高壓均質(zhì)對芒果汁中大腸桿菌的殺菌動力學

關云靜，周林燕，畢金峰,*，易建勇，吳昕燁，周 沫，李淑榮

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，北京 100193；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院食品與生物工程系，北京 102442）

高壓均質(zhì)對芒果汁中大腸桿菌的殺菌動力學

關云靜1，周林燕1，畢金峰1,*，易建勇1，吳昕燁1，周 沫1，李淑榮2

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，北京 100193；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院食品與生物工程系，北京 102442）

摘 要：為預測高壓均質(zhì)（high pressure homogenization，HPH）對芒果汁中大腸桿菌的殺菌作用，進行了壓力40～190 MPa、進料溫度20～60 ℃和均質(zhì)次數(shù)1～5 次的HPH實驗，并運用Weibull模型對殺菌致死曲線進行動力學分析。研究表明：隨壓力、進料溫度和均質(zhì)次數(shù)的升高，HPH對芒果汁中大腸桿菌的殺菌效果增強。50 ℃ HPH處理芒果汁，壓力由40 MPa升高至190 MPa時，大腸桿菌降低量由0.46（lg（CFU/mL））增加至5.16（lg（CFU/mL）），達到美國食品藥物管理局規(guī)定的非熱加工殺菌衛(wèi)生安全要求；70 MPa HPH處理芒果汁，進料溫度由20 ℃升高至60 ℃時，大腸桿菌降低量由0.34（lg（CFU/mL））增加至5.02（lg（CFU/mL））；20 ℃、190 MPa HPH處理芒果汁，均質(zhì)次數(shù)由1增加至4時，大腸桿菌降低量由1.73（lg（CFU/mL））增加至5.15（lg（CFU/mL））。通過Weibull模型擬合殺菌致死曲線，并對模型進行簡化，發(fā)現(xiàn)簡化的Weib ull模型在20～50 ℃、40～190 MPa均質(zhì)1 次和20～40 ℃、190 MPa均質(zhì)1～5 次時擬合性較好（R2＞0.92）。簡化的Weibull模型可用于預測進料溫度-壓力和進料溫度-均質(zhì)次數(shù)的殺菌效果，可為芒果汁的HPH生產(chǎn)過程中微生物安全性的控制提供理論依據(jù)。
關鍵詞：芒果汁；進料溫度；均質(zhì)次數(shù)；壓力；大腸桿菌；Weibull模型

芒果屬于漆樹科（A n a c a r d i a c e a e）芒果屬（Mangifera indica L.），是重要的熱帶水果之一，因其味道鮮美，香味濃烈，營養(yǎng)豐富，富含VC、β-胡蘿卜素、多酚、礦物質(zhì)、膳食纖維等[1-2]，深受人們喜愛，素有“熱帶果王”之稱[3-4]。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織統(tǒng)計，2013年我國芒果種植面積為48.15 公頃，同比增長1.37%；總產(chǎn)量達462萬 t，同比增長5%，居世界第二。我國芒果資源豐富，芒果原漿、濃縮汁、芒果飲料是最常見的芒果飲品。傳統(tǒng)的熱處理廣泛地應用于果蔬汁殺菌，但由于其高溫作用，會損害果蔬汁的風味、營養(yǎng)、質(zhì)構等品質(zhì)，尤其是對于芒果、西瓜等熱敏性的水果[5-6]。

近幾年，隨著消費者對高品質(zhì)、純天然、新鮮的果蔬汁的逐漸關注和追求，研究者的目光逐漸轉向非熱加工技術。高壓均質(zhì)（high pressure homogenization，HPH）是一種新興的非熱加工技術，適合流體食品的連續(xù)生產(chǎn)[7]。HPH處理過程中，流體通過均質(zhì)閥中狹窄的可調(diào)間隙，獲得高壓高速，產(chǎn)生壓力梯度、剪切力、高速碰撞、空穴效應等作用[1,8-9]，會破壞微生物的細胞，從而達到滅菌效果。因此，HPH可以有效殺滅流體食品中的致病菌和腐敗菌[10-11]，同時還可以有效降低熱加工過程中熱效應對食品的影響，提高產(chǎn)品的“新鮮度”。目前研究表明，HPH的壓力、進料溫度和均質(zhì)次數(shù)顯著影響果蔬汁中微生物的殺滅效果。室溫100 MPa HPH處理3～8 次可使杏汁或胡蘿卜汁[12]中釀酒酵母635降低3.0～6.0（lg（CFU/mL）），低于檢出限；10 ℃、200 MPa和20 ℃、200 MPa HPH處理1 次可使橙汁[13]和蘋果汁[14]中乳酸菌、大腸桿菌等降至檢出限（1.0（lg（CFU/mL）））以下；6 ℃、250 MPa以上的HPH處理1 次可使橙汁[15]、葡萄汁[16]中致病菌森夫滕貝格沙門菌775W和李斯特菌減少5.0（lg（CFU/mL））以上。此外，HPH處理對果蔬汁中的VC[16]、黃酮[17]等的保留率較高，優(yōu)于熱加工過程，且HPH處理對果蔬汁的理化特性，如pH值、折射率、糖度等沒有顯著性影響[12,18-19]。在前期實驗中已經(jīng)開展了HPH處理對芒果汁品質(zhì)的影響研究，結果表明，HPH處理對芒果汁的pH值、可溶性固形物和可滴定酸含量沒有顯著影響，與熱處理相比HPH處理顯著提高了芒果汁中類胡蘿卜素和多酚的含量，增強其抗氧化能力[20]。本實驗以大腸桿菌為受試菌株，研究了HPH壓力、均質(zhì)次數(shù)、進料溫度對芒果汁中接種大腸桿菌的殺菌效果，并采用Weibull進行動力學分析，以期為芒果汁HPH加工技術的應用提供基礎理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

