Global Stability Index方法在大骨鸡保质期预测中的应用

薛伟锋 沈葆真 田卓 于雪 刘东言

摘 要：目的：建立了基于全面稳定性指数（global stability index，GSI）理论预测庄河大骨鸡保质期的新方法。方法：基于恒温加速实验，测定大骨鸡于4、10、20、30 ℃储藏温度下的感官、汁液流失率、菌落总数和挥发性盐基氮变化规律，建立大骨鸡GSI保质期预测模型。结果：计算得到的GSI值满足零级动力学模型。活化能和指前因子分别为25.52 kJ/mol和11 027。GSI实验值和预测值相对误差绝对值在10%范围内。通过GSI模型预测，获得大骨鸡在4、10、20、30 ℃下的保质期分别为5.9、4.7、3.2、2.3 d。结论：建立的 GSI 预测模型在4～30 ℃储藏温度范围内能够有效预测大骨鸡的新鲜度。

關键词：庄河大骨鸡;保质期;温度;全面稳定性指数

庄河大骨鸡因肉质鲜美而深受消费者喜爱。据文献[1]报道，散户饲养的大骨鸡已达200万只，占整个大骨鸡年饲养量的87%，成为大骨鸡养殖的最主要方式。相较于大骨鸡加工企业具备的完整、成熟的储藏系统，散户所宰杀的大骨鸡多以热鲜鸡存放于环境中。因刚宰杀的热鲜鸡保留了鸡肉最初的丰富营养，故容易被微生物侵蚀而腐败变质，这种热鲜鸡在常温下保质期可能不足半日[2]。为了确保上述大骨鸡在上桌前整体品质良好，满足消费者需求，其保质期的研究就具有重要意义。对于保质期的预测，大骨鸡加工企业往往选取一个鸡肉品质评价指标，通过监视该指标的变化情况而推测保质期，这种方法虽然简单易控制，但应用于复杂的鸡肉基质却存在考虑过于简单和片面性的问题[3-4]。因此，迫切需要发展一种全面的、可靠的用于大骨鸡保质期预测的模型。

目前，食品保质期预测模型种类较多，包括阿伦尼乌斯模型、初均速法、Q10法、威布尔风险分析（WHA）模型法和基于全面稳定性指数（GSI）理论的多因素预测模型等。最为经典的阿伦尼乌斯模型应用于与温度有关的食品保质期预测。经过不断改进和发展，越来越多的食品保质期预测模型应运而生[5-21]。范云龙等[5]建立的初均速法就是阿伦尼乌斯模型的成功变体，主要应用于药类研究。从Vant Hoff经验规律衍生而来的Q10法，主要应用于食品和药物研究[6]。WHA模型法主要用于食品和化妆品，其原理是统计消费者拒绝贮藏后产品的概率达到保质期预测[7-11]。GSI预测模型考虑的是产品综合品质随温度变化情况，遵循热力学反应规律，将包括感官、理化和微生物等多个指标统一为一个综合指标，通过考察该综合指标变化规律，达到揭示产品保质期的目的。目前，GSI预测模型在鱼类[12-14]、蔬菜[15-19]和果汁[20]等食品保质期预测中发挥了重要作用。鸡肉基质复杂，选取适用于鸡肉基质的合适指标用于预测保质期非常关键，闫文杰等[21]以感官、汁液流失率、菌落总数和挥发性盐基氮等4个指标考察了鸡肉品质变化。基于此，本研究同样选取上述4个指标用于整合为1个综合指标，通过温度加速实验，考察该指标随贮藏时间变化情况，最终达到预测大骨鸡保质期的目的，为大骨鸡品质监控提供一种有效的科学预测方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

BSA124S型天平，德国Sartorius公司;THS-AOC-100AS型恒温恒湿试验机，广东庆声科技有限公司;K1100F型自动凯氏定氮仪，济南海能仪器股份有限公司;CL-40M型高压灭菌锅，日本ALP有限公司;S220型pH计，瑞士Mettler Toledo有限公司;400SW型均质器，法国Interscience有限公司;DK-80型恒温水浴锅，上海一恒科技有限公司。

硼酸、盐酸、95%乙醇，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司;甲基红指示剂，天津科密欧化学试剂有限公司;溴甲酚绿指示剂，国药集团化学试剂有限公司;平板计数琼脂培养基，北京陆桥生物技术有限责任公司;氧化镁、磷酸二氢钾、氢氧化钠和氯化钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 方法

