青麥糕中微生物生長動力學(xué)模型及貨架期研究

張國治，劉 悅,，張康逸，張 雨,3

1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心，河南 鄭州 450002

3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083

青麥糕是以青麥和脫皮綠豆為主要原料蒸制而成的一種新型谷物類糕點。青麥?zhǔn)俏覈鴤鹘y(tǒng)食物，有著悠久的歷史，其淀粉含量低于小麥，富含膳食纖維、維生素、葉綠素等營養(yǎng)成分，并具有獨特的風(fēng)味和口感[1-2]。同時，綠豆具有清涼解毒、利尿明目的作用，能幫助排泄體內(nèi)毒物，有“濟(jì)世之良谷”的說法[3]。國內(nèi)對青麥糕的相關(guān)研究較少。

貨架期是指食品在推薦條件下貯藏，能夠保持食用安全，確保理想的感官、理化和微生物特性，保留營養(yǎng)標(biāo)簽上任何營養(yǎng)值的一段時間。微生物是導(dǎo)致食品腐敗變質(zhì)的主要原因，是影響食品貨架期的重要因素，故研究食品貯藏過程中微生物的生長變化有著重要意義[4]。要測定某一特定食品的貨架期，則應(yīng)該對該食品在貯藏過程中品質(zhì)變化的機(jī)理進(jìn)行研究，確定影響該食品品質(zhì)變化的因素，并建立相應(yīng)的試驗方法和模型來測定食品貨架期[5-7]。紀(jì)瑩[8]對我國傳統(tǒng)米制松糕中腐敗微生物的生長動力學(xué)模型及貨架期預(yù)測模型進(jìn)行研究，結(jié)果表明Gompertz和Logistic模型均能很好地擬合細(xì)菌總數(shù)、芽孢桿菌和葡萄球菌的生長曲線，同時能夠?qū)鹘y(tǒng)米制松糕的貨架期進(jìn)行快速準(zhǔn)確的預(yù)測。黃瀟等[9]對魚糕中金黃色葡萄球菌的生長構(gòu)建了Gompertz、Logistic和Richards模型，結(jié)果表明模型在10～30 ℃可靠。胡錚瑢等[10]研究了清蛋糕中金黃色葡萄球菌生長預(yù)測模型并進(jìn)行驗證，結(jié)果證明修正的Logistic模型能夠更好地描述6～35 ℃條件下金黃色葡萄球菌的生長。姬華等[11]對鮮切哈密瓜在4、10、25 ℃貯藏條件下的微生物生長模型進(jìn)行了研究，得到最佳貯藏溫度為4 ℃且模型擬合良好。除此之外，對肉類、蔬果、餅干等食品均可建立微生物模型[12-13]。通過各種預(yù)測模型研究微生物的生長規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測食品貨架期，可監(jiān)控食品的儲藏及銷售，有助于指導(dǎo)研發(fā)產(chǎn)品、優(yōu)化生產(chǎn)銷售鏈[14-16]。

青麥糕蒸制而成，水分含量較大，因貯藏過程中微生物易生長繁殖，從而導(dǎo)致腐敗變質(zhì)。因此，作者通過研究不同貯藏溫度下青麥糕貯藏過程中菌落總數(shù)與霉菌的生長情況，建立微生物的生長動力學(xué)模型，對青麥糕中食品腐敗菌的生長進(jìn)行預(yù)測，從而確定青麥糕在不同溫度下的貨架期。這對于探討青麥糕質(zhì)量安全性，降低腐敗變質(zhì)風(fēng)險，保證食用安全具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

青麥：河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院；脫皮綠豆：新鄉(xiāng)良潤全谷物食品有限公司；木糖醇：太古糖業(yè)(中國)有限公司；黃油：廣州南僑食品有限公司；葉綠素銅鈉鹽：浙江一諾生物科技有限公司；D-異抗壞血酸鈉：德興市百勤異VC鈉有限公司；檸檬酸：山東豐泰生物科技有限公司；蔗糖脂肪酸酯：杭州瑞霖化工有限公司；α-淀粉酶(4 000 u/g)：源葉生物科技有限公司；黃原膠：山東優(yōu)索化工科技有限公司；平板計數(shù)瓊脂培養(yǎng)基(PCA)、孟加拉紅培養(yǎng)基：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

HC-400Y型多功能粉碎機(jī)：河城工貿(mào)有限公司；100目篩：浙江上虞市五四儀器篩具廠；C21-RT2140型電磁爐：佛山市美的電器制造有限公司；HM740型和面機(jī)：青島漢尚電器有限公司；MP5002型電子天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；FD-100S型真空冷凍干燥機(jī)：北京惠誠佳儀科技有限公司；HNY-2102C型恒溫恒濕培養(yǎng)振蕩器：天津歐諾儀器股份有限公司；SPX-250B-Z型生化培養(yǎng)箱、SW-CJ-1超凈工作臺、YXQ-LS-50S11高壓滅菌鍋：上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.2 方法

