冷凍魚糜制品中大腸桿菌生長動力學模型的構(gòu)建

王力衛(wèi)，雷曉凌，*，彭鏡林，黃 和，勵建榮，肖勝藍

(1.廣東海洋大學食品科技學院，廣東湛江524088; 2.浙江工商大學食品與生物工程學院，浙江杭州310035)

冷凍魚糜制品中大腸桿菌生長動力學模型的構(gòu)建

王力衛(wèi)1，雷曉凌1，*，彭鏡林1，黃 和1，勵建榮2，肖勝藍1

(1.廣東海洋大學食品科技學院，廣東湛江524088; 2.浙江工商大學食品與生物工程學院，浙江杭州310035)

以冷凍魚糜制品為原料將大腸桿菌接種到魚糜制品中，托盤包裝后分別在5、10、15、20、25和85℃貯藏。并應(yīng)用Curve Expert 1.3軟件擬合不同溫度下大腸桿菌的生長情況。結(jié)果表明，修正的Gompertz方程能較好地描述不同溫度下大腸桿菌在魚糜制品中的生長動態(tài)，溫度對大腸桿菌生長參數(shù)μmax(最大比生長速率)和λ(延滯時間)的影響，采用平方根模(Belehradek)描述呈良好線性關(guān)系。85℃用失活模型Linear的擬合較好。通過13℃和18℃下大腸桿菌的生長對構(gòu)建的Gompertz模型進行了驗證，并經(jīng)數(shù)學檢驗參數(shù)偏差值和準確值計算，偏差度分別為0.938、0.956，準確度為1.034、1.083，表明所建立模型是有效的。

魚糜制品，大腸桿菌，預(yù)測模型

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷凍魚糜制品 舟山某水產(chǎn)公司;大腸桿菌GIM1.137 廣東海洋大學食品科技學院微生物實驗室;科瑪嘉大腸桿菌顯色培養(yǎng)基 鄭州博賽生物技術(shù)股份有限公司。

SPX－250B型生化培養(yǎng)箱 上海躍進醫(yī)療器械廠;CD－222型西門子電冰箱 博西華家用電器有限公司;SW－CJ－1F型潔凈工作臺、YXQ－SG46－280S型手提式壓力蒸汽滅菌鍋 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.2 實驗方法

大腸桿菌的接種、培養(yǎng)及計數(shù):用無菌生理鹽水(0.85%NaCl溶液)稀釋菌種原液制得初始濃度為103～104cfu/mL的菌懸液。按無菌操作，取200g魚糜制品裝入無菌燒杯中，加入5mL經(jīng)適當稀釋的菌懸液，和魚糜制品攪拌均勻，測定燒杯內(nèi)初始菌數(shù)，套上滅菌紗布。將各試樣分別置于5、10、15、20、25℃生化培養(yǎng)箱中和85℃的水浴鍋中恒溫培養(yǎng)，具體為5℃水浴下每48h計數(shù)一次;10、15℃下每24h計數(shù)一次;20℃下每12h計數(shù)一次，25℃下每6h計數(shù)一次; 85℃下每5s計數(shù)一次。每一個溫度做兩個平行，用顯色培養(yǎng)基37℃培養(yǎng)24h，參GBT4789.2－2010［6］進行微生物計數(shù)。

1.3 數(shù)學模型的建立和驗證

1.3.1 一級模型的建立 大量的研究表明，修正的Gompertz函數(shù)可以廣泛的應(yīng)用于描述食品微生物的生長，從而得出微生物生長過程中的遲滯時間、比生長速率和總生長量三個主要參數(shù)，有效的預(yù)測微生物的生長［7］。

式中:N(t)－時間為 t的微生物數(shù)量，［log10(cfu/g)］;N0－t=0時的初始微生物數(shù)量，［log10(cfu/g)］;Nmax－增加到穩(wěn)定期時最大的微生物數(shù)量，［log10(cfu/g)］;μmax－微生物生長的最大比生長速率，(h－1);λ－微生物生長的延滯時間，(h);t－時間，(h)。

