裸裝鹵制鴨掌中乳酸菌生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建

林 睿，王亞楠，王宏勛

(武漢工業(yè)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430023)

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)食品質(zhì)量和安全問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，而此類問(wèn)題大多數(shù)是由微生物引起的，同時(shí)由于當(dāng)前食品安全問(wèn)題的嚴(yán)峻形勢(shì)，使得預(yù)測(cè)微生物學(xué)在食品領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。預(yù)測(cè)微生物學(xué)研究的對(duì)象主要是食品中的腐敗微生物和病原微生物，通過(guò)建立微生物數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)學(xué)模型，并借助計(jì)算機(jī)來(lái)預(yù)測(cè)和判斷食品的變質(zhì)程度，從而對(duì)食品的貨架期給出快速的預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)對(duì)畜禽中微生物模型的研究主要是生鮮肉雞［1-2］，而畜禽中如鴨、鵝等種類的研究少見(jiàn)報(bào)道，裸裝鹵鴨制品作為湖北的地方特色產(chǎn)品，與真空包裝鹵鴨制品相比較，具有鹵制產(chǎn)品的獨(dú)特風(fēng)味，受到當(dāng)?shù)叵M(fèi)者的青睞，但是由于其保質(zhì)期較短，外地消費(fèi)者很難享受，因此選擇裸裝鹵鴨制品進(jìn)行研究，通過(guò)模擬銷售環(huán)境，并應(yīng)用預(yù)測(cè)微生物學(xué)對(duì)不同溫度條件下的裸裝鹵制鴨掌進(jìn)行品質(zhì)預(yù)測(cè)和監(jiān)控。乳酸菌為一些肉產(chǎn)品的腐敗菌，董彩文［3］等進(jìn)行了冷藏鮮肉中腐敗乳酸菌的分離及鑒定;韓衍青［4］等認(rèn)為乳酸菌是引起真空包裝低溫熟肉制品腐敗變質(zhì)的主要微生物，腐敗表現(xiàn)為產(chǎn)酸、發(fā)粘等感官腐敗，也有研究認(rèn)為乳酸菌是導(dǎo)致裸裝鹵制全鴨腐敗的主要微生物［5］。本文選取裸裝鹵制鴨掌為乳酸菌的生長(zhǎng)基質(zhì)，研究不同溫度下乳酸菌的生長(zhǎng)狀況，并建立乳酸菌的生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，為進(jìn)一步采取更有針對(duì)性的保鮮［6-7］措施，延長(zhǎng)產(chǎn)品的貨架期提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

裸裝鹵制鴨掌 武漢市當(dāng)?shù)貙Ｙu店;MRS 瓊脂 青島高科技園海博生物技術(shù)有限公司;氯化鈉 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

HBM-400 型系列樣品均質(zhì)器 天津市恒奧科技發(fā)展有限公司;DHP-9082 型電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;LRH-150-S 型恒溫恒濕培養(yǎng)箱 廣東省醫(yī)療器械廠;SW-CJ-2FD 型雙人單面凈化工作臺(tái) 蘇州凈化設(shè)備有限公司;SK-1 型快速混合器 金壇市科析儀器有限公司;BXM-30R 型立式壓力蒸汽滅菌鍋、BMJ-160 型霉菌培養(yǎng)箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;Mir-154 型低溫培養(yǎng)箱 三洋電機(jī)國(guó)際貿(mào)易有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 恒定溫度下的生長(zhǎng)曲線測(cè)定 本實(shí)驗(yàn)選取5、10、15、20 和25℃為實(shí)驗(yàn)溫度，將當(dāng)天購(gòu)買的鹵制鴨掌分別儲(chǔ)藏在以上五個(gè)溫度條件下，每天剪去鹵制鴨掌25g，放入裝有225mL 無(wú)菌生理鹽水的無(wú)菌均質(zhì)袋中，以7 次/s 的速度拍擊2min，取出樣品，采用梯度稀釋法測(cè)定乳酸菌菌落數(shù)［8］，每隔24h 測(cè)定一次，直到熱殺索絲菌菌落數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)停止測(cè)定。

1.2.2 一級(jí)模型的擬合 將0、5、10、15 和20℃溫度條件下獲得的熱殺索絲菌的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，用Gompertz模型［9-10］擬合其生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。Gompertz 方程如下:

式中N0是初始菌數(shù)，lg(cfu·g-1);C 是隨時(shí)間無(wú)限增加時(shí)菌增量的對(duì)數(shù)值，lg(cfu·g-1);B 是在時(shí)間為M 時(shí)的相對(duì)最大比生長(zhǎng)速率，d-1;M 是達(dá)到相對(duì)最大生長(zhǎng)速率所需要的時(shí)間，d。得到上述參數(shù)后，通過(guò)以下公式求出U、LPD 值。其中，最大比生長(zhǎng)速率U = BC/e，e = 2.7182，d-1;遲滯期LPD = M-(1/B)，d。