1.2.1 溶液配制 硼酸溶液（20 g/L）：加水溶解20 g硼酸并定容至1 L。盐酸标准滴定溶液（0.1 mol/L）：加水稀释10 mL盐酸并定容到1 L。甲基红乙醇溶液（1 g/L）：用95%乙醇溶解0.1 g甲基红并定容至0.1 L。溴甲酚绿乙醇溶液（1 g/L）：用95%乙醇溶解0.1 g溴甲酚绿并定容至0.1 L。混合指示液：甲基红乙醇溶液与溴甲酚绿乙醇溶液按照1∶5的体积比临用时混合。平板计数琼脂培养基配制：将23.5 g平板计数琼脂培养基溶于1 L超纯水中，煮沸溶解。分装锥形瓶中，121 ℃高压灭菌15 min。待温度降至55 ℃时，将20 mL培养基转移至9 cm无菌培养皿中。氢氧化钠溶液（1.0 mol/L）：用超纯水溶解40.0 g氢氧化钠并定容到1 L。磷酸盐缓冲液（贮存液）：用0.5 L超纯水溶解34.0 g磷酸二氢钾，再加入1.0 mol/L氢氧化钠溶液（约175 mL）至pH=7.2，用超纯水定容至1 L后存于冰箱。磷酸盐缓冲液（稀释液）：用超纯水将1.25 mL磷酸盐贮存液定容至1 L，分装于锥形瓶中，121 ℃高压灭菌15 min。无菌生理盐水：用超纯水将8.5 g氯化钠定容至1 L，然后121 ℃高压灭菌15 min。

1.2.2 试样制备和储藏 从庄河大骨鸡养殖场购买年龄、体重、个头接近的大骨鸡。取处理后鸡胸肉于PE无菌袋中，立即运回实验室。设置不同温度（湿度均为50%RH）和避光条件下的恒温恒湿试验机用于储藏鸡肉样品。本研究选取4、10、20、30 ℃等4个温度用于模拟大骨鸡被宰杀后，以热鲜鸡存放时的环境温度（尤其是夏季）。

1.2.3 指标测定 在设定时间下，随机取出各储藏温度下的3组样品用于相应指标的检测，包括：（1）感官得分：以Ojagh等[22]提出的方法为基础，修改后用于本研究中。具体过程如下：选取6位实验室人员，进行培训后给鸡肉品质打分。品质评价主要从鸡肉颜色、气味和肌肉情况（包括弹性和形态）考虑，每个评价参数得分范围为1～5分，得分越高代表鸡肉品质越好，3个评价参数得分总和为最终得分，9分作为可接受度临界值。（2）汁液流失率：滤纸吸收鸡肉表面汁液前后的差值与滤纸吸收汁液前鸡肉质量的比值。（3）菌落总数的检测：参照国家标准GB 4789.2—2016《食品微生物学检验 菌落总数测定》中方法测定[23]。（4）挥发性盐基氮的检测：参照国家标准GB 5009.228—2016《食品中挥发性盐基氮的测定》中第二法自动凯氏定氮仪法测定[24]。

1.3 GSI预测模型

1.3.1 GSI计算 如式（1）所示，将描述鸡肉品质的几个指标转化为一个综合指标GSI[20]。

GSIj=1-∑αiVij（1）

式（1）中，j为储藏时间;∑为i=1～n的相应值的总和（n为用于鸡肉品质评价指标数量）;Vij为指标i于第j天的变化率;αi为指标i重要性的权重系数，∑αi=1。

式（1）中Vij可以通过式（2）计算获得：

Vij=Cij-Ci0Li-Ci0（2）

式（2）中，Cij为指标i于第j天的测定值;Ci0为指标i第0天的初始值;Li为指标i的保质期终點临界值。

1.3.2 GSI预测模型建立 通过零级和一级动力学模型[如式（3）和式（4）所示]拟合后，获得最优反应级别，计算得到大骨鸡GSI的预测值。

[GSI]=[GSI]0-kθt（3）

[GSI]=[GSI]0exp（-kθt）（4）

式（3）、（4）中，[GSI]为t时刻综合品质计算值;[GSI]0为综合品质初始值;kθ为速率常数;t为储藏时间。

1.3.3 模型验证 采用式（5）计算不同储藏温度下GSI实测值与预测值的相对误差，确定GSI模型可靠性[25]。

P（%）=Cei-CciCei×100（5）

式（5）中，Cei为指标i的实测值;Cci为指标i的模型计算值。

2 结果与分析

2.1 鸡肉品质指标变化

如表1所示，感官是鸡肉品质评价的一个重要参数，但不是唯一主导参数。本研究所选取的感官、汁液流失率、菌落总数和挥发性盐基氮等4个参数很好地描述了鸡肉品质的变化情况。其中，只有感官得分随着储藏时间增加而逐渐降低，其余3个参数均呈现增长趋势。另外，发现4个品质参数变化率均随温度升高而加快。

