管 華，王宏勛，蔣麗華

(1.武漢輕工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，湖北 武漢430023;2.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430023;3.武漢輕工大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢430023)

生鮮食品在人們的日常生活中是不可缺少的必需品，如何確保這些食品的安全，如何快速、有效地評估這些食品的安全性，預(yù)測出食品的貨架期是所有食品銷售機(jī)構(gòu)急需要解決的問題。目前食品安全問題發(fā)生的數(shù)量、影響范圍還在呈不斷上升的趨勢［1］。在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，消費(fèi)觀念和管理體制下，尋找適當(dāng)可行的途徑加強(qiáng)對食品安全問題的控制與管理已經(jīng)刻不容緩。相較于一般的食品，生鮮食品一方面由于對時間、環(huán)境條件等的敏感性而存在著較多的食品安全隱患，另一方面由于涉及的范圍廣，食品種類眾多，生產(chǎn)廠家數(shù)量龐大而參差不齊，使得生鮮食品食用的安全性很難僅僅依靠政府主管部門的一般行政監(jiān)管而得到充分保障。

目前世界上已開發(fā)的預(yù)報(bào)軟件多達(dá)十幾種，其中以美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的病原菌模型程序PMP、加拿大開發(fā)的微生物動態(tài)專家系統(tǒng)MKES以及英國農(nóng)糧漁部開發(fā)的食品微生物模型FM系統(tǒng)軟件最為著名。另外還有丹麥漁業(yè)技術(shù)研究所開發(fā)的海產(chǎn)食品腐敗與安全預(yù)報(bào)系統(tǒng)(SSP)和澳大利亞Tasmania大學(xué)開發(fā)的食品腐敗預(yù)報(bào)系統(tǒng)(RSP)［2］。現(xiàn)有的PMP、FM等軟件就可以定量分析不同環(huán)境對微生物的生長、殘存的影響。使用者可以模擬一種食品環(huán)境，通過輸入相關(guān)數(shù)據(jù)(例如溫度、酸度、濕度)，搜索到所有符合這些條件的數(shù)據(jù)檔案［3］。國內(nèi)有中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所開發(fā)的FSLP。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)與河南雙匯集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)研制出“冷鮮肉超市預(yù)警系統(tǒng)”，楊憲時等開發(fā)的魚類貨架期預(yù)報(bào)系統(tǒng)(FSLP)［4］。這些預(yù)測軟件針對不同地域、不同來源的產(chǎn)品，以特定腐敗菌的生長模型為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)庫，開發(fā)合適的境因子采集裝置，最終形成界面友好的專家系統(tǒng)預(yù)測產(chǎn)品貨架期。

生鮮食品微生物預(yù)測與品質(zhì)評估平臺(The Platform of Prediction and Assessment for Microorganism in Fresh Food，簡稱PAMP)是針對生鮮超市食品監(jiān)測而定制開發(fā)的評估軟件，幫助生鮮超市系統(tǒng)化管理各類生鮮食品，測定分析超市生鮮食品微生物的種類及其變化，建立微生物生長模型，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立合理的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對生鮮食品貨架期的預(yù)測，從而提高工作效率，避免工作失誤。

1 平臺的主要功能介紹

PAMP實(shí)現(xiàn)對生鮮食品在流通過程(超市)中微生物菌群的基本狀況及優(yōu)勢菌群在不同的溫度下生長規(guī)律進(jìn)行研究，確定這些微生物的生長預(yù)測模型，并通過對貨架期生鮮食品在不同溫度下的主要微生物生長進(jìn)行監(jiān)測，利用獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立一級、二級數(shù)學(xué)模型，同時通過統(tǒng)計(jì)分析，選擇出較好的數(shù)學(xué)模型作為生鮮食品的微生物預(yù)測模型，并最終建立三級預(yù)測模型的應(yīng)用軟件程序。PAMP能夠管理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成微生物的生長曲線、計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)從而預(yù)測出食品的貨架期。通過各種模型的計(jì)算還可以預(yù)測微生物在不同的溫度下的生長曲線，從而很好地管理食品的貨架期變化。

