4～37℃條件下金黃色葡萄球菌在糯米面團(tuán)中的生長(zhǎng)規(guī)律
金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是常見的食源性致病菌且廣泛存在于環(huán)境中，大多數(shù)感染金黃色葡萄球菌的人在感染后6～48 h會(huì)出現(xiàn)嘔吐、腹瀉、惡心、腹部絞痛等癥狀。糯米面團(tuán)主要由糯米粉制成，是我國(guó)傳統(tǒng)米面食品的主要原料之一，隨著糯米產(chǎn)品品種的不斷多樣化及其工業(yè)化生產(chǎn)的加速發(fā)展，其食用的安全性越來(lái)越引起人們的關(guān)注。微生物生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型可以用來(lái)描述在不同環(huán)節(jié)如食品的加工、運(yùn)輸以及銷售等過程中環(huán)境條件變化對(duì)微生物生長(zhǎng)數(shù)量的影響，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)食品的貨架期、HACCP體系建立以及食品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院的凍梓杰、黃陽(yáng)陽(yáng)、索標(biāo)*等人通過一級(jí)和二級(jí)模型描述4～37℃條件下金黃色葡萄球菌在糯米面團(tuán)中的生長(zhǎng)規(guī)律，并建立其生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型，以期為糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論依據(jù)。
1糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌一級(jí)生長(zhǎng)模型的建立
為研究溫度對(duì)糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)的影響，選用4、11、18、25、32℃和37℃溫度節(jié)點(diǎn)，分別使用Huang模型、Baranyi模型、修正的Gompertz模型方程進(jìn)行非線性擬合，這3種模型也是目前常用的描述致病菌生物生長(zhǎng)的一級(jí)模型。各溫度下金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)擬合曲線如圖1所示，金黃色葡萄球菌初始濃度為3.9～4.3（lg（CFU/g）），隨著貯藏溫度的升高，相同時(shí)間下細(xì)菌濃度逐漸增加。在4℃時(shí)金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)速率緩慢，恒溫培養(yǎng)7 d（168 h）后，其細(xì)菌濃度為4.5（lg（CFU/g）），增加約0.5（lg（CFU/g）），未觀察到明顯的生長(zhǎng)，不能進(jìn)行一級(jí)生長(zhǎng)模型的有效擬合（圖2）。在11～37℃溫度區(qū)間時(shí)糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌均能正常生長(zhǎng)且進(jìn)行模型擬合，因此本研究選取此溫度階段下生長(zhǎng)數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)分析。
如圖1所示，采用上述3種一級(jí)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，金黃色葡萄球菌在各溫度下（11～37℃）的實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值均接近相應(yīng)模型預(yù)測(cè)值，表明3個(gè)模型均能成功描述樣品中細(xì)菌的生長(zhǎng)情況。各培養(yǎng)溫度下糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌呈現(xiàn)出典型的3個(gè)生長(zhǎng)特征階段：延滯期、對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期；且隨著溫度的升高，其延滯期總體逐漸降低，細(xì)菌生長(zhǎng)速率逐漸增加。延滯期的長(zhǎng)短取決于多種因素，環(huán)境溫度對(duì)延滯期有顯著影響，其規(guī)律一般表現(xiàn)為延滯期隨著溫度的升高而逐漸減少。
2一級(jí)模型的比較分析
本實(shí)驗(yàn)采用延滯時(shí)間（λ）和最大比生長(zhǎng)速率（μmax）指標(biāo)判定微生物生長(zhǎng)速率的快慢，用赤池信息準(zhǔn)則（AIC）、準(zhǔn)確因子（Af）、偏差因子（Bf）、均方誤差（MSE）、均方根誤差（RMSE）以及決定系數(shù)（R2）對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中R2、Af和Bf越趨近于1則代表該模型在此溫度下擬合效果越好，AIC、MSE和RMSE越小代表該模型擬合精確度越高。
由表1可知，在11～37℃時(shí)，Huang模型中金黃色葡萄球菌的μmax隨溫度的升高由0.044 h－1增加至0.651 h－1，而相對(duì)應(yīng)的λ由14.454 h降低至1.200 h；在Baranyi模型擬合下μmax隨溫度的升高由0.045 h－1增加至0.708 h－1，λ由16.933 h降低至1.607 h；修正的Gompertz模型中μmax隨溫度的升高由0.046 h－1增加至0.611 h－1，λ由16.463 h降低至1.083 h。表1中上述3種一級(jí)生長(zhǎng)模型（Huang、Baranyi和修正的Gompertz）中AIC、MSE、RMSE和R2較為接近，R2且各模型間參數(shù)無(wú)明顯差異，說(shuō)明3種模型對(duì)糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)曲線均具有較好的擬合精確度。但在低溫環(huán)境下（11℃）和較高環(huán)境下（37℃）修正的Gompertz模型中AIC和RMSE明顯低于其他兩種模型、R2系數(shù)高于其他兩種模型，表明此溫度下（11℃和37℃）糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)曲線更適合用修正的Gompertz模型進(jìn)行擬合。在較溫和的溫度區(qū)間（18、25℃和32℃）內(nèi)修正的Gompertz模型與其他兩種模型間參數(shù)無(wú)明顯差異，均能較好地模擬金黃色葡萄球菌在糯米面團(tuán)的生長(zhǎng)。
