超高壓對泡蘿卜的殺菌效果及其動力學研究

申光輝，陳安均，陳姝娟，張志清（四川農業大學食品學院，四川 雅安 625014）

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超高壓對泡蘿卜的殺菌效果及其動力學研究

申光輝，陳安均*，陳姝娟，張志清
（四川農業大學食品學院，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，對其細菌總數的影響、對霉菌、酵母菌及大腸菌群的殺滅效果的影響。并采用3 種模型對不同壓力條件下殺菌動力學過程進行分析比較。結果表明：隨處理壓力和時間的增加，超高壓對泡蘿卜的殺菌效果增強；霉菌和酵母菌對壓力較為敏感，500 MPa處理5 min可被全部殺死；Weibull模型能很好地擬合泡蘿卜超高壓殺菌的動力學過程（決定系數R2＞0.99），且相較Log-logistic模型更簡潔、靈活實用。尺度參數b隨處理壓力的增加而增大，形狀參數n則隨壓力的增加而減小。

關鍵詞：超高壓；泡菜；殺菌動力學；Weibull模型；Log-logistic模型

引文格式：

申光輝,陳安均,陳姝娟,等.超高壓對泡蘿卜的殺菌效果及其動力學研究[J].食品科學,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乳酸菌天然發酵而成的傳統食品，以其鮮香脆爽、酸甜可口、風味獨特、營養豐富，深受廣大消費者喜愛[1]。目前四川泡菜工業化生產普遍采用巴氏熱力殺菌工藝，但該工藝對產品色澤、質構、風味及營養物質破壞嚴重[1-2]。超高壓技術作為一種新型的食品非熱力加工技術，不僅具有良好的殺菌效果，而且在保持食品色澤、風味和營養等品質特性方面較熱力殺菌優勢明顯[3]。國內外研究[4-9]也表明，超高壓技術對泡菜等發酵蔬菜產品有較好的殺菌效果，且有利于風味和營養物質的保存。超高壓殺菌動力學模型可用于比較并預測不同超高壓工藝條件下的殺菌效果[10]，對建立食品超高壓加工技術標準具有重要的理論指導意義[11]。超高壓殺菌動力學較傳統熱力殺菌復雜，殺菌效果不僅與壓力、時間、溫度等參數有關，而且受到微生物種類特性和pH值、水分活度等食品性質的影響[12-13]，并不是所有的超高壓殺菌過程均符合一級動力學模型，微生物致死曲線也往往偏離線性[14-16]。關于四川泡菜超高壓殺菌的動力學尚不清楚，因此本實驗探究了超高壓對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力學曲線，并對模型擬合度進行定量和定性評價，為泡菜工業化生產中應用超高壓殺菌技術提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

泡菜老鹽水采自民間發酵2 a以上優質泡菜“老鹽水”，保存于四川省農產品貯藏與加工重點實驗室備用；紅皮蘿卜、生姜、大蒜、辣椒、食鹽等原輔料購自雅安市蒼坪路農貿市場。

尼龍/聚乙烯（polyamide/polyethylene，PA/PE）雙層復合真空包裝袋（11 cm×17 cm，180 μm） 上海易諾包裝材料有限公司。

平板計數培養基（PCA）、孟加拉紅瓊脂培養基、月桂基硫酸鹽胰蛋白胨肉湯培養基、煌綠乳糖膽鹽肉湯培養基 杭州微生物試劑有限公司。

1.2儀器與設備

RL-003型超高壓設備 溫州貝諾機械有限公司；DZ-600/2SN型真空包裝機 上海青葩食品包裝機械有限公司；JA1203分析天平 上海越平科學有限公司；SW-CJ-2FD超凈工作臺 蘇州安泰空氣技術有限公司；YXQ-LS-50SII立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海博訊實業有限公司；SHP-160型智能生化培養箱 上海三發科學儀器有限公司。

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]傳統四川泡菜“老鹽水”泡菜制作工藝發酵泡蘿卜，取發酵3 d的泡蘿卜100.0 g裝入PA/PE復合真空包裝袋，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，以水為傳壓介質，水溫為25 ℃，升壓速率為100 MPa/min，卸壓時間1～2 s。設定處理壓力分別為300、400、500、600 MPa，保壓時間為5、10、15、20、25 min，于室溫25 ℃條件下處理樣品。每處理重復3 袋。

