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(duì)泡蘿卜的殺菌效果及其動(dòng)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(duì)其細(xì)菌總數(shù)的影響、對(duì)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(duì)不同壓力條件下殺菌動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明：隨處理壓力和時(shí)間的增加，超高壓對(duì)泡蘿卜的殺菌效果增強(qiáng)；霉菌和酵母菌對(duì)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?cái)M合泡蘿卜超高壓殺菌的動(dòng)力學(xué)過(guò)程（決定系數(shù)R2＞0.99），且相較Log-logistic模型更簡(jiǎn)潔、靈活實(shí)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(dòng)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(duì)泡蘿卜的殺菌效果及其動(dòng)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(dú)特、營(yíng)養(yǎng)豐富，深受廣大消費(fèi)者喜愛(ài)[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(duì)產(chǎn)品色澤、質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)破壞嚴(yán)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(yíng)養(yǎng)等品質(zhì)特性方面較熱力殺菌優(yōu)勢(shì)明顯[3]。國(guó)內(nèi)外研究[4-9]也表明，超高壓技術(shù)對(duì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的保存。超高壓殺菌動(dòng)力學(xué)模型可用于比較并預(yù)測(cè)不同超高壓工藝條件下的殺菌效果[10]，對(duì)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(dòng)力學(xué)較傳統(tǒng)熱力殺菌復(fù)雜，殺菌效果不僅與壓力、時(shí)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(guò)程均符合一級(jí)動(dòng)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(dòng)力學(xué)尚不清楚，因此本實(shí)驗(yàn)探究了超高壓對(duì)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(dòng)力學(xué)曲線，并對(duì)模型擬合度進(jìn)行定量和定性評(píng)價(jià)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室備用；紅皮蘿卜、生姜、大蒜、辣椒、食鹽等原輔料購(gòu)自雅安市蒼坪路農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

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(jì)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(jī)械有限公司；DZ-600/2SN型真空包裝機(jī) 上海青葩食品包裝機(jī)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(tái) 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(shí)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(shí)間1～2 s。設(shè)定處理壓力分別為300、400、500、600 MPa，保壓時(shí)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(jì)數(shù)

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

1.4動(dòng)力學(xué)分析

為分析超高壓處理對(duì)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(dòng)力學(xué)分析常見(jiàn)模型進(jìn)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(xì)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(duì)數(shù)值[20]，可用來(lái)表示超高壓處理的殺菌效果；t為超高壓處理時(shí)間/min；Dp為指數(shù)遞減時(shí)間，某壓力下每殺死90%的活菌數(shù)所需時(shí)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(shí)，Weibull分布為一凹面向上的曲線；n＞1 時(shí)曲線凹面向下；n＝1時(shí)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(duì)應(yīng)時(shí)間的對(duì)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(gè)參數(shù)來(lái)定量評(píng)價(jià)不同模型的擬合度[21-22]。Af表示預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值間的偏離程度；Bf表示實(shí)測(cè)值大于（Bf＞1）或小于（Bf＜1）或等于（Bf＝1）預(yù)測(cè)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(jì)算Af、Bf、RMSE。

式中：y實(shí)測(cè)為實(shí)測(cè)值；y預(yù)測(cè)為預(yù)測(cè)值；n為實(shí)測(cè)值個(gè)數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析（analysis of variance，ANOVA）及動(dòng)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(duì)泡蘿卜細(xì)菌菌落總數(shù)的影響

圖1　超高壓處理對(duì)泡蘿卜細(xì)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(shí)間對(duì)樣品細(xì)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(shì)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(xì)菌殘存率對(duì)數(shù)值降低了0.75（lg（CFU/g））。當(dāng)繼續(xù)提高處理壓力時(shí)，細(xì)菌殘存率對(duì)數(shù)值的降低趨勢(shì)漸緩，與超高壓對(duì)果汁殺菌效果的結(jié)果類似[15-16]。這與實(shí)驗(yàn)樣品中不同細(xì)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(yáng)性菌的芽孢耐壓能力最強(qiáng)，壓力未超過(guò)其閾值的條件下，延長(zhǎng)時(shí)間也難顯著降低細(xì)菌數(shù)量（P＞0.05）。

