金黄色葡萄球菌在生鲜猪肉中生长动力学模型构建

陈威风 刘 博 岳晓禹

（河南牧业经济学院食品工程学院，河南郑州 450046）

0 引言

生鲜猪肉富含蛋白质、脂肪及微量元素，是消费者比较喜欢的动物性食品之一，已成为我国乃至世界生肉销售的主要发展方向[1]。据有关数据，近10年来，全球猪肉产量保持稳定增产，同时肉品的品质及安全卫生也日益受到重视[2-3]。肉及肉制品引起的食物中毒事件在国内外时有发生，其中金黄色葡萄球菌是引起食源性中毒的重要致病菌之一[4]。中毒原因大多与其分泌产生的肠毒素有关。

金黄色葡萄球菌肠毒素属于胃肠外毒素，分子量为26～30 kDa，其结构相关、序列同源性较高、毒力相似，污染食物进入食物链后引起的症状主要为食物中毒、败血症、中毒性休克综合症和牛乳腺炎等[5-8]。由于金黄色葡萄球菌会受到食品内部以及外部环境的影响，因此在不同的食品中，其生长及产毒规律也千差万别[9-11]。目前国内已有一些关于金黄色葡萄球菌在乳制品、冷冻鱼糜、发酵牛肉等食品中的生长规律的研究报道[12-13]。

近年来，利用预测微生物学模拟食品在不同条件下的生长繁殖状态的研究越来越热。它是一种基于数学和统计学的原理建立起来的方法，其优点在于可以不通过实验室检测便可轻松预测食品在加工、贮藏和流通条件下微生物数量的动态变化规律，并对食品的安全性做出快速判断[14]。研究对象主要针对食品中损害其质量或安全性的微生物，即腐败菌和病原菌[15]。相关的研究国内报道也较多，朱彦祺等人以冷藏大黄鱼中容易感染的希瓦氏菌为研究对象，采用Belehradek方程建立二级模型，并详细探讨了温度对腐败希瓦氏菌生长动力学的影响[16]。丁婷等人为了探究动力学模型对冷藏三文鱼片微生物生长的适用性，分别采用不同的生长动力学模型对其微生物生长动态进行非线性拟合，建立其剩余货架期模型[17]。赵楠建立了不同温度下酱卤肉中沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌的生长一级模型和二级模型[18]。郑婷等通过建立牛肉中沙门氏菌动力学模型，为冷却牛肉生产过程中该菌的控制提供有效的手段[19]。然而对容易受金黄色葡萄球菌污染的生鲜猪肉而言，这方面的研究还较少。本研究通过建立动力学模型，人们可快速地了解生鲜猪肉在不同贮藏条件下金黄色葡萄球菌的生长特性的响应情况，为生鲜猪肉贮藏过程中的安全控制打下基础，并以此为依据优化生鲜猪肉的贮藏方法和手段等。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生鲜猪肉购于大型超市冷鲜肉专卖点。

1.2 菌种

金黄色葡萄球菌（CGMCC：21600）购于中国普通微生物保藏中心。

1.3 仪器与设备

BGD-2165DN冰柜 青岛海尔股份有限公司；SPX-250L生化培养箱 上海福玛实验设备有限公司；QYC-2102恒温培养摇床 上海新苗医疗器械制造有限公司。

1.4 实验方法

1.4.1 菌种活化

取一支金黄色葡萄球菌冻干粉（编号为21600），加入少量的LB液体培养基融化。然后将其转接到试管中，加入5 ml的液体培养基，置于37℃摇床中培养12～24h。

1.4.2 样品的预处理

经无菌操作将生鲜猪肉切成约25g±0.1g的块状，置于事先准备好的无菌均质袋中，备用。

1.4.3 接种

制备金黄色葡萄球菌菌悬液，使接种的猪肉初始含菌数约为103CFU/ml。接种后将样品放到拍打式均质机中以10次/s的频率均质3 min，确保金黄色葡萄球菌与生鲜猪肉充分混匀。然后分别放置于4℃、10℃、25℃、30℃、37℃的环境下进行培养，每隔2 h检测一次菌落总数。

1.4.4 数据处理

（1）金黄色葡萄球菌一级生长模型的建立

微生物的数量变化与时间的关系主要通过一级生长模型来进行描述。一级微生物生长模型一般是通过S型曲线来描述。本实验利用SPSS软件中的修正后的Gompertz方程来拟合生长数据。其中方程如式（1）所示。