成熟芒果（小臺農(nóng)）產(chǎn)地海南；大腸桿菌 中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心；營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基 北京陸橋技術有限責任公司；二氧化氯速效泡騰片 北京華龍星宇科技發(fā)展有限公司。

1.2 儀器與設備

JN-02HC超高壓納米均質(zhì)機（含加熱 /冷卻循環(huán)系統(tǒng)） 廣州聚能生物科技有限公司；SW-CJ-1F超凈工作臺 蘇州安泰空氣技術有限公司；LDZX-50KBS不銹鋼立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠；SHP-250生化培養(yǎng)箱 上海精宏試驗設備有限公司；HZS-HA水浴振蕩器 北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 無菌芒果汁制備

選取外觀良好、無損的成熟芒果，洗凈，去核去皮后使用液氮冷凍，貯藏于－40 ℃。制汁時，取出芒果常溫解凍，按照芒果肉-水1∶3（g/mL）的比例打漿，4 層紗布過濾兩次，制得芒果汁。將芒果汁于121 ℃滅菌15 min，殺滅芒果汁中原有微生物，得到無菌芒果汁。

1.3.2 大腸桿菌接種

無菌芒果汁接種6.0～7.0（lg（CFU/mL））的大腸桿菌，最終接種量約為6.30（lg（CFU/mL））。具體操作為：大腸桿菌通過PCA培養(yǎng)基在37 ℃活化24 h，活化的大腸桿菌用0.85%無菌生理水稀釋至約9.0（lg（CFU/mL）），接種1 mL菌液于100 mL無菌的芒果汁中，混合搖勻，待HPH處理。

1.3.3 HPH處理

接種大腸桿菌的芒果汁分別預熱至20～60 ℃，經(jīng)40～190 MPa HPH處理1～5 次后，接至無菌玻璃瓶中，測定微生物，以上步驟重復3 次。每次HPH處理前，

機使用50 mg/kg氧化氯消毒劑浸泡20 min，以保持HPH機腔體內(nèi)無菌。使用的機均質(zhì)

閥為活塞式均質(zhì)閥，均質(zhì)閥間隙可變，有利于微生物的滅菌[21]。HPH處理過程中，通過加熱/冷卻循環(huán)系統(tǒng)使均質(zhì)閥所處環(huán)境的溫度與進料溫度保持一致。

1.3.4 大腸桿菌計數(shù)

采用稀釋倒平板法計數(shù)大腸桿菌。具體操作為：將HPH處理前后的芒果汁用0.85%的生理鹽水以10 倍為單位逐級稀釋到適宜的稀釋度，在每個平板中加入1 mL稀釋菌液和15～20 mL營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，于（37±1）℃培養(yǎng)48 h，計數(shù)。

殺菌效果采用微生物殘活率[22-23]表示，根據(jù)公式（1）進行計算：

式中：lgS為HPH處理前后大腸桿菌降低的對數(shù)；N1為HPH處理后芒果汁中的大腸桿菌數(shù)/（CFU/mL）；N0為HPH處理前芒果汁中的大腸桿菌初始值/（CFU/mL）。

1.3.5 數(shù)學模型

1.3.5.1 Weibull模型

Weibull模型廣泛應用于非熱加工過程的微生物失活動力學分析[24]，可以充分健全而又簡單地描述曲線向上凸和向下凹的行為[25]。該模型假設同一種群的細胞或芽孢具有不同的抗逆性[26-27]。不同壓力HPH處理的致死曲線采用Weibull模型Ⅰ（公式（2））擬合[24]；不同均質(zhì)次數(shù)HPH處理的致死曲線采用Weibull模型Ⅱ（公式（3））擬合[21]，模型方程分別表示為：

