超高压对泡萝卜的杀菌效果及其动力学研究

申光辉，陈安均，陈姝娟，张志清（四川农业大学食品学院，四川 雅安 625014）



超高压对泡萝卜的杀菌效果及其动力学研究

申光辉，陈安均*，陈姝娟，张志清
（四川农业大学食品学院，四川 雅安 625014）

摘 要：研究300～600 MPa超高压条件下处理四川泡萝卜5～25 min，对其细菌总数的影响、对霉菌、酵母菌及大肠菌群的杀灭效果的影响。并采用3 种模型对不同压力条件下杀菌动力学过程进行分析比较。结果表明：随处理压力和时间的增加，超高压对泡萝卜的杀菌效果增强；霉菌和酵母菌对压力较为敏感，500 MPa处理5 min可被全部杀死；Weibull模型能很好地拟合泡萝卜超高压杀菌的动力学过程（决定系数R2＞0.99），且相较Log-logistic模型更简洁、灵活实用。尺度参数b随处理压力的增加而增大，形状参数n则随压力的增加而减小。

关键词：超高压；泡菜；杀菌动力学；Weibull模型；Log-logistic模型

引文格式：

申光辉,陈安均,陈姝娟,等.超高压对泡萝卜的杀菌效果及其动力学研究[J].食品科学,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)

四川泡菜是以新鲜蔬菜为原料经乳酸菌天然发酵而成的传统食品，以其鲜香脆爽、酸甜可口、风味独特、营养丰富，深受广大消费者喜爱[1]。目前四川泡菜工业化生产普遍采用巴氏热力杀菌工艺，但该工艺对产品色泽、质构、风味及营养物质破坏严重[1-2]。超高压技术作为一种新型的食品非热力加工技术，不仅具有良好的杀菌效果，而且在保持食品色泽、风味和营养等品质特性方面较热力杀菌优势明显[3]。国内外研究[4-9]也表明，超高压技术对泡菜等发酵蔬菜产品有较好的杀菌效果，且有利于风味和营养物质的保存。超高压杀菌动力学模型可用于比较并预测不同超高压工艺条件下的杀菌效果[10]，对建立食品超高压加工技术标准具有重要的理论指导意义[11]。超高压杀菌动力学较传统热力杀菌复杂，杀菌效果不仅与压力、时间、温度等参数有关，而且受到微生物种类特性和pH值、水分活度等食品性质的影响[12-13]，并不是所有的超高压杀菌过程均符合一级动力学模型，微生物致死曲线也往往偏离线性[14-16]。关于四川泡菜超高压杀菌的动力学尚不清楚，因此本实验探究了超高压对四川泡萝卜的杀菌效果，采用线性模型、Weibull模型和Log-logistic模型拟合超高压杀菌动力学曲线，并对模型拟合度进行定量和定性评价，为泡菜工业化生产中应用超高压杀菌技术提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

泡菜老盐水采自民间发酵2 a以上优质泡菜“老盐水”，保存于四川省农产品贮藏与加工重点实验室备用；红皮萝卜、生姜、大蒜、辣椒、食盐等原辅料购自雅安市苍坪路农贸市场。

尼龙/聚乙烯（polyamide/polyethylene，PA/PE）双层复合真空包装袋（11 cm×17 cm，180 μm） 上海易诺包装材料有限公司。

平板计数培养基（PCA）、孟加拉红琼脂培养基、月桂基硫酸盐胰蛋白胨肉汤培养基、煌绿乳糖胆盐肉汤培养基 杭州微生物试剂有限公司。

1.2仪器与设备

RL-003型超高压设备 温州贝诺机械有限公司；DZ-600/2SN型真空包装机 上海青葩食品包装机械有限公司；JA1203分析天平 上海越平科学有限公司；SW-CJ-2FD超净工作台 苏州安泰空气技术有限公司；YXQ-LS-50SII立式压力蒸汽灭菌锅 上海博讯实业有限公司；SHP-160型智能生化培养箱 上海三发科学仪器有限公司。

1.3方法

1.3.1样品制备

以红皮萝卜为原材料，参照曾骏等[17]传统四川泡菜“老盐水”泡菜制作工艺发酵泡萝卜，取发酵3 d的泡萝卜100.0 g装入PA/PE复合真空包装袋，真空热封口（真空度为－0.1 MPa），立即超高压处理。

1.3.2超高压处理

将样品置于超高压容器腔内，以水为传压介质，水温为25 ℃，升压速率为100 MPa/min，卸压时间1～2 s。设定处理压力分别为300、400、500、600 MPa，保压时间为5、10、15、20、25 min，于室温25 ℃条件下处理样品。每处理重复3 袋。

