申光輝，陳安均，陳姝娟，張志清（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川 雅安 625014）

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超高壓對泡蘿卜的殺菌效果及其動力學(xué)研究

申光輝，陳安均*，陳姝娟，張志清
（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川 雅安 625014）

摘 要：研究300～600 MPa超高壓條件下處理四川泡蘿卜5～25 min，對其細菌總數(shù)的影響、對霉菌、酵母菌及大腸菌群的殺滅效果的影響。并采用3 種模型對不同壓力條件下殺菌動力學(xué)過程進行分析比較。結(jié)果表明：隨處理壓力和時間的增加，超高壓對泡蘿卜的殺菌效果增強；霉菌和酵母菌對壓力較為敏感，500 MPa處理5 min可被全部殺死；Weibull模型能很好地擬合泡蘿卜超高壓殺菌的動力學(xué)過程（決定系數(shù)R2＞0.99），且相較Log-logistic模型更簡潔、靈活實用。尺度參數(shù)b隨處理壓力的增加而增大，形狀參數(shù)n則隨壓力的增加而減小。

關(guān)鍵詞：超高壓；泡菜；殺菌動力學(xué)；Weibull模型；Log-logistic模型

引文格式：

申光輝,陳安均,陳姝娟,等.超高壓對泡蘿卜的殺菌效果及其動力學(xué)研究[J].食品科學(xué),2016,37(5):67-71.

SHEN Guanghui,CHEN Anjun,CHEN Shujuan,et al.Inactivation and kinetics analysis of microorganisms in pickled radish processed by high hydrostatic pressure[J].Food Science,2016,37(5):67-71.(in Chinese with English abstract)

四川泡菜是以新鮮蔬菜為原料經(jīng)乳酸菌天然發(fā)酵而成的傳統(tǒng)食品，以其鮮香脆爽、酸甜可口、風(fēng)味獨特、營養(yǎng)豐富，深受廣大消費者喜愛[1]。目前四川泡菜工業(yè)化生產(chǎn)普遍采用巴氏熱力殺菌工藝，但該工藝對產(chǎn)品色澤、質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味及營養(yǎng)物質(zhì)破壞嚴重[1-2]。超高壓技術(shù)作為一種新型的食品非熱力加工技術(shù)，不僅具有良好的殺菌效果，而且在保持食品色澤、風(fēng)味和營養(yǎng)等品質(zhì)特性方面較熱力殺菌優(yōu)勢明顯[3]。國內(nèi)外研究[4-9]也表明，超高壓技術(shù)對泡菜等發(fā)酵蔬菜產(chǎn)品有較好的殺菌效果，且有利于風(fēng)味和營養(yǎng)物質(zhì)的保存。超高壓殺菌動力學(xué)模型可用于比較并預(yù)測不同超高壓工藝條件下的殺菌效果[10]，對建立食品超高壓加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有重要的理論指導(dǎo)意義[11]。超高壓殺菌動力學(xué)較傳統(tǒng)熱力殺菌復(fù)雜，殺菌效果不僅與壓力、時間、溫度等參數(shù)有關(guān)，而且受到微生物種類特性和pH值、水分活度等食品性質(zhì)的影響[12-13]，并不是所有的超高壓殺菌過程均符合一級動力學(xué)模型，微生物致死曲線也往往偏離線性[14-16]。關(guān)于四川泡菜超高壓殺菌的動力學(xué)尚不清楚，因此本實驗探究了超高壓對四川泡蘿卜的殺菌效果，采用線性模型、Weibull模型和Log-logistic模型擬合超高壓殺菌動力學(xué)曲線，并對模型擬合度進行定量和定性評價，為泡菜工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用超高壓殺菌技術(shù)提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

泡菜老鹽水采自民間發(fā)酵2 a以上優(yōu)質(zhì)泡菜“老鹽水”，保存于四川省農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工重點實驗室備用；紅皮蘿卜、生姜、大蒜、辣椒、食鹽等原輔料購自雅安市蒼坪路農(nóng)貿(mào)市場。