式中：lgS為HPH處理前后大腸桿菌降低的對數(shù)；P為HPH壓力/MPa；ap為尺度參數(shù)，反映微生物降低第1個對數(shù)所需的壓力/MPa；x為形狀參數(shù)，反映曲線的形狀，當x＞1時，曲線是向上凸的，當x＜1時，曲線是向下凹的，當x=1時，曲線是一條直線，可以用線性模型進行擬合。

式中：ΔPh為HPH壓力/MPa；n為均質(zhì)次數(shù)；k、a、b為動力學參數(shù)，其中k為尺度參數(shù)，是理論滅活對數(shù)，相當于1 MPa HPH處理1 次（ΔPh=n=1）的滅活對數(shù)，表示均質(zhì)閥的內(nèi)在破壞能力，a、b為形狀參數(shù)，是微生物滅活常數(shù)，分別表示微生物種類對均質(zhì)壓力和均質(zhì)次數(shù)的敏感性，a、b越趨近于1，滅菌效果越好（lgS和ΔPh、n成線性關系），a、b越趨近于0，則lgS對ΔPh、n的依賴性越弱。

1.3.5.2 模型擬合度評價

采用均方差（mean square error，MSE）、決定系數(shù)（R2）和精確因子（Af）3 個參數(shù)來評價模型擬合度的優(yōu)劣。MSE和Af計算公式如下[26-28]：

式中：N為觀測值的數(shù)目；p為考察指標的數(shù)目。

其中，MSE值越小，R2越接近于1，表示模型的擬合度越高；Af越大，模型的平均精確度越低，Af越接近于1，表示模型越精確，當Af=1時表示模型預測值與實測值相等，模型擬合度最高。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Origin 8.0進行方差分析、Weibull模型分析并繪圖。

2 結果與分析

2.1 HPH壓力對芒果汁中大腸桿菌殺菌效果的影響

圖 1 大腸桿菌20～60 ℃、40～190 MPa均質(zhì)1 次HPH處理條件下Weibull模型擬合曲線Fig. 1 Survival curves of E. coli after one HPH pass at 40–190 MPa and 20–60 ℃ fitted with Weibull model

由圖1可知，相同處理溫度條件下，隨著HPH壓力的升高，大腸桿菌數(shù)顯著降低（P＜0.05）。以進料溫度50 ℃為例，40 MPa HPH處理1 次，芒果汁中接種的大腸桿菌降低0.46（lg（CFU/mL）），壓力升高至100 MPa，大腸桿菌降低1.56（lg（CFU/mL）），壓力達到19 0 MPa時，大腸桿菌降低5.16（lg（CFU/ mL）），達到美國食品藥物管理局規(guī)定的非熱加工殺菌的衛(wèi)生安全要求（減少5（lg（CFU/mL）））[23]。該結果與Diels[29]、Suárez-Jacobo[14]等研究結果一致，壓力升高能顯著提高殺菌效果。Diels等[29]采用50 ℃不同壓力HPH處理接種的大腸桿菌PBS溶液，發(fā)現(xiàn)壓力由100 MPa升高至250 MPa時，大腸桿菌降低量增加約5.5（lg（CFU/mL））；Suárez-Jacobo等[14]采用100 MPa HPH處理蘋果汁，大腸桿菌（（3.2±0.5）（lg（CFU/mL）））沒有顯著變化，當壓力升高至200 MPa時，大腸桿菌降低至檢出限以下（0.1（lg（CFU/ mL）））。一方面可能是因為壓力越高，均質(zhì)閥的空隙越小，微生物細胞間及與均質(zhì)閥孔表面間的相互作用加劇[21]；另一方面壓力越高，流體在均質(zhì)閥處獲得的速度越高，雷諾數(shù)越大，湍流作用增強，微生物細胞膜受破壞的可能性和強度越大[29]。

2.2 HPH均質(zhì)次數(shù)對芒果汁中大腸桿菌殺菌效果的影響

圖 2 大腸桿菌20～40 ℃、190 MPa、1～5 次HPH處理條件下Weibull模型擬合曲線Fig. 2 Survival curves of E. coli at 190 MPa and 20–60 ℃ after 1–5 HPH passes fitted with Weibull model