1.1 生鮮食品微生物預(yù)測與品質(zhì)評估平臺的整體組成

PAMP平臺主要是將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，得到相應(yīng)產(chǎn)品的微生物生長曲線，SAS統(tǒng)計(jì)軟件擬合一級動力學(xué)模型，結(jié)合所做實(shí)驗(yàn)的所有溫度下的生長曲線，建立二級模型，最終得到產(chǎn)品的貨架期及預(yù)測曲線。該平臺主要包括前臺功能和后臺功能。如圖1所示，前臺包括新聞內(nèi)容管理，通知公告，食品保鮮，數(shù)據(jù)查詢，品質(zhì)分析功能。生鮮食品微生物預(yù)測與品質(zhì)評估平臺的后臺主界面如圖2所示，生鮮食品微生物預(yù)測與品質(zhì)評估平臺的主要功能在系統(tǒng)后臺完成，后臺管理包括產(chǎn)品內(nèi)容管理、實(shí)驗(yàn)參數(shù)管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢、品質(zhì)分析管理六大模塊，各主要模塊功能描述如下。

圖1 PAMP平臺整體架構(gòu)

(1)新聞內(nèi)容管理:實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)站內(nèi)容的更新與維護(hù)，提供在后臺輸入、查詢、修改、刪除各類新聞內(nèi)容的功能，可對每條新聞進(jìn)行編輯，設(shè)定圖片位置，實(shí)現(xiàn)圖文編排，可設(shè)定熱點(diǎn)新聞，優(yōu)先顯示，后臺管理員維護(hù)界面可以按類別、日期、內(nèi)容等條件進(jìn)行新聞查詢，實(shí)現(xiàn)新聞增加、修改、刪除等功能。

(2)產(chǎn)品內(nèi)容管理:實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)生鮮食品的食品類別、食品品牌以及產(chǎn)品名稱的管理，管理員用戶可以錄入食品類別、食品品牌以及產(chǎn)品等信息。

(3)實(shí)驗(yàn)參數(shù)管理:實(shí)現(xiàn)食品的微生物類別、實(shí)驗(yàn)類別、菌落特征、酶類型、顯微特征、產(chǎn)品腐敗閾值等信息的修改、錄入、保存以及查詢等功能。

圖2 PAMP后臺主頁面

(4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢:主要實(shí)現(xiàn)生鮮食品微生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合查詢功能，可以根據(jù)生鮮食品的食品品牌、品牌產(chǎn)品、食品類別以及微生物等各個方面，作為查詢條件，進(jìn)行相關(guān)信息的綜合查詢。點(diǎn)擊查詢按鈕后即可看見詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)信息列表，實(shí)驗(yàn)信息列表中列出了實(shí)驗(yàn)人、實(shí)驗(yàn)名稱、產(chǎn)品條形碼SN、菌落總數(shù)、溫度、濕度、PH值以及含氧量，同時也可對信息進(jìn)行查看、編輯以及刪除處理。

(5)實(shí)驗(yàn)管理:實(shí)現(xiàn)生鮮食品的微生物實(shí)驗(yàn)基本信息、菌株介紹、菌活特征、顯微特征、菌株特征及照片、酶活特征、酶類型、培養(yǎng)條件、產(chǎn)品腐敗閾值表等信息，記載不同溫度不同時間點(diǎn)時相應(yīng)的菌落數(shù)。

(6)品質(zhì)分析:主要實(shí)現(xiàn)生鮮食品微生物菌落數(shù)預(yù)測、貨架期預(yù)測及產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)匯總，根據(jù)生鮮食品指定微生物的初始菌落數(shù)和儲存溫度，可以預(yù)測一段時間內(nèi)，該生鮮食品指定微生物的菌落數(shù)的變化情況。根據(jù)不同溫度不同時間點(diǎn)相應(yīng)的菌落數(shù)，得到該產(chǎn)品某個時間段某溫度下的生長曲線，根據(jù)該生長曲線，通過SAS統(tǒng)計(jì)軟件擬合一級動力學(xué)模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)所有溫度下的生長曲線，建立二級模型。根據(jù)一級生長預(yù)測數(shù)據(jù)、微生物的腐敗限控量、各溫度下達(dá)到穩(wěn)定期的最大菌落數(shù)的平均值，通過初始菌落數(shù)繁殖到腐敗限控量所用的時間，得到微生物的生長動力學(xué)模型和最大菌落數(shù)，從而計(jì)算一段溫度范圍內(nèi)，儲藏生鮮食品的剩余貨架期。

