冷鮮黃羽肉雞貨架期預(yù)測模型的建立與評(píng)價(jià)

陳　鵬,程鏡蓉,楊禹新,方少欽,劉學(xué)銘,*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,江西南昌 330045;2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,農(nóng)業(yè)部功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510610;3.廣州市江豐實(shí)業(yè)股份有限公司,廣東廣州 510450)

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冷鮮黃羽肉雞貨架期預(yù)測模型的建立與評(píng)價(jià)

陳鵬1,2,程鏡蓉2,楊禹新3,方少欽2,劉學(xué)銘2,*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,江西南昌 330045;2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,農(nóng)業(yè)部功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510610;3.廣州市江豐實(shí)業(yè)股份有限公司,廣東廣州 510450)

為建立冷鮮黃羽肉雞的貨架期預(yù)測模型,將冷鮮黃羽肉雞用托盤包裝后,置于-1、4、10、15、20 ℃貯藏,分別測定不同貯藏時(shí)間的細(xì)菌總數(shù),同時(shí)對(duì)4 ℃貯藏的冷鮮黃羽肉雞的揮發(fā)性鹽基氮進(jìn)行分析,確定最小腐敗限控量NS為5.67 lg(CFU/g)。使用修正的Gompertz模型、Baranyi模型及修正的Logistic模型分別描述細(xì)菌總數(shù)隨時(shí)間變化的情況,并使用平方根模型描述一級(jí)模型所得參數(shù)隨溫度變化的情況。通過比較各模型所得的參數(shù)、回歸系數(shù)(R2)、偏差因子(Bf)、準(zhǔn)確因子(Af)以及二級(jí)模型的殘差平方和(RSS),確定修正的Gompertz的擬合優(yōu)度最好。在以修正的Gompertz模型為生長預(yù)測模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建冷鮮黃羽肉雞的貨架期預(yù)測模型,結(jié)果顯示5種溫度下的預(yù)測值與實(shí)測值之間的相對(duì)均誤差均小于10%,表明建立的模型能夠快速準(zhǔn)確的預(yù)測-1～20 ℃貯藏條件下冷鮮黃羽肉雞的貨架期。

冷鮮黃羽肉雞,貨架期,預(yù)測模型,擬合優(yōu)度,修正的Gompertz模型

黃羽肉雞具有肉質(zhì)細(xì)滑、雞香濃郁、風(fēng)味獨(dú)特等特點(diǎn),倍受海內(nèi)外食客的青睞。在我國有著悠久的飼養(yǎng)歷史和豐富的品種資源,是一類極具中國特色的肉雞[1]。然而我國冷鏈系統(tǒng)滯后,黃羽肉雞營養(yǎng)豐富在冷鮮儲(chǔ)藏過程中極易滋生微生物導(dǎo)致腐敗[2],貨架期變短,甚至對(duì)消費(fèi)者健康造成危害[3-4]。因此,對(duì)整個(gè)運(yùn)輸儲(chǔ)存過程中的微生物進(jìn)行監(jiān)控,建立準(zhǔn)確可靠的貨架期預(yù)測模型,是降低黃羽肉雞腐敗的風(fēng)險(xiǎn),促進(jìn)黃羽肉雞行業(yè)發(fā)展的重要舉措,具有顯著的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

預(yù)測微生物學(xué)是在特定條件下對(duì)食品微生物生長、繁殖、殘存和死亡等反應(yīng)進(jìn)行細(xì)化,并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和微生物知識(shí),客觀地評(píng)價(jià)食品在加工、流通和貯藏等條件下的食品質(zhì)量安全和貨架期[5-6]。預(yù)測微生物學(xué)主要是從量化食品中微生物生態(tài)理論演變而來,并在食品工業(yè)中不斷的應(yīng)用發(fā)展,現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品微生物的描述與預(yù)測[7-8]。傳統(tǒng)的微生物學(xué)技術(shù)需進(jìn)行樣品預(yù)處理,耗時(shí)長、成本高;而預(yù)測模型能夠在不進(jìn)行微生物檢測的情況下對(duì)食品的貨架期進(jìn)行快速預(yù)測,并能分析食品和微生物間的關(guān)系[9],具有顯著優(yōu)勢。微生物預(yù)測模型主要分為一級(jí)模型、二級(jí)模型和三級(jí)模型。一級(jí)模型指在特定培養(yǎng)條件下,微生物的活動(dòng)與時(shí)間的關(guān)系,主要有Gompertz模型、Baranyi模型、修正的Logistic模型和Huang模型等[10],其中Baranyi模型是全球最大的開源微生物預(yù)測數(shù)據(jù)庫Combase的擬合回歸模型;二級(jí)模型指一級(jí)模型中的參數(shù)與環(huán)境變量對(duì)微生物活動(dòng)特性的關(guān)系,主要有平方根模型和Peleg-Corradini模型等[11];三級(jí)模型指將一級(jí)模型和二級(jí)模型通過計(jì)算機(jī)軟件形式合并的模型形式[5-6]。