由圖2可知，隨HPH處理次數(shù)的增加，大腸桿菌數(shù)顯著減少（P＜0.05）。以20 ℃、190 MPa處理為例，均質(zhì)1 次時，芒果汁中大腸桿菌降低1.73（lg（CFU/mL）），當均質(zhì)次數(shù)增至4 次時，芒果汁中大腸桿菌降低5.15（lg（CFU/mL））。Donsì等[21]研究結果也發(fā)現(xiàn)，均質(zhì)次數(shù)增加，殺菌效果增強，使用可調(diào)間隙式活塞閥的均質(zhì)機200 MPa HPH處理大腸桿菌菌液，當均質(zhì)1 次時，大腸桿菌數(shù)降低約3（lg（CFU/mL）），均質(zhì)次數(shù)增加至3 次時，大腸桿菌數(shù)降低約5（lg（CFU/mL））。這可能是因為隨著均質(zhì)次數(shù)的增加，HPH處理過程中滅活的大腸桿菌的細胞膜片段對存活的大腸桿菌起到一個保護作用，使其對壓力的抵抗性增強，滅活作用減弱[24]。

2.3 HPH進料溫度對芒果汁中大腸桿菌殺菌效果的影響

由圖1可知，相同HPH壓力條件下，隨著進料溫度的升高，大腸桿菌數(shù)顯著降低（P＜0.05），且隨著HPH進料溫度的升高，壓力對大腸桿菌殺滅效果的影響越大，可能是壓力和溫度的協(xié)同作用[24]。以70 MPa HPH處理1 次為例，進料溫度由20 ℃升高至50 ℃時，芒果汁中大腸桿菌降低數(shù)由0.34（lg（CFU/mL））提高到1.00（lg（CFU/mL））；當進料溫度升高至60 ℃時，大腸桿菌數(shù)降低了5.02（lg（CFU/mL））。由圖2可知，提高進料溫度，達到相同殺菌效果需要的均質(zhì)次數(shù)減少。當進料溫度為20 ℃時，需要均質(zhì)4 次能將大腸桿菌降低5.15（lg（CFU/mL）），而當進料溫度提高到40 ℃時，均質(zhì)2 次可將大腸桿菌降低6.2（lg（CFU/mL）），達到檢出限以下。HPH進料溫度越高對大腸桿菌的殺滅效果越好，該結果與Carre?o等[24]的研究結果相一致，研究采用120 MPa HPH處理柑橘汁發(fā)現(xiàn)，進料溫度由15 ℃上升至30 ℃，植物乳酸桿菌進一步下降

1.30 （lg（CFU/mL））。一方面可能是因為溫度會削弱細胞膜的氫鍵和疏水鍵作用，導致微生物細胞對壓力的抵抗力減弱，進料溫度升高會使HPH的均質(zhì)閥處的溫度升高，從而增強HPH殺菌效果[24,30]；另一方面隨進料溫度升高，流體的黏度降低，雷諾數(shù)增大，湍流作用增強，同時導致空穴效應增強，HPH殺菌效果增強[29]。

2.4 HPH對芒果汁中大腸桿菌殺滅效果動力學分析

2.4.1 Weibull模型擬合

表 1 不同HPH處理條件下Weibull模型的評價參數(shù)Table 1 Evaluation parameters of Weibull models under different HPH treatments

模型評價參數(shù)MSE、R2、Af如表1所示，MSE值越小，R2、Af越接近于1，表示模型的擬合度越高。由表1可知，Weibull模型Ⅰ、Ⅱ可以分別較好地描述壓力-進料溫度、均質(zhì)次數(shù)-進料溫度HPH處理芒果汁中大腸桿菌的殺菌動力學過程，R2均大于0.90。目前也有其他研究表明，Weibull模型可以較好地擬合非熱殺菌過程。Carre?o等[24]研究表明，Weibull模型可以很好地擬合植物乳桿菌超高壓和HPH處理過程中壓力滅菌動力學；Donsì等[21]研究了HPH次數(shù)對大腸 桿菌、德氏乳桿菌和釀酒酵母的滅活動力學，發(fā)現(xiàn)Weibull模型可以較好地擬合這幾種微生物HPH滅菌動力學。

2.4.2 Weibull模型方程參數(shù)的求解及分析

分析兩個模型的參數(shù)，確定該模型的參數(shù)，得到比較精準地描述和預測HPH殺菌效果的模型方程。通過Weibull模型擬合致死曲線得到的相應參數(shù)值見表2。尺度參數(shù)（ap、k）與模型的形狀無關，反映滅菌效果的優(yōu)劣[26]。形狀參數(shù)（x、a、b）一方面反應致死曲線的形狀，另一方面其值大小代表特定的意義：當x（a或b）大于1時，表示模型曲線隨著橫坐標因素的升高呈現(xiàn)增長變快的趨勢；當x（a或b）小于1時，表明模型曲線隨著橫坐標因素的升高呈現(xiàn)增長減緩的趨勢[27]。

