射，用紅外測溫儀測定輻射板表面和物料表面溫度。紅外處理條件為：物料距紅外輻射板距離為21cm，燃氣壓力為2kPa。將物料均勻平鋪在物料盤中進行實驗，在紅外輻射下，物料干燥后質量降低到約15.00g時即停止紅外輻射(此時物料水分與初始原料水分相近，即降低到安全水分以內)。

(3)保溫處理

在瞬時加熱后微生物的抗熱性變得很強，因此讓微生物在較高溫度下維持一段時間可以達到更好的滅菌效果。為達到更有效的滅菌效果，實驗中將脫水菠菜維持在一個較高濕度中。將紅外處理過的樣品迅速放入無菌袋中，烘箱溫度分別設置為70、80、90℃。

70℃條件下保溫時間分別為30、45、60min，80℃條件下保溫時間分別為15、30、45min，90℃條件下保溫時間分別為10、15、20min。每個實驗重復3次，每次取樣用于微生物和理化性質測定。

(4)高溫蒸汽滅菌

利用蒸汽發(fā)生器產生蒸汽，溫度控制在工業(yè)蒸汽滅菌的溫度即100℃。每次實驗取未處理的脫水菠菜約15.00g，將物料均勻平鋪在物料盤中進行蒸汽處理。經過高溫蒸汽滅菌處理后，迅速將處理后的脫水菠菜轉移到熱風中進行干燥，達到安全水分附近即停止(即質量接近初始質量15.00g)。

4、指標測定

(1)微生物測定

殺菌效果采用微生物殘活率對數值來表示，計算公式如下。

lgS=lg(N/N0)

式中：N0為殺菌處理前樣品中的菌落總數/(CFU/mL);N為殺菌處理后樣品中的菌落總數/(CFU/mL);lgS為殺菌處理前后菌落總數降低的對數即微生物殘活率。

MPN(大腸菌群最可能數)：根據復發(fā)酵實驗確證的大腸菌群LST陽性管數，檢索MPN表。細菌總數的對數值用lg(CFU/g)表示。

脫水蔬菜的微生物指標為細菌總數≤100000(CFU/g)，即lg(CFU/g)≤5，大腸菌群數MPN≤100(CFU/g)。

(2)顏色測定

采用全自動色差計測定樣品顏色指標。在脫水蔬菜農業(yè)標準中，外觀色澤是用來評價脫水蔬菜品質的一個重要指標。為了考察滅菌處理前后脫水菠菜的色澤變化，分別對原料和處理后樣品進行測定。

實驗重復3次，取其平均值，作為評價脫水菠菜處理前后色澤變化的依據。實驗選用Lab表色系統(tǒng)，其中L*值表示亮度，其范圍在0(黑)～100(白)，值越大，顏色越亮;a*值表示綠色值/紅色值，其值越大表示綠色損失越嚴重;b*值表示藍色/黃色值，值越大顏色越黃。

(3)葉綠素含量測定

葉綠素含量測定采用分光光度法。稱取0.5g實驗材料于試管中，在室溫避光條件下用直接浸提法提取葉綠素，提取劑為丙酮:乙醇體積比1:1。每支試管加入提取劑10mL，不斷搖動，直到葉片變白，定容至25mL，并以相應試劑為參比，分別在645nm和663nm波長處測定吸光度。每次實驗重復3次。

葉綠素a含量：

葉綠素b含量：

葉綠素總含量：

Cab/(mg/g)=Ca+Cb

式中：A663nm為波長663nm的吸光度;A645nm為波長645nm的吸光度;V為提取液體積/mL;m為實驗材料質量/g。

(二)結果與分析

1、紅外輻射處理

(1)紅外輻射對物料表面溫度的影響

脫水蔬菜標準中規(guī)定，最終產品含水率應≤8%。因此，在紅外輻射階段當脫水菠菜含水量降至安全水分時就停止加熱，避免過高的溫度對物料的品質造成破壞。燃氣壓力固定為2kPa，物料盤距紅外輻射板距離為21cm時，紅外輻射板表面平均溫度達到(397.5±17.6)℃。

