貯藏期間菠菜微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型的研究

房曉，齊沙沙，范維江, 2，侯宗良，王樹(shù)慶, 2*，郭風(fēng)軍, 2

( 1.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103；2.國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250103；3.濟(jì)南市國(guó)際商務(wù)促進(jìn)中心，山東 濟(jì)南 250002 )

科技與應(yīng)用

貯藏期間菠菜微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型的研究

房曉1,2，齊沙沙1，范維江1, 2，侯宗良3，王樹(shù)慶1, 2*，郭風(fēng)軍1, 2

( 1.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103；2.國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250103；3.濟(jì)南市國(guó)際商務(wù)促進(jìn)中心，山東 濟(jì)南 250002 )

菠菜；微生物；動(dòng)力學(xué)模型

菠菜(Spinacea oleracea L.)，又稱(chēng)菠薐、波斯菜、赤根菜等，屬藜科草本植物，在我國(guó)種植面積較大[1]。菠菜營(yíng)養(yǎng)豐富，深受消費(fèi)者喜愛(ài)，但是在流通銷(xiāo)售過(guò)程中受溫度、微生物等因素的影響較大，易發(fā)生葉片變黃、腐爛的現(xiàn)象[2]。預(yù)測(cè)微生物學(xué)是用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述食源性微生物在特定環(huán)境條件下的生長(zhǎng)變化情況的一門(mén)新興學(xué)科[3]。它廣泛應(yīng)用于加工果蔬[4,5]、肉制品[6]、水產(chǎn)品[7,8]等多個(gè)領(lǐng)域。預(yù)測(cè)生物學(xué)模型可分為初級(jí)模型、二級(jí)級(jí)模型和三級(jí)模型等三種模型[9]。

以菠菜為材料，研究了3℃、15℃、25℃、35℃四個(gè)溫度下菠菜菌群的生長(zhǎng)趨勢(shì)。以預(yù)測(cè)微生物學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立菠菜微生物生長(zhǎng)的初級(jí)模型、二級(jí)模型、微生物貨架期預(yù)測(cè)模型，為監(jiān)測(cè)和保持生鮮菠菜的品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菠菜，于2013年12月5日購(gòu)于濟(jì)南彩石市場(chǎng)，產(chǎn)地山東省章丘市。

營(yíng)養(yǎng)瓊脂，杭州天和微生物試劑有限公司；Scient-2-04型拍打式均質(zhì)機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；LRH-70生化培養(yǎng)箱，上海恒科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

參照GB 47892-2010略有改動(dòng)。選取大小適中、無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)機(jī)械損傷的菠菜為試材，并隨機(jī)分組。用食品保鮮膜包裝，每個(gè)包裝0.5kg，隨機(jī)分組后，分別置于3℃、15℃、25℃、35℃四個(gè)溫度下貯藏，定期測(cè)定每組的菌落總數(shù)。

取菠菜25g置于無(wú)菌袋內(nèi)，加入225.0mL無(wú)菌水，并使用拍打式均質(zhì)機(jī)在高速檔位拍打4min，取上清液按1:10比例進(jìn)行稀釋。選取3個(gè)適宜稀釋度的稀釋液，分別取1.0mL稀釋液于培養(yǎng)皿內(nèi)，再倒平板，37℃培養(yǎng)48h，計(jì)數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與作圖

使用Origin 8.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并作圖。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1初級(jí)模型

初級(jí)模型是表征微生物數(shù)量與時(shí)間的關(guān)系，包括指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)和Compertz函數(shù)等。在初級(jí)模型中，應(yīng)用最廣的是Compertz函數(shù)。目前，大多數(shù)使用修正的Compertz函數(shù)方程[5,8]，本研究也采用了該修正的方程。該方程如下：

(1)

式中t為貯藏時(shí)間；Nt為在t時(shí)的菌數(shù)；N0為初始菌數(shù)；Nmax為最大菌數(shù)；μmax為最大比生長(zhǎng)速率，d-1；λ為細(xì)菌生長(zhǎng)的延滯時(shí)間，d；e為數(shù)學(xué)常數(shù)，約等于2.718。

2.2 二級(jí)模型

二級(jí)模型主要描述環(huán)境因子對(duì)初級(jí)模型中參數(shù)的影響情況，包括響應(yīng)面方程、Arrhenius方程和平方根方程(即Belehradek方程)。平方根方程如下：

(2)

(3)

式中bμ、bλ均為方程常數(shù)；T為貯藏溫度，℃；Tminμ、Tminλ均為微生物生長(zhǎng)的最低溫度，℃。

2.3貨架期預(yù)測(cè)模型

貨架期預(yù)測(cè)模型根據(jù)式(1)可得：

(4)

確定最小腐敗水平Ns時(shí)，用Ns代替Nt帶入(4)中，并將式(2)、(3)分別帶入(4)式可求得菠菜的貨架期的預(yù)測(cè)模型(SL)為：

(5)

通過(guò)計(jì)算細(xì)菌總數(shù)從初始菌數(shù)N0增殖到最小腐敗水平Ns所需的時(shí)間來(lái)預(yù)測(cè)菠菜的貨架期。