在低溫或高溫條件下，微生物的生長不符合S形生長曲線的規(guī)律，因此比較適合采用Linear模型進行擬合［8］。失活模型

1.3.2 二級模型的建立 二級生長模型主要是確定不同環(huán)境因素下一級模型的參數(shù)。不同溫度下，主要用最大比生長速率(μmax)和延滯時間(λ)來衡量各種微生物生長的差異，而溫度對微生物生長動力學參數(shù)μmax和延滯期λ的影響多由Belehradek模型(平方根模型)描述［8］。關(guān)系式如下:

式中:T為攝氏溫度，(℃);Tmin1為一個假設(shè)的概念，指的是微生物沒有代謝活動時的溫度，即在此溫度時最大比生長速率為零，b1是方程的常數(shù)。

1.4 模型的驗證與數(shù)學檢驗

選取13℃和18℃貯藏溫度的大腸桿菌生長情況驗證所構(gòu)建的模型，接種、計數(shù)、建模方法同前。應(yīng)用直觀對比圖比較預(yù)測值和觀測值之間的關(guān)系參數(shù)偏差值和準確值參考Ross提出的表達式［9］:

式中:n:實驗次數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 大腸桿菌各溫度的一級預(yù)測模型

恒定溫度下大腸桿菌生長曲線的測定。大腸桿菌在 5、10、15、20和 25℃的生長數(shù)據(jù)分別用Gompertz方程擬合的 S型曲線如圖1所示。根據(jù)Gompertz方程對大腸桿菌的生長曲線進行回歸，回歸擬合曲線函數(shù)見表1。

根據(jù)觀察值，由修正的Gompertz方程回歸得到大腸桿菌不同溫度下的生長動力學模型。大腸桿菌和85℃下的失活模型采用Linear方程表征。由圖1可以看出，修正的Gompertz方程能較好的預(yù)測本實驗中大腸桿菌生長的S型曲線，在5、10、15、20、25和85℃這六種溫度下所得到的回歸相關(guān)系數(shù)值均較高，方程擬合的均很好，R分別為0.991、0.987、0.989、0.989和0.990。

從表1中可以看出，在5～25℃溫度范圍內(nèi)，生長曲線都能利用Gompertz模型進行擬合，且相關(guān)指數(shù)都在0.98以上。說明Gompertz模型能夠充分地預(yù)測大腸桿菌在魚糜制品中的生長規(guī)律。

表1給出了在Gompertz模型基礎(chǔ)上，用非線性回歸計算出大腸桿菌的延滯時間λ、最大比生長速率μmax。本文中不同溫度條件下的比生長速率和延滯時間是反映大腸桿菌生長情況的主要因素。在5～25℃適溫范圍內(nèi)，溫度對λ和μmax的影響，采用平方根模型進行描述，由此可以看出，隨著培養(yǎng)溫度的升高，大腸桿菌的生長速率μmax逐漸升高，而延滯時間隨溫度的升高而減小。從本實驗的失活曲線來看，大腸桿菌在85℃、25s時就幾乎達到了全部死亡。

2.2 魚糜中大腸桿菌的二級預(yù)測模型

因此可以通過“平方根”模型式(6)和式(7)對各個溫度情況下的μmax和λ進行預(yù)測，再將μmax和λ代入式(1)中可求得大腸桿菌在各個溫度情況下的生長預(yù)測曲線從而了解不同溫度下細菌的生長情況。

2.3 模型的驗證

本實驗在13℃和18℃條件下貯藏的魚糜制品中的大腸桿菌總數(shù)與應(yīng)用的Gompertz預(yù)測模型計算得到的大腸桿菌的數(shù)量即實測值和預(yù)測值如圖4所示，應(yīng)用這些數(shù)據(jù)來計算偏差度和準確度，以比較、評價和驗證模型的可靠性。

表1 各溫度下魚糜制品中大腸桿菌生長模型擬合參數(shù)及采用的生長模型Table 1 Kinetic growth parameters of Escherichia coli in surimi at different temperatures

圖1 不同貯藏溫度下大腸桿菌在魚糜制品中的生長擬合曲線Fig.1 Fitted growth curves of Escherichia coli in surimi at different temperatures

圖2 溫度與比生長速率的關(guān)系Fig.2 Relationship temperature and μmax

圖3 溫度與延滯時間的關(guān)系Fig.3 Relation temperature and λ

圖4 13、18℃貯藏溫度下大腸桿菌在魚糜制品中生長的預(yù)測值與實測值Fig.4 Predicted and observed growth curves of Escherichia coli in surimi at 13℃ and 18℃