2.2 GSI模型

2.2.1 鸡肉各指标临界值和权重系数的确定 式（2）中的指标临界值Li可通过标准、法律法规和消费者评价判定。本研究中，当评价小组判定鸡肉感官得分已劣变至9分时，此时鸡肉已达到失效点。根据前人[21]的研究，确定鸡肉汁液流失率、菌落总数和挥发性盐基氮的保质期终点临界值分别为10%、61 gCFU/g和15 mg/100 g。作为产品品质和可接受程度的关键评价指标—感官评价[26]，受消费者自身喜厌程度影响很大[27]，与其他评价指标具有同等的重要性。因此，本研究设定鸡肉品质评价的4个指标的权重系数αi均为0.25。

2.2.2 鸡肉综合品质稳定性指数GSI的变化 将鸡肉感官评价、汁液流失率、菌落总数和挥发性盐基氮4个指标的实测值（C1j、C2j、C3j、C4j）及其临界阈值L1～L4 （分别为9、10、6、15）代入式（2），计算出各指标变化率Vij，再将Vij和各指标权重系数α1～α4 （均为0.25）代入式（1），获得不同温度条件下鸡肉GSI值随时间变化曲线（图1）。大骨鸡在储藏期间GSI值由1.0逐渐降低，下降速率随着温度升高而加快。由此可知，通过降低储藏温度可以延缓大骨鸡鸡肉品质劣变。Achour等[20]指出，当实验测定的参数数值超过该参数保质期临界值（即Cij>Li）时，对该数据的分析是没有意义的。因此，本研究仅考虑当实验测定的参数数值不超过该参数保质期临界值情况下，获得GSI模型预测得到的保质期。

2.2.3 GSI保质期预测模型的建立 对不同温度下大骨鸡鸡肉GSI值的下降进行零级和一级动力学拟合，发现零级和一级反应均符合线性规律，拟合结果见表2。通过比较两种模型的回归系数R2和∑R2，发现零级动力学模型要比一级动力学模型更加准确地反映大骨鸡鸡肉品质变化。因此，本研究采用零级反应速率常数建立大骨鸡鸡肉保质期预测模型。如式（6）所示，阿伦尼乌斯方程能够揭示鸡肉品质随温度变化的关系。

k=k0e-Ea/RT（6）

式（6）中，k为反应速率常数;k0为指前因子;Ea为反应活化能（kJ/mol）;R为摩尔气体常数，8.314 4 J/（mol·K）;T为热力学温度（K）。

将描述GSI变化的零级动力学方程[式（3）]代入式（6），可推导出本研究中用于鸡肉保质期预测的GSI模型，如式（7）所示。

SL=[GSI]0-[GSI]k0exp（-Ea/RT） （7）

图2高回归系数（R2=0.993 6）说明阿伦尼乌斯方程能够有效建立速率与温度之间的关系模型。拟合直线斜率的绝对值3.069 8和e的9.308 1次幂分别代表Ea/R和k0，计算得到Ea和k0分别为25.52 kJ/mol和11 027，带入式（7）获得鸡肉保质期预测方程，如式（8）所示。初始时刻[GSI]0=1，当鸡肉品质达到保质期终点时，[GSI]=0，由此计算获得4、10、20、30 ℃下鸡肉的保质期分别为5.9、4.7、3.2、2.3 d。

