模拟高静水压力处理后的番茄汁中大肠杆菌O157:H7（ATCC 43888）的失活过程

《International Journal of Food Microbiology》：Modeling the inactivation of E. coli O157:H7 (ATCC 43888) in high hydrostatic pressure treated tomato juice

高压处理灭活番茄汁中E. coli O157:H7的动力学建模与优化研究，采用贝叶斯框架整合Geeraerd初级模型与二次模型，量化压力-时间对微生物灭活的影响，验证全局模型能有效预测450 MPa下最大灭活速率k_max与残存菌数N_e的关联，证实HHP显著提升非热加工效率并维持食品品质。

　　

Furkan Erdem | Onay Dogan | Hami Alpas

食品工程系，中东技术大学，安卡拉，土耳其

摘要

高压静水压（HHP）是一种非热处理方法，能够在保持食品营养价值和感官特性的同时增强微生物安全性。在本研究中，使用Geeraerd初级模型对番茄汁中大肠杆菌 O157:H7的灭活过程进行了量化分析，并将模型纳入贝叶斯框架中进行拟合，适用于所有压力-时间组合。通过回归模型对预期表现最佳的模型进行了汇总和测试。随后应用了一个全局（初级-次级）二次模型来描述${log}_{10}{k}_{\text{max}}$和残留菌落数量$N_R$与压力之间的依赖关系，同时考虑了每个压力水平的随机效应。结果显示，随着压力的增加，$k_{\text{max}}$呈单调递增趋势，在450 MPa时灭活效果最为显著；而残留菌落数量则在整个压力范围内持续减少。后验预测检验确认，完整的Geeraerd模型能够准确描述灭活动力学，二次模型也充分反映了压力依赖性。这些发现表明，HHP显著加速了微生物的灭活过程，结合初级和次级模型的两阶段贝叶斯建模框架能够为非热食品保存工艺的优化提供可靠的预测依据。

引言

番茄在全球饮食中占据重要地位，不仅是主食，还是许多产品（如酱料和果汁）的关键成分。这些产品因其营养成分而受到重视，尤其是番茄红素，它具有抗氧化特性，并被认为有助于降低患癌症和心血管疾病等慢性疾病的风险（Kumar等人，2021年）。然而，番茄制品的加工过程通常涉及热巴氏杀菌，这会破坏这些有益的营养成分并改变最终产品的感官品质。虽然番茄的一些特性（如颜色、番茄红素含量和抗坏血酸含量）在热巴氏杀菌后几乎不受影响，但其他热敏感成分则会受到显著降解（Badin等人，2023年；Yang等人，2022年）。因此，尽管番茄的基本外观和结构完整性得以保留，但在传统热处理下其营养价值和整体品质可能会受损。

鉴于这些挑战，人们越来越关注探索替代加工技术，以在保证微生物安全性的同时延长食品的保质期并保持其营养和感官品质。高压静水压（HHP）技术作为一种非常有前景的非热处理方法脱颖而出，相比传统热处理方法具有显著优势（Je?等人，2018年；Ozturk等人，2021年）。HHP通过施加极高的压力（通常在100至600 MPa之间）来灭活微生物病原体和腐败酶，这种技术在远低于热处理所需的温度下即可实现目标，从而保护了热敏感营养素的分子结构。因此，HHP能够保持食品的颜色、风味和整体品质，甚至可能提高某些生物活性化合物的生物利用度，使消费者更容易吸收这些营养成分（Gupta和Balasubramaniam，2012年）。

大肠杆菌 O157:H7在食品行业中构成了严重的公共卫生威胁，因为它具有极低的感染剂量，并与急性腹泻和肾衰竭等严重疾病相关（Werner，2016年）。美国疾病控制与预防中心指出，这种病原体可引发危及生命的病症，并已导致多起食源性疾病暴发，影响生食和加工食品。大肠杆菌 O157:H7对各种环境压力的耐受性进一步增加了将其从食品中根除的难度（Usaga等人，2021年）。番茄自身的酸性和所含的复杂有机化合物矩阵会显著影响微生物灭活效果。虽然番茄产品的酸性环境可以抑制许多细菌的生长，但大肠杆菌 O157:H7对低pH值表现出明显的耐受性（Smittle，2000年）。这种耐受性使得依赖这些环境因素的传统巴氏杀菌过程难以有效控制微生物生长（Lee等人，2020年）。因此，寻找能够应对这些独特挑战的有效灭活方法对于提高番茄制品的安全性和保护公众健康至关重要。

微生物建模能够定量预测微生物在各种条件下的生长或灭活情况。初级模型可以描述微生物随时间的生长或灭活过程，帮助估算出准确描述这种动态行为的动力学参数。次级模型则评估温度、pH值和水分活度等因素对初级模型参数的影响（Buzrul和Alpas，2004年；Koseki和Yamamoto，2007年）。这类预测模型在工业研究和产品开发中具有不可或缺的价值，可为新产品配方的保质期预测提供数据支持。

尽管微生物建模在食品工业中得到广泛应用，但关于在高静水压（HHP）条件下特定食品基质（如番茄汁）中大肠杆菌灭活的研究仍然有限。本研究采用了先前用于微生物生长建模的方法来研究压力变化对灭活率的影响。最初的重点是建立压力水平与微生物灭活率之间的关系模型。这些研究成果有望为HHP诱导的微生物灭活提供更强大的预测模型，从而为食品安全管理中的HHP工艺优化提供支持。

章节片段

培养准备

大肠杆菌 O157:H7（ATCC 43888）由土耳其安卡拉的中东技术大学食品安全实验室提供，经过筛选后因其出色的耐压性而被选中（数据未显示）。冷冻菌株首先接种到胰蛋白酶大豆肉汤（Millipore，Merck）中，然后转移到添加了酵母提取物（0.6%，TSYEA，Millipore，Merck）的胰蛋白酶大豆琼脂（Millipore，Merck）上。

番茄汁样品中的初始接种浓度通过光谱法进行了验证

初级模型

首先使用标准灭活模型的NLS初步拟合来筛选各压力下的曲线形状（图1）。番茄汁样品中的初始大肠杆菌 O157（ATCC 43888）数量约为 log CFU/mL。在不同压力水平（150、250、350和450 MPa）和不同时间间隔（5、10、15、20和25分钟）下研究了细菌的灭活情况。描述这些条件下细菌灭活过程的曲线如图1所示。

结论

本研究探讨了在高静水压（HHP）条件下番茄汁中大肠杆菌 O157:H7的灭活情况，并建立了一个建模框架来量化观察到的动态变化。在150–450 MPa和5–25分钟的压力范围内，HHP显著减少了微生物数量，尤其是在较高压力和较长处理时间下效果更为明显。这些结果支持将HHP作为一种非热处理方法来达到微生物控制目标，同时保持产品质量。

贝叶斯全局框架

CRediT作者贡献声明

Furkan Erdem：撰写——初稿、方法论、实验设计、数据分析、概念构建。Onay Dogan：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论、数据分析、概念构建。Hami Alpas：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论、资金筹集、概念构建。

利益冲突声明

作者们没有利益冲突。

致谢

本工作得到了土耳其中东技术大学科学研究项目协调单位的资助，项目编号为GAP-314-2023-11371。