1.2.1 原料處理

將清洗后的青麥進(jìn)行真空冷凍干燥處理，干燥后的青麥和脫皮綠豆分別用粉碎機(jī)打粉，過100目篩，4 ℃冷藏保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 青麥糕的制備及貯藏

稱取適量混合粉(青麥粉和脫皮綠豆粉質(zhì)量比為7∶3)，分別加入40%水、15%木糖醇、少許黃油、0.36‰葉綠素銅鈉鹽、0.62‰D-異抗壞血酸鈉、2.00‰檸檬酸、6‰蔗糖脂肪酸酯、0.02‰α-淀粉酶和1‰黃原膠，在和面機(jī)中和面9 min，模具成型，放入蒸鍋中蒸制7.5 min。將成品青麥糕冷卻至室溫，用保鮮袋裝好，分別放置4、15、25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中貯藏。于不同時間點分別取樣，進(jìn)行微生物培養(yǎng)分析。

1.2.3 青麥糕貯藏過程中微生物測定

參照GB 4789.2—2016和GB 4789.15—2016的方法，測定青麥糕貯藏過程中菌落總數(shù)和霉菌的變化。

1.2.4 青麥糕貯藏過程微生物數(shù)學(xué)模型建立

參考文獻(xiàn)[8,11]中的方法建立Gompertz模型(一級模型)和Belehradek模型(二級模型)。

使用Gompertz方程表示貯藏時間與微生物含量的關(guān)系，方程式如下：

y=a·e-eb-ct，

修正后的方程為：

y=A·exp{-exp[e·μm·(λ-t)/A+1]}，

式中：A為最大微生物濃度(cfu/g)；t為時間(h)；μm為最大比生長速率(cfu·g-1·h-1)；λ為生長延滯時間(h)。

Belehradek方程表示溫度對微生物生長動力學(xué)的影響，方程式如下：

(1/λ)1/2=bλ·(T-Tmin·λ)；

式中：T為溫度(℃)；Tmin為微生物無代謝時的溫度(℃)；b為常數(shù)。

1.2.5 青麥糕貯藏過程微生物生長動力學(xué)模型的驗證

根據(jù)建立的青麥糕微生物生長動力學(xué)模型計算出在4、15、25 ℃貯藏時的微生物預(yù)測值，并與實際檢測值進(jìn)行比較，通過偏差因子(Bf)和準(zhǔn)確因子(Af)分析青麥糕貯藏過程中微生物生長動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性與可靠性。

Bf=10[Σlog(N預(yù)測值/N實際值)]/n,Af=10Σ|log(N預(yù)測值/N實際值)| /n，

式中：N實測值為通過試驗測得的微生物數(shù)量；N預(yù)測值為通過建立模型得到的微生物數(shù)量；n為試驗次數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)使用Origin 8.0進(jìn)行非線性回歸模型擬合和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 青麥糕中菌落總數(shù)與霉菌的生長曲線和動力學(xué)模型

細(xì)菌與霉菌是導(dǎo)致青麥糕腐敗變質(zhì)的主要原因，根據(jù)GB 7099—2015和NY/T 1890—2010，判斷青麥糕腐敗變質(zhì)時的菌落總數(shù)和霉菌分別為1 500 cfu/g和100 cfu/g。因此，可以判斷青麥糕在不同貯藏溫度條件下的剩余貨架期。微生物生長過程分為4個階段：延滯期、指數(shù)生長期、穩(wěn)定期和衰亡期。圖1為不同溫度條件下Gompertz方程擬合的菌落總數(shù)與霉菌生長曲線，這些曲線均呈現(xiàn)典型的S型，且貯藏溫度越高，青麥糕中微生物生長速度越快，貨架期越短，菌落指數(shù)生長開始時間越早。因此，溫度是影響青麥糕腐敗變質(zhì)的重要柵欄因子，也是微生物生長的重要環(huán)境。

根據(jù)Gompertz模型對菌落總數(shù)和霉菌的生長曲線進(jìn)行擬合，得到的函數(shù)、決定系數(shù)(R2)及相關(guān)微生物生長參數(shù),如表1所示。R2可以評估微生物生長曲線擬合好壞，其值越接近1，說明擬合效果越好。從表1可知，4、15、25 ℃條件下菌落總數(shù)和霉菌生長曲線均可用Gompertz方程擬合，且R2均大于0.980 0，說明擬合效果較好。延滯時間隨著貯藏溫度的升高而逐漸減小，使微生物在短時間內(nèi)開始生長。隨著貯藏溫度升高，微生物生長速率增加，μm增大。當(dāng)貯藏溫度為25 ℃時，延滯時間最短，比生長速率最大，菌落總數(shù)和霉菌最適生長且生長速率最快；當(dāng)貯藏溫度為4 ℃時，延滯時間最長，比生長速率最小，菌落總數(shù)和霉菌生長緩慢。即低溫可以抑制菌落總數(shù)和霉菌的生長，因此，適當(dāng)降低貯藏溫度可以更好地延長青麥糕貨架期。

圖1 不同溫度條件下Gompertz方程擬合的菌落總數(shù)與霉菌生長曲線

表1 Gompertz模型擬合曲線函數(shù)及參數(shù)