SL=[GSI]0-[GSI]11 027exp（-3 070/T）（8）

2.2.4 GSI保质期预测模型的验证 如表3所示，计算得到4、10、20、30 ℃下GSI实测值与预测值的相对误差，其绝对值均低于10%，说明本研究建立的基于GSI变化动力学的大骨鸡保质期预测模型是可靠有效的[25-28]。经本研究建立的保质期预测模型计算，鸡肉在4、10、20、30 ℃存放条件下的保质期分别为5.9、4.7、3.2、2.3 d，通过实验获得的实用保质期分别为6、5、3.5、2.5 d，实验值和预测值相对误差均小于10%，预测结果可靠。另外，本研究还设置1个对照组（40 ℃条件），该实验结果不参与预测模型构建，仅用于验证模型在外推温度下是否仍旧可靠。结果发现，在40 ℃存放条件下，实验测定大骨鸡保质期为1.5 d，与GSI模型预测值（约1.6 d）非常接近，相对误差仍小于10%，再次证明本研究所建立的GSI模型的可靠性，并且说明该模型可适用于更宽温度范围。

3 讨论

本研究通过考察大骨鸡在感官得分、汁液流失率、菌落总数和挥发性盐基氮等评价指标随时间和温度变化情况，将上述指标整合为一个综合评价指标GSI，并基于该指标建立了可以用于大骨鸡鸡肉保质期预测的数学模型。相较于仅通过单一指标推断鸡肉保质期的方法，本研究建立的保质期预测模型是通过将多个品质评价指标整合为一个综合指标，这种方法既考虑了评价指标的多样性，避免了单一指标预测保质期的片面性，同时又把鸡肉品质变化看作一个整体变化，通过引入一个综合指标GSI，将各自独立的评价指标有效联系起来，全面考虑鸡肉品质变化。大骨鸡鸡肉在4、10、20、30 ℃贮存条件下的保质期实测值与通过本研究建立的预测模型计算值很好的吻合（相对误差均小于10%），预测结果可靠。而且，通过模型外推到40 ℃贮存条件下鸡肉的保质期实验值与模型预测值的相对误差仍小于10%，再次证明了模型的可靠性和在更宽温度范围的适用性。由于散户宰杀的大骨鸡有相当一部分以热鲜鸡的形式存放，该类鸡肉品质受现场环境影响很大。其中，温度变化是导致鸡肉腐败变质的一个关键因素。针对热鲜鸡可能存放的现场环境温度，本研究设定的4～30 ℃温度范围，基本可用于模拟庄河地区热鲜鸡存放温度，而基于该温度范围建立的GSI模型也能够更真实地反映出鸡肉品质受现场环境温度的影响，增加了GSI模型的实用性。本研究建立的保质期预测模型在4～30 ℃范围内能够比较准确地反映大骨鸡鸡肉的品质劣变过程，揭示了温度对鸡肉品质的影响，为大骨鸡生产、运输、储存过程的品质评价及保质期的确认工作提供了一种新的预测方法。本研究模型预测结果显示，大骨鸡在4～30 ℃的保质期仅为2.3～5.9 d，不利于鸡肉保存，而冷藏条件（0～4 ℃）不仅可以提高大骨鸡鸡肉保质期，还保留了鸡肉中绝大部分营养物质，以及鲜美嫰滑多汁的口感。因此，建议刚宰杀的大骨鸡在处理后及时冷藏并尽快食用。◇

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Application of Global Stability Index Method in Shelf Life Prediction for Zhuanghe Dagu Chicken

XUE Wei-feng1，SHEN Bao-zhen1，TIAN Zhuo1，YU Xue2，LIU Dong-yan1

（1Technical Center of Dalian Customs，Dalian 116600，China;2China Inspection （Dalian）Test Technology Co. Ltd.，Dalian 116600，China）

Abstract：Objective A new shelf life predicting method based on Global Stability Index （GSI）theory was established for Zhuanghe Dagu Chicken.Method For the purpose of establishing GSI-based model，quality degradation trend of the chicken including sensory score，drip loss，total aerobic counts and volatile base nitrogen was monitored via accelerating testing at 4，10，20 and 30 ℃.Result The calculated results of GSI were satisfactorily described by a zero-order kinetic model. The activation energy and the corresponding pre-exponential constant of GSI were 25.52 kJ/mol and 11 027，respectively. Relative error absolute values between predicted and observed GSI values were all below 10%. The product shelf life at 4，10，20 and 30 ℃ was calculated to be 5.9，4.7，3.2 and 2.3 d，respectively.Conclusion The established model based on GSI could effectively predict the freshness of Zhuanghe Dagu Chicken at the range of 4 and 30 ℃ during different temperatures storage.

Keywords：Zhuanghe Dagu Chicken;shelf life;temperature;Global Stability Index