基于响应面法的苹果热风干燥过程中沙门氏菌灭活预测研究

《Journal of Food Protection》：Apple Drying Process Lethality Prediction Using Response Surface Methodology

本研究针对水果干燥过程中微生物安全风险评估的难题，创新性地以水分活度（aw）作为关键指标，通过响应面法（RSM）建立了沙门氏菌灭活预测模型。研究系统评估了干燥温度、床层深度和空气流速对苹果立方体热风干燥至aw0.60时沙门氏菌灭活效果的影响。结果表明，沙门氏菌灭活与aw降低呈高度线性相关（R2= 0.91–0.97），证实aw可作为干燥过程致死率的可靠替代指标。建立的RSM模型能准确预测不同工艺条件下的微生物灭活水平，为食品工业干燥工艺的优化与安全控制提供了重要工具。

　　

在追求健康饮食的今天，果干以其独特的口感和便携性受到越来越多消费者的青睐。然而，看似简单的干燥过程背后，却隐藏着不容忽视的微生物安全风险。近年来，多起食源性疾病爆发和产品召回事件与干制水果中的微生物污染相关，例如，2018至2019年挪威爆发的沙门氏菌Agbeni事件与来自东南亚和非洲的干制异域水果混合物有关，导致56人患病，21人住院。此外，沙门氏菌污染也曾引发冻干苹果和肉桂苹果片的召回。这些事件敲响了警钟：传统的干燥工艺参数（如时间、温度）通常为优化产品品质（如质地、色泽、风味）而设定，但它们是否足以确保微生物安全，仍是一个亟待回答的问题。随着美国《食品安全现代化法案》（Food Safety Modernization Act, FSMA）的实施，食品工业被要求验证包括干燥在内的预防性控制措施的有效性，以降低已识别的食品安全危害。因此，科学评估干燥过程中的微生物灭活效果变得至关重要。

以往的研究多采用时间依赖性分析，关注微生物种群在特定时间段内的衰减。但问题在于，在不同干燥条件下干燥相同时间后，产品的水分活度（Water Activity, a_w）可能处于不同阶段。比较相同干燥时间点的微生物减少量可能存在偏差，因为样品并未处于等效的产品状态（即相同的水分活度、水分含量）。因此，寻找时间无关的指标，如实时水分活度（a_w）降低，可能为预测不同条件下的微生物灭活提供更直观和稳健的方法。水分活度是食品工业常用的指标，用于评估干燥进程和达到目标产品质量。Defraeye (2017)建议将水果干燥至平衡a_w低于0.60–0.65，以避免质量缺陷并确保微生物安全。干制苹果产品的水分活度范围很广（<0.20至0.75），a_w为0.60代表相对较高水分活度的干制苹果产品。先前的研究也观察到在苹果热风干燥过程中，a_w降低与沙门氏菌或粪肠球菌灭活之间存在相似趋势，表明在给定干燥条件下，微生物减少可能与产品a_w相关，这提示a_w有潜力成为不仅用于品质控制，也可用于微生物安全评估的有用过程指标。

为探究此问题，伊利诺伊理工学院食品安全与健康研究所的Xiyang Liu、Elizabeth M. Grasso-Kelley、Alvin Lee和Nathan M. Anderson在《Journal of Food Protection》上发表了一项研究，旨在评估苹果热风干燥过程中水分活度降低与沙门氏菌灭活之间的关系，并检验水分活度作为估算干燥过程致死率指标的适用性。研究人员还利用响应面方法论（Response Surface Methodology, RSM）定量描述了干燥空气温度、产品床层深度和气流设置对苹果立方体干燥至水分活度0.60（干制苹果产品的典型水平）时沙门氏菌灭活的影响，并利用独立数据集验证了模型的性能。

为开展研究，研究人员采用了几个关键技术方法。研究设计采用三因素三水平Box-Behnken设计（Box-Behnken Design, BBD）来评估温度、床层深度和气流对沙门氏菌灭活的线性、交互和二次效应。实验使用了接种了六种沙门氏菌血清型的苹果立方体（购买自当地杂货店的Gala苹果）作为样本。关键步骤包括：通过线性回归分析沙门氏菌灭活与苹果a_w降低之间的相关性（模型强制通过原点）；估计苹果达到a_w0.60时的沙门氏菌灭活量；建立并优化RSM模型以预测a_w0.60时的沙门氏菌灭活；最后，在三个随机选择的干燥条件下进行外部模型验证，使用准确因子（A_f）、偏差因子（B_f）和预测均方根误差（RMSEP）评估模型性能。