1.3.3微生物计数

样品处理结束立即进行微生物计数。样品细菌菌落总数依据GB 4789.2—2010《食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定》计数；霉菌和酵母菌数量根据GB 4789.15—2010《食品安全国家标准 食品微生物学检验 霉菌和酵母计数》测定，大肠菌群计数参照GB 4789.3—2010《食品安全国家标准 食品微生物学检验 大肠菌群计数》中的大肠菌群最大可能数（most probable number，MPN）计数法计数。每处理取3 袋样品测定，各稀释梯度重复3 次。

1.4动力学分析

为分析超高压处理对泡萝卜的杀菌效果，选用线性模型[14-15]、Weibull模型[15,18]和Log-logistic模型[18-19]3 种超高压杀菌动力学分析常见模型进行拟合比较分析，模型公式及参数如下：

式中：N0和N分别为超高压处理前、后样品中的细菌菌落总数（或霉菌和酵母菌总数）/（CFU/g）；lg（N/N0）为超高压处理后样品微生物残存率对数值[20]，可用来表示超高压处理的杀菌效果；t为超高压处理时间/min；Dp为指数递减时间，某压力下每杀死90%的活菌数所需时间/min。

式中：b和n分别为尺度参数和形状参数。当n＜1时，Weibull分布为一凹面向上的曲线；n＞1 时曲线凹面向下；n＝1时为一条直线[18]。

式中：A为上下渐近线之差（lg（CFU/g））；σ为微生物最大失活速率（lg（CFU/g）/lgmin）；τ表示最大失活速率对应时间的对数值/（lgmin）；lgt0＝6。

1.5模型拟合度比较

以精确因子（accuracy factor，Af）、偏差因子（bias factor，Bf）、均方根误差（root mean square error，RMSE）和决定系数R24 个参数来定量评价不同模型的拟合度[21-22]。Af表示预测值与实测值间的偏离程度；Bf表示实测值大于（Bf＞1）或小于（Bf＜1）或等于（Bf＝1）预测值。因此Bf越接近1，Af越小，模型拟合度越高。R2和RMSE表示模型的可靠度，R2越大，RMSE越小，模型的拟合度越高。按下式计算Af、Bf、RMSE。

式中：y实测为实测值；y预测为预测值；n为实测值个数。

1.6 数据统计

实验数据采用SPSS 19.0进行方差分析（analysis of variance，ANOVA）及动力学模型拟合处理，并使用Origin Pro 9.0软件作图。

2　结果与分析

2.1超高压处理对泡萝卜细菌菌落总数的影响

图1　超高压处理对泡萝卜细菌菌落总数的影响Fig.1 Effect of high hydrostatic pressure processing on inactivation of total aerobic bacteria in pickled radish

由图1可知，超高压处理的压力和时间对样品细菌菌落总数影响很大，不同压力条件下菌落总数变化趋势较为相似。在300～600 MPa压力范围内，菌落总数随压力的增加而显著降低（P＜0.05）。当处理压力从300 MPa上升到500 MPa，保压15 min，细菌残存率对数值降低了0.75（lg（CFU/g））。当继续提高处理压力时，细菌残存率对数值的降低趋势渐缓，与超高压对果汁杀菌效果的结果类似[15-16]。这与实验样品中不同细菌的耐压特性有关，压力敏感菌压力阈值较低，较低压力即可杀死大部分菌；而耐压菌压力阈值高，如部分革兰氏阳性菌的芽孢耐压能力最强，压力未超过其阈值的条件下，延长时间也难显著降低细菌数量（P＞0.05）。

2.2超高压处理对泡萝卜中霉菌、酵母菌及大肠菌群菌落数量的影响

图2　超高压处理对泡萝卜霉菌和酵母菌数量的影响Fig.2 Effect of high hydrostatic pressure processing on the inactivation of mold and yeast in pickled radish

由图2可知，压力和处理时间对霉菌和酵母菌菌落数量有显著影响。霉菌和酵母菌的残存率对数值均随着时间增加而显著降低（P＜0.05），且残存率对数值的降低速率随压力提高而加快。与图1比较可知，霉菌和酵母菌压力阈值相对较低，在400 MPa压力下处理5 min，霉菌和酵母菌菌落总数由初始的105CFU/g降低至928 CFU/g，处理10 min的样品未检出霉菌和酵母菌，而500 MPa及以上压力处理5 min就足以杀死全部霉菌和酵母菌。