表 2 不同HPH條件下Weibull模型的參數(shù)Table 2 Parameters of Weibull models under different HPH treatments

2.4.2.1 20～60 ℃不同壓力條件下曲線擬合Weibull模型Ⅰ參數(shù)分析

由表2可知，Weibull模型Ⅰ的尺度參數(shù)ap隨著溫度升高顯著降低（P＜0.05），表明大腸桿菌對溫度的耐受性較弱，溫度越高，大腸桿菌對壓力的敏感性越高；形狀參數(shù)x＞1、20～60 ℃范圍內(nèi)擬合曲線均向上凸，表明隨著壓力的升高，HPH對大腸桿菌數(shù)的滅菌效果顯著提高，壓力和溫度越高，大腸桿菌越容易死亡。該結果與致死曲線描述一致。通過顯著性分析發(fā)現(xiàn)不同進料溫度下形狀參數(shù)x在20～50 ℃范圍內(nèi)沒有顯著性差異（P＞0.05），表明在此范圍內(nèi)形狀參數(shù)和溫度無關，因此可以簡化模型，將x在20～50 ℃范圍內(nèi)視為定值，取其平均值1.630。Weibull模型Ⅰ可以簡化為：

20～50 ℃、40～190 MPa均質(zhì)1 次：

簡化模型式（6）的評價參數(shù)如表3所示。與原參數(shù)值相比，3 個評價參數(shù)沒有顯著性變化，MSE不大于0.015、R2不小于0.987、Af值接近于1，模型的擬合度較好。

表 3 簡化的Weibull模型的評價參數(shù)Table 3 Evaluation parameters of simplified Weibull models

圖 3 進料溫度對簡化的Weibull模型Ⅰ新參數(shù)ap的影響Fig. 3 Effect of inlet temperature T on the apvalue of the simplified Weibull model

用簡化模型式（6）重新擬合20～50 ℃不同壓力HPH處理的大腸桿菌致死曲線，得到新的ap值，如表4所示。以進料溫度為橫坐標，ap為縱坐標作圖，得到圖3。由圖3可知，ap隨進料溫度的升高遞減且兩者成線性關系：

將公式（7）代入公式（6）得到公式（8）：

式中：T為進料溫度/℃；P為壓力/MPa。

該模型僅含兩個自變量：進料溫度和壓力。對于任意一個均質(zhì)1 次的處理條件，進料溫度和壓力是給定的，因此理論上可以使用該模型方程定量說明HPH特定的進料溫度和壓力組合下大腸桿菌的殺菌效果。

表 4 簡化的Weibull模型的新參數(shù)Table 4 New parameters of simplified Weibull models

2.4.2.2 20～40 ℃不同均質(zhì)次數(shù)條件下曲線擬合Weibull模型Ⅱ參數(shù)分析

由表2可知，20～40 ℃不同均質(zhì)次數(shù)條件下模型的尺度參數(shù)k隨著溫度的升高，顯著性增加（P＜0.05），表明在一定壓力，大腸桿菌對溫度和均質(zhì)次數(shù)的抵抗性較弱；形狀參數(shù)a是描述微生物對壓力的敏感性，由于壓力為確定值190 MPa，隨著進料溫度的升高，a沒有顯著性變化（P＞0.05），因此a可取其平均值0.658。Weibull模型Ⅱ可簡化為：

20～40 ℃、190 MPa均質(zhì)1～5 次：

簡化模型式（9）的評價參數(shù)如表3所示。與原評價參數(shù)相比，MSE、Af沒有變化，R2增大，更接近于1，模型的擬合度提升。

圖 4 進料溫度對簡化的Weibull模型Ⅱ新參數(shù)k、b的影響Fig. 4 Effect of inlet temperature T on the new parameters k and b values of the simplified Weibull model

用簡化的模型式（9）重新擬合190 MPa、20～40 ℃不同均質(zhì)次數(shù)的大腸桿菌致死曲線，得到新的k、b值，見表4。以進料溫度為橫坐標，k、b為縱坐標作圖，得到圖4。由圖4可知，k隨進料溫度的升高而增大且兩者成線性關系：

形狀參數(shù)b描述擬合曲線的形狀及微生物對HPH次數(shù)的敏感性。b小于1，20～40 ℃范圍內(nèi)擬合曲線均向下凹，即隨著均質(zhì)次數(shù)的升高，大腸桿菌的滅活率增長變慢，該結果與致死曲線描述一致。同時b值隨T的升高而減小，且兩者成線性關系：

這是由于隨著進料溫度的升高，HPH經(jīng)過較少次數(shù)的均質(zhì)就能達到較好的殺菌效果，而隨著均質(zhì)次數(shù)的增加，殺菌效果不再變化。將公式（10）和（11）代入公式（9）可得到公式（12）：