圖4通過將驗證溫度13和18℃的預(yù)測生長曲線和實測生長曲線進行比較，表明預(yù)測生長曲線和實測生長曲線幾乎重合，因此本實驗所建立的魚糜制品中大腸桿菌生長預(yù)測模型具有較好的適用性，建立的魚糜制品中大腸桿菌生長預(yù)測模型能較好的預(yù)測在5～25℃溫度范圍內(nèi)的大腸桿菌在魚糜制品中的生長動態(tài)。

引入偏差性因子和準確性因子對預(yù)測值和觀測值分析因子，式(4)和式(5)模型的可接受條件為偏差因子在0.75和1.25之間［10］，準確性因子衡量預(yù)測值與實測值的平均誤差，越接近1則表明兩者吻合，準確度高。該因子在1.1～1.9之間均可接受，通過計算得到模型的偏差性因子和準確性因子均符合模型可接受條件的要求，因此建立Gompertz的模型可較好地反映生魚糜制品中大腸桿菌在不同溫度下生長速率的快慢情況。

3 結(jié)論

魚糜制品中大腸桿菌的生長容易受到溫度的影響，本文應(yīng)用Gompertz函數(shù)建立了不同溫度條件下大腸桿菌在魚糜制品中的生長曲線和模型，結(jié)果表明，Gompertz模型能很好的擬合大腸桿菌生長動態(tài)，相關(guān)系數(shù)均大于0.98，說明所建的預(yù)測模型具有較好的適用性。結(jié)合Belehradek函數(shù)，建立了生長速率隨溫度變化的動力學模型，描述了溫度與生長動力學參數(shù)之間的關(guān)系，生長速率隨著溫度的升高逐漸增加，而延滯時間隨溫度的升高而減小，相關(guān)系數(shù)R值基本大于0.92。用貯藏在13℃和18℃下大腸桿菌的生長實驗值同預(yù)測值相比較，驗證所建立的模型，偏差度分別為0.938、0.956，準確度為1.034、1.083，表明在5～25℃下，所建立的預(yù)測模型可有效地預(yù)測魚糜制品中大腸桿菌的生長動態(tài)。從本實驗的失活曲線來看，大腸桿菌在85℃、25s時就幾乎達到了全部死亡。

表2 13、18℃貯藏溫度下大腸桿菌在魚糜制品中生長預(yù)測值的偏差性、準確性分析和準確度(A)Table 2 Bias and accuracy factors of predicted growth values of Escherichia coli in surimi at 13℃ and 18℃

因此，在魚糜制品的加工中，巴氏滅菌要盡可能的考慮到溫度和時間的問題，只有這樣才能既保持原有風味和營養(yǎng)，又殺死全部的大腸桿菌。在魚糜制品加工出口企業(yè)實際生產(chǎn)過程中，溫度是最容易進行實時監(jiān)督和給予及時調(diào)控的重要參數(shù)，通過建立大腸桿菌在魚糜制品的一級預(yù)測模型和溫度－生長速率二級預(yù)測模型進行安全評價，符合生產(chǎn)實際，且操作簡單，預(yù)測及時，節(jié)約大量時間和費用，為建立安全預(yù)警機制和風險評估體系提供理論依據(jù)［11］。

［1］杜萍，王心祥，付竹霓.食源性疾病及食源性疾病微生物的監(jiān)測是全球性工作［J］.醫(yī)學動物防制，2008，24(3): 221－222.

［2］楊小鵑，吳清平，張菊梅，等.畜禽肉沙門氏菌和大腸桿菌O157多重PCR檢測研究［J］.微生物學通報，2008，35(3): 470－474.

［3］RobertsTA.Microbial growth and survival:developments in predietive modelling ［J］ .International Biodeterioration Biodegradation，1995(3):297－309.

［4］Gill C O，Undesr C.Proximate sourees of bacteria on boneless loins prepared from routinely processed and detained carcasses at a pork packing plant［J］.InternationalJournalofFood Microbioloy，2004，97:171－178.

［5］姜英杰，鄒曉葵，彭增起.大腸桿菌在豬背最長肌上生長預(yù)測模型的建立［J］.食品科學，2008，29(12):115－119.

［6］GB 4789.1－2010食品微生物學檢驗［S］.