大肠菌群在未处理样品中未检出，这与实验材料属实验室自制泡菜产品有关。赵冬等[8]研究表明，300～400 MPa超高压处理可有效降低取自企业生产线的泡豇豆中大肠菌群数量。由于大肠菌群多属革兰氏阴性细菌，其压力阈值较低，与本研究中霉菌和酵母菌压力阈值接近，经400 MPa压力处理很容易将其全部杀死。易建勇等[23]考察双胞蘑菇的超高压杀菌研究结果也表明，大肠菌群对压力非常敏感，300 MPa处理可完全将其杀灭。因此，在泡菜超高压杀菌参数条件优化研究中，需重点考察对压力阈值较高的耐压细菌的杀菌效果。

2.3超高压处理对泡萝卜杀菌效果动力学分析

2.3.1动力学曲线拟合

图3　Weibull模型（A）和Log-logistic模型（B）对泡萝卜超高压杀菌的动力学拟合曲线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)

运用线性模型、Weibull模型和Log-logistic模型拟合不同压力处理后泡萝卜菌落总数，线性模型无法拟合超高压杀菌动力学曲线，而由图3可知，Weibull模型和Log-logistic模型可较好地拟合动力学曲线。传统热力杀菌一般遵循一级反应动力学，采用D值或Z值可有效确定杀菌工艺条件[22]。尽管部分研究试图采用类似于热力灭菌中的D值和Z值来预测超高压杀菌动力学过程和杀菌效果[13,24-25]，而研究发现，超高压杀菌动力学曲线更加符合非线性模型[14-16,22-23]。决定系数一般用来对模型拟合程度做一个总体评价[21]。由表1可知，采用线性模型拟合获得不同压力下的直线，其修正决定系数均小于0.50，无法用于描述超高压杀菌动力学过程。利用Weibull和Log-logistic模型拟合的动力学曲线，其均大于0.99，表明超高压对泡萝卜杀菌过程符合Weibull模型和Log-logistic模型。

表1　3 种动力学模型拟合曲线参数及统计参数Table 1 Kinetic parameters of three fitting models for inactivation of total aerobic bacteria in high hydrostatic pressure processed pickled radish

2.3.2模型拟合度评价

表2　Weibull模型与Log-logistic模型评价参数Table 2 Evaluation indices of Weibull model and Log-logistic model

为进一步比较Weibull模型和Log-logistic模型对泡萝卜杀菌过程的拟合度，采用模型评价参数Af、Bf、RMSE 和R2作进一步比较分析。由表2可知，Weibull模型与Log-logistic模型参数Af、Bf、RMSE和R2整体上较为接近。Log-logistic模型的Af和RMSE相对于Weibull模型略小，说明Log-logistic模型预测的平均精确度较高，离散程度较低；同时Log-logistic模型的Bf和R2较Weibull模型更接近于1。因此，Log-logistic模型较Weibull模型可更好拟合泡萝卜超高压杀菌动力学过程。

图4　超高压对泡萝卜菌落总数杀灭效果的Weibull模型与Log-logistic模型预测值和实测值的相关性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

为了比较Weibull模型和Log-logistic模型回归方程所得预测值和实测值的接近程度，以同一样品微生物残存率对数的实测值为横坐标，模型预测值为纵坐标作图，并进行线性回归拟合得到回归方程及其决定系数R2结果如图4所示，Log-logistic模型拟合方程：y＝0.996 2x－0.013 0（R2＝0.996 2），Weibull模型拟合方程：y＝0.981 7x－0.064 4（R2＝0.984 8）。实测值和预测值间一致性越好，其关系曲线的斜率和决定系数R2越接近1，方程截距越趋向于0。Log-logistic模型曲线的斜率为0.996 2，决定系数R2为0.996 2，均较Weibull模型更趋近于1，截距为0.013 0，也较Weibull模型更趋近于0。因此，Log-logistic模型在模拟泡萝卜超高压杀菌动力学过程略优于Weibull模型。