式中：T為進料溫度/℃；n為均質(zhì)次數(shù)。

該模型僅含兩個自變量：進料溫度和均質(zhì)次數(shù)。對于任意一個190 MPa HPH的處理條件，進料溫度和均質(zhì)次數(shù)是給定的，因此理論上可以使用該模型方程定量說明HPH特定的進料溫度和均質(zhì)次數(shù)組合下大腸桿菌的殺菌效果。

2.4.3 模型的驗證

為驗證簡化的兩個Weibull模型是否分別適用于20～50 ℃、40～190 MPa均質(zhì)1 次（式（8））和20～40 ℃、190 MPa均質(zhì)1～5 次（式（12））的大腸桿菌滅活過程，進行了1 組重復實驗，進料溫度-壓力組合和進料溫度-次數(shù)組合對應實驗條件分別為：20 ℃、40～190 MPa均質(zhì)1 次，20 ℃、190 MPa均質(zhì)1～5 次。如圖5所示，預測值曲線的形狀與實驗中曲線形狀一致：進料溫度-壓力組合模型曲線向上凸，進料溫度-次數(shù)組合模型向下凹，且預測值與實測值相差不大，說明模型擬合度較好，簡化的兩個Weibull模型可應用于預測大腸桿菌HPH滅菌效果。

圖 5 20 ℃簡化的Weibull模型的預測值與實測值比較Fig. 5 Observed values and predicted survival curve from the simplified Weibull model at an inlet temperature of 20 ℃

3 結 論

研究HPH對芒果汁中大腸桿菌的殺滅效果，并應用Weibull模型對其殺菌動力學進行了分析。HPH處理壓力、進料溫度和均質(zhì)次數(shù)對大腸桿菌殺滅效果影響顯著（P＜0.05）。HPH壓力越高，進料溫度越高，均質(zhì)次數(shù)越多，殺菌效果越好。應用Weibull模型可以很好地擬合大腸桿菌HPH滅菌動力學。20～50 ℃、40～190 MPa均質(zhì)1 次的處理條件下，Weibull模型Ⅰ方程可以簡化為滅活對數(shù)隨進料溫度-壓力變化的方程均質(zhì)1～5 次的處理條件下，Weibull模型Ⅱ方程可以簡化為滅活對數(shù)隨著進料溫度-次數(shù)變化的方程。lgS=(－0.110T+0.114)n(－0.022T+1.130)，簡化后的進料溫度-壓力、進料溫度-次數(shù)模型可以用來預測HPH的殺菌效果。建立簡單而精確的滅菌模型有助于食品工業(yè)上HACCP中微生物安全性的控制，對優(yōu)化食品生產(chǎn)工藝也有一定的參考作用。

[1] 劉鳳霞. 基于超高壓技術芒果汁加工工藝與品質(zhì)研究[D]. 北京:中國農(nóng)業(yè)大學, 2014.

[2] THARANATHAN R N, PRABHA H M Y T N. Mango (Mangifera indica L.), “The King of Fruits”: an overview[J]. Food Reviews International, 2006, 22(2): 95-123. DOI:10.1080/87559120600574493.

[3] BOMPARD J M. Taxonomy and systematics[M]//The Mango: Botany, Production and Uses. CAB International, Wallingford, UK, 2009: 19-41.

[4] LIU F, LI R, WANG Y, et al. Effects of high hydrostatic pressure and high-temperature short-time on mango nectars: changes in microorganisms, acid invertase, 5-hydroxymethylfurfural, sugars, viscosity, and cloud[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2014, 22(4): 22-30. DOI:10.1016/j.ifset.2013.11.014.

[5] TAHIRI I, MAKHLOUF J, PAQUIN P, et al. Inactivation of food spoilage bacteria and Escherichia coli O157:H7 in phosphate buffer and orange juice using dynamic high pressure[J]. Food Research International, 2006, 39(1): 98-105. DOI:10.1016/ j.foodres.2005.06.005.

[6] 謝媚, 曹錦軒, 張玉林, 等. 高壓脈沖電場殺菌技術在肉品加工中的應用進展[J]. 核農(nóng)學報, 2014, 28(1): 97-100. DOI:10.11869/ j.issn.100-8551.2014.01.0097.

[7] DIELS A M J, WUYTACK E Y, MICHIELS C W. Modelling inactivation of Staphylococcus aureus and Yersinia enterocolitica by high-pressure homogenisation at different temperatures[J]. International Journal of Food Microbiology, 2003, 87(1): 55-62. DOI:10.1016/S0168-1605(03)00050-3.