2.2超高壓處理對(duì)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(duì)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(shí)間對(duì)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(duì)數(shù)值均隨著時(shí)間增加而顯著降低（P＜0.05），且殘存率對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)材料屬實(shí)驗(yàn)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(xì)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(duì)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(diǎn)考察對(duì)壓力閾值較高的耐壓細(xì)菌的殺菌效果。

2.3超高壓處理對(duì)泡蘿卜殺菌效果動(dòng)力學(xué)分析

2.3.1動(dòng)力學(xué)曲線擬合

圖3　Weibull模型（A）和Log-logistic模型（B）對(duì)泡蘿卜超高壓殺菌的動(dòng)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(yùn)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(wú)法擬合超高壓殺菌動(dòng)力學(xué)曲線，而由圖3可知，Weibull模型和Log-logistic模型可較好地?cái)M合動(dòng)力學(xué)曲線。傳統(tǒng)熱力殺菌一般遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)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(lái)預(yù)測(cè)超高壓殺菌動(dòng)力學(xué)過(guò)程和殺菌效果[13,24-25]，而研究發(fā)現(xiàn)，超高壓殺菌動(dòng)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(lái)對(duì)模型擬合程度做一個(gè)總體評(píng)價(jià)[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(wú)法用于描述超高壓殺菌動(dòng)力學(xué)過(guò)程。利用Weibull和Log-logistic模型擬合的動(dòng)力學(xué)曲線，其均大于0.99，表明超高壓對(duì)泡蘿卜殺菌過(guò)程符合Weibull模型和Log-logistic模型。

表1　3 種動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線參數(shù)及統(tǒng)計(jì)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(píng)價(jià)

表2　Weibull模型與Log-logistic模型評(píng)價(jià)參數(shù)Table 2 Evaluation indices of Weibull model and Log-logistic model

為進(jìn)一步比較Weibull模型和Log-logistic模型對(duì)泡蘿卜殺菌過(guò)程的擬合度，采用模型評(píng)價(jià)參數(shù)Af、Bf、RMSE 和R2作進(jìn)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(duì)于Weibull模型略小，說(shuō)明Log-logistic模型預(yù)測(cè)的平均精確度較高，離散程度較低；同時(shí)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(dòng)力學(xué)過(guò)程。

圖4　超高壓對(duì)泡蘿卜菌落總數(shù)殺滅效果的Weibull模型與Log-logistic模型預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)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(cè)值和實(shí)測(cè)值的接近程度，以同一樣品微生物殘存率對(duì)數(shù)的實(shí)測(cè)值為橫坐標(biāo)，模型預(yù)測(cè)值為縱坐標(biāo)作圖，并進(jìn)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(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(guò)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(duì)較多，推導(dǎo)中需要給參數(shù)lgt0賦初始值，而且仍沒(méi)有合適的二級(jí)模型用來(lái)描述模型參數(shù)與壓力間的關(guān)系。而Weibull模型更加簡(jiǎn)潔、靈活實(shí)用，其參數(shù)b與壓力的關(guān)系可以通過(guò)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(shí)間的延長(zhǎng)而變?nèi)酢Ｐ螤顓?shù)n與壓力成良好的線性負(fù)相關(guān)（R2＝0.854 9）（圖5B）；n值隨壓力的提高逐漸變小；曲線拖尾越明顯（圖3B），表明在較高壓力下，延長(zhǎng)殺菌時(shí)間并不一定能夠提高殺菌效果。這與其他文獻(xiàn)報(bào)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(shí)間越長(zhǎng)，殺菌效果越好。600 MPa條件下處理25 min可使泡蘿卜細(xì)菌殘存率降低4.36個(gè)對(duì)數(shù)值。泡蘿卜中霉菌和酵母菌對(duì)壓力更為敏感，500 MPa壓力下處理5 min則無(wú)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(dòng)力學(xué)過(guò)程（決定系數(shù)R2＞0.99）。Weibull模型更加簡(jiǎn)潔、靈活實(shí)用，更能適用于泡蘿卜超高壓殺菌條件的預(yù)測(cè)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(hào)：TS255.54

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏。E-mail：591919465@qq.com

作者簡(jiǎn)介：申光輝（1985—），男，講師，博士，研究方向?yàn)槭称芳庸づc安全。E-mail：shenghuishen@163.com

基金項(xiàng)目：四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013NZ0055）

收稿日期：2015-04-19