修正的Gompertz模型在低溫11℃和適宜37℃條件下表現(xiàn)最佳，此時(shí)一級(jí)模型參數(shù)優(yōu)于Huang和Baranyi模型，在溫和溫度（18～32℃）下表現(xiàn)良好，3種一級(jí)模型差異并不顯著，這可能是因?yàn)樵摲秶ń瘘S色葡萄球菌理想生長(zhǎng)溫度，使其生長(zhǎng)更具可預(yù)測(cè)性。本研究和Lu等在熟制米飯中金黃色葡萄球菌的研究結(jié)果有所差異，Huang、Baranyi和修正的Gompertz模型均能較好地?cái)M合金黃色葡萄球菌在12～35℃條件下的生長(zhǎng)，但Huang模型在此條件下的擬合度最佳，這可能與此研究在以大米為基質(zhì)的前提下加入豬肉松且進(jìn)行了熟制有關(guān)，生長(zhǎng)基質(zhì)的不同可能是導(dǎo)致差異的主要原因。
3糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)二級(jí)模型的比較分析
本研究采用Ratkowsky平方根模型和Huang平方根模型對(duì)貯藏溫度與生長(zhǎng)速率之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，二級(jí)模型曲線如圖3所示。Ratkowsky平方根模型和Huang平方根模型的RMSE分別為0.048和0.051，且Af和Bf均接近1（表2），這表明2種二級(jí)模型適用于描述溫度對(duì)糯米面團(tuán)樣品中金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)速率的影響。如表3所示，由Ratkowsky平方根模型擬合金黃色葡萄球菌最低生長(zhǎng)溫度和最高生長(zhǎng)溫度分別為0.049℃和47.135℃，Huang平方根模型擬合結(jié)果分別為和4.641℃和47.121℃，本實(shí)驗(yàn)中4℃條件下金黃色葡萄球菌仍存在緩慢生長(zhǎng)的現(xiàn)象（圖2），在168 h內(nèi)增長(zhǎng)了約0.5（lg（CFU/g）），說(shuō)明Huang平方根模型并不適合描述低溫下金黃色葡萄球菌的實(shí)際生長(zhǎng)情況；Ratkowsky平方根模型的Af和Bf等模型擬合度參數(shù)均優(yōu)于Huang平方根模型，而且Ratkowsky平方根模型與金黃色葡萄球菌的生物學(xué)最低生長(zhǎng)溫度較為吻合，因此本研究建議將其作為糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌的二級(jí)模型。本實(shí)驗(yàn)為了更好地模擬真實(shí)制作的流程，采用了兩株金黃色葡萄球菌進(jìn)行混合培養(yǎng)并接種，前人研究結(jié)果中最低生長(zhǎng)溫度（4～8℃）均高于本實(shí)驗(yàn)結(jié)論（0.049℃），不同的生長(zhǎng)基質(zhì)和細(xì)菌菌種可能是造成最低生長(zhǎng)溫度有所差異的重要原因。
經(jīng)過第2節(jié)對(duì)3種一級(jí)生長(zhǎng)模型擬合度的對(duì)比，采用修正的Gompertz模型時(shí)，金黃色葡萄球菌λ與培養(yǎng)溫度有如圖4A所示的對(duì)數(shù)非線性關(guān)系；μmax和λ之間對(duì)數(shù)線性關(guān)系如圖4B所示，lnλ與lnμmax呈線性減少關(guān)系。
4模型的外部驗(yàn)證
為了從外部驗(yàn)證修正的Gompertz模型在本研究的擬合準(zhǔn)確度，在本研究中未設(shè)置的其他溫度（20℃）下進(jìn)行了存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行更直觀比較（圖5）。圖中點(diǎn)越接近斜線，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值越接近，即所建立模型的效果越好。經(jīng)外部模型驗(yàn)證證明，金黃色葡萄球菌在修正的Gompertz模型擬合情況下Af、Bf均小于1.15，且R2＞0.99，表示在此模型擬合下能很好地預(yù)測(cè)金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)規(guī)律。
結(jié)論
研究了4～37℃恒溫條件下糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)，并使用不同的一級(jí)和二級(jí)模型描述金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)受貯藏溫度的影響規(guī)律。根據(jù)一級(jí)模型擬合精確度參數(shù)對(duì)比分析，修正的Gompertz模型可更好地模擬細(xì)菌生長(zhǎng)；通過對(duì)二級(jí)模型參數(shù)及實(shí)際生長(zhǎng)情況分析，Ratkowsky平方根模型描述的溫度范圍較廣，且能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)最低生長(zhǎng)溫度（0.049℃），因此更適合作為金黃色葡萄球菌的二級(jí)模型。修正的Gompertz模型和Ratkowsky平方根模型可用于預(yù)測(cè)恒溫貯藏條件下糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)，并評(píng)估在糯米加工、貯藏等過程中溫度濫用的情況下金黃色葡萄球菌的風(fēng)險(xiǎn)。本研究結(jié)果對(duì)預(yù)測(cè)和監(jiān)控金黃色葡萄球菌在糯米面團(tuán)的生長(zhǎng)繁殖，保證以糯米為基質(zhì)的食品安全性等方面具有參考價(jià)值。
本文《糯米面團(tuán)中金黃色葡萄球菌生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建》來(lái)源于《食品科學(xué)》2023年44卷第22期133-138頁(yè)，作者：凍梓杰，黃陽(yáng)陽(yáng)，周偉濤，黃忠民，艾志錄，鄭琦，王曉杰，索標(biāo)。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221219-195。點(diǎn)擊下方閱讀原文即可查看文章相關(guān)信息。
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