公式中：t为时间（h），Kt表示为时间t时的菌落总数（cfu/g），Nmax表示为最大菌落总数（cfu/g），K0表示为初始菌落总数（cfu/g），μmax为最大生长率（h-1），Lag为延滞期（h）。

（2）金黄色葡萄球菌二级生长模型的建立

利用平方根（Belehradck）方程描述温度对金黄色葡萄球菌生长影响的动力学模型。如式（2）和（3）所示。

式中：k为方程常数；T为培养温度（℃）；Tmin为生长的最低温度。

2 结果分析

2.1 生鲜猪肉中金黄色葡萄球菌在不同温度条件下的生长动力学模型

吸取一定量的金黄色葡萄球菌菌液接种至事先切割好的生鲜猪肉中，分别置于不同的温度中，依据金黄色葡萄球菌在生鲜猪肉中生长的实测值，采用修正的Gompertz方程回归拟合，得到金黄色葡萄球菌生长的一级动力学模型。求得金黄色葡萄球菌的生长动力学参数（表1），其中4、10、25、30、37℃延滞时间分别为15.820、8.533、4.021、3.109、2.284 h，金黄色葡萄球菌的延滞时间（Lag）随着温度的升高而减短，说明温度对金黄色葡萄球菌生长速度影响较大，同时也证明该菌即使是在较低的温度下同样也能够生长繁殖。最大比生长速率分别为0.413、0.466、0.627、0.705、0.833 h-1，最大比生长速率（μmax）值随着温度的升高而变大。所建立的模型R2值均大于0.9，表明在4～37℃范围下，金黄色葡萄球菌的一级生长模型拟合度较好，所建一级生长模型能够准确地预测生鲜猪肉中金黄色葡萄球菌的生长状态。

表1 生鲜猪肉中不同温度下微生物的生长动力学模型

2.2 金黄色葡萄球菌的生长动力学模型建立与评价

尽管以上建立的金黄色葡萄球菌一级动力学模型能很好地预测金黄色葡萄球菌在4、10、5、25、30 、37℃温度范围内的生长变化规律，但温度的变化对金黄色葡萄球菌生长的影响却无法描述，为了更好的评估温度的变化对金黄色葡萄球菌生长变化的影响，需要进一步建立金黄色葡萄球菌的生长动力学二级模型。应用平方根模型（Belehradck方程）描述的温度（T）与μmax之间的关系如图1所示，温度与μmax间的Belehradck方程为：μmax0.5=0.008×T+0.6038，其中R2=0.992，表明温度μmax间呈现良好的线性关系。图2是应用平方根模型描述的温度与延滞时间（Lag）之间的关系图。其中温度与Lag间的Belehradck方程为：1/Lag0.5=0.012×T+0.2091，其中R2=0.996，表明温度与Lag间呈现良好的线性关系。

图1 温度与最大比生长速率（μmax）之间的关系

图2 温度与延滞时间（Lag）之间的关系

2.3 二级模型的验证

通过以上实验成功构建了金黄色葡萄球菌生长的一级和二级模型，所建模型是否可靠还需要进一步验证，由以上模型可以预测不同温度条件下的Lag和μmax，通过实验可以测定不同温度下的实测值，对比可以判断二者之间的差异，计算得到二者的残差值（表2），该值的绝对值均小于0.02，充分证明利用Belehradck方程可以很好的描述金黄色葡萄球菌生长变化与温度之间的关系。

表2 不同温度下Lag-0.5、μmax0.5的实测值、预测值及残差值

3 结论

生鲜猪肉在屠宰、储藏、运输、加工以及销售的过程中极易被空气中的金黄色葡萄球菌污染进而进入食物链导致食物中毒现象的发生，其中温度调控是控制其大量生长繁殖的重要方式。利用预测微生物学建立数学模型可以有效地控制其污染，提高猪肉的安全性。关于金黄色葡萄球菌的生长动力学模型很多文献已有报道，但是有关于其在生鲜猪肉中的生长动力学模型报道很少，本实验成功构建了不同贮藏温度条件下生鲜猪肉中金黄色葡萄球菌生长的动力学一级和二级模型。结果显示，4～37℃范围内温度与μmax和Lag呈现良好的线性关系，最后通过预测值与实验值的符合程度对所建的模型进行了验证，残差值的绝对值均小于0.02，充分证明利用Belehradck方程可以很好的描述金黄色葡萄球菌生长变化与温度之间的关系，因此可以通过控制温度变化达到降低金黄色葡萄球菌的污染，保障生鲜猪肉品质安全的目的。