2.3.3Weibull模型参数与处理压力的关系分析

通过比较得出Log-logistic模型虽然略优于Weibull模型，但模型参数相对较多，推导中需要给参数lgt0赋初始值，而且仍没有合适的二级模型用来描述模型参数与压力间的关系。而Weibull模型更加简洁、灵活实用，其参数b与压力的关系可以通过Logistic指数模型或Bigelow模型表示[26-27]，参数n与压力的关系可用指数衰减模型表示[28]。此外，线性模型也可用于描述参数b和n与压力之间的关系[18-19]。Weibull模型的尺度参数b可反映杀菌的效果[16]。分析发现，尺度参数b与压力之间成良好的线性正相关关系（R2＝0.954 0），即b随着压力升高而变大（图5A）。形状参数n反映曲线的形状，不同压力下的n均小于1（表1），表明在同一压力下，杀菌效果随着压力处理时间的延长而变弱。形状参数n与压力成良好的线性负相关（R2＝0.854 9）（图5B）；n值随压力的提高逐渐变小；曲线拖尾越明显（图3B），表明在较高压力下，延长杀菌时间并不一定能够提高杀菌效果。这与其他文献报道[15-16]结果一致。

图5　Weibull模型参数b（AA）和n（B）与压力的关系Fig.5 Correlation between Weibull model parameters b(A)or n(B)and pressure

3　结 论

在300～600 MPa超高压条件下，处理5～25 min可显著降低泡萝卜中微生物数量（P＜0.05）。处理压力越高，时间越长，杀菌效果越好。600 MPa条件下处理25 min可使泡萝卜细菌残存率降低4.36个对数值。泡萝卜中霉菌和酵母菌对压力更为敏感，500 MPa压力下处理5 min则无菌落检出。

Weibull模型和Log-logistic模型均能很好拟合泡萝卜超高压杀菌的动力学过程（决定系数R2＞0.99）。Weibull模型更加简洁、灵活实用，更能适用于泡萝卜超高压杀菌条件的预测和优化，模型参数均与压力间成良好的线性相关关系，尺度参数b随着压力的提高而变大，形状参数n随着压力的提高而变小。

参考文献：

[1]饶箐,尼海峰,涂雪令.四川泡菜的产品特点及产业技术发展浅析[J].食品与发酵科技,2011,47(4):1-9.DOI:10.3969/j.issn.1674-506X.2011.04.001.

[2]曾凡坤,熊国湘,刘心恕,等.四川泡菜工业化加工中主要成分变化研究[J].食品与机械,1997,13(4):15-16.

[3]BERMÐDEZ-AGUIRRE D,BARBOSA-C˘NOVAS G V.An update on high hydrostatic pressure,from the laboratory to industrial applications[J].Food Engineering Reviews,2011,3(1):44-61.DOI:10.1007/s12393-010-9030-4.

[4]LEE J W,CHA D S,HWANG K T,et al.Effects of CO2absorbent and high-pressure treatment on the shelf-life of packaged kimchi products[J].International Journal of Food Science and Technology,2003,38(5):519-524.DOI:10.1046/j.1365-2621.2003.00699.x.

[5]PEÑAS E,FRIAS J,GOMEZ R,et al.High hydrostatic pressure can improve the microbial quality of sauerkraut during storage[J].Food Control,2010,21(4):524-528.DOI:10.1016/j.foodcont.2009.08.001.

[6]LI Lin,FENG Lun,YI Junjie,et al.High hydrostatic pressure inactivation of total aerobic bacteria,lactic acid bacteria,yeasts in sour chinese cabbage[J].International Journal of Food Microbiology,2010,142(1):180-184.DOI:10.1016/j.ijfoodmicro.2010.06.020.

[7]PEÑAS E,LIMŁN R I,VIDAL-VALVERDE C,et al.Effect of storage on the content of indole-glucosinolate breakdown products and vitamin C of sauerkrauts treated by high hydrostatic pressure[J].LWTFood Science and Technology,2013,53(1):285-289.DOI:10.1016/j.lwt.2013.01.015.

[8]赵冬,蒲彪,黎雪梅,等.超高压处理对泡豇豆杀菌效果的影响[J].食品工业科技,2012,33(21):78-80.DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2012.21.073.

[9]赵冬,黎雪梅,陈安均,等.超高压与热处理泡萝卜贮藏过程中品质变化的比较[J].食品科学,2013,34(8):269-273.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201308058.

[10]郝秦锋,许洪高,高彦祥.超高压灭菌及其对食品品质的影响[J].食品科学,2009,30(23):498-503.DOI:10.3321/j.issn:1002-6630.2009.23.112.

[11]CHEN G,CAMPANELLA O H,BARBOSA-CANOVAS G V.Estimating microbial survival parameters under high hydrostatic pressure[J].Food Research International,2012,46(1):314-320.DOI:10.1016/j.foodres.2011.12.025.