[8] DONSì F, FERRARI G, LENZA E, et al. Main factors regulating microbial inactivation by high-pressure homogenization: operating parameters and scale of operation[J]. Chemical Engineering Science, 2009, 64(3): 520-532. DOI:10.1016/j.ces.2008.10.002.

[9] FLOURY J, BELLETTRE J, LEGRAND J, et al. Analysis of a new type of high pressure homogeniser. A study of the flow pattern[J]. Chemical Engineering Science, 2004, 59(4): 843-853. DOI:10.1016/ j.ces.2003.11.017.

[10] CALLIGARIS S, FOSCHIA M, BARTOLOMEOLI I, et al. Study on the applicability of high-pressure homogenization for the production of banana juices[J]. LWT-Food Science and Technology, 2012, 45(1): 117-121. DOI:10.1016/j.lwt.2011.07.026.

[11] VELáZQUEZ-ESTRADA R M, HERNáNDEZ-HERRERO M M, RüFER C E, et al. Influence of ultra high pressure homogenization processing on bioactive compounds and antioxidant activity of orange juice[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2013, 18(2): 89-94. DOI:10.1016/j.ifset.2013.02.005.

[12] PATRIGNANI F, VANNINI L, KAMDEM S L S, et al. Effect of high pressure homogenization on Saccharomyces cerevisiae inactivation and physico-chemical features in apricot and carrot juices[J]. International Journal of Food Microbiology, 2009, 136(1): 26-31. DOI:10.1016/ j.ijfoodmicro.2009.09.021.

[13] VELáZQUEZ-ESTRADA R M, HERNáNDEZ-HERRERO M M, GUAMIS-LóPEZ B, et al. Impact of ultra high pressure homogenization on pectin methylesterase activity and microbial characteristics of orange juice: a comparative study against conventional heat pasteurization[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2012, 13(1): 100-106. DOI:10.1016/ j.ifset.2011.09.001.

[14] SUáREZ-JACOBO á, GERVILLA R, GUAMIS B, et al. Effect of UHPH on indigenous microbiota of apple juice: a preliminary study of microbial shelf-life[J]. International Journal of Food Microbiology, 2010, 136(3): 261-267. DOI:10.1016/j.ijfoodmicro.2009.11.011.

[15] CAMPOS F P, CRISTIANINI M. Inactivation of Saccharomyces cerevisiae and Lactobacillus plantarum in orange juice using ultra high-pressure homogenization[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2007, 8(2): 226-229. DOI:10.1016/ j.ifset.2006.12.002.

[16] VELáZQUEZ-ESTRADA R M, HERNáNDEZ-HERRERO M M, LóPEZ-PEDEMONTE T J, et al. Inactivation of Listeria monocytogenes and Salmonella entericserovar Senftenberg 775 W inoculated into fruit juice by means of ultra high pressure homogenization[J]. Food Control, 2011, 22(2): 313-317. DOI:10.1016/ j.foodcont.2010.07.029.

[17] YU Y, XU Y, WU J, et al. Effect of ultra-high pressure homogenisation processing on phenolic compounds, antioxidant capacity and antiglucosidase of mulberry juice[J]. Food Chemistry, 2014, 153(12): 114-120. DOI:10.1016/j.foodchem.2013.12.038.

[18] MARESCA P, DONSì F, FERRARI G. Application of a multi-pass high-pressure homogenization treatment for the pasteurization of fruit juices[J]. Journal of Food Engineering, 2011, 104(3): 364-372. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2010.12.030.

[19] SUAREZ-JACOBO A, RüFER C E, GERVILLA R, et al. In uence of ultra-high pressure homogenisation on antioxidant capacity, polyphenol and vitamin content of clear apple juice[J]. Food Chemistry, 2011, 127(2): 447-454. DOI:10.1016/j.foodchem.2010.12.152.

[20] GUAN Y J, ZHOU L Y, BI J F, et al. Change of microbial and quality attributes of mango juice treated by high pressure homogenization combined with moderate inlet temperatures during storage[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2016, 36: 320-329. DOI:10.1016/j.ifset.2016.07.009.

[21] DONSì F, ANNUNZIATA M, FERRARI G. Microbial inactivation by high pressure homogenization: effect of the disruption valve geometry[J]. Journal of Food Engineering, 2013, 115(3): 362-370. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2012.10.046.

[22] 臧榮春. 微生物動力學模型[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2004.

[23] 王威利, 吳繼軍, 余元善, 等. 焦炭酸二甲酯對荔枝汁中大腸桿菌殺菌效果及動力學模型研究[J]. 中國食品學報, 2013, 13(10): 97-101.

