苹果切片在宽水分活度（aw）范围内的沙门氏菌热灭活动力学建模

《Journal of Food Protection》：Salmonella Inactivation Kinetics on Apple Slices over a Wide Range of Water Activity

　　

为理解苹果干燥过程中影响病原菌灭活的复杂水分-温度相互作用，必须确保充分的病原菌控制，这是美国《食品安全现代化法案》（Food Safety Modernization Act, FSMA）所要求的。该研究旨在基于苹果切片的等温/等湿（isothermal/iso-moisture）热处理对此类效应进行建模，覆盖从鲜切苹果切片水分活度（water activity, a_w）0.99至极干切片a_w 0.10的宽水分范围。在a_w=0.99处理中，鲜切苹果切片接种六株沙门氏菌混合菌液；而对a_w<0.99的条件，则对部分干燥切片进行接种，并在受控湿度平衡舱中平衡3-5天。等温处理在60、70、80和90°C下进行，采用非析因实验设计，每个温度测试三个a_w水平，并设置3次生物学重复。研究人员对沙门氏菌存活菌数进行计数，并测定了环境温度和高温下的a_w以及水分含量（moisture content, MC）。以初级对数线性/改良Bigelow（log-linear/modified-Bigelow）模型对苹果切片上的沙门氏菌热灭活进行建模，其中水分效应分别以a_w或MC表示。温度引起的a_w变化（0.004±0.029）不显著（P > 0.05）；因此，建模仅使用室温a_w或MC。基于温度及上述两种水分指标的模型均成功描述了宽a_w范围（0.10-0.99）内的沙门氏菌灭活，MC模型和a_w模型的均方根误差（root mean squared error, RMSE）分别为0.94和0.97 log CFU/g。a_w法和MC法估计的z_T分别为15.4°C和17.9°C；z_aw为0.586，z_MC为41.2%（湿基）。总体而言，该研究建立了温度和产品水分（a_w或MC）对苹果上沙门氏菌灭活的影响模型，并且是已知首个在代表苹果干燥过程中典型水分变化的完整水分范围内成功建模此类效应的研究。

研究背景与目的：苹果干等低水分食品加工中，沙门氏菌等病原菌可在低水分活度（water activity, a_w）条件下长期存活并表现出增强的热抗性。美国《食品安全现代化法案》（Food Safety Modernization Act, FSMA）预防控制规则要求以科学风险证据为基础制定食品安全计划。然而，此前期等温灭活研究大多局限于较窄的a_w范围，且常以已处于低水分状态的产品为研究对象；苹果干燥则涉及从鲜果（约0.99 a_w）到低水分状态（如0.10-0.20 a_w）的剧烈水分变化，动态干燥过程中温度与水分对病原菌灭活的交互作用尚未被充分建模。因此，研究人员开展本研究，旨在基于等温/等湿（isothermal/iso-moisture）热处理，建立覆盖0.10-0.99 a_w全范围水分变化的沙门氏菌热灭活模型，为苹果干燥工艺的病原菌控制提供科学依据。

研究内容与总体结论：研究人员选取Gala苹果，制备鲜切或部分干燥/湿度平衡切片，接种六株沙门氏菌；在60、70、80、90°C下进行等温/等湿处理，采用非析因滑动设计，共16个温度-a_w组合，3次生物学重复；以对数线性（log-linear）初级模型和改良Bigelow二级模型分别用a_w或水分含量（moisture content, MC）作为水分指标进行全局建模。结果显示，温度引起的苹果切片a_w变化不显著；a_w模型和MC模型的均方根误差（root mean squared error, RMSE）分别为0.97和0.94 log CFU/g，均能成功描述全水分范围内的沙门氏菌灭活；z_T分别为15.4°C和17.9°C，z_aw=0.586，z_MC=41.2%（湿基）。该研究是首次在完整水分范围内对苹果干燥相关沙门氏菌热灭活进行成功建模，具有FSMA所需的科学风险证据意义，也为苹果干加工提供了潜在的过程验证工具。

关键技术方法概述：研究人员使用来自受控气调贮藏（2°C、1.5% O₂、3% CO₂）的Gala苹果，制备鲜切和部分干燥/湿度平衡切片；接种六株沙门氏菌（S. Mbandaka、S. Tennessee、S. Enteritidis、S. Enteritidis PT30、S. Montevideo、S. Agona）；采用非析因滑动设计，在60-90°C水浴中进行等温/等湿处理，a_w覆盖0.99-0.10；以对数线性+改良Bigelow模型进行全局非线性回归，并辅以局部D值估计、bootstrap自举法、Cook距离和标准化残差分析识别离群点；a_w分别于室温和高温下测定，MC采用重量法测定。

研究结果：

初始接种：通过平板计数，未在鲜切苹果上检出背景微生物。接种后初始沙门氏菌水平为9.2±0.5 log CFU/g；经条件化和升温时间（come-up time, CUT）后平均为6.9 log CFU/g。CUT期间过大的灭活导致70°C-0.90 a_w和90°C-0.40 a_w两个处理组合被排除，但其余14个组合仍覆盖全部水分范围（0.10-0.99 a_w）和所有研究温度。

温度对苹果切片水分活度的影响：利用定制高温a_w传感器比较室温和高温a_w，平均差值为0.004±0.029（P > 0.05），表明温度对苹果切片a_w总体无显著影响；因此，建模仅采用室温a_w或MC作为水分指标。

热抗性参数：经离群点分析和全局非线性回归，a_w模型的D_ref为6.39 min，MC模型为5.33 min；z_T分别为15.4°C和17.9°C；z_aw为0.586，z_MC为41.2%（湿基）。两种模型的RMSE分别为0.97和0.94 log CFU/g，参数相对误差介于1.1%-3.2%，均能合理描述全水分范围的灭活数据。

模型性能分析：残差分析显示，a_w模型在最高水分条件（a_w=0.99）存在系统性负偏（P < 0.05），即在该条件下略微低估致死率；MC模型在全水分范围无显著偏倚，但在最低水分条件（a_w=0.10）残差变异较大。全局模型D值估计及其bootstrap 95%置信区间覆盖了约30%的局部D值；总体上MC模型略优于a_w模型。

讨论总结：该研究弥补了此前低水分食品研究中a_w范围窄、未覆盖从高水分原料到低水分终产品的完整干燥过程的问题。苹果切片含糖量高、脂质含量极低，温度对a_w影响较小，可能与其高碳水化合物/糖体系在高温下发生玻璃化转变及吸附特性变化有关。低a_w条件下a_w测量变异增大，可能与样品内残余水分梯度有关。估计的z_T、z_aw与小麦粉、开心果、奶粉、红辣椒等基质的研究结果一致，而在高蛋白/高脂基质中存在差异。MC作为理论上可在线测量的产品变量，在工业过程预测中可能更具实用性。该模型需要在典型工业苹果干燥动态过程中进一步验证，并需明确采用的水分类型、监测位置和适宜的水分指标。

研究结论翻译：总之，苹果干切片中沙门氏菌的灭活显著受产品水分影响。在等温/等湿条件下，该效应及其与温度的相互作用分别使用室温a_w和MC两种水分指标进行了建模。两种建模方法均成功预测了从高水分（a_w=0.99，鲜切苹果片）到极干切片（a_w=0.10）的宽水分范围内沙门氏菌的灭活；基于统计指标，MC模型性能略优。未来研究将验证这些灭活模型在典型的苹果干燥工艺中的应用，该类工艺涉及温度和水分同时动态变化的环境。