1.2 生鮮食品微生物預(yù)測與品質(zhì)評估平臺的工作流程

PAMP平臺在輸入外部數(shù)據(jù)后，對生鮮食品單品進(jìn)行主要腐敗微生物增殖預(yù)測與品質(zhì)評價，實(shí)現(xiàn)貨架期預(yù)測與品質(zhì)查詢。進(jìn)行一級生長模型(數(shù)據(jù)處理)，二級生長預(yù)測軟件(條件變化)，三級生長模型(剩余貨架期預(yù)測與品質(zhì)評價)數(shù)據(jù)處理。該平臺的活動圖如圖3所示。

2 生鮮食品微生物預(yù)測與品質(zhì)評估平臺的主要數(shù)據(jù)

PAMP平臺的主要數(shù)據(jù)包括以下數(shù)據(jù)信息。

(1)生鮮食品的類別信息:生鮮食品分為水產(chǎn)品，禽肉制品，生鮮肉，凈菜，水果五類。每一大類下又可分為很多子類，如生鮮肉包括羊肉，冷鮮豬肉，牛肉等。

(2)食品品牌信息:生鮮食品的品牌類別，如冷鮮豬肉品牌有志元，雨潤，雙匯，眾品等。

(3)產(chǎn)品類別信息:食品品牌下面的產(chǎn)品類別，如家佳康冷鮮豬肉下有精制瘦肉餡、精制肋排、精制后腿肉絲等產(chǎn)品。

(4)微生物種類信息:細(xì)菌類別有很多，如微球菌，乳酸菌，熱死環(huán)絲菌，假單胞菌，腸桿菌科是豬肉初始菌相的主要微生物。魚的主要微生物有假單胞菌，乳酸菌，微球菌，腸桿菌科，希瓦氏菌。

圖3 生鮮食品微生物預(yù)測與品質(zhì)評估平臺的活動圖

(5)菌落特征表信息:管理菌落的特征信息，如熱死環(huán)絲菌的菌落顏色為白色、圓形、圓形、略隆起、邊緣略不規(guī)則、有光澤、不透明、桿狀，線性不分支，革蘭氏陽性，過氧化氫酶陽性，不運(yùn)動等。為此要記錄菌落的透明度，形態(tài)，光澤度，顏色，圖片，大小，形態(tài)，質(zhì)地，邊緣結(jié)構(gòu)，隆起程度等信息。

(6)酶活特征信息:包括酶類別，酶簡介，酶照片。酶有很多類，常用的有蛋白酶，淀粉酶，纖維素酶，脂肪酶等。

(7)酶類型表信息:包括實(shí)驗(yàn)名稱，酶類型名，酶簡介，酶照片等。

(8)實(shí)驗(yàn)類型信息:關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)基本表和微生物種類表，可能一個食品檢測多個微生物，要記錄實(shí)驗(yàn)名稱，微生物類型等信息。

(9)實(shí)驗(yàn)基本信息:實(shí)驗(yàn)基本信息是對食品做的每一次實(shí)驗(yàn)的記錄，通過該記錄來為預(yù)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。包括實(shí)驗(yàn)人，單位，實(shí)驗(yàn)名稱，時間，產(chǎn)品名稱，品牌，食品種類，微生物，產(chǎn)品條形碼，菌落總數(shù)，分離培養(yǎng)基，溫度，培養(yǎng)時間，濕度，pH值，氧氣，添加劑等。

(10)生長曲線信息:管理微生物在不同的溫度或天數(shù)下的菌落數(shù)以及其他生長曲線所需要的數(shù)據(jù)，包括日期，溫度，天數(shù)，小時，若干菌落數(shù)，菌落數(shù)平均值，標(biāo)準(zhǔn)差等。

(11)產(chǎn)品腐敗閾值表信息:保存產(chǎn)品達(dá)到腐敗的微生物總數(shù)，包括實(shí)驗(yàn)名稱，溫度，產(chǎn)品腐敗閾值等。

(12)模型預(yù)測信息:保存模型預(yù)測的數(shù)據(jù)，包括實(shí)驗(yàn)名稱，溫度，天數(shù)，預(yù)測菌落數(shù)等。