尼龍/聚乙烯（polyamide/polyethylene，PA/PE）雙層復(fù)合真空包裝袋（11 cm×17 cm，180 μm） 上海易諾包裝材料有限公司。

平板計數(shù)培養(yǎng)基（PCA）、孟加拉紅瓊脂培養(yǎng)基、月桂基硫酸鹽胰蛋白胨肉湯培養(yǎng)基、煌綠乳糖膽鹽肉湯培養(yǎng)基 杭州微生物試劑有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

RL-003型超高壓設(shè)備 溫州貝諾機械有限公司；DZ-600/2SN型真空包裝機 上海青葩食品包裝機械有限公司；JA1203分析天平 上海越平科學(xué)有限公司；SW-CJ-2FD超凈工作臺 蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；YXQ-LS-50SII立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海博訊實業(yè)有限公司；SHP-160型智能生化培養(yǎng)箱 上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1樣品制備

以紅皮蘿卜為原材料，參照曾駿等[17]傳統(tǒng)四川泡菜“老鹽水”泡菜制作工藝發(fā)酵泡蘿卜，取發(fā)酵3 d的泡蘿卜100.0 g裝入PA/PE復(fù)合真空包裝袋，真空熱封口（真空度為－0.1 MPa），立即超高壓處理。

1.3.2超高壓處理

將樣品置于超高壓容器腔內(nèi)，以水為傳壓介質(zhì)，水溫為25 ℃，升壓速率為100 MPa/min，卸壓時間1～2 s。設(shè)定處理壓力分別為300、400、500、600 MPa，保壓時間為5、10、15、20、25 min，于室溫25 ℃條件下處理樣品。每處理重復(fù)3 袋。

1.3.3微生物計數(shù)

樣品處理結(jié)束立即進行微生物計數(shù)。樣品細菌菌落總數(shù)依據(jù)GB 4789.2—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗 菌落總數(shù)測定》計數(shù)；霉菌和酵母菌數(shù)量根據(jù)GB 4789.15—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗 霉菌和酵母計數(shù)》測定，大腸菌群計數(shù)參照GB 4789.3—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗 大腸菌群計數(shù)》中的大腸菌群最大可能數(shù)（most probable number，MPN）計數(shù)法計數(shù)。每處理取3 袋樣品測定，各稀釋梯度重復(fù)3 次。

1.4動力學(xué)分析

為分析超高壓處理對泡蘿卜的殺菌效果，選用線性模型[14-15]、Weibull模型[15,18]和Log-logistic模型[18-19]3 種超高壓殺菌動力學(xué)分析常見模型進行擬合比較分析，模型公式及參數(shù)如下：

式中：N0和N分別為超高壓處理前、后樣品中的細菌菌落總數(shù)（或霉菌和酵母菌總數(shù)）/（CFU/g）；lg（N/N0）為超高壓處理后樣品微生物殘存率對數(shù)值[20]，可用來表示超高壓處理的殺菌效果；t為超高壓處理時間/min；Dp為指數(shù)遞減時間，某壓力下每殺死90%的活菌數(shù)所需時間/min。

式中：b和n分別為尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。當(dāng)n＜1時，Weibull分布為一凹面向上的曲線；n＞1 時曲線凹面向下；n＝1時為一條直線[18]。

式中：A為上下漸近線之差（lg（CFU/g））；σ為微生物最大失活速率（lg（CFU/g）/lgmin）；τ表示最大失活速率對應(yīng)時間的對數(shù)值/（lgmin）；lgt0＝6。

1.5模型擬合度比較

以精確因子（accuracy factor，Af）、偏差因子（bias factor，Bf）、均方根誤差（root mean square error，RMSE）和決定系數(shù)R24 個參數(shù)來定量評價不同模型的擬合度[21-22]。Af表示預(yù)測值與實測值間的偏離程度；Bf表示實測值大于（Bf＞1）或小于（Bf＜1）或等于（Bf＝1）預(yù)測值。因此Bf越接近1，Af越小，模型擬合度越高。R2和RMSE表示模型的可靠度，R2越大，RMSE越小，模型的擬合度越高。按下式計算Af、Bf、RMSE。

