顺序温和加热与UV-C辐照栅栏技术对传统突尼斯粗磨大麦（Chorba Chiir）去污及品质保持的多响应优化

《Foods》：Multi-Response Optimization of Sequential Mild Heating and UV-C Radiation Hurdle Technology for Decontamination and Quality Retention of Traditional Tunisian Coarsely Milled Barley (Chorba Chiir)

　　

低水分谷物产品，如传统突尼斯粗磨大麦，是全球和区域重要的膳食主食。然而，其采后加工面临高耐受性内源芽孢形成菌污染的挑战。本研究采用三因素三水平Box–Behnken实验设计结合响应面法（RSM），考察了顺序温和热与UV-C栅栏技术，将烤箱温度（因素A；60、80和100 °C）、热处理时间（因素B；2、6和10 min）与UV-C辐射（因素C；214.8、644.4和1074.0 mJ/cm²）相结合。评估了三个响应指标：微生物对数减少量（Y1）、水分活度a_w（Y2）和总色差ΔE（Y3）。统计分析证实，热因素（A：烤箱温度和B：热处理时间）是微生物灭活的主要驱动因素，而UV-C光主要在固体表面即刻发挥作用，诱导局部光热微蒸发，显著影响表面水分活度而不降解整体色泽特性。多响应优化确定了最佳加工窗口为烤箱温度94.5 °C、热处理时间8.30 min和UV-C剂量1074 mJ/cm²。在这些最佳条件下的实验验证获得了高度可靠的1.385 ± 0.013 Log CFU/g的天然存在耐热芽孢形成菌减少量。同时，产品保持了极干燥状态（a_w = 0.34 ± 0）并保留了其天然视觉属性（ΔE = 2.77 ± 0.08）。较低的验证相对标准误差（物理属性RSE < 10%；微生物减少量15.6%）证明了二次模型具有良好的预测精度和工业可行性。

研究背景方面，大麦（Hordeum vulgare L.）是全球种植最广泛的主粮作物之一，在全球谷物产量中仅次于玉米、小麦和水稻位居第四。在北非尤其是突尼斯，粗磨大麦是传统菜肴"Chorba Chiir"（大麦汤）的重要原料，作为冬季日常膳食主食被广泛消费。然而，干燥大麦产品的采后加工和贮藏面临显著的微生物安全挑战。干燥颗粒基质常被耐干燥的vegetative pathogens如Salmonella enterica和耐热芽孢形成菌如Bacillus cereus污染，这些微生物能经受常规干燥操作并损害货架期稳定性。传统湿热去污方法往往不适用于干燥谷物产品，因为升高的水分和温度会引起不希望的淀粉糊化、结构降解和严重的非酶Maillard褐变。因此，迫切需要能够实现微生物减少同时保持干燥食品物理和品质属性的温和热或非热栅栏策略。栅栏技术结合热和非热处理，为协同增强微生物灭活提供了有前景的解决方案。在此背景下，将温和对流烤箱加热与UV-C辐射配对构成有效的顺序处理。热传导作为基质内动力学灭活的主要驱动因素，而UV-C光提供靶向的光子表面去污。生理学上，温和预热步骤削弱细菌细胞膜并增加其流动性，使存活菌对后续UV-C处理高度敏感。UV-C辐射被微生物吸收，导致DNA光产物如环丁烷嘧啶二聚体（CPDs）和嘧啶6–4嘧啶酮（6–4PP）的形成，这些二聚体的结构变形阻碍转录和复制，导致微生物灭活。为系统评估和优化这一组合去污工艺，需要经验统计建模，响应面法（RSM）通过同时评估多个变量来建模和分析响应，目标是优化这些响应。

研究人员开展了以下研究：以从突尼斯当地零售市场按重量购买的传统粗磨大麦为食品基质，采用基于三因素三水平Box–Behnken设计（BBD）的响应面法（RSM），共15个实验运行（12个析因点和3个中心点），考察三个自变量——烤箱温度（A：60、80、100 °C）、热处理时间（B：2、6、10 min）和UV-C剂量（C：214.8、644.4、1074.0 mJ/cm²）——对三个响应指标的影响：耐热芽孢形成菌的微生物对数减少量（Y1）、水分活度a_w（Y2）和总色差ΔE（Y3）。去污方案为：每个实验运行取20 g样品均匀铺于无菌玻璃培养皿中（层厚1.2 ± 0.3 mm），先进行强制对流烤箱热处理，随后立即转移至UV-C灯下照射（转移延迟10 s），UV-C照射中途进行标准化手动搅动以减少颗粒自阴影。微生物分析采用热处理后涂布Tryptic Soy Agar平板、30 °C好氧培养24 h计数，以对数减少量表示去污效果。水分活度采用电解式水分活度仪在25 °C下测定。颜色参数采用便携式色差仪以CIELAB系统记录并计算总色差ΔE。统计分析采用单因素方差分析和Duncan多重极差检验（p < 0.05），RSM建模、二阶多项式回归、三维响应面图构建及Derringer期望函数多响应优化均使用Statgraphics Centurion软件完成。研究得出以下结论：多响应优化成功确定了最佳加工窗口为烤箱温度94.5 °C、热处理时间8.30 min和UV-C剂量1074 mJ/cm²（总体期望值D = 0.76），实验验证获得1.385 ± 0.013 Log CFU/g的天然耐热芽孢形成菌减少量，水分活度为0.34 ± 0，总色差ΔE为2.77 ± 0.08，验证相对标准误差较低（物理属性RSE < 10%；微生物减少量15.6%），表明二次模型具有良好的预测精度和工业可行性。研究的重要意义在于：该组合处理为食品生产者提供了一种可行的温和热加工替代方案，能够在不损害品质属性的前提下增强微生物安全性，所开发的二次多项式模型可作为设计和放大谷物基质热–UV-C栅栏去污系统的商业可行工具。