1.3.3微生物計數

樣品處理結束立即進行微生物計數。樣品細菌菌落總數依據GB 4789.2—2010《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定》計數；霉菌和酵母菌數量根據GB 4789.15—2010《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 霉菌和酵母計數》測定，大腸菌群計數參照GB 4789.3—2010《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 大腸菌群計數》中的大腸菌群最大可能數（most probable number，MPN）計數法計數。每處理取3 袋樣品測定，各稀釋梯度重復3 次。

1.4動力學分析

為分析超高壓處理對泡蘿卜的殺菌效果，選用線性模型[14-15]、Weibull模型[15,18]和Log-logistic模型[18-19]3 種超高壓殺菌動力學分析常見模型進行擬合比較分析，模型公式及參數如下：

式中：N0和N分別為超高壓處理前、后樣品中的細菌菌落總數（或霉菌和酵母菌總數）/（CFU/g）；lg（N/N0）為超高壓處理后樣品微生物殘存率對數值[20]，可用來表示超高壓處理的殺菌效果；t為超高壓處理時間/min；Dp為指數遞減時間，某壓力下每殺死90%的活菌數所需時間/min。

式中：b和n分別為尺度參數和形狀參數。當n＜1時，Weibull分布為一凹面向上的曲線；n＞1 時曲線凹面向下；n＝1時為一條直線[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應時間的對數值/（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R24 個參數來定量評價不同模型的擬合度[21-22]。Af表示預測值與實測值間的偏離程度；Bf表示實測值大于（Bf＞1）或小于（Bf＜1）或等于（Bf＝1）預測值。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。按下式計算Af、Bf、RMSE。

式中：y實測為實測值；y預測為預測值；n為實測值個數。

1.6 數據統計

實驗數據采用SPSS 19.0進行方差分析（analysis of variance，ANOVA）及動力學模型擬合處理，并使用Origin Pro 9.0軟件作圖。

2　結果與分析

2.1超高壓處理對泡蘿卜細菌菌落總數的影響

圖1　超高壓處理對泡蘿卜細菌菌落總數的影響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間對樣品細菌菌落總數影響很大，不同壓力條件下菌落總數變化趨勢較為相似。在300～600 MPa壓力范圍內，菌落總數隨壓力的增加而顯著降低（P＜0.05）。當處理壓力從300 MPa上升到500 MPa，保壓15 min，細菌殘存率對數值降低了0.75（lg（CFU/g））。當繼續提高處理壓力時，細菌殘存率對數值的降低趨勢漸緩，與超高壓對果汁殺菌效果的結果類似[15-16]。這與實驗樣品中不同細菌的耐壓特性有關，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，如部分革蘭氏陽性菌的芽孢耐壓能力最強，壓力未超過其閾值的條件下，延長時間也難顯著降低細菌數量（P＞0.05）。

2.2超高壓處理對泡蘿卜中霉菌、酵母菌及大腸菌群菌落數量的影響

圖2　超高壓處理對泡蘿卜霉菌和酵母菌數量的影響Fig.2 Effect of high hydrostatic pressure processing on the inactivation of mold and yeast in pickled radish

由圖2可知，壓力和處理時間對霉菌和酵母菌菌落數量有顯著影響。霉菌和酵母菌的殘存率對數值均隨著時間增加而顯著降低（P＜0.05），且殘存率對數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較低，在400 MPa壓力下處理5 min，霉菌和酵母菌菌落總數由初始的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，這與實驗材料屬實驗室自制泡菜產品有關。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生產線的泡豇豆中大腸菌群數量。由于大腸菌群多屬革蘭氏陰性細菌，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果也表明，大腸菌群對壓力非常敏感，300 MPa處理可完全將其殺滅。因此，在泡菜超高壓殺菌參數條件優化研究中，需重點考察對壓力閾值較高的耐壓細菌的殺菌效果。