沙门氏菌灭活与苹果水分活度降低的线性相关性

研究发现，在所有15种干燥条件下，沙门氏菌灭活与苹果a_w降低之间均存在高度线性关系，决定系数（R²）范围在0.91至0.97之间。线性回归模型强制通过原点，基于的假设是当a_w降低可忽略时（即未发生干燥），沙门氏菌种群变化也极微。这种强线性关系表明，水分活度降低可以作为苹果干燥过程致死率的实用替代指标。残差分析显示，除个别条件外，残差大致均匀分布在中心线周围，异方差性被认为可以接受，因为它产生了略微保守的微生物致死率估计，从而提供了额外的安全边际。

在苹果水分活度0.60时沙门氏菌灭活的估计

研究估算了苹果干燥至a_w0.60（即从初始0.98降低0.38）时的沙门氏菌灭活量。灭活量范围从2.25 ± 0.11到4.97 ± 0.21 log CFU/4个立方体。最高灭活发生在高温-低床层深度-中等气流（HT-LB-MA）条件下，最低灭活发生在低温-中等床层深度-低气流（LT-MB-LA）条件下。与通常采用的5-log减少的工艺验证性能标准相比，15个条件中只有3个（HT-LB-MA、HT-MB-HA和MT-LB-HA）估计的沙门氏菌灭活量其95%置信区间上限超过5 log CFU/4个立方体，且没有一个条件的下限超过5 log。这表明在本研究选定的工艺条件下，仅将苹果干燥至a_w0.60可能不足以作为独立的杀灭步骤。

响应面方法论分析

研究人员利用响应面方法论建立了预测模型。初始模型分析显示，温度（x₁）、床层深度（x₂）和气流（x₃）的线性效应显著。交互作用项中，床层深度与气流的交互作用（x₂·x₃）显示出边际显著性（p = 0.076）。经过优化，最终采用的精炼RSM模型包含了三个线性项和床层深度与气流的交互项。模型方程为：Y = 3.60 + 0.81x₁- 0.40x₂+ 0.45x₃- 0.29x₂·x₃，其中Y为预测的a_w0.60时的沙门氏菌灭活量。模型验证表明其调整后决定系数（R²_adj）为0.6682，均方根误差（RMSE）为0.4920 log CFU/4个立方体。温度（正系数0.81）和气流（正系数0.45）的增加均能提高沙门氏菌灭活量，而床层深度增加（负系数-0.40）则会降低灭活效果。床层深度与气流的交互项为负（-0.29），表明随着床层深度增加，增加气流带来的正面效应会减弱。

RSM模型验证

研究在三个随机选择的条件下进行了外部验证。实验观察值与模型预测值无显著差异（p > 0.05）。预测的均方根误差（RMSEP）为0.371 log CFU/4个立方体，准确因子（A_f）为1.101（表示预测值与观测值之间存在10.1%的差异），偏差因子（B_f）为1.073（表示模型平均高估了7.3%的致死率）。这些指标均在预测微生物学通常可接受的范围内（A_f差异10–15%，B_f在0.7至1.15之间）。虽然B_f大于1意味着模型可能过于乐观（失效危险），但仍在可接受范围内。拟合曲线图显示校准数据和验证数据点都紧密分布在1:1线附近，证实了模型具有良好的预测鲁棒性。

研究结论与意义

本研究成功证明了在苹果热风干燥过程中，沙门氏菌灭活与水分活度降低之间存在强烈的线性关系，使得a_w可以作为估算干燥过程致死率的可靠代理指标。所开发的响应面模型能够有效预测在不同温度、床层深度和气流组合下，苹果干燥至a_w0.60时的沙门氏菌灭活水平。模型确认较高的温度和气流能增强致死率，而较深的床层则会降低致死率，且气流的正面效应在床层深度较大时会减弱。外部验证结果表明模型具有良好的预测准确性。

这项研究的意义在于，它为食品工业，特别是干制水果生产商，提供了一种基于水分活度的、更直观和稳健的微生物安全评估方法。相较于传统的时间指标，使用a_w作为过程指标能更好地反映产品的实际状态，有助于在不同干燥条件下更一致地评估和验证过程致死率，从而更好地符合FSMA等法规要求。虽然本研究聚焦于a_w0.60，但所建立的方法同样适用于估算其他a_w水平下的灭活情况。研究结果强调，在设定干燥工艺参数时，需综合考虑温度、气流和产品装载量等因素的交互影响，以确保在达到目标产品质量的同时，也能满足微生物安全标准。该RSM模型作为一个实用工具，可辅助生产商优化干燥工艺，在保障产品安全和品质之间找到最佳平衡点。