1.2.3 一級(jí)模型的驗(yàn)證 通過(guò)計(jì)算準(zhǔn)確因子(Af)和偏差因子(Bf)［11-12］來(lái)驗(yàn)證一級(jí)模型的預(yù)測(cè)效果。計(jì)算準(zhǔn)確因子Af和偏差因子Bf的公式如式(2)和式(3)所示。

式中，Nobs 是實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)得的乳酸菌數(shù)，Npre是應(yīng)用乳酸菌生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)得到的與Nobs同一時(shí)間的乳酸菌數(shù)，n 是實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

1.2.4 二級(jí)模型擬合 由一級(jí)模型得到的模型參數(shù):最大比生長(zhǎng)速率和延滯期，用平方根模型［13-14］分別擬合最大比生長(zhǎng)速率和延滯期隨溫度的變化規(guī)律。

平方根模型是常用來(lái)描述溫度對(duì)微生物生長(zhǎng)的影響。其關(guān)系式如下:

式中:T 是培養(yǎng)溫度，TminU、TminL是最低生長(zhǎng)溫度，它是一個(gè)假設(shè)的概念，指的是微生物沒(méi)有代謝活動(dòng)時(shí)的溫度是通過(guò)外推回歸線與溫度軸相交而得到的溫度;b 是系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下乳酸菌生長(zhǎng)曲線

圖1 描述的是5 種不同溫度下，乳酸菌的生長(zhǎng)趨勢(shì)，這些趨勢(shì)基本上都是由延滯期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期等三個(gè)時(shí)期構(gòu)成。由圖1 可以看出，乳酸菌的生長(zhǎng)速度隨著溫度的升高而加快;5 和10℃下乳酸菌生長(zhǎng)很緩慢，第0d 到第7d 之間都處于延滯期，第7d 開(kāi)始，乳酸菌才有明顯的增長(zhǎng);15℃下乳酸菌從第1d開(kāi)始數(shù)量上有明顯的增長(zhǎng)，第4d 開(kāi)始，數(shù)量趨于穩(wěn)定;20 和25℃條件下，乳酸菌在第0d 到第1d 之間的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)就進(jìn)入了對(duì)數(shù)期;總體上看，25℃相對(duì)于其它4 個(gè)不同溫度來(lái)說(shuō)，更適宜乳酸菌的生長(zhǎng)。

圖1 不同溫度下乳酸菌生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curves of Lactic acid bacteria under different temperature

2.2 乳酸菌生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型的擬合及其驗(yàn)證

2.2.1 一級(jí)模型的擬合 運(yùn)用SAS9.1 軟件分別擬合5、10、15、20 和25℃五種不同溫度下乳酸菌的生長(zhǎng)曲線。由表1 可以看出判定系數(shù)R2的值都較高，表明Gompertz 模型能很好的描述不同溫度下乳酸菌的生長(zhǎng)。利用Compertz 模型求得的乳酸菌生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)(表2)顯示:0℃條件下最大比生長(zhǎng)速率較低，延滯期較長(zhǎng)，達(dá)到3.3281d，乳酸菌的生長(zhǎng)處于抑制狀態(tài)，隨著溫度的升高，最大比生長(zhǎng)速率急劇增加，延滯期縮短，當(dāng)溫度升高到25℃時(shí)，延滯期縮短至0.7150d。

2.2.2 一級(jí)模型的驗(yàn)證 用準(zhǔn)確因子(Af)和偏差因子(Bf)來(lái)驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)效果。通過(guò)式(1)和(2)計(jì)算得到偏差因子和準(zhǔn)確因子的值如表3 所示。從表3 可以看出模型總的準(zhǔn)確因子和偏差因子分別為1.10 和0.921，結(jié)果表明，偏差因子接近于1，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間偏差很小，模型能很好預(yù)測(cè)不同溫度下乳酸菌的生長(zhǎng)。

表3 預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證Table 3 Evaluation of predict model using the bias factors and accuracy factors

2.3 二級(jí)模型的擬合

圖2 是應(yīng)用平方根模型擬合溫度與最大比生長(zhǎng)速率的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.971，圖3 是應(yīng)用平方根模型擬合溫度與延滯期的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.853，由此可以看出，平方根模型擬合溫度與比生長(zhǎng)速率和延滯期，呈現(xiàn)了很好的線性關(guān)系;式(3)為溫度與最大比生長(zhǎng)速率的模型，式(4)為溫度與延滯期的模型。

表1 不同溫度下乳酸菌的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型(5～25℃)Table1 Growth kinetics model of Lactic acid bacteria at 5～25℃

表2 不同溫度下乳酸菌生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)(5～25;)Table2 Kinetic parameters of Lactic acid bacteria at 5～25℃

圖2 溫度與最大比生長(zhǎng)速率的關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature and maximum specific growth rate