[24] CARRE?O J M, GURREA M C, SAMPEDRO F, et al. Effect of high hydrostatic pressure and high-pressure homogenisation on Lactobacillus plantarum inactivation kinetics and quality parameters of mandarin juice[J]. European Food Research and Technology, 2011, 232(2): 265-274. DOI:10.1007/s00217-010-1381-9.

[25] MAFART P, COUVERT O, GAILLARD S, et al. On calculating sterility in thermal preservation methods: application of the Weibull frequency distribution model[J]. International Journal of Food Microbiology, 2002, 72(1/2): 107-113. DOI:10.1016/S0168-1605(01)00624-9.

[26] 盧蓉蓉, 錢平, 何紅艷, 等. 超高壓殺滅低酸性食品中耐壓菌的動力學模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2010, 26(9): 350-356. DOI:10.3969/ j.issn.1002-6819.2010.09.057.

[27] CHEN H, HOOVER D G. Use of Weibull model to describe and predict pressure inactivation of Listeria monocytogenes Scott A in whole milk[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2004, 5(3): 269-276. DOI:10.1016/j.ifset.2004.03.002.

[28] ROSS T. Indices for performance evaluation of predictive models in food microbiology[J]. Journal of Applied Microbiology, 1996, 81(5): 501-508. DOI:10.1111/j.1365-2672.1996.tb03539.x.

[29] DIELS A M J, CALLEWAERT L, WUYTACK E Y, et al. Moderate temperatures affect Escherichia coli inactivation by high-pressure homogenization only through fluid viscosity[J]. Biotechnology Progress, 2004, 20(5): 1512-1517. DOI:10.1021/bp0499092.

[30] VACHON J F, KHEADR E E, GIASSON J, et al. Inactivation of foodborne pathogens in milk using dynamic high pressure[J]. Journal of Food Protection, 2002, 65(2): 345-352.

Inactivation Kinetics of Escherichia coli in Mango Juice by High Pressure Homogenization

GUAN Yunjing1, ZHOU Linyan1, BI Jinfeng1,*, YI Jianyong1, WU Xinye1, ZHOU Mo1, LI Shurong2
(1. Institute of Food Science and Technology, Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China; 2. Department of Food and Bioengineering, Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 102442, China)

The inactivation kinetics of Escherichia coli in mango juice by high pressure homogenization (HPH) was tted with the Weibull model to predict the inactivation effect in this study. E. coli was subjected to HPH treatments (inlet temperature: 20–60 ℃; pressure: 40–190 MPa, and passes: 1–5). The reduction in E. coli was enhanced with increasing pressure, inlet temperature or number of passes. The reduction in E. coli in the sample after one pass at 50 ℃ was enhanced from 0.46 to 5.16 (lg(CFU/mL)) with pressure increasing from 40 to 190 MPa, which reached the hygienic requirements for non-thermally processed food claimed by the US food and drug administration. The reduction in E. coli after one pass at 70 MPa was enhanced from 0.34 to 5.02 (lg(CFU/mL)) with inlet temperature rising from 20 to 60 ℃. The reduction in E. coli at 190 MPa and 20 ℃ was enhanced from 1.73 to 5.15 (lg(CFU/mL)) with increasing number of passes from 1 to 4. The Weibull model provided a goodt to the inactivation curves of E. coli at different HPH treatments, with R2＞ 0.90. The simpli ed Weibull models weretted well under 20–50 ℃/40–190 MPa for one pass and 20–40 ℃/190 MPa for 1–5 passes (R2＞ 0.92). The simpli ed Weibull models to predict HPH inactivation kinetics of E. coli could provide a theoretical basis for microbial safety control in the HPH processing of mango juice.

mango juice; inlet temperature; number of passes; pressure; Escherichia coli; Weibull model

10.7506/spkx1002-6630-201710037

TS255.1

A

1002-6630（2017）10-0222-07

關云靜, 周林燕, 畢金峰, 等. 高壓均質(zhì)對芒果汁中大腸桿菌的殺菌動力學[J]. 食品科學, 2017, 38(10): 222-228.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201710037. http://www.spkx.net.cn

GUAN Yunjing, ZHOU Linyan, BI Jinfeng, et al. Inactivation kinetics of Escherichia coli in mango juice by high pressure homogenization[J]. Food Science, 2017, 38(10): 222-228. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201710037. http://www.spkx.net.cn

2016-05-05

國家自然科學基金青年科學基金項目（31301529）

關云靜（1991—），女，碩士研究生，主要從事果蔬加工技術研究。E-mail：guanyunjing112@163.com

*通信作者：畢金峰（1970—），男，研究員，博士，主要從事果蔬加工與營養(yǎng)科學研究。E-mail：bijinfeng2010@163.com