近年來關(guān)于微生物的預(yù)測模型主要是對(duì)單一的特定腐敗菌(Specifics spoilage organisms,SSO)建立的預(yù)測模型[12-14],但是僅僅用單一的微生物或者是肉品中某一類微生物不能完全說明肉品的普遍性[15]。通過比較不同模型函數(shù)的擬合優(yōu)度,選擇適合產(chǎn)品的預(yù)測模型函數(shù)十分重要,但目前大部分研究并未作此比較[12-14],所選模型不一定是優(yōu)度最好的,且關(guān)于冷鮮黃羽肉雞微生物預(yù)測模型的建立尚屬空白,所以比較不同模型函數(shù)的擬合優(yōu)度是很有必要的。此外有研究顯示肉在-1 ℃條件下組織中水分呈微結(jié)晶狀態(tài),既不嚴(yán)重影響肉的質(zhì)構(gòu)特性,又能更好地抑制微生物生長繁殖[16]。因此本研究探討了黃羽肉雞于-1、4、10、15和20 ℃條件下細(xì)菌總數(shù)的變化情況,從Gompertz模型、Baranyi模型和修正的Logistic模型中選取擬合度最優(yōu)的模型,并以此模型為基礎(chǔ)建立了冷鮮黃羽肉雞的貨架期預(yù)測模型。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

江豐黃羽肉雞購于廣州市江豐實(shí)業(yè)股份有限公司,當(dāng)天凌晨宰殺后用裝有干冰的保溫箱在30 min內(nèi)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室;平板計(jì)數(shù)瓊脂廣東環(huán)凱微生物有限公司。

SW-CJ-2D型超凈工作臺(tái)蘇州凈化設(shè)備有限公司;UV-1800型紫外可見分光光度計(jì)日本島津公司;ALC-210.4型分析天平德國賽多利斯愛科勒公司;LRH-250型生化培養(yǎng)箱上海一恒科學(xué)儀器有限公司;LS-50LD型立式壓力蒸汽滅菌器江陰濱江醫(yī)療設(shè)備有限公司;BCD-648WDBE型冰箱海爾集團(tuán)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1樣品處理將冷鮮黃羽肉雞,于無菌條件下取雞胸肉部分,切割成30 g左右的小塊(n=5),然后置于經(jīng)紫外燈滅菌的吸塑托盤中,并用PE保鮮膜[氧氣透過率:18800 cm3/(m2·24 h·atm);透濕量:23 g/(m2·24 h)]封口,分別置于-1、4、10、15和20 ℃溫度條件下貯藏,定期取樣進(jìn)行檢測。

1.2.2細(xì)菌總數(shù)的測定無菌條件下準(zhǔn)確稱取-1、4、10、15和20 ℃下儲(chǔ)存的冷鮮黃羽肉雞雞肉25 g,用無菌剪刀剪碎,加入225 mL滅菌生理鹽水中,扎緊口置于搖床上(200 r/min)振蕩30 min。然后按10倍遞增稀釋到所需稀釋度,按GB4789.2-2010測定細(xì)菌總數(shù)。

1.2.3揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)值的測定參考張坤等[17]的分光光度法測定肉與肉制品中揮發(fā)性鹽基氮的方法,通過公式(1)進(jìn)行計(jì)算。國標(biāo)規(guī)定一級(jí)鮮肉中TVB-N<15 mg/100 g;二級(jí)鮮肉中TVB-N≤20 mg/100 g;變質(zhì)肉中TVB-N>20 mg/100 g。

式(1)

式中:X為樣品中揮發(fā)性鹽基氮的含量(mg/100g);C為樣品測定液中揮發(fā)性鹽基氮的含量(μg/mL);C0為空白測定液中揮發(fā)性鹽基氮的含量(μg/mL);m為樣品質(zhì)量(g);V為測定用樣品液體積(mL)。

1.2.4微生物生長動(dòng)力學(xué)模型(一級(jí)模型)

1.2.4.1修正的Gompertz模型Gompertz模型屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其修正的表達(dá)式如式(2)所示[18]。