式中：y實測為實測值；y預(yù)測為預(yù)測值；n為實測值個數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進行方差分析（analysis of variance，ANOVA）及動力學(xué)模型擬合處理，并使用Origin Pro 9.0軟件作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1超高壓處理對泡蘿卜細菌菌落總數(shù)的影響

圖1　超高壓處理對泡蘿卜細菌菌落總數(shù)的影響Fig.1 Effect of high hydrostatic pressure processing on inactivation of total aerobic bacteria in pickled radish

由圖1可知，超高壓處理的壓力和時間對樣品細菌菌落總數(shù)影響很大，不同壓力條件下菌落總數(shù)變化趨勢較為相似。在300～600 MPa壓力范圍內(nèi)，菌落總數(shù)隨壓力的增加而顯著降低（P＜0.05）。當(dāng)處理壓力從300 MPa上升到500 MPa，保壓15 min，細菌殘存率對數(shù)值降低了0.75（lg（CFU/g））。當(dāng)繼續(xù)提高處理壓力時，細菌殘存率對數(shù)值的降低趨勢漸緩，與超高壓對果汁殺菌效果的結(jié)果類似[15-16]。這與實驗樣品中不同細菌的耐壓特性有關(guān)，壓力敏感菌壓力閾值較低，較低壓力即可殺死大部分菌；而耐壓菌壓力閾值高，如部分革蘭氏陽性菌的芽孢耐壓能力最強，壓力未超過其閾值的條件下，延長時間也難顯著降低細菌數(shù)量（P＞0.05）。

2.2超高壓處理對泡蘿卜中霉菌、酵母菌及大腸菌群菌落數(shù)量的影響

圖2　超高壓處理對泡蘿卜霉菌和酵母菌數(shù)量的影響Fig.2 Effect of high hydrostatic pressure processing on the inactivation of mold and yeast in pickled radish

由圖2可知，壓力和處理時間對霉菌和酵母菌菌落數(shù)量有顯著影響。霉菌和酵母菌的殘存率對數(shù)值均隨著時間增加而顯著降低（P＜0.05），且殘存率對數(shù)值的降低速率隨壓力提高而加快。與圖1比較可知，霉菌和酵母菌壓力閾值相對較低，在400 MPa壓力下處理5 min，霉菌和酵母菌菌落總數(shù)由初始的105CFU/g降低至928 CFU/g，處理10 min的樣品未檢出霉菌和酵母菌，而500 MPa及以上壓力處理5 min就足以殺死全部霉菌和酵母菌。

大腸菌群在未處理樣品中未檢出，這與實驗材料屬實驗室自制泡菜產(chǎn)品有關(guān)。趙冬等[8]研究表明，300～400 MPa超高壓處理可有效降低取自企業(yè)生產(chǎn)線的泡豇豆中大腸菌群數(shù)量。由于大腸菌群多屬革蘭氏陰性細菌，其壓力閾值較低，與本研究中霉菌和酵母菌壓力閾值接近，經(jīng)400 MPa壓力處理很容易將其全部殺死。易建勇等[23]考察雙胞蘑菇的超高壓殺菌研究結(jié)果也表明，大腸菌群對壓力非常敏感，300 MPa處理可完全將其殺滅。因此，在泡菜超高壓殺菌參數(shù)條件優(yōu)化研究中，需重點考察對壓力閾值較高的耐壓細菌的殺菌效果。

2.3超高壓處理對泡蘿卜殺菌效果動力學(xué)分析

2.3.1動力學(xué)曲線擬合

圖3　Weibull模型（A）和Log-logistic模型（B）對泡蘿卜超高壓殺菌的動力學(xué)擬合曲線Fig.3 Survival curves of total aerobic bacteria in high hydrostatic pressure processed pickled radish fitted with Weibull model(A)and Log-logistic model(B)