关键技术方法方面，研究人员采用基于三因素三水平Box–Behnken设计（BBD）的响应面法（RSM）进行实验设计与优化，共15个实验运行（12个析因点和3个中心点）；使用强制对流实验室烤箱进行热处理并以校准精密温度计监测温度稳定性，使用双管UV-C灯系统（主发射波长λ = 254 nm，样品表面标称辐照度3.58 mW/cm²）进行UV-C照射，UV-C剂量按D = I × t计算；采用Derringer期望函数进行多响应优化；并通过实验验证评估模型预测可靠性（RSE%）。样本队列来源为从突尼斯当地零售市场（每周集市）按重量（1 Kg）购买的未包装粗磨大麦。

研究结果方面：第一，Box–Behnken实验矩阵与观测响应。通过15个实验运行评估三个响应指标，发现所有响应在各实验条件下均存在显著差异（p < 0.05）。微生物对数减少量范围为0.468 ± 0.068 Log CFU/g（运行1：60 °C，2 min，644.4 mJ/cm²）至最大值1.532 ± 0.056 Log CFU/g（运行4：100 °C，10 min，644.4 mJ/cm²）。残余水分活度在所有处理中降低，维持在0.34至0.36的窄范围内。总色差ΔE范围为3.09 ± 0.076至9.82 ± 0.083。未处理对照样品初始芽孢形成菌负载为5.377 Log CFU/g。在所有实验条件下观察到明显的温度主导灭活趋势，而UV-C剂量增加对残余微生物数量影响极小。第二，响应模型的统计分析与方差分析。通过方差分析评估各因素对响应的线性、交互和二次效应。对于微生物对数减少量（Y1），烤箱温度（因素A，p = 0.0497）和热处理时间（因素B，p = 0.0486）均具有统计学显著性，而UV-C剂量（因素C，p = 0.7888）、双因素交互项和二次项均无显著影响（p > 0.05）。对于水分活度（Y2），UV-C剂量表现统计学显著主效应（因素C，p = 0.0409），烤箱温度与热处理时间交互项（AB，p = 0.0493）和烤箱温度二次项（AA，p = 0.0268）显著影响水分活度变化。总色差（Y3）不受任何线性因素、交互项或二次项显著影响（p > 0.05）。第三，RSM方程与三维图分析。通过RSM建立自变量与响应变量之间的数学关系，水分活度模型决定系数最高（R² = 86.607%），其次为对数减少量（R² = 79.927%），总色差模型决定系数较低（R² = 65.320%）且整体模型效应不显著（p = 0.5084）。Y1三维图显示在高温热水平下存在强烈的温度–时间交互作用，最大微生物对数减少量（>Log 1.4 CFU/g）在100 °C和10 min组合下达到。Y2三维图在中间烤箱温度区间[75–85 °C]呈凹形，由显著二次项AA驱动。Y3三维图在多数因素组合下呈近乎平坦的拓扑结构，证实各因素效应不显著。第四，多响应优化与模型验证。采用Derringer期望函数进行多响应优化，确定最佳条件组合为烤箱温度94.5 °C、热处理时间8.30 min和UV-C剂量1074.0 mJ/cm²。微生物对数减少量预测值1.198 Log CFU/g低于实验值1.385 Log CFU/g（RSE = 15.6%）；水分活度模型预测精度优异（RSE = 0%）；总色差预测值2.60，实验值2.77（RSE = 6.53%）。