N(t)=N0+(Nmax-N0)×exp[-exp(2.718×μmax/(Nmax-N0)×(λ-t)+1)]

式(2)

式中:t時(shí)間(h);N(t)為t時(shí)的微生物數(shù)量[lg(CFU/g)];N0為t=0時(shí)的初始微生物數(shù)量[lg(CFU/g)];Nmax為微生物增長到穩(wěn)定期時(shí)最大的微生物數(shù)量[lg(CFU/g)];μmax為微生物生長的最大比生長速率(h-1);λ為微生物生長的延滯時(shí)間(h),下同。

1.2.4.2Baranyi模型Baranyi模型屬于機(jī)械模型。其表達(dá)式如式(3)所示[19]。

N(t)=N0+μmax×t+ln(exp(-μmax×t)

+exp(-d)-exp(-μmax-d))

式(3)

式中:d為最大比生長速率μmax與延滯期λ的乘積。

1.2.4.3修正的Logistic模型修正的Logistic模型表達(dá)式如式(4)～式(6)所示[20]。

式(4)

μmax=C×(Nmax-N0)/4

式(5)

λ=D-2/C

式(6)

注:式中C為在t=M時(shí)的相對(duì)最大生長速率,h-1;D為達(dá)到相對(duì)最大生長速率所需要的時(shí)間,h。

1.2.5溫度對(duì)微生物生長影響的動(dòng)力學(xué)模型(二級(jí)模型)平方根方程是基于微生物生長速率,表征平方根與溫度之間的線性關(guān)系,是由Ratkowsky等提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。它的研究和使用都很廣泛,并在描述不同溫度下微生物的生長取得成功[21]。其關(guān)系式如式(7)和式(8)所示。

式(7)

式(8)

式中:T為儲(chǔ)存溫度(℃);Tmin為生長的最低溫度,即在此溫度時(shí)最大比生長速率為零(℃);bλ、b是方程的常數(shù)。

1.2.6微生物生長動(dòng)力學(xué)模型擬合優(yōu)度的評(píng)價(jià)通過偏差因子(Bf)、準(zhǔn)確因子(Af)來驗(yàn)證一級(jí)模型[22-23],Bf是描述觀測值所處位置為預(yù)測值所構(gòu)成曲線的上方、下方還是正好在曲線上的參數(shù),同時(shí)該值還能度量觀測值與預(yù)測值之間存在差距的大小,即該模型結(jié)構(gòu)性誤差的多少。Af描述了各觀測值所得到的點(diǎn)與預(yù)測值構(gòu)成的曲線之間的平均距離。二者的值均為1時(shí)的效果最為理想。此外Bf是預(yù)測模型是否安全的重要判斷依據(jù),一般認(rèn)為Bf值在0.90～1.05的范圍之內(nèi),該模型能夠很好地預(yù)測微生物生長狀況;Bf值在0.70～0.90或者1.06～1.15范圍之內(nèi),則該模型是可以被接受的;如果Bf值大于1.15或者小于0.70,則說明該模型是失敗的[24]。二級(jí)模型通過殘差平方和(RSS)來驗(yàn)證[19]。其表達(dá)式如式(9)～式(11)所示。

式(9)

式(10)

RSS=∑(obs-pred)2

式(11)

式中:obs為實(shí)驗(yàn)實(shí)際測得的細(xì)菌總數(shù);pred為應(yīng)用微生物生長動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測得到的與obs同一時(shí)間的細(xì)菌總數(shù);n為實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

1.2.7貨架期預(yù)測模型的建立和驗(yàn)證冷鮮黃羽肉雞于托盤包裝條件下的貨架期(Shelf life,SL),根據(jù)建立的微生物生長動(dòng)力學(xué)模型,可以通過微生物的初始菌數(shù)(N0)到腐敗限控量(Ns)所需要的增殖時(shí)間來預(yù)測。貨架期的計(jì)算關(guān)系式是在式(2)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來,如式(12)所示。將式(12)計(jì)算所得貨架期預(yù)測值與實(shí)測值相比較,驗(yàn)證模型可靠性。

式(12)

式中:NS為腐敗限控量[lg(CFU/g)]。

1.3數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)用Excel 2007(Microsoft公司,美國)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理;用SPSS 17.0(IBM公司,美國)進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差的分析;通過Origin 9.0(Origin Lab公司,美國)進(jìn)行作圖、模型擬合和預(yù)測模型的建立。