2.2 溫度對生長動力學(xué)參數(shù)的影響

在Gompertz模型的基礎(chǔ)上建立Belehradek二級模型，描述溫度變化對青麥糕中菌落總數(shù)和霉菌生長速率和延滯時間的影響，根據(jù)Belehradek方程對不同貯藏溫度下菌落總數(shù)和霉菌的最大比生長速率和延滯時間進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖2和表2所示。從表2可以看出，各模型決定系數(shù)最小為0.868 7，其余均在0.92以上，說明溫度與μm和λ的線性曲線適合Belehradek二級模型。

由圖2a和圖2b可知，隨著貯藏溫度的升高，青麥糕中微生物的生長速率逐漸增加，且菌落總數(shù)上升更快。而由圖2c和圖2d可知，隨著貯藏溫度的升高，延滯時間逐漸減小，且菌落總數(shù)的延滯時間下降更快。由于本研究建立的菌落總數(shù)Belehradek二級模型的斜率比霉菌的大，因此，溫度對菌落總數(shù)的最大比生長速率和延滯時間的影響比霉菌大。其中，溫度對菌落總數(shù)的最大比生長速率擬合程度較高，而對菌落總數(shù)的延滯時間擬合程度較差。溫度對霉菌的最大比生長速率和延滯時間擬合較穩(wěn)定。綜上所述，溫度對最大比生長速率的擬合度優(yōu)于對延滯時間的擬合度。

圖2 Belehradek方程描述溫度與μm、λ的關(guān)系

表2 Belehradek模型擬合曲線函數(shù)及決定系數(shù)

2.3 微生物生長動力學(xué)模型的驗證和評價

為了驗證和評估青麥糕中菌落總數(shù)和霉菌生長動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，使用Ross[17]提出的準(zhǔn)確因子(Af)與偏差因子(Bf)進(jìn)行驗證，如表3所示，以檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性與可靠性。

表3 青麥糕在4、15、25 ℃貯藏時微生物數(shù)量預(yù)測值的偏差因子和準(zhǔn)確因子

偏差因子表示預(yù)測值對實測值的評估是否過低或過高，代表著模型的結(jié)構(gòu)偏差。當(dāng)偏差因子小于1時，標(biāo)志著微生物生長速率的預(yù)測值大于實測值，模型的預(yù)測較為安全。Griffiths[18]認(rèn)為0.751.15時，模型不被接受。由表3可知，青麥糕中菌落總數(shù)與霉菌的Bf為0.855～0.993，因此，模型預(yù)測準(zhǔn)確。準(zhǔn)確因子則表示實際值與預(yù)測值的平均誤差，Lebert等[19]指出偏差因子不能全面地預(yù)測模型準(zhǔn)確性。當(dāng)Af=1時，表明模型預(yù)測準(zhǔn)確；當(dāng)1.1

2.4 青麥糕貨架期的預(yù)測和驗證

根據(jù)建立的菌落總數(shù)與霉菌生長動力學(xué)模型方程，并結(jié)合GB 7099—2015和NY/T 1890—2010的標(biāo)準(zhǔn)，分別計算出4、15、25 ℃貯藏條件下青麥糕的預(yù)測貨架期，如表4所示。與實際試驗檢測得到的青麥糕貨架期終點進(jìn)行比較，預(yù)測值與實測值的相對誤差為1.36%～7.90%。驗證結(jié)果證明，采用本研究所得到的青麥糕菌落總數(shù)和霉菌生長動力學(xué)模型可以快速準(zhǔn)確地預(yù)測出4～25 ℃貯藏條件下青麥糕的貨架期。

表4 青麥糕貨架期的預(yù)測值和實測值

3 結(jié)論

青麥糕的腐敗變質(zhì)與貯藏過程中菌落總數(shù)與霉菌的生長情況有著密切的關(guān)系，應(yīng)用Gompertz函數(shù)分別建立了4、15、25 ℃貯藏條件下青麥糕中菌落總數(shù)與霉菌的生長曲線模型，并結(jié)合Belehradek函數(shù)建立溫度變化對菌落總數(shù)和霉菌生長速率和延滯時間的二級模型。結(jié)果表明：Gompertz模型能夠很好地擬合青麥糕中菌落總數(shù)與霉菌的生長情況，R2均大于0.980 0。應(yīng)用Gompertz模型可以預(yù)測青麥糕貨架期，相對誤差為1.36%～7.90%，可以快速準(zhǔn)確地預(yù)測青麥糕貨架期。根據(jù)Belehradek模型擬合結(jié)果可知，隨著貯藏溫度的升高，微生物的生長速率逐漸增加，延滯時間逐漸減小，且R2均大于0.850 0，表明該模型能夠較好地描述該貯藏溫度范圍內(nèi)青麥糕中菌落總數(shù)與霉菌的最大比生長速率和延滯時間與溫度的關(guān)系。綜上所述，根據(jù)Gompertz模型能夠分析該溫度范圍內(nèi)青麥糕的剩余貨架期，很好地保證了青麥糕的食用安全與品質(zhì)。