4～37℃條件下金黃色葡萄球菌在糯米面團中的生長規律
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境中，大多數感染金黃色葡萄球菌的人在感染后6～48 h會出現嘔吐、腹瀉、惡心、腹部絞痛等癥狀。糯米面團主要由糯米粉制成，是我國傳統米面食品的主要原料之一，隨著糯米產品品種的不斷多樣化及其工業化生產的加速發展，其食用的安全性越來越引起人們的關注。微生物生長預測模型可以用來描述在不同環節如食品的加工、運輸以及銷售等過程中環境條件變化對微生物生長數量的影響，現已被廣泛應用于預測食品的貨架期、HACCP體系建立以及食品安全風險評估等。
河南農業大學食品科學技術學院的凍梓杰、黃陽陽、索標*等人通過一級和二級模型描述4～37℃條件下金黃色葡萄球菌在糯米面團中的生長規律，并建立其生長動力學模型，以期為糯米面團中金黃色葡萄球菌的風險評估提供理論依據。
1糯米面團中金黃色葡萄球菌一級生長模型的建立
為研究溫度對糯米面團中金黃色葡萄球菌生長的影響，選用4、11、18、25、32℃和37℃溫度節點，分別使用Huang模型、Baranyi模型、修正的Gompertz模型方程進行非線性擬合，這3種模型也是目前常用的描述致病菌生物生長的一級模型。各溫度下金黃色葡萄球菌生長擬合曲線如圖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，相同時間下細菌濃度逐漸增加。在4℃時金黃色葡萄球菌生長速率緩慢，恒溫培養7 d（168 h）后，其細菌濃度為4.5（lg（CFU/g）），增加約0.5（lg（CFU/g）），未觀察到明顯的生長，不能進行一級生長模型的有效擬合（圖2）。在11～37℃溫度區間時糯米面團中金黃色葡萄球菌均能正常生長且進行模型擬合，因此本研究選取此溫度階段下生長數據用于數據分析。
如圖1所示，采用上述3種一級模型對數據進行擬合后，金黃色葡萄球菌在各溫度下（11～37℃）的實驗實測值均接近相應模型預測值，表明3個模型均能成功描述樣品中細菌的生長情況。各培養溫度下糯米面團中金黃色葡萄球菌呈現出典型的3個生長特征階段：延滯期、對數期和穩定期；且隨著溫度的升高，其延滯期總體逐漸降低，細菌生長速率逐漸增加。延滯期的長短取決于多種因素，環境溫度對延滯期有顯著影響，其規律一般表現為延滯期隨著溫度的升高而逐漸減少。
2一級模型的比較分析
本實驗采用延滯時間（λ）和最大比生長速率（μmax）指標判定微生物生長速率的快慢，用赤池信息準則（AIC）、準確因子（Af）、偏差因子（Bf）、均方誤差（MSE）、均方根誤差（RMSE）以及決定系數（R2）對模型進行評價。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，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，而相對應的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種一級生長模型（Huang、Baranyi和修正的Gompertz）中AIC、MSE、RMSE和R2較為接近，R2且各模型間參數無明顯差異，說明3種模型對糯米面團中金黃色葡萄球菌的生長曲線均具有較好的擬合精確度。但在低溫環境下（11℃）和較高環境下（37℃）修正的Gompertz模型中AIC和RMSE明顯低于其他兩種模型、R2系數高于其他兩種模型，表明此溫度下（11℃和37℃）糯米面團中金黃色葡萄球菌生長曲線更適合用修正的Gompertz模型進行擬合。在較溫和的溫度區間（18、25℃和32℃）內修正的Gompertz模型與其他兩種模型間參數無明顯差異，均能較好地模擬金黃色葡萄球菌在糯米面團的生長。
修正的Gompertz模型在低溫11℃和適宜37℃條件下表現最佳，此時一級模型參數優于Huang和Baranyi模型，在溫和溫度（18～32℃）下表現良好，3種一級模型差異并不顯著，這可能是因為該范圍包括金黃色葡萄球菌理想生長溫度，使其生長更具可預測性。本研究和Lu等在熟制米飯中金黃色葡萄球菌的研究結果有所差異，Huang、Baranyi和修正的Gompertz模型均能較好地擬合金黃色葡萄球菌在12～35℃條件下的生長，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的前提下加入豬肉松且進行了熟制有關，生長基質的不同可能是導致差異的主要原因。
3糯米面團中金黃色葡萄球菌生長二級模型的比較分析
本研究采用Ratkowsky平方根模型和Huang平方根模型對貯藏溫度與生長速率之間的關系進行擬合，二級模型曲線如圖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種二級模型適用于描述溫度對糯米面團樣品中金黃色葡萄球菌生長速率的影響。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溫度和最高生長溫度分別為0.049℃和47.135℃，Huang平方根模型擬合結果分別為和4.641℃和47.121℃，本實驗中4℃條件下金黃色葡萄球菌仍存在緩慢生長的現象（圖2），在168 h內增長了約0.5（lg（CFU/g）），說明Huang平方根模型并不適合描述低溫下金黃色葡萄球菌的實際生長情況；Ratkowsky平方根模型的Af和Bf等模型擬合度參數均優于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最低生長溫度較為吻合，因此本研究建議將其作為糯米面團中金黃色葡萄球菌的二級模型。本實驗為了更好地模擬真實制作的流程，采用了兩株金黃色葡萄球菌進行混合培養并接種，前人研究結果中最低生長溫度（4～8℃）均高于本實驗結論（0.049℃），不同的生長基質和細菌菌種可能是造成最低生長溫度有所差異的重要原因。
經過第2節對3種一級生長模型擬合度的對比，采用修正的Gompertz模型時，金黃色葡萄球菌λ與培養溫度有如圖4A所示的對數非線性關系；μmax和λ之間對數線性關系如圖4B所示，lnλ與lnμmax呈線性減少關系。
4模型的外部驗證
為了從外部驗證修正的Gompertz模型在本研究的擬合準確度，在本研究中未設置的其他溫度（20℃）下進行了存儲實驗，并將實驗實測值與模型預測值進行更直觀比較（圖5）。圖中點越接近斜線，說明實驗值和預測值越接近，即所建立模型的效果越好。經外部模型驗證證明，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測金黃色葡萄球菌的生長規律。
結論
研究了4～37℃恒溫條件下糯米面團中金黃色葡萄球菌的生長，并使用不同的一級和二級模型描述金黃色葡萄球菌生長受貯藏溫度的影響規律。根據一級模型擬合精確度參數對比分析，修正的Gompertz模型可更好地模擬細菌生長；通過對二級模型參數及實際生長情況分析，Ratkowsky平方根模型描述的溫度范圍較廣，且能夠更準確地預測最低生長溫度（0.049℃），因此更適合作為金黃色葡萄球菌的二級模型。修正的Gompertz模型和Ratkowsky平方根模型可用于預測恒溫貯藏條件下糯米面團中金黃色葡萄球菌的生長，并評估在糯米加工、貯藏等過程中溫度濫用的情況下金黃色葡萄球菌的風險。本研究結果對預測和監控金黃色葡萄球菌在糯米面團的生長繁殖，保證以糯米為基質的食品安全性等方面具有參考價值。
本文《糯米面團中金黃色葡萄球菌生長預測模型的構建》來源于《食品科學》2023年44卷第22期133-138頁，作者：凍梓杰，黃陽陽，周偉濤，黃忠民，艾志錄，鄭琦，王曉杰，索標。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221219-195。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關信息。
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