由下表可知，濕度為30%、20%和10%的脫水菠菜分別需要紅外處理180、120、50s才可達到安全水分，即分別為不同含水率的物料量為(21.43±0.05)、(18.75±0.05)、(16.67±0.05)g降低到約15.00g所需時間。此時，物料表面溫度分別為121.30、117.57、115.03℃，物料的初始溫度為室溫。

隨著濕度增加，紅外輻射所需時間增長，脫水菠菜表面達到瞬時高溫，同時由于紅外輻射具有穿透性，可以對細菌造成一定程度的損傷和致死效應。

(2)紅外輻射殺菌效果

由上表可知，在紅外輻射階段，可以獲得顯著的細菌減少量。30%、20%和10%濕度下，細菌總數殘活率對數值分別下降了1.00、0.63和0.42個數量級。在30%濕度下，由于物料濕度最大，在紅外輻射中處理的時間較長，所以滅菌效果最佳。

在初始脫水菠菜中大腸桿菌MPN(大腸菌群最可能數)為240CFU/g的情況下，經紅外輻照后，原料中大腸菌群數已經降低到合格標準之內(MPN(CFU/g)≤100)。隨著濕度增大、輻射時間延長，殺滅愈徹底。大腸菌群的耐熱性較低，因此在紅外短時間處理后易被殺滅。

2、保溫處理殺菌效果分析

將未處理原料直接在不同溫度下進行保溫處理研究其滅菌效果。由下表可知，未進行紅外輻射而直接進行保溫處理的殺菌效果較低，遠未達到脫水蔬菜的出口安全標準。紅外輻射時間短，殺菌效率較單純保溫處理高，由上表可知，菌落數均未降低到5(lg(CFU/g))以下，仍未達到安全標準。紅外輻射處理過程中物料水分逐漸散失，若繼續(xù)延長紅外輻射時間來增強殺菌效果，會導致物料表面溫度過高，對物料品質造成較大破壞。

前人的研究表明，在高于100℃條件下處理短暫時間，再于較高溫度下持續(xù)一段時間，易導致細菌的死亡。因此利用紅外輻射和后續(xù)保溫進行聯(lián)合處理含菌量超標的脫水菠菜，既可以保證脫水菠菜品質又可使其達到合格標準。

3、紅外輻射保溫處理殺菌效果分析

紅外輻射后大腸菌群數已降低到合格范圍內，因此紅外輻射保溫處理僅對細菌總數的變化進行研究。在不同濕度、保溫溫度和保溫時間下，測定脫水菠菜中細菌總數對數值如下圖所示。

80℃保溫時，在10%、20%、30%濕度下，細菌總數的對數值降低到5以下的次數分別為0、2、3次，表明隨著物料濕度的增加，對細菌的殺滅效果逐漸增強。在低濕度條件下作為維持細胞活性的重要組成成分蛋白質的結構更加穩(wěn)定，因此濕熱滅菌效果較干熱滅菌效果好。

前人的研究表明，在高水分活度情況下，微生物細胞膜被激活，細胞的敏感性增加，因此短暫的紅外高溫處理對較高濕度物料中的細菌殺滅效果更強，但都不同程度的對細胞造成了損傷。在短暫紅外輻射處理后，迅速將物料置于高溫下維持一定時間較關鍵，可以有效殺滅損傷的細菌。

不同濕度下90℃保溫，在所有9次實驗中脫水菠菜細菌總數對數值降低到5以下，均達到合格標準。將保溫溫度降低到80℃和70℃時，細菌總數對數值降低到5以下的次數都減少。隨著保溫溫度升高和保溫時間加長，殺菌效果也顯著增強。由于前期紅外輻射處理后，物料達到瞬時高溫，其中不耐熱微生物死亡，而造成損傷的耐熱微生物在后期較高溫度下保溫，可以有效阻止其修復。

4、紅外輻射保溫處理與高溫蒸汽滅菌效果分析

由上表可知，在相同處理時間下高溫蒸汽較紅外輻射滅菌效果好，由于蒸汽濕度較高，因此細菌更容易致死。70℃紅外輻射保溫處理僅后期保溫階段和70℃高溫蒸汽滅菌僅后期熱風階段細菌總數相對減少量分別為-0.75和-0.51個數量級。

由于紅外輻射升溫迅速，同時具有高穿透效率，因此較高溫蒸汽相比能夠對細菌造成更大損傷，從而增強了后期保溫階段的滅菌效果。