非等温热处理下异尖线虫幼虫灭活预测模型的建立及其在烹饪工艺优化中的应用

《Food Control》：PREDICTING INACTIVATION OF ANISAKIS L3 AFTER NON-ISOTHERMAL HEAT TREATMENTS: IMPACT OF THERMAL CONDITIONS DURING AND AFTER COOKING

本研究针对真实烹饪过程中温度动态变化的特点，建立了基于Weibull模型的异尖线虫(Anisakis)幼虫非等温热灭活预测模型。通过采用微分形式的Mafart模型并比较单段与分段对数二次函数作为次级模型，研究发现单段模型具有更优的预测性能(R2=0.9782)。模型验证表明，加热和冷却速率显著影响幼虫灭活效果，缓慢的热处理即使在中温条件下也能有效确保食品安全，为制定既能保证安全又能保持水产品品质的烹饪方案提供了重要理论依据。

　　

在享受美味海鲜的同时，一个隐藏的健康威胁——异尖线虫病（Anisakiasis）——不容忽视。这种食源性疾病由摄入含有活性的异尖线虫（Anisakis）第三阶段幼虫（L3）的生的或未煮熟的海产品引起。近年来，异尖线虫在鱼类和无脊椎动物宿主中的丰度呈现惊人增长，据meta分析显示，在1978至2015年间增加了283倍。欧洲食品安全局（EFSA）指出，已无渔场可被视为无幼虫污染，所有相关鱼类物种均可能感染这种人畜共患寄生虫。为规避风险，欧盟法规（EU）No. 1276/2011要求对可能感染的渔业产品在消费前进行冷冻处理，或者烹饪至核心温度至少60°C并维持1分钟。然而，这种“一刀切”的高温处理方式虽然有效，却常常导致水产品营养价值、天然风味、多汁性和质构的显著劣变，特别是对于大型鱼类，其内部达到60°C时往往意味着外部区域的严重过热。另一方面，现代烹饪趋势和许多传统方法倾向于更温和的条件，往往无法达到或维持60°C以上的温度，这使得冷冻预处理成为必要，但这又增加了能耗、准备时间，并可能进一步损害产品品质。

在此背景下，寻找既能有效灭活寄生虫，又能最大限度保留水产品品质的温和烹饪方案成为食品科学领域的一个重要挑战。此前的研究表明，温度低于60°C同样可以灭活异尖线虫幼虫，前提是满足最低烹饪时间。更重要的是，幼虫的存活能力不仅取决于峰值温度和保持时间，还受到加热和冷却速率的显著影响。这提示我们，幼虫的存活性依赖于其经历的全部热历史，而不仅仅是温度峰值。因此，开发能够整合整个非等温热历史的预测模型，对于设计定制化的、温和温度的烹饪方案至关重要。

为了解决这一难题，研究人员开展了一项旨在预测非等温热处理后异尖线虫L3幼虫灭活情况的研究，其成果发表在《Food Control》上。该研究团队此前已成功建立了描述高达55°C等温条件下幼虫灭活的Weibull模型。本研究则向前迈进了一大步，旨在将该模型扩展到更符合实际烹饪过程的动态温度场景。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，他们利用热循环仪（thermal cycler）对从大西洋东北渔区（FAO 27）的鳕鱼中提取的活体异尖线虫L3幼虫进行精确控制的非等温热灭活实验，能够精确设定加热速率（0.1-1.3 °C/s）和冷却速率（0.1-0.8 °C/s）。其次，在热处理后，通过视觉观察幼虫运动能力来评估其存活率，并计算存活比率（S = N/N₀）。第三，在建模方面，他们采用了微分形式的Mafart模型（一种Weibull型模型）作为初级模型，并引入了“等效时间”的概念来整合整个热历史。为了描述热阻参数（δ，即第一个十进制减少时间）随温度的变化，他们比较了单段对数二次方程和更灵活的分段对数二次函数两种次级模型。最后，利用MATLAB软件，通过全局优化策略（如fmincon求解器结合GlobalSearch策略）对模型参数进行拟合和优化，并使用独立的验证实验数据集来评估模型的预测性能。