3 PAMP平臺的主要數(shù)學(xué)模型

生鮮食品的內(nèi)外菌相分析及生長規(guī)律受儲藏溫度、pH值、氧含量等的影響，內(nèi)源和外源污染的微生物種類、數(shù)量和增殖趨勢會不同。需要測定生鮮食品中優(yōu)勢菌的數(shù)量變化情況與感官、揮發(fā)性鹽基氮和菌落總數(shù)的變化。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SAS9.1擬合優(yōu)勢腐敗菌在不同溫度下的生長動力模型，以0—15℃溫度區(qū)域內(nèi)冷鮮豬肉儲藏過程中的貨架期預(yù)測模型為例介紹PAMP平臺的主要數(shù)學(xué)模型。

3.1 一級模型

Gompertz方程式被認(rèn)為是預(yù)測較為準(zhǔn)確的擬合微生物生長的一級模型，Gompertz模型能很好的描述不同溫度下熱殺索絲菌的生長，尤其對較高溫度的擬合更為理想［5］。以下以冷鮮肉中熱殺索絲菌微生物為例講述用到的數(shù)學(xué)模型。

實(shí)驗(yàn)員在實(shí)驗(yàn)基本表中確定了實(shí)驗(yàn)的相關(guān)信息之后，在一級模型界面自動獲取當(dāng)前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)名稱，實(shí)驗(yàn)員可以選擇實(shí)驗(yàn)時測試的某一溫度，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品該微生物的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。下面以4℃儲存下不同濃度熱水解單寧酸處理的冷鮮豬肉中熱殺索絲菌的實(shí)驗(yàn)為例，闡述平臺的預(yù)測和評估功能。通過SAS 9.1統(tǒng)計(jì)軟件，分別擬合在4℃儲存下不同濃度熱水解單寧酸處理的冷鮮豬肉中熱殺索絲菌的生長數(shù)據(jù)，用Gompertz模型擬合熱殺索絲菌的一級生長模型如下:其中N0是初始菌落數(shù)的對數(shù)值［lg(cfu·g－1)］;C是隨時間無限增加時菌增量的對數(shù)值［lg(cfu·g－1)］;B是在時間為M時的相對最大比生長速率，d－1;M是達(dá)到相對最大生長速率所需要的時間(d)。該溫度下的最大菌落數(shù)Nmax與初始菌落數(shù)N0在生長曲線表中均有記錄，參數(shù)C為該溫度下的最大菌落數(shù)Nmax與初始菌落數(shù)N0之差。

通過SAS計(jì)算，得到上述參數(shù)，再利用以下公式求出 U、λ值。其中，最大比生長速率 U=B·C/e，e=2.7182(d－1);微生物生長的遲滯期 λ(d)=M －(1/B)。

預(yù)測模型的驗(yàn)證是對模型預(yù)測能力進(jìn)行評估的重要步驟。將實(shí)驗(yàn)觀測值和預(yù)測值進(jìn)行比較，根據(jù)二者的殘差計(jì)算偏差因子和準(zhǔn)確因子。相關(guān)系數(shù)(R2)用來評價模型擬合優(yōu)度。相關(guān)性R2是根據(jù)生長曲線表中記錄的數(shù)據(jù)，進(jìn)行樣本抽樣處理后得到的，若相關(guān)性R2的值越接近1，則說明描述的溫度和微生物數(shù)量這兩個變量之間有線性相關(guān)關(guān)系。

一級模型界面主要記錄一級模型所需要的數(shù)據(jù)，包括實(shí)驗(yàn)名稱，溫度，初始菌N0，參數(shù)C，參數(shù)B，參數(shù)M，參數(shù) U，參數(shù) λ，最大菌數(shù)Nmax，相關(guān)性 R2等。在模型與預(yù)測過程中，生長曲線是關(guān)鍵的第一步，通過生長曲線直觀地看出微生物長生隨時間的變化曲線。生長曲線控件模塊如圖4所示。生長曲線界面即可自動獲取當(dāng)前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)名稱，溫度、天數(shù)、小時、菌落數(shù)等信息并存儲到生長曲線表，可將該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品在某溫度有段時間的生長曲線隨時生成，還能看到其菌落數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。生長曲線的圖表生成采用 Dundas Chart控件的ASP.NET版本完成的。圖4是生長曲線表的界面。