2　結(jié)果與分析

2.1腐敗限控量的確定

在4 ℃貯藏過程中,冷鮮黃羽肉雞雞肉中揮發(fā)性鹽基氮與細(xì)菌總數(shù)的變化如圖1所示。第5 d處于二級(jí)鮮肉,TVB-N達(dá)到19.03 mg/100 g,此時(shí)細(xì)菌總數(shù)為5.67 lg(CFU/g);第6 d已變質(zhì),TVB-N達(dá)到25.11 mg/100 g,此時(shí)細(xì)菌總數(shù)為6.21 lg(CFU/g)。因此當(dāng)黃羽肉雞中的細(xì)菌總數(shù)為5.67 lg(CFU/g)時(shí),雞肉還處于新鮮狀態(tài),當(dāng)超過這個(gè)值,黃羽肉雞就有可能腐敗,所以冷鮮黃羽肉雞的最小腐敗限量Ns為5.67 lg(CFU/g)。

圖1　冷鮮黃羽肉雞在4 ℃儲(chǔ)存時(shí)的TVB-N值與細(xì)菌總數(shù)的變化Fig.1　The change of TVB-N and Aerobic bacterial count in chilled yellow broiler during at 4 ℃

2.2一級(jí)模型的擬合

根據(jù)黃羽肉雞在-1、4、10、15和20 ℃貯藏過程中的細(xì)菌總數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行一級(jí)模型擬合,各一級(jí)模型與觀測數(shù)據(jù)擬合情況如圖2所示。

圖2　細(xì)菌總數(shù)在不同溫度條件下生長曲線及各一級(jí)模型擬合曲線Fig.2　Growth curves and predictive model of Aerobic bacterial count at different temperatures注:A-Gompertz模型;B-Baranyi模型;C-Logistic模型。

從圖2與表1可以看出,三種模型都能很好地?cái)M合各個(gè)溫度下的微生物生長情況,其R2均在0.97以上。

表1　不同一級(jí)模型的微生物生長動(dòng)力學(xué)參數(shù)比較

注:Gom-修正的Gompertz模型;Bar-Baranyi模型;Log-修正的Logistic模型,表2同。

結(jié)合圖2和最大比生長速率(μmax)可以得出,在-1 ℃條件下微生物生長較為緩慢,隨著溫度的上升微生物的生長速度逐漸加快,因而控制溫度對(duì)于冷鮮黃羽肉雞的儲(chǔ)存是十分必要的。對(duì)比延滯期時(shí)間(λ)可知Gompertz模型和Logistic模型均為正數(shù),而Baranyi模型基本為負(fù)數(shù),這與Van J F等人的研究結(jié)果相似[25],由于負(fù)數(shù)的λ不能用于二級(jí)模型的建立,所以舍去Baranyi模型,以另外兩個(gè)模型進(jìn)行后續(xù)的模型建立與檢驗(yàn)。

表2　二級(jí)模型的關(guān)系式

2.3二級(jí)模型的擬合

根據(jù)一級(jí)模型所得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù),構(gòu)建二級(jí)模型(平方根模型)來擬合溫度對(duì)微生物生長的影響。如圖3所示。

圖3　溫度與最大比生長速率(μmax)、延滯時(shí)間(λ)的關(guān)系Fig.3　Relationships between temperature and specific growth rate or lag phase注：A，B-Gompertz模型；C，D-Logistic模型。

2.4模型優(yōu)度的評(píng)價(jià)

表3　微生物數(shù)量預(yù)測值的偏差因子和準(zhǔn)確因子

將實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)與所建立的預(yù)測模型進(jìn)行比較,確定一級(jí)模型的可靠性。由表3可以看出,修正的Gompertz模型的偏差因子與準(zhǔn)確因子均十分接近1,二者的波動(dòng)幅度分別在0.1%和4%以下;且5個(gè)溫度下的Bf均處在0.90～1.05的范圍之內(nèi)。所以修正的Gompertz模型可以很好地預(yù)測微生物的生長,進(jìn)一步確定修正的Gompertz模型為最優(yōu)的模型來預(yù)測細(xì)菌總數(shù)的變化。

表4　溫度與比生長速率平方根模型、延滯時(shí)間平方根模型的殘差值

2.5貨架期預(yù)測模型的建立和驗(yàn)證

以修正的Gompertz模型為基礎(chǔ),計(jì)算從初始微生物數(shù)量(N0)增至腐敗量(Ns)的時(shí)間來預(yù)測冷鮮黃羽肉雞的貨架期。已知產(chǎn)品最小腐敗量為5.67 lg(CFU/g),最大微生物數(shù)量可以用不同溫度條件下該數(shù)值的平均值9.80193 lg(CFU/g),由此得出貨架期預(yù)測模型為方程(13)。