運用線性模型、Weibull模型和Log-logistic模型擬合不同壓力處理后泡蘿卜菌落總數(shù)，線性模型無法擬合超高壓殺菌動力學(xué)曲線，而由圖3可知，Weibull模型和Log-logistic模型可較好地擬合動力學(xué)曲線。傳統(tǒng)熱力殺菌一般遵循一級反應(yīng)動力學(xué)，采用D值或Z值可有效確定殺菌工藝條件[22]。盡管部分研究試圖采用類似于熱力滅菌中的D值和Z值來預(yù)測超高壓殺菌動力學(xué)過程和殺菌效果[13,24-25]，而研究發(fā)現(xiàn)，超高壓殺菌動力學(xué)曲線更加符合非線性模型[14-16,22-23]。決定系數(shù)一般用來對模型擬合程度做一個總體評價[21]。由表1可知，采用線性模型擬合獲得不同壓力下的直線，其修正決定系數(shù)均小于0.50，無法用于描述超高壓殺菌動力學(xué)過程。利用Weibull和Log-logistic模型擬合的動力學(xué)曲線，其均大于0.99，表明超高壓對泡蘿卜殺菌過程符合Weibull模型和Log-logistic模型。

表1　3 種動力學(xué)模型擬合曲線參數(shù)及統(tǒng)計參數(shù)Table 1 Kinetic parameters of three fitting models for inactivation of total aerobic bacteria in high hydrostatic pressure processed pickled radish

2.3.2模型擬合度評價

表2　Weibull模型與Log-logistic模型評價參數(shù)Table 2 Evaluation indices of Weibull model and Log-logistic model

為進一步比較Weibull模型和Log-logistic模型對泡蘿卜殺菌過程的擬合度，采用模型評價參數(shù)Af、Bf、RMSE 和R2作進一步比較分析。由表2可知，Weibull模型與Log-logistic模型參數(shù)Af、Bf、RMSE和R2整體上較為接近。Log-logistic模型的Af和RMSE相對于Weibull模型略小，說明Log-logistic模型預(yù)測的平均精確度較高，離散程度較低；同時Log-logistic模型的Bf和R2較Weibull模型更接近于1。因此，Log-logistic模型較Weibull模型可更好擬合泡蘿卜超高壓殺菌動力學(xué)過程。

圖4　超高壓對泡蘿卜菌落總數(shù)殺滅效果的Weibull模型與Log-logistic模型預(yù)測值和實測值的相關(guān)性Fig.4 Correlation between observed and predicted values for inactivation of total aerobic bacteria in high hydrostatic pressure processed pickled radish according to Weibull model and Log-logistic model

為了比較Weibull模型和Log-logistic模型回歸方程所得預(yù)測值和實測值的接近程度，以同一樣品微生物殘存率對數(shù)的實測值為橫坐標(biāo)，模型預(yù)測值為縱坐標(biāo)作圖，并進行線性回歸擬合得到回歸方程及其決定系數(shù)R2結(jié)果如圖4所示，Log-logistic模型擬合方程：y＝0.996 2x－0.013 0（R2＝0.996 2），Weibull模型擬合方程：y＝0.981 7x－0.064 4（R2＝0.984 8）。實測值和預(yù)測值間一致性越好，其關(guān)系曲線的斜率和決定系數(shù)R2越接近1，方程截距越趨向于0。Log-logistic模型曲線的斜率為0.996 2，決定系數(shù)R2為0.996 2，均較Weibull模型更趨近于1，截距為0.013 0，也較Weibull模型更趨近于0。因此，Log-logistic模型在模擬泡蘿卜超高壓殺菌動力學(xué)過程略優(yōu)于Weibull模型。