讨论部分总结：研究人员讨论了谷物基食品去污的技术挑战，即保持初始基质品质的必要性限制了去污效率。通过Box–Behnken设计结合RSM，二次模型全面揭示了主导微生物对数减少量、水分活度和总色差的主要因素。顺序热与非热处理在100 °C、10 min条件下从初始5.377 Log CFU/g负载获得最大1.532 Log CFU/g微生物减少量。根据ICMSF安全指南，生谷物原料好氧芽孢计数低于10⁴ CFU/g为商业安全，且维持a_w在0.34–0.36远低于萌发限值（a_w < 0.92）确保存活芽孢在常温贮藏期间保持生理休眠。二次响应模型（Y1）表明烤箱温度和热处理时间是耐热芽孢形成菌灭活的显著因素，而UV-C剂量无显著影响。这与以往研究通常针对接种细菌不同，本研究评估了栅栏技术对天然微生物污染的效果。研究人员指出，由于RSM未包含连续时间进程动力学曲线或直接表面成像，大麦基质中的物理保护机制作为合理假设而非经验证实的拖尾现象呈现。UV-C效力主要受光学自阴影、表面粗糙度和不透明谷物缝隙非穿透性限制；热阻则由低水分活度稳定芽孢核心结构对抗热变性驱动。粗磨大麦具有高度不规则、不透明表面结构，含微缝隙和重叠果皮结构，可导致阴影效应屏蔽表面附着细菌免受UV-C光子直接穿透。尽管UV-C照射中途引入手动搅动以减少自阴影，254 nm光子穿透深度有限且仅在即刻表面起作用，这解释了热处理在去污中的主导地位——将热能传递至大麦内层果皮破坏微生物细胞膜，而UV-C提供局部表面去污。关于水分活度，未处理粗磨大麦初始a_w = 0.40，处理后显著降低至0.34–0.36。因素C（UV-C剂量）表现统计学显著效应（p = 0.0409），而烤箱温度和热处理时间主效应不显著。UV-C光在固体不透明食品基质中穿透深度可忽略，其杀菌效果高度限于固体表面。持续UV-C暴露引起局部表面加热诱导热微蒸发而非驱动整体水分解吸，为该研究观察到的水分活度变化提供合理解释。烤箱温度与热处理时间交互项（AB）显著（p = 0.0493），表明水分损失可能由时间–温度耦合热力学机制驱动。关于总色差，ΔE > 3.5在CIELAB系统中被认为可被未经训练的人眼感知。本研究中ΔE范围为3.09 ± 0.076至9.82 ± 0.083，各实验运行间存在显著差异，但各因素主效应和交互效应均不显著。颜色变化归因于非酶Maillard褐变反应和色素降解，但低水分活度（a_w = 0.34–0.36）下高局部粘度限制还原糖分子流动性，玻璃态动力学抑制Maillard级联反应，防止严重热诱导褐变。UV-C剂量的非显著性与其已知非热、表面结合行为一致，UV-C光子无法穿透外层果皮保护大麦籽粒主体免受光降解。从工业技术角度看，总色差响应缺乏统计敏感性代表优异的工艺稳健性，组合栅栏系统实现了稳健操作窗口。研究目的是最大化耐热芽孢形成菌对数减少量同时最小化水分活度和总色差，通过RSM优化二次模型，确定最佳操作条件为94.5 °C、8.30 min和1074.0 mJ/cm²，总体期望值D = 0.76。验证实验值与预测值比较显示RSE值低于10%代表出色预测精度，低于20%对生物系统高度可接受。这些低RSE值表明开发的二次多项式模型可作为设计和放大谷物基质热–UV-C栅栏去污系统的商业可行工具。

研究结论部分翻译：本研究证明了烤箱加热与UV-C辐射的顺序组合作为温和热与UV-C栅栏策略对传统突尼斯粗磨大麦去污的有效性。多响应优化成功建立了烤箱温度94.5 °C、热处理时间8.30 min和UV-C剂量1074 mJ/cm²的高效加工窗口。在这些验证条件下，组合栅栏系统实现了经验证的1.385 ± 0.013 Log CFU/g天然耐热芽孢形成菌减少量，同时不损害品质属性即水分活度（a_w）和总色差ΔE。通过响应面法的优化证实热能量作为微生物灭活的主要驱动因素，而UV-C辐射提供表面级去污。本研究的主要物理局限性在于通过烤箱腔体气氛间接监测样品温度；此外应用还受UV-C光子穿透深度限制。为克服这些物理局限并促进该工艺的商业采用，未来研究应侧重于结合实时红外热成像或光纤传感器记录热–UV-C加工过程中颗粒内部温度动力学，并开发动态床加工系统。此外需要补充研究评估强化UV-C暴露下谷物表面的长期脂质光氧化并验证货架期稳定性。未来工作应包括对天然微生物群更全面的表征，不仅涵盖存活耐热芽孢形成菌的分子鉴定，还包括初始vegetative细菌种群的谱分析，以提供完整的微生物风险评估。总体而言，该组合处理为传统热加工提供了一种可行的温和热加工替代方案，为食品生产者提供了增强微生物安全性的实用方法。