金黃色葡萄球菌在生鮮豬肉中生長動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

陳威風(fēng) 劉 博 岳曉禹

（河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院食品工程學(xué)院，河南鄭州 450046）

0 引言

生鮮豬肉富含蛋白質(zhì)、脂肪及微量元素，是消費(fèi)者比較喜歡的動(dòng)物性食品之一，已成為我國乃至世界生肉銷售的主要發(fā)展方向[1]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，近10年來，全球豬肉產(chǎn)量保持穩(wěn)定增產(chǎn)，同時(shí)肉品的品質(zhì)及安全衛(wèi)生也日益受到重視[2-3]。肉及肉制品引起的食物中毒事件在國內(nèi)外時(shí)有發(fā)生，其中金黃色葡萄球菌是引起食源性中毒的重要致病菌之一[4]。中毒原因大多與其分泌產(chǎn)生的腸毒素有關(guān)。

金黃色葡萄球菌腸毒素屬于胃腸外毒素，分子量為26～30 kDa，其結(jié)構(gòu)相關(guān)、序列同源性較高、毒力相似，污染食物進(jìn)入食物鏈后引起的癥狀主要為食物中毒、敗血癥、中毒性休克綜合癥和牛乳腺炎等[5-8]。由于金黃色葡萄球菌會受到食品內(nèi)部以及外部環(huán)境的影響，因此在不同的食品中，其生長及產(chǎn)毒規(guī)律也千差萬別[9-11]。目前國內(nèi)已有一些關(guān)于金黃色葡萄球菌在乳制品、冷凍魚糜、發(fā)酵牛肉等食品中的生長規(guī)律的研究報(bào)道[12-13]。

近年來，利用預(yù)測微生物學(xué)模擬食品在不同條件下的生長繁殖狀態(tài)的研究越來越熱。它是一種基于數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理建立起來的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于可以不通過實(shí)驗(yàn)室檢測便可輕松預(yù)測食品在加工、貯藏和流通條件下微生物數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并對食品的安全性做出快速判斷[14]。研究對象主要針對食品中損害其質(zhì)量或安全性的微生物，即腐敗菌和病原菌[15]。相關(guān)的研究國內(nèi)報(bào)道也較多，朱彥祺等人以冷藏大黃魚中容易感染的希瓦氏菌為研究對象，采用Belehradek方程建立二級模型，并詳細(xì)探討了溫度對腐敗希瓦氏菌生長動(dòng)力學(xué)的影響[16]。丁婷等人為了探究動(dòng)力學(xué)模型對冷藏三文魚片微生物生長的適用性，分別采用不同的生長動(dòng)力學(xué)模型對其微生物生長動(dòng)態(tài)進(jìn)行非線性擬合，建立其剩余貨架期模型[17]。趙楠建立了不同溫度下醬鹵肉中沙門氏菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌的生長一級模型和二級模型[18]。鄭婷等通過建立牛肉中沙門氏菌動(dòng)力學(xué)模型，為冷卻牛肉生產(chǎn)過程中該菌的控制提供有效的手段[19]。然而對容易受金黃色葡萄球菌污染的生鮮豬肉而言，這方面的研究還較少。本研究通過建立動(dòng)力學(xué)模型，人們可快速地了解生鮮豬肉在不同貯藏條件下金黃色葡萄球菌的生長特性的響應(yīng)情況，為生鮮豬肉貯藏過程中的安全控制打下基礎(chǔ)，并以此為依據(jù)優(yōu)化生鮮豬肉的貯藏方法和手段等。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生鮮豬肉購于大型超市冷鮮肉專賣點(diǎn)。

1.2 菌種

金黃色葡萄球菌（CGMCC：21600）購于中國普通微生物保藏中心。

1.3 儀器與設(shè)備

BGD-2165DN冰柜 青島海爾股份有限公司；SPX-250L生化培養(yǎng)箱 上海?，攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；QYC-2102恒溫培養(yǎng)搖床 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 菌種活化

取一支金黃色葡萄球菌凍干粉（編號為21600），加入少量的LB液體培養(yǎng)基融化。然后將其轉(zhuǎn)接到試管中，加入5 ml的液體培養(yǎng)基，置于37℃搖床中培養(yǎng)12～24h。

1.4.2 樣品的預(yù)處理

經(jīng)無菌操作將生鮮豬肉切成約25g±0.1g的塊狀，置于事先準(zhǔn)備好的無菌均質(zhì)袋中，備用。

1.4.3 接種

制備金黃色葡萄球菌菌懸液，使接種的豬肉初始含菌數(shù)約為103CFU/ml。接種后將樣品放到拍打式均質(zhì)機(jī)中以10次/s的頻率均質(zhì)3 min，確保金黃色葡萄球菌與生鮮豬肉充分混勻。然后分別放置于4℃、10℃、25℃、30℃、37℃的環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)，每隔2 h檢測一次菌落總數(shù)。

1.4.4 數(shù)據(jù)處理

（1）金黃色葡萄球菌一級生長模型的建立

微生物的數(shù)量變化與時(shí)間的關(guān)系主要通過一級生長模型來進(jìn)行描述。一級微生物生長模型一般是通過S型曲線來描述。本實(shí)驗(yàn)利用SPSS軟件中的修正后的Gompertz方程來擬合生長數(shù)據(jù)。其中方程如式（1）所示。