2.3超高壓處理對泡蘿卜殺菌效果動力學分析

2.3.1動力學曲線擬合

圖3　Weibull模型（A）和Log-logistic模型（B）對泡蘿卜超高壓殺菌的動力學擬合曲線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，線性模型無法擬合超高壓殺菌動力學曲線，而由圖3可知，Weibull模型和Log-logistic模型可較好地擬合動力學曲線。傳統熱力殺菌一般遵循一級反應動力學，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值來預測超高壓殺菌動力學過程和殺菌效果[13,24-25]，而研究發現，超高壓殺菌動力學曲線更加符合非線性模型[14-16,22-23]。決定系數一般用來對模型擬合程度做一個總體評價[21]。由表1可知，采用線性模型擬合獲得不同壓力下的直線，其修正決定系數均小于0.50，無法用于描述超高壓殺菌動力學過程。利用Weibull和Log-logistic模型擬合的動力學曲線，其均大于0.99，表明超高壓對泡蘿卜殺菌過程符合Weibull模型和Log-logistic模型。

表1　3 種動力學模型擬合曲線參數及統計參數Table 1 Kinetic parameters of three fitting models for inactivation of total aerobic bacteria in high hydrostatic pressure processed pickled radish

2.3.2模型擬合度評價

表2　Weibull模型與Log-logistic模型評價參數Table 2 Evaluation indices of Weibull model and Log-logistic model

為進一步比較Weibull模型和Log-logistic模型對泡蘿卜殺菌過程的擬合度，采用模型評價參數Af、Bf、RMSE 和R2作進一步比較分析。由表2可知，Weibull模型與Log-logistic模型參數Af、Bf、RMSE和R2整體上較為接近。Log-logistic模型的Af和RMSE相對于Weibull模型略小，說明Log-logistic模型預測的平均精確度較高，離散程度較低；同時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力學過程。

圖4　超高壓對泡蘿卜菌落總數殺滅效果的Weibull模型與Log-logistic模型預測值和實測值的相關性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測值和實測值的接近程度，以同一樣品微生物殘存率對數的實測值為橫坐標，模型預測值為縱坐標作圖，并進行線性回歸擬合得到回歸方程及其決定系數R2結果如圖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）。實測值和預測值間一致性越好，其關系曲線的斜率和決定系數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力學過程略優于Weibull模型。

2.3.3Weibull模型參數與處理壓力的關系分析

通過比較得出Log-logistic模型雖然略優于Weibull模型，但模型參數相對較多，推導中需要給參數lgt0賦初始值，而且仍沒有合適的二級模型用來描述模型參數與壓力間的關系。而Weibull模型更加簡潔、靈活實用，其參數b與壓力的關系可以通過Logistic指數模型或Bigelow模型表示[26-27]，參數n與壓力的關系可用指數衰減模型表示[28]。此外，線性模型也可用于描述參數b和n與壓力之間的關系[18-19]。Weibull模型的尺度參數b可反映殺菌的效果[16]。分析發現，尺度參數b與壓力之間成良好的線性正相關關系（R2＝0.954 0），即b隨著壓力升高而變大（圖5A）。形狀參數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間的延長而變弱。形狀參數n與壓力成良好的線性負相關（R2＝0.854 9）（圖5B）；n值隨壓力的提高逐漸變?。磺€拖尾越明顯（圖3B），表明在較高壓力下，延長殺菌時間并不一定能夠提高殺菌效果。這與其他文獻報道[15-16]結果一致。

圖5　Weibull模型參數b（AA）和n（B）與壓力的關系Fig.5 Correlation between Weibull model parameters b(A)or n(B)and pressure

3　結 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量（P＜0.05）。處理壓力越高，時間越長，殺菌效果越好。600 MPa條件下處理25 min可使泡蘿卜細菌殘存率降低4.36個對數值。泡蘿卜中霉菌和酵母菌對壓力更為敏感，500 MPa壓力下處理5 min則無菌落檢出。

Weibull模型和Log-logistic模型均能很好擬合泡蘿卜超高壓殺菌的動力學過程（決定系數R2＞0.99）。Weibull模型更加簡潔、靈活實用，更能適用于泡蘿卜超高壓殺菌條件的預測和優化，模型參數均與壓力間成良好的線性相關關系，尺度參數b隨著壓力的提高而變大，形狀參數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：TS255.54

文獻標志碼：A

文章編號：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，研究方向為農產品加工及貯藏。E-mail：591919465@qq.com

作者簡介：申光輝（1985—），男，講師，博士，研究方向為食品加工與安全。E-mail：shenghuishen@163.com

基金項目：四川省科技支撐計劃項目（2013NZ0055）

收稿日期：2015-04-19