［7］楊紅菊，南慶賢.冷卻豬肉主要腐敗微生物生長模型的建立［J］.前沿科技，2004，22(3):7－10.

［8］李博，李里特，辰巳英三，等.豆腐(豆?jié){)中屎腸球菌生長的溫度預(yù)測模型［J］.中國農(nóng)業(yè)大學學報，2003，8(2):49－54.

［9］Ratkowsky DA，olleyJ，MeMeekin TA，et al.Relationship between temperature and growth rate of bacterial cultures［J］. Jounral of Bacterioloy，1982，149:1－5.

［10］Baranyi J，pin C，Ross T.Validating and comparing predictivemodels［J］.International Journal of Food Microbiology，1999，48:159－166.

［11］Ross T.Indices for performance evaluation of predictive models in food microbiology［J］.JournalofApplication Bacteriology，1996，81:501－508.

［12］王璐華，寧喜斌.副溶血性弧菌生長預(yù)測模型的建立與應(yīng)用探討［J］.華北農(nóng)學報，2008，23(增刊):63－67.

Construction of growth kinetics model of Escherichia coli in Surimi product

WANG Li－wei1，LEI Xiao－ling1，*，PENG Jin－lin1，HUANG He1，LI Jian－rong2，XIAO Sheng－lan1
(1.College of Food Sciences，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China; 2.College of Food Science and Biotechnology Engineering，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310035，China)

Establishing the growth model of Escherichia coli in the Surimi product，the Surimi product was inoculated with Escherichia coli，and then was tray－packaged at 5，10，15，20，25 and 85℃ for storage.Moreover，Curve Expert 1.3 software was applied to fit the growth curves of Escherichia coli at different temperatures.The results showed that growth of Escherichia coli in Surimi product could be well described by Gompertz model under 5，10，15，20 and 25℃.Under 85℃，the Model Linear led to better consequences.The correlation regression of Belehradek model finely described the influence of temperature on growth.The validation of the Gompertz model was carried out by comparing actual with predicted growth curves of Escherichia coli in Surimi product at temperatures 13 and 18℃，respectively.Bias and accuracy factors were used as comparative indices which were 0.938，0.956 and 1.034，1.083 respectively.It was suggested the built model was effective.

Surimi product;Escherichia coli;predictive model

TS254.9

A

1002－0306(2012)10－0113－04

食源性疾病是當今世界上最廣泛的公共衛(wèi)生問題之一。隨著貿(mào)易規(guī)模的擴大，食品可作為載體傳播各類食源性病原，增加某些食源性疾病爆發(fā)的危險性。魚糜制品因營養(yǎng)豐富，口感和風味都與天然海鮮頗為相似，加之價格適宜，食用方便，受到國內(nèi)外市場和廣大消費者的歡迎。但我國對魚糜制品中微生物風險評估研究較少，市場監(jiān)控能力低，常因微生物超標問題影響銷售和出口，其中主要問題之一是病原性微生物檢出率較高［1］。大腸桿菌(Escherichia coli)是目前世界公認引起食源性疾病的重要致病菌，主要通過進食和飲水傳播，肉及肉制品的污染率最高［2］。因此，大腸桿菌及其腸毒素的污染已引起我國衛(wèi)生防疫和進出口檢驗等部門的廣泛重視［3］。本研究運用預(yù)測食品微生物模型，根據(jù)各種食品微生物在不同加工、儲藏和流通條件下的特征數(shù)據(jù)，通過計算機處理，判斷食品內(nèi)主要致病菌和腐敗菌生長或殘存的動態(tài)變化，從而對食品的質(zhì)量和安全性做出快速評估和預(yù)測［4］。本實驗擬用魚糜制品為培養(yǎng)介質(zhì)，采用較節(jié)省時間的顯色培養(yǎng)基法進行定量檢測［5］，建立魚糜中大腸桿菌的生長動力學模型，并構(gòu)建溫度對其生長參數(shù)影響的平方根模型，對模型進行驗證，為進一步確定體系中的關(guān)鍵控制點和關(guān)鍵限制，達到降低大腸桿菌在魚糜制品中的風險及提高食用安全性的目的。

2011－09－09 *通訊聯(lián)系人

王力衛(wèi)(1985－)，男，碩士，研究方向:食品質(zhì)量與安全控制。

國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計劃(2007AA091806)。