3.1. 非等温条件下异尖线虫幼虫热灭活建模

3.1.1. 模型训练

研究团队基于假设，即通过积分Mafart模型的微分形式 across 幼虫所经历的完整温度-时间历史，可以准确预测动态温度条件下的灭活动力学。他们利用先前发表的98个非等温灭活实验数据集，对模型参数进行了全局优化。结果显示，优化的形状参数（p）值为2.8271，大于1，表明幼虫种群在灭活加速前对热损伤表现出一定的初始抗性。单段对数二次次级模型定义了温度与异尖线虫幼虫热阻之间清晰的非线性关系。在实验覆盖的温度范围（46-61°C）内，δ值急剧下降，从46°C时的7171秒降至55°C时的仅22秒，但在超过55°C后，下降速率开始趋于平缓。该模型整体拟合良好，但残差分析显示，在中间存活水平（S介于0.3-0.7之间）预测误差较大，且在48°C和55°C时模型倾向于低估存活率，而在50°C和57°C时则略微高估。

为了评估提高模型灵活性的可能性，研究人员还测试了分段对数二次次级模型。该模型在49.2°C处平滑地连接了两个二次函数分支。与单段模型相比，分段模型在训练数据集上表现出更低的误差平方和（SSE）和均方根误差（RMSE），表明其拟合能力更强，并改善了在某些温度区间观察到的系统偏差。

3.1.2. 模型验证

为了评估模型在新颖热场景下的预测性能，研究团队进行了26个独立的非等温灭活实验进行验证。结果表明，单段对数二次模型在验证集上取得了优异的预测性能，决定系数（R2）高达0.9782，均方根误差（RMSE）低至0.0497，预测值与实验值高度吻合，且未发现明显的系统偏差。相比之下，分段对数二次模型的预测性能较差（R2 = 0.8795, RMSE = 0.1197），显示出更大的散射和预测误差，表明其可能存在过拟合。因此，尽管分段模型在训练阶段拟合稍好，但单段模型展现出更优的预测准确性和泛化能力，被选为后续模拟和应用的最佳模型。需要注意的是，单段对数二次模型在62.2°C处形式上有最小值，超过此温度后δ值会开始增加，这从生物学角度看极不可能。因此，研究者建议不要外推超过62.2°C，对于更高温度，可使用62.2°C处的最小δ值作为保守估计。

3.2. 烹饪期间及之后热条件对幼虫灭活的影响

利用经过验证的模型，研究人员模拟了真实烹饪过程中加热和冷却速率对幼虫灭活的影响。模拟结果清晰地表明，幼虫的存活性不仅取决于达到的峰值温度，还强烈依赖于加热速率。对于相同的目标温度，较慢的加热速率会导致更彻底的灭活。例如，以0.05°C/s的速率加热至55°C时，存活概率几乎为零；而以1°C/s的快速加热达到相同温度时，存活比仍接近1。这归因于较慢加热过程中，幼虫暴露在具有致死效应温度（如>45°C）下的时间更长。

此外，研究还揭示了冷却阶段对累积致死效应的显著贡献。模拟显示，在一个从45°C加热至61°C再冷却回45°C的过程中，即使加热阶段结束时存活比不为零，在随后的缓慢冷却过程中，灭活作用仍会持续进行，最终可能将存活比降至极低水平。为了验证这些模拟结果，研究人员进行了四组额外的非等温实验，分别考察不同加热速率（0.1 °C/s vs 0.8 °C/s）和冷却速率（0.1 °C/s, 0.5 °C/s, 0.8 °C/s）的影响。实验结果与模型预测高度一致，证实了模型能够准确捕捉加热和冷却速率对幼虫存活的调控作用。

4. 结论

本研究成功建立并验证了一个强大的预测模型，能够模拟非等温热条件下异尖线虫幼虫的灭活过程。研究表明，单段对数二次次级模型与微分形式的Mafart模型结合，能够可靠地预测动态热处理下的幼虫存活情况。模型模拟揭示了加热和冷却速率对累积致死效应的关键影响：快速的热转换会显著降低灭活效果，而缓慢的加热和冷却即使在较低峰值温度下也能实现有效灭活。这一发现强调了在制定食品安全指南时，不应只关注“时间-温度”组合（如≥60°C维持≥1分钟），而应考虑产品所经历的完整热历史。

该研究为设计既能确保安全又能更好地保留水产品感官和营养品质的烹饪方案提供了有力的工具和理论支持。通过整合可靠的建模工具到食品安全协议中，可以在增强消费者保护的同时，为家庭和工业环境中的烹饪实践提供更大的灵活性和创新空间。需要注意的是，该模型目前仅在实验室受控条件下使用分离的幼虫进行了验证，未来研究需要致力于在真实的鱼体基质和烹饪场景下验证其性能，因为产品的尺寸、形状和成分可能会影响热传递和幼虫存活。