圖3 溫度與延滯期的關(guān)系Fig.3 Relationship between temperature and lag phase

表4 為模型的方差分析結(jié)果，結(jié)果顯示非常顯著，由表4、圖2 和圖3 可知平方根模型擬合的溫度與比生長(zhǎng)速率和延滯期的關(guān)系都有很好的預(yù)測(cè)效果。

表4 二級(jí)模型統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 4 Statistical analysis results of Secondary model

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以裸裝鹵制鴨掌中分離得到的乳酸菌為研究對(duì)象，研究了5～25℃不同恒定溫度下乳酸菌增殖變化情況，在此基礎(chǔ)上，使用Gompertz 模型對(duì)5～25℃溫度范圍內(nèi)乳酸菌的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并構(gòu)建了乳酸菌在裸裝鹵制鴨掌上生長(zhǎng)預(yù)測(cè)的一級(jí)模型和二級(jí)模型;通過(guò)計(jì)算準(zhǔn)確因子和偏差因子，得出準(zhǔn)確因子和偏差因子的值均在1 左右，表明一級(jí)模型能很好預(yù)測(cè)不同溫度下乳酸菌的生長(zhǎng)，二級(jí)模型中溫度與比生長(zhǎng)速率以及延滯期之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，判定系數(shù)R2分別為0.971 和0.853，以上說(shuō)明Gompertz 模型能夠很好的擬合5～25℃溫度范圍內(nèi)乳酸菌的生長(zhǎng)。

通過(guò)參考不同的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)Gompertz 模型比線性模型能更好地?cái)M合乳酸菌的生長(zhǎng)，然而不同的模型擬合的結(jié)果肯定不一樣，后期在對(duì)Gompertz 模型進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)也會(huì)參考使用其它的數(shù)學(xué)模型。

本研究是以裸裝鹵制鴨掌作為乳酸菌的培養(yǎng)基質(zhì)，建立的乳酸菌生長(zhǎng)的一級(jí)模型和二級(jí)模型，相對(duì)于用理想的液體培養(yǎng)基質(zhì)建立的預(yù)測(cè)模型來(lái)說(shuō)，此模型更具有實(shí)際意義;在此基礎(chǔ)上，為了能快速準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)裸裝鹵制鴨掌制品的品質(zhì)變化情況，將進(jìn)一步深入研究裸裝鹵制鴨掌制品的貨架期預(yù)測(cè)模型。

［1］孫彥雨，周光宏，徐幸蓮.肉雞屠宰過(guò)程中腐敗微生物的污染情況分析［J］.肉類研究，2011，37(5):199-203.

［2］李虹敏，馮憲超，徐幸蓮，等.肉雞屠宰加工及冷藏中的微生物污染來(lái)源及菌相分析［J］.肉類工業(yè)，2008(6):33-37.

［3］董彩文，白燕紅，曹高山，等.冷藏鮮肉中腐敗乳酸菌的分離及鑒定［J］.食品研究與開(kāi)發(fā)，2009，30(7):117-120.

［4］韓衍青，徐寶才，徐幸蓮.真空包裝熟肉制品中的特定腐敗微生物及其控制［J］.中國(guó)食品學(xué)報(bào)，2011，11(7):148-155.

［5］林睿，趙國(guó)嬌，王宏勛.裸裝鹵制全鴨中菌相初步研究［J］.中國(guó)釀造，2012，31(7):93-95.

［6］李軼欣，史東輝.肉及肉制品的保鮮理論與防腐技術(shù)［J］.肉類工業(yè)，2010(2):12-15.

［7］段家玉.醬鹵雞肉制品保藏技術(shù)研究［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(1):236-237.

［8］國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 4789.2 — 2008 食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗(yàn)菌落總數(shù)測(cè)定［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［9］Zwietering M H，Jongenburger I，Rombouts F M，et al.Modeling of the bacterial growth curve ［J］.Journal of Application Environment Microbiology，1990，56(6):1875-1881.

［10］R L Buchanan，R C Whiting，W C Damert.When is simple good enough:a comparison of the Gompertz，Baranyi，and threephase linear models for fitting bacterial growth curves［J］. Food Microbiology，1997，14:313-326.

［11］Ross T.Indices for performance evaluation of predictive models in food microbiology ［J］.Journal of Application Bacteriology，1996，81:501-508.

［12］Baranyi J，Pin C，Ross T，Validating and comparing predictive models［J］.International Journal of Food Microbiology，1999，48:159-166.

［13］董慶利，屠康，李保國(guó)，等.平方根模型在亞硝酸鹽抑菌預(yù)測(cè)中的探討研究［J］.食品工業(yè)科技，2009，30(7):161-164.

［14］Ratkowsky D A，Olley J，McMeekin T A，et al.Relationship between temperature and growth rate of bacterial cultures［J］.Journal of Bacterioloy，1982，149(1):1-5.