[12]HEREU A,DALGAARD P,GARRIGA M,et al.Modeling the high pressure inactivation kinetics of Listeria monocytogenes on RTE cooked meat products[J].Innovative Food Science and Emerging Technologies,2012,16:305-315.DOI:10.1016/j.ifset.2012.07.005.

[13]SANTILLANA FARAKOS S M,ZWIETERING M H.Data analysis of the inactivation of food borne microorganisms under high hydrostatic pressure to establish global kinetic parameters and influencing factors[J].Journal of Food Protection,2011,74(12):2097-2106.DOI:10.4315/0362-028X.JFP-11-162.

[14]CHEN H Q.Use of linear,Weibull,and log-logistic functions to model pressure inactivation of seven foodborne pathogens in milk[J].Food Microbiology,2007,24(3):197-204.DOI:10.1016/j.fm.2006.06.004.

[15]李珊,陈芹芹,李淑燕,等.超高压对鲜榨苹果汁的杀菌效果及动力学分析[J].食品科学,2011,32(7):43-46.

[16]谭熙耀,廖小军,张燕,等.高静压对桃汁的杀菌效果及动力学模型[J].中国食品学报,2012,12(6):109-112.DOI:10.3969/j.issn.1009-7848.2012.06.016.

[17]曾骏,陈安均,蒲彪,等.传统四川泡菜中酵母菌的动态变化规律[J].食品科学,2014,35(7):81-85.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201407017.

[18]SERMENT-MORENO V,BARBOSA-C˘NOVAS G,TORRES J A,et al.High-pressure processing:kinetic models for microbial and enzyme inactivation[J].Food Engineering Reviews,2014,6(3):56-88.DOI:10.1007/s12393-014-9075-x.

[19]CHEN H Q,HOOVER D G.Pressure inactivation kinetics of Yersinia enterocolitica ATCC35669[J].International Journal of Food Microbiology,2003,87(1):161-171.DOI:10.1016/S0168-1605(03)00064-3.

[20]钟葵,吴继红,廖小军,等.高压脉冲电场对植物乳杆菌的杀菌效果及三种模型的比较分析[J].农业工程学报,2007,22(11):238-243.DOI:10.3321/j.issn:1002-6819.2006.11.048.

[21]王军,董庆利,丁甜.预测微生物模型的评价方法[J].食品科学,2011,32(21):268-272.

[22]卢蓉蓉,钱平,何红艳,等.超高压杀灭低酸性食品中耐压菌的动力学模型[J].农业工程学报,2010,26(9):350-356.DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2010.09.057.

[23]易建勇,董鹏,丁国微,等.超高压对双孢蘑菇的杀菌效果和动力学的研究[J].食品工业科技,2012,33(9):78-81.

[24]BASAK S,RAMASWAMY H S,PIETBVTE J P.High pressure destruction kinetics of Leuconostoc mesenteroides and Saccharomyces cerevisiae in single strength and concentrated orange juice[J].Innovative Food Science and Emerging Technologies,2002,3(3):223-231.DOI:10.1016/S1466-8564(02)00008-5.

[25]DOGAN C,ERKMEN O.High pressure inactivation kinetics of Listeria monocytogenes inactivation in broth,milk,and peach and orange juices[J].Journal of Food Engineering,2004,62(1):47-52.DOI:10.1016/S0260-8774(03)00170-5.

[26]SERMENT-MORENO V,FUENTES C,BARBOSA-C˘NOVAS G,et al.Evaluation of high pressure processing kinetic models for microbial inactivation using standard statistical tools and information theory criteria,and the development of generic time-pressure functions for process design[J].Food and Bioprocess Technology,2015,8(6):1244-1257.DOI:10.1007/s11947-015-1488-x.

[27]PILAVTEPE-ÇELIK M,BUZRUL S,ALPAS H,et al.Development of a new mathematical model for inactivation of Escherichia coli O157:H7 and Staphylococcus aureus by high hydrostatic pressure in carrot juice and peptone water[J].Journal of Food Engineering,2009,90(3):388-394.DOI:10.1016/j.jfoodeng.2008.06.043.

[28]DOONA C J,FEEHERRY F E.High pressure processing of foods[M].United States:Blackwell Publishing and IFT Press,2007:265.

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

中图分类号：TS255.54

文献标志码：A

文章编号：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：陈安均（1970—），男，副教授，博士，研究方向为农产品加工及贮藏。E-mail：591919465@qq.com

作者简介：申光辉（1985—），男，讲师，博士，研究方向为食品加工与安全。E-mail：shenghuishen@163.com

基金项目：四川省科技支撑计划项目（2013NZ0055）

收稿日期：2015-04-19