公式中：t為時(shí)間（h），Kt表示為時(shí)間t時(shí)的菌落總數(shù)（cfu/g），Nmax表示為最大菌落總數(shù)（cfu/g），K0表示為初始菌落總數(shù)（cfu/g），μmax為最大生長率（h-1），Lag為延滯期（h）。

（2）金黃色葡萄球菌二級生長模型的建立

利用平方根（Belehradck）方程描述溫度對金黃色葡萄球菌生長影響的動(dòng)力學(xué)模型。如式（2）和（3）所示。

式中：k為方程常數(shù)；T為培養(yǎng)溫度（℃）；Tmin為生長的最低溫度。

2 結(jié)果分析

2.1 生鮮豬肉中金黃色葡萄球菌在不同溫度條件下的生長動(dòng)力學(xué)模型

吸取一定量的金黃色葡萄球菌菌液接種至事先切割好的生鮮豬肉中，分別置于不同的溫度中，依據(jù)金黃色葡萄球菌在生鮮豬肉中生長的實(shí)測值，采用修正的Gompertz方程回歸擬合，得到金黃色葡萄球菌生長的一級動(dòng)力學(xué)模型。求得金黃色葡萄球菌的生長動(dòng)力學(xué)參數(shù)（表1），其中4、10、25、30、37℃延滯時(shí)間分別為15.820、8.533、4.021、3.109、2.284 h，金黃色葡萄球菌的延滯時(shí)間（Lag）隨著溫度的升高而減短，說明溫度對金黃色葡萄球菌生長速度影響較大，同時(shí)也證明該菌即使是在較低的溫度下同樣也能夠生長繁殖。最大比生長速率分別為0.413、0.466、0.627、0.705、0.833 h-1，最大比生長速率（μmax）值隨著溫度的升高而變大。所建立的模型R2值均大于0.9，表明在4～37℃范圍下，金黃色葡萄球菌的一級生長模型擬合度較好，所建一級生長模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測生鮮豬肉中金黃色葡萄球菌的生長狀態(tài)。

表1 生鮮豬肉中不同溫度下微生物的生長動(dòng)力學(xué)模型

2.2 金黃色葡萄球菌的生長動(dòng)力學(xué)模型建立與評價(jià)

盡管以上建立的金黃色葡萄球菌一級動(dòng)力學(xué)模型能很好地預(yù)測金黃色葡萄球菌在4、10、5、25、30 、37℃溫度范圍內(nèi)的生長變化規(guī)律，但溫度的變化對金黃色葡萄球菌生長的影響卻無法描述，為了更好的評估溫度的變化對金黃色葡萄球菌生長變化的影響，需要進(jìn)一步建立金黃色葡萄球菌的生長動(dòng)力學(xué)二級模型。應(yīng)用平方根模型（Belehradck方程）描述的溫度（T）與μmax之間的關(guān)系如圖1所示，溫度與μmax間的Belehradck方程為：μmax0.5=0.008×T+0.6038，其中R2=0.992，表明溫度μmax間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。圖2是應(yīng)用平方根模型描述的溫度與延滯時(shí)間（Lag）之間的關(guān)系圖。其中溫度與Lag間的Belehradck方程為：1/Lag0.5=0.012×T+0.2091，其中R2=0.996，表明溫度與Lag間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

圖1 溫度與最大比生長速率（μmax）之間的關(guān)系

圖2 溫度與延滯時(shí)間（Lag）之間的關(guān)系

2.3 二級模型的驗(yàn)證

通過以上實(shí)驗(yàn)成功構(gòu)建了金黃色葡萄球菌生長的一級和二級模型，所建模型是否可靠還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，由以上模型可以預(yù)測不同溫度條件下的Lag和μmax，通過實(shí)驗(yàn)可以測定不同溫度下的實(shí)測值，對比可以判斷二者之間的差異，計(jì)算得到二者的殘差值（表2），該值的絕對值均小于0.02，充分證明利用Belehradck方程可以很好的描述金黃色葡萄球菌生長變化與溫度之間的關(guān)系。

表2 不同溫度下Lag-0.5、μmax0.5的實(shí)測值、預(yù)測值及殘差值

3 結(jié)論

生鮮豬肉在屠宰、儲藏、運(yùn)輸、加工以及銷售的過程中極易被空氣中的金黃色葡萄球菌污染進(jìn)而進(jìn)入食物鏈導(dǎo)致食物中毒現(xiàn)象的發(fā)生，其中溫度調(diào)控是控制其大量生長繁殖的重要方式。利用預(yù)測微生物學(xué)建立數(shù)學(xué)模型可以有效地控制其污染，提高豬肉的安全性。關(guān)于金黃色葡萄球菌的生長動(dòng)力學(xué)模型很多文獻(xiàn)已有報(bào)道，但是有關(guān)于其在生鮮豬肉中的生長動(dòng)力學(xué)模型報(bào)道很少，本實(shí)驗(yàn)成功構(gòu)建了不同貯藏溫度條件下生鮮豬肉中金黃色葡萄球菌生長的動(dòng)力學(xué)一級和二級模型。結(jié)果顯示，4～37℃范圍內(nèi)溫度與μmax和Lag呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，最后通過預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的符合程度對所建的模型進(jìn)行了驗(yàn)證，殘差值的絕對值均小于0.02，充分證明利用Belehradck方程可以很好的描述金黃色葡萄球菌生長變化與溫度之間的關(guān)系，因此可以通過控制溫度變化達(dá)到降低金黃色葡萄球菌的污染，保障生鮮豬肉品質(zhì)安全的目的。