3 結(jié)果與分析

3.1菠菜細(xì)菌生長(zhǎng)的初級(jí)模型

根據(jù)修正的Compertz函數(shù)方程，使用origin 8.5軟件對(duì)3℃、15℃、25℃、35℃四個(gè)溫度的細(xì)菌總數(shù)作非線性擬合處理，可以得到相應(yīng)的擬合曲線(見(jiàn)圖1)和擬合參數(shù)(見(jiàn)表1)。由表1可知，所得擬合方程即為菠菜細(xì)菌生長(zhǎng)的初級(jí)模型，其R2均大于0.90，具有較高的擬合度，說(shuō)明該初級(jí)模型較好地反映了菠菜在不同貯藏溫度下細(xì)菌總數(shù)的生長(zhǎng)趨勢(shì)。另外，細(xì)菌的最大菌數(shù)Nmax隨著溫度的變化波動(dòng)不大，平均值為(9.4704±1.1472 )lg(CFU/g)；最大比生長(zhǎng)速率μmax隨著溫度的上升而變大，細(xì)菌生長(zhǎng)的延滯時(shí)間λ隨溫度的增加而減小。

圖1不同溫度下菠菜細(xì)菌生長(zhǎng)的擬合曲線

貯藏溫度/℃Nmax/lg(CFU/g)μmax/d-1λ/dR237.9678±0.06810.4088±0.11761.6309±0.35010.9052159.1825±0.08260.7760±0.15140.7125±0.15890.95542510.4175±0.18731.2387±0.43810.5497±0.15950.90693510.3137±0.20766.7873±0.00750.5336±0.00030.9999

3.2菠菜細(xì)菌生長(zhǎng)的二級(jí)模型

二級(jí)模型主要描述環(huán)境因子對(duì)初級(jí)模型中參數(shù)的影響情況，本文采用平方根方程(即Belehradek方程)作為菠菜細(xì)菌生長(zhǎng)的二級(jí)模型，描述溫度對(duì)初級(jí)模型中的細(xì)菌最大比生長(zhǎng)速率μmax和延滯時(shí)間λ等兩項(xiàng)參數(shù)的影響(描述情況見(jiàn)圖2、圖3)。根據(jù)平方根方程擬合可以得到相應(yīng)的方程(見(jiàn)式(6)和式(7))，R2分別為0.9967、0.9461，說(shuō)明在3～35℃范圍內(nèi)，溫度與μmax0.5、λ-0.5均成良好的線性相關(guān)。

(6)

(7)

3.3菠菜細(xì)菌生長(zhǎng)的貨架期模型

由式(6)、(7)可得：bμ=0.0215，Tminμ=-26.5286，bλ=0.0226，Tminλ=-34.0620，由表1可知，Nmax平均值為9.4704 lg(CFU/g)。將以上各項(xiàng)參數(shù)代入式(5)，可得到貨架期預(yù)測(cè)模型，如式(8)。

(8)

4 討論

以菠菜為材料，研究了3℃、15℃、25℃、35℃四個(gè)溫度下菠菜菌群的生長(zhǎng)趨勢(shì)。建立了具有較高的擬合度的微生物生長(zhǎng)的初級(jí)模型、二級(jí)模型，并進(jìn)一步確立了菠菜的微生物貨架期模型。在以后的研究中，將以所建立的一級(jí)模型、二級(jí)模型和貨架期模型為基礎(chǔ)，對(duì)菠菜的貨架期模型進(jìn)行驗(yàn)證。

[1]孫樹(shù)杰, 韓曉潔, 李文香, 等. 甘草, 高良姜及其復(fù)合提取液對(duì)菠菜保鮮效果的研究[J]. 食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào), 2012 (5).

圖2 溫度對(duì)初級(jí)模型中的細(xì)菌最大比生長(zhǎng)速率μmax的影響

圖3 溫度對(duì)初級(jí)模型中的細(xì)菌延滯時(shí)間λ等兩項(xiàng)參數(shù)的影響

[2]Lopez-Velasco G, Welbaum G E, Boyer R R, et al. Changes in spinach phylloepiphytic bacteria communities following minimal processing and refrigerated storage described using pyrosequencing of 16S rRNA amplicons[J]. Journal of applied microbiology, 2011, 110(5): 1203-1214.

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(責(zé)任編輯：孫強(qiáng))

The Kinetics Model of Microorganism Growth on Storage of Spinach

FANG Xiao1,2，QI Sha-sha1，F(xiàn)AN Wei-jiang1, 2，HOU Zong-liang3，WANG Shu-qing1, 2，GUO Feng-jun1,2

( 1.Shandong Institute of Commerce and Technology, Jinan, Shandong 250103, China；2. National Engineering Research Center for Agricultural Products Logistics, Jinan, Shandong 250103, China；3. Jinan International Business Promotion Center, Jinan, Shandong 250002, China )

spinach; microorganism; kinetics model

2014-08-20

濟(jì)南市自主創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化重大專(zhuān)項(xiàng)(項(xiàng)目編號(hào)：201208015)

房曉(1983-)，女，山東濟(jì)南人，食品與藥品學(xué)院講師，研究方向?yàn)槲⑸锛夹g(shù)。

*通訊作者：王樹(shù)慶(1965-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)榘l(fā)酵工程。Email：shuqing64@163.com

TS255.3；S609+.3

A

1671-4385(2014)05-0118-04