3.2 二級模型擬合

一級模型采用最佳擬合模型效果最好，通過對二級模型“平方根”模型的比較，可以得出平方根方程與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，表明生長速度的模型模擬數(shù)值與真實(shí)數(shù)值之間差異性并不是很大，與模型生根”模型對各個溫度情況下的生長速度進(jìn)行預(yù)測，從而了解不同溫度下的細(xì)菌生長情況，以及生鮮食品貨架期的預(yù)測。平方根模型是常用來描述溫度對微生物生長的影響，其數(shù)學(xué)公式如下:

圖4 生長曲線表

其中T是培養(yǎng)溫度;TminU、TminL是最低生長溫度，它是一個假設(shè)的概念，指的是微生物沒有代謝活動時的溫度是通過外推回歸線與溫度軸相交而得到的溫度;b是方程的系數(shù)。

用平方根模型擬合溫度對微生物生長的影響，根據(jù)不同溫度下熱殺索絲菌生長動力學(xué)參數(shù)，可以在二維坐標(biāo)中繪制溫度T與比生長速率溫度T與延滯期的的位置關(guān)系，則可以應(yīng)用平方根模型擬合溫度與延滯期的關(guān)系。

二級模型界面主要記錄實(shí)驗(yàn)名稱，溫度T，系數(shù)bU，最低生長溫度 TminU，系數(shù) bL，最小生長速率TminL，比生長速率U，比生長速率表達(dá)式，比生長速率相關(guān)性R2，延滯期相關(guān)性R2。在二級模型界面中，就可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)員做實(shí)驗(yàn)時記錄的數(shù)據(jù)，直接直觀地查看溫度T與比生長速率、溫度T與延滯期的的關(guān)系，同時在圖中能非常清晰地看到相關(guān)性R2的值。二級模型生成的圖表如圖5所示。

3.3 剩余貨架期的預(yù)測與驗(yàn)證品質(zhì)分析管理

冷鮮肉托盤包裝條件下的貨架期(Shelf Life，SL)是根據(jù)建立的特定腐敗微生物生長動力學(xué)模型，通過熱殺索絲菌初始菌數(shù)增加到腐敗限控量所需要的增殖時間來預(yù)測冷鮮肉的貨架期。

Nmax是增加到穩(wěn)定期時最大的微生物數(shù)量，Ns是達(dá)到腐敗限控量時的微生物數(shù)量。式(4)是在式(1)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來，以計(jì)算貨架期。

貨架期計(jì)算結(jié)果表主要包括實(shí)驗(yàn)名稱，溫度，腐敗限控量，穩(wěn)定期最大菌數(shù)平均值，初始菌數(shù)，比生長速 率U，延滯期λ，剩余貨架期，實(shí)測值，相對誤差。

圖5 二級模型界面

4 結(jié)束語

PAMP平臺測定并分析了流通過程中(生鮮超市)生鮮食品表面微生物的種類及其變化規(guī)律，建立微生物生長模型，根據(jù)一級模型和二級模型實(shí)驗(yàn)所推動出的預(yù)測模型，提供任一生鮮食品的品質(zhì)評估及分析功能，讓管理者和顧客能在第一時間，掌握食品品質(zhì)的第一手資料，為管理者提供決策支持信息，為顧客提供食品品質(zhì)的詳盡信息。并通過模型實(shí)現(xiàn)對生鮮食品貨架期和風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測?？梢栽谙嚓P(guān)條件已知的情況下預(yù)測環(huán)境、加工條件對有關(guān)微生物的影響，定量地評估該食品安全程度，有助于在HACCP體系中建立關(guān)鍵控制點(diǎn)，確定關(guān)鍵限值，在食品質(zhì)量管理中有重要作用。

生鮮超市可通過本軟件輕松自如地完成整個預(yù)測評估流程，使一線工作人員及時跟蹤食品品質(zhì)，減輕勞動強(qiáng)度，又使中、高層管理人員獲得各種及時準(zhǔn)確的貨架期信息，起到輔助決策的作用。冷鏈物流中，通過對物流過程中農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)變化與狀態(tài)的監(jiān)控，也可利用本預(yù)測軟件模型進(jìn)行分析，控制物流過程中的溫度、pH值等環(huán)境變化，控制農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)變壞過程。

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