式(13)

注:相對(duì)誤差(%)=∣(SL預(yù)測值-SL實(shí)際觀察值)/SL實(shí)際觀察值∣×100。

對(duì)各儲(chǔ)存溫度下冷鮮黃羽肉雞的細(xì)菌總數(shù)貨架期預(yù)測模型進(jìn)行驗(yàn)證,由表5可知本實(shí)驗(yàn)建立的冷鮮黃羽肉雞貨架期預(yù)測模型所得到的預(yù)測值的準(zhǔn)確率較高,相對(duì)誤差均小于10%。以修正的Gompertz模型為基礎(chǔ)建立的細(xì)菌總數(shù)貨架期預(yù)測模型可快速準(zhǔn)確預(yù)測-1～20 ℃儲(chǔ)存溫度下冷鮮黃羽肉雞的貨架期。此外-1 ℃下冷鮮黃羽肉雞的貨架期要遠(yuǎn)長于4 ℃的貨架期。

3　結(jié)論

冷鮮黃羽肉雞的最小腐敗限量Ns為5.67 lg(CFU/g)。以修正的Gompertz模型、Baranyi模型和修正的Logistic模型為一級(jí)模型,從中選取擬合優(yōu)度最好的一級(jí)模型構(gòu)建冷鮮黃羽肉雞的貨架期預(yù)測模型。通過比較一級(jí)模型和二級(jí)模型的R2,以及觀察一級(jí)模型所得到的參數(shù),初步確定以修正的Gompertz模型為最優(yōu)一級(jí)模型。對(duì)修正的Gompertz模型進(jìn)行偏差因子(Bf)、準(zhǔn)確因子(Af)和二級(jí)模型的殘差平方和(RSS)進(jìn)行分析,得出修正的Gompertz模型能很好地描述冷鮮黃羽肉雞在儲(chǔ)存過程中微生物的生長情況,且可靠性較高。在修正的Gompertz模型基礎(chǔ)上建立的貨架期預(yù)測模型,能夠很好地預(yù)測-1～20 ℃條件下冷鮮黃羽肉雞的貨架期,低溫(-1 ℃)有利于延長冷鮮黃羽肉雞的貨架期。

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Establishment and evaluation of predictive model for the shelf life of chilled yellow broiler

CHEN Peng1,2,CHENG Jing-rong2,YANG Yu-xin3,FANG Shao-qin2,LIU Xue-ming2,*

(1.College of Bioscience and Bioengineering,Jiangxi Agricultural University,Nanchang 330045,China;2.Sericultural and Agri-Food Research Institute,Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Key Laboratory of Functional Foods,Ministry of Agriculture,Guangdong Key Laboratory of Agricultural Products Processing,Guangzhou 510610,China;3.Guangzhou Kwang Feng Industrial Co.,Ltd.,Guangzhou 510450,China)

In order to establish a predictive model for the shelf-life of chilled yellow broiler,samples were packed in trays and stored at -1,4,10,15,and 20 ℃,respectively,and their aerobic plate count were determined. Meanwhile,chilled yellow broiler was analyzed for total volatile basic nitrogen during storage at 4 ℃. Results showed that the average number of total viable counts was 5.67 lg(CFU/g)at the end of the shelf life. The primary models,modified Gompertz,Baranyi and modified Logistic were applied to describe the change of total bacterial counts with time ,and their secondary models,square root equations,were used to describe the change of parameters from primary models with time. The modified Gompertz model was evaluated as the best goodness of fit by comparing the model parameters,regression coefficient(R2),bias factor(Bf),accuracy factor(Af)and residual sum of squares(RSS)of the secondary models. On the basis of modified Gompertz,the relative error between predicted value obtained from total bacterial count growth prediction model and its observed shelf life was less than 10%. Which indicated the predictive model was reliable for the shelf-life of chilled yellow broiler meat stored at temperature ranging from -1 to 20 ℃.

chilled yellow broiler;shelf life;prediction mode;goodness-of-fit;modified Gompertz

2015-11-30

陳鵬(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：生物工程,E-mail：pchenxy@163.com。

劉學(xué)銘(1967-)，男，博士，研究員，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工,E-mail：xumingliu37@126.com。

廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)(201508020019)；廣東省促進(jìn)科技服務(wù)業(yè)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013B040400009，2014B040404059)。

TS251.5

A

1002-0306(2016)12-0144-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.020