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預(yù)測微生物學(xué)在食品中的應(yīng)用

常存1，趙金海1，段楠2，姚鴻賓1

（1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020；2.黑龍江省北安市紅星農(nóng)場，黑龍江 北安 164022）

本實驗是通過微生物學(xué)和統(tǒng)計學(xué)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用所建模型預(yù)測和描述處在特定食品環(huán)境 （加工、貯藏和流通）下微生物的生長和死亡，廣泛應(yīng)用于乳制品、肉制品等食品的生產(chǎn)和檢測中。如果數(shù)據(jù)庫和軟件包能成為風(fēng)險評估的有力工具，預(yù)測微生物學(xué)就是食品微生物學(xué)中的一個有前途的領(lǐng)域。

預(yù)測微生物學(xué)；食品應(yīng)用；一級生長預(yù)測模型；二級生長預(yù)測模型

預(yù)測模型的目的是運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對微生物的生產(chǎn)進(jìn)行定量分析，預(yù)測在一定的條件下何時微生物的數(shù)量達(dá)到威脅人類健康的水平或者影響微生物滅活的程度，使用預(yù)測模型對食品中的微生物的生長情況進(jìn)行預(yù)測，成為食品行業(yè)研究的熱點，預(yù)測模型已經(jīng)可以應(yīng)用在蔬菜［1-3］、肉制品［4-6］、水產(chǎn)品［7,8］和乳制品等［9,10］食品中。

預(yù)測微生物學(xué)數(shù)學(xué)模型通常被分為三級：一級模型、二級模型和三級模型。一級模型描述微生物數(shù)量變化與時間的關(guān)系，主要包括：Gompertz函數(shù)，對數(shù)方程等；二級模型側(cè)重描述環(huán)境因子的變化如何影響初級模型中的參數(shù)，主要包括：響應(yīng)面方程、阿倫尼烏斯方程和平方根方程；三級模型也稱為專家系統(tǒng)，是在一級模型和二級模型的基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)編程制作出的人機(jī)對話界面友好的軟件，它使得非專業(yè)人士同樣可以獲得預(yù)測微生物學(xué)的相關(guān)信息和指導(dǎo)，主要代表有美國農(nóng)業(yè)部的病原菌預(yù)報模型庫及英國農(nóng)業(yè)、漁業(yè)與食品部的食品微生物模型庫。

1　一級生長預(yù)測模型

初級模型主要表達(dá)微生物量與時間的函數(shù)關(guān)系。模型的微生物定量為每毫升菌落形成量 （cfu/mL）、毒素的形成、底物水平、代謝產(chǎn)物等。

1.1Monod模型

對于對數(shù)生長期，Monod認(rèn)為某一個細(xì)菌數(shù)量增長的速率與這個細(xì)菌數(shù)在種群里的數(shù)量成比例。因此比生長速率或傳代時間應(yīng)該在一定的環(huán)境下是個常數(shù)。這個假設(shè)在沒有底物限制或其他環(huán)境因素改變的條件下的幾個時間階段有效。

1.2Gompeertz函數(shù)

另外一種描述微生物生長曲線的方法是被Gibson等人引入的非線性模型，叫作Gompeertz函數(shù)。這個函數(shù)的基礎(chǔ)是微生物的比生長速率隨著營養(yǎng)水平和產(chǎn)生的有毒代謝產(chǎn)物變化?？梢约僭O(shè)不同的N0有不同的遲滯期。典型的比生長速率增長到最大后就會下降。

使用Gompeertz模型可以通過菌數(shù)和相對應(yīng)的時間進(jìn)行非線性回歸得出，制作出模型后，可以通過模型推斷出在某個時間時菌數(shù)是多少或者達(dá)到某個菌數(shù)的時間，這對食品的儲存具有一定的指導(dǎo)意義。很多其他模型是基于Monod模型或Gompertz模型的進(jìn)一步改進(jìn)。

2　二級生長預(yù)測模型

許多環(huán)境因子會影響微生物的生長。環(huán)境因子包括內(nèi)在的pH值、水分活度等和外在的溫度、氣體成分和包裝材料等。通常這種模型是Gompertz、Logistic或者Richards模型的變形，通過改變方程的參數(shù)來表達(dá)不同環(huán)境因素的影響。這類預(yù)測模型的建立通常使用SAS、SPSS等統(tǒng)計軟件，這些統(tǒng)計軟件使模型的建立變得相對容易。

2.1阿倫尼烏斯模型

溫度是影響微生物在食品中生長的重要環(huán)境因素之一。基于熱力學(xué)因素，阿倫尼烏斯模型已經(jīng)成功地描述許多與溫度有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，同樣可以用來預(yù)測食品的貨架期。細(xì)胞分裂的基因復(fù)制是一個化學(xué)過程，因此我們可以認(rèn)為生長速率在某一溫度范圍遵循阿倫尼烏斯模型是符合邏輯的。

2.2Ratkowsky方程

預(yù)測微生物學(xué)假設(shè)，各個環(huán)境因素對微生物影響是相對獨(dú)立的，可以對模型中的環(huán)境因子進(jìn)行插入和刪除，通常是量化了一個或多個環(huán)境因子對微生物的影響。而現(xiàn)實的食品中這些環(huán)境因子是有交互作用的，因此預(yù)測模型不能總是很精確地預(yù)測食品中微生物的生長和死亡。如果要考慮多個因子之間的交互作用，這就需要新的建立模型的方法，例如響應(yīng)面法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。

2.3響應(yīng)面法

現(xiàn)在較為流行的二級模型的建模方法是響應(yīng)面法。使用響應(yīng)面法建立模型可以預(yù)測多種影響因素共同對微生物的抑制和滅活的影響。Cerf等人研究了熱滅活微生物時溫度、pH值和水分活度的交互影響，得出響應(yīng)面法有優(yōu)良的預(yù)測精度結(jié)論。Yu等人使用響應(yīng)面法研究了食品中枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和單核增生李斯特菌等在超高壓滅菌后殘存狀況，得到的結(jié)果經(jīng)驗證為可靠的。

［1］ 馮可，胡文忠，姜愛麗，等.預(yù)測微生物學(xué)在鮮切果蔬產(chǎn)品質(zhì)量安全控制中的應(yīng)用［J］.食品工業(yè)科技，2014，（10）：49-52，56.

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Application of Predictive Microbiology in Food

CHANGCun1,ZHAOJin-hai1,DUANNan2,YAOHong-bin1
（1.Institute ofthe Advanced Technology,HeilongjiangAcademyofSciences Harbin 150020,China；2.Beian HongxingFarmin HeilongjiangProvince,Beian 164022,China）

The experiment used microbiology and statistics to build a model.This model was used to predict and descript the growth and the death in specific environment.It is widely used in the detection and production of milk and meat.If the database and the software packages could become a tool in the risk assessment，the predictive microbiology will be a promisingarea in food microbiology.

Predictive microbiology；Food applications；One-class growth prediction model；Two-class growth prediction model

TS201.3

A

1674-8646（2015）06-0028-02

2015-04-26

黑龍江省科學(xué)院預(yù)研項目（YY1301）

常存（1979-），男，黑龍江勃利人，工程師，碩士，主要從事食品微生物的研究。