2.3.3Weibull模型參數(shù)與處理壓力的關(guān)系分析

通過比較得出Log-logistic模型雖然略優(yōu)于Weibull模型，但模型參數(shù)相對較多，推導(dǎo)中需要給參數(shù)lgt0賦初始值，而且仍沒有合適的二級模型用來描述模型參數(shù)與壓力間的關(guān)系。而Weibull模型更加簡潔、靈活實用，其參數(shù)b與壓力的關(guān)系可以通過Logistic指數(shù)模型或Bigelow模型表示[26-27]，參數(shù)n與壓力的關(guān)系可用指數(shù)衰減模型表示[28]。此外，線性模型也可用于描述參數(shù)b和n與壓力之間的關(guān)系[18-19]。Weibull模型的尺度參數(shù)b可反映殺菌的效果[16]。分析發(fā)現(xiàn)，尺度參數(shù)b與壓力之間成良好的線性正相關(guān)關(guān)系（R2＝0.954 0），即b隨著壓力升高而變大（圖5A）。形狀參數(shù)n反映曲線的形狀，不同壓力下的n均小于1（表1），表明在同一壓力下，殺菌效果隨著壓力處理時間的延長而變?nèi)酢Ｐ螤顓?shù)n與壓力成良好的線性負相關(guān)（R2＝0.854 9）（圖5B）；n值隨壓力的提高逐漸變??；曲線拖尾越明顯（圖3B），表明在較高壓力下，延長殺菌時間并不一定能夠提高殺菌效果。這與其他文獻報道[15-16]結(jié)果一致。

圖5　Weibull模型參數(shù)b（AA）和n（B）與壓力的關(guān)系Fig.5 Correlation between Weibull model parameters b(A)or n(B)and pressure

3　結(jié) 論

在300～600 MPa超高壓條件下，處理5～25 min可顯著降低泡蘿卜中微生物數(shù)量（P＜0.05）。處理壓力越高，時間越長，殺菌效果越好。600 MPa條件下處理25 min可使泡蘿卜細菌殘存率降低4.36個對數(shù)值。泡蘿卜中霉菌和酵母菌對壓力更為敏感，500 MPa壓力下處理5 min則無菌落檢出。

Weibull模型和Log-logistic模型均能很好擬合泡蘿卜超高壓殺菌的動力學(xué)過程（決定系數(shù)R2＞0.99）。Weibull模型更加簡潔、靈活實用，更能適用于泡蘿卜超高壓殺菌條件的預(yù)測和優(yōu)化，模型參數(shù)均與壓力間成良好的線性相關(guān)關(guān)系，尺度參數(shù)b隨著壓力的提高而變大，形狀參數(shù)n隨著壓力的提高而變小。

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Inactivation and Kinetics Analysis of Microorganisms in Pickled Radish Processed by High Hydrostatic Pressure

SHEN Guanghui,CHEN Anjun*,CHEN Shujuan,ZHANG Zhiqing
(College of Food Science,Sichuan Agricultural University,Ya’an 625014,China)

Abstract:In order to explore the inactivation effect of high hydrostatic pressure on naturally occurring microorganisms in pickled radish,the numbers of aerobic bacteria,mold and yeast as well as coliform in pickled radish were measured after pressure processing at various pressure levels(300–600 MPa)for 5–25 min,respectively.The traditional linear models,Weibull and Log-logistic model were used to fit the survival curves of aerobic bacteria in pickled radish processed by high hydrostatic pressure.The results showed that microbial inactivation was improved with an increase in pressure level and processing time.Both mold and yeast were more sensitive to pressure processing and could be inactivated by 500 MPa pressure for 5 min.Modeling analysis showed that the coefficient of determination(R2)were higher than 0.99,indicating that the Weibull model fit the kinetics curve of aerobic bacteria inactivation well.The Weibull model was more simple and flexible compared with the Log-logistic model.The value of scale factor b of the Weibull model increased with increasing pressure,while the value of shape factor n decreased.

Key words:high hydrostatic pressure; pickles; inactivation kinetics; Weibull model; Log-logistic model

中圖分類號：TS255.54

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6630（2016）05-0067-05

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201605013 10.7506/spkx1002-6630-201605013.http://www.spkx.net.cn 10.7506/spkx1002-6630-201605013.http://www.spkx.net.cn

*通信作者：陳安均（1970—），男，副教授，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏。E-mail：591919465@qq.com

作者簡介：申光輝（1985—），男，講師，博士，研究方向為食品加工與安全。E-mail：shenghuishen@163.com

基金項目：四川省科技支撐計劃項目（2013NZ0055）

收稿日期：2015-04-19