玉米薄餅貯藏品質分析及貨架期預測模型建立

曹 勇，張隋鑫，許秀穎，趙城彬，吳玉柱，張 浩，劉景圣

（吉林農業大學食品科學與工程學院，小麥和玉米深加工國家工程實驗室，吉林 長春 130118）

營養美味玉米主食的研究與開發對我國糧食產業和食品工業的發展具有深遠的意義[1]，對玉米食品的新技術[2]、加工工藝[3]、成分變化[4-5]等領域的深入研究可為玉米主食產業發展打下良好的基礎。玉米餅類食品具有悠久的歷史，以玉米和小麥粉為主要原料，輔以豆粉或薯粉，糖、油脂及其他材料，經調粉（漿）、成型、蒸或煎烤等工藝制成。玉米餅制品種類豐富，按照加工工藝及產品特性不同，分為發酵玉米餅、黏餅、筋餅、煎餅、玉米餅干等。玉米粉糊化溫度高（62～72 ℃）、黏性較大，其淀粉中直鏈淀粉含量較高，易回生。因玉米自身理化特性，其在口感、加工及貯藏方面存在不良影響，如何提高玉米食品的品質并延長其貨架期是當下亟待解決的問題。

來自食品自身及環境中的物理、化學、微生物、生物化學等諸多因素會導致食品在貯藏過程中發生品質劣變[6]。研究食品貯藏品質變化可為保障食品安全提供重要的理論基礎。影響淀粉類食品貨架期的主要原因是水分狀態及遷移、微生物生長及回生。張婉等[7]研究了貯藏溫度對鮮熟面條感官品質、pH值、彈性、黏聚性、菌落總數的影響，篩選出有效的貨架期預測指標，根據鮮熟面在不同溫度貯藏下菌落總數的變化情況，建立鮮熟面的貨架期預測模型。Ai Jing等[8]研究了大米蒸糕在貯藏過程中，食品添加劑對米糕回生及水分分布的影響，結果表明可溶性膠體的抗老化機制與食品水分含量有關。胡云峰等[9]運用Arrhenius方程，以碘藍值為預測指標，建立了不同溫度下鮮濕米線的貨架期預測模型。化學動力學模型是表征食品在貯藏過程中品質變化的有利工具，研究表明，以理化指標、微生物指標或感官指標作為評定食品品質的關鍵因子建立的動力學模型可反映食品品質的變化情況，進而有效預測食品的貨架期[10-12]。

韌性薄餅的特點是韌性大，具有拉伸性，柔軟而筋道，可以包裹其他食材，具有廣闊的市場前景。本實驗以自制韌性玉米薄餅為研究對象，采用色差分析、差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）法及質構分析（texture profile analysis，TPA）對玉米薄餅在貯藏過程中理化指標、微生物生長規律和產品的貨架期進行研究，以期確定貯藏溫度對餅貯藏品質的影響，并根據預測的微生物學模型，建立貨架期預測模型，進一步預測產品的貨架期，為韌性玉米薄餅貯藏過程中的品質變化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米粉、小麥粉均為市售。

胰蛋白胨、瓊脂 英國Oxoid公司；酵母浸膏、月桂基硫酸鹽胰蛋白胨肉湯 青島高科技工業園海博生物技術有限公司；硫代硫酸鈉、葡萄糖、無水乙酸鈉、碘化鉀、碘 天津市光復科技發展有限公司；三氯甲烷、氫氧化鉀、濃鹽酸、硫酸、異丙醇、冰乙酸 北京化工廠。

1.2 儀器與設備

RVA-TecMasterTM快速黏度分析儀 澳大利亞Perten公司；Q2000 DSC儀 美國TA公司；40型全自動壓餅機邢臺市金聚豐機械廠；CM-5色差儀 日本柯尼卡美能達公司；TA.XT Plus食品物性測定儀 英國Stable Micro Systems公司；HWS恒溫恒濕培養箱 寧波東南儀器有限公司；DSX-2803高壓蒸汽滅菌器 上海申安醫療器械廠。

1.3 方法

1.3.1 玉米薄餅制備工藝

玉米薄餅制備工藝參照傳統筋餅的制作方法，采用上下同時加熱型全自動壓餅機壓制而成。玉米粉經預糊化和發酵（加入玉米粉質量60%的沸水進行熱燙預糊化，攪拌均勻，密封，30 ℃發酵2 h）→加入小麥粉（m（玉米粉）∶m（小麥粉）＝2∶3）→加水混勻（料水比5∶3）→攪拌揉制（10 min）→成型（每個面團為30 g）→熟制（140 ℃、20 s）→室溫冷卻→包裝（無菌無塵環境下，常壓密封）→成品。

所得成品圓型韌性玉米薄餅，水分質量分數為（14±2）%、厚度為（1.2±0.2）mm、韌性為（1 220.0±5.5）g。樣品分別于4、25、40 ℃溫度條件下存放，每隔2 d取樣，進行測定。

1.3.2 感官評定

由食品科學專業教師和研究生共15 人，經過培訓組成感官評價小組，對樣品的色澤、口感、氣味3 個指標進行感官評價。所有指標分為“好”、“較好”和“差”3 個等級，感官評價標準如表1所示。

表1 玉米薄餅感官評價標準Table 1 Criteria of sensory assessment of corn pancakes

1.3.3 理化指標測定

水分質量分數測定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》[13]。

酸值測定參照GB 5009.229—2016《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》[14]的方法。

樣品過氧化值測定參照GB 5009.227—2016《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》[15]的方法。

1.3.4 微生物指標測定

菌落總數參照GB 4789.2—2016《食品安全國家標準食品微生物學 檢驗菌落總數測定》[16]的方法測定，結果用lg（CFU/g）表示。

大腸菌群總數參照GB 4789.3—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 大腸菌群計數》[17]的方法測定。

1.3.5 色值測定

利用色差儀測定樣品色值，記錄L*、a*、b*值的變化。L*值代表亮度（0代表黑色，100代表白色），a*值代表紅綠度（+代表紅色，－代表綠色），b*值代表黃藍度（+代表黃色增加，－代表藍色）。

1.3.6 老化特性測定

通過DSC儀分析淀粉重結晶程度。稱取10.00 mg樣品，裝入鋁盤內密封，以10 ℃/min進行掃描，掃描溫度范圍為20～110 ℃。

1.3.7 質構特性測定

采用食品物性測定儀的TPA模式進行餅的質構特性測定，將玉米薄餅樣品置于模具中央，旋緊螺絲固定樣品。通過兩次沖壓，利用HDP/TPB探頭進行樣品延展性和韌性的測定。測前速率1.0 mm/s、測試速率1.0 mm/s、測后速率10.0 mm/s、測試距離40 mm、觸發力5 g。

1.3.8 玉米薄餅貨架期預測模型建立

1.3.8.1 微生物生長動力學模型（一級模型）

根據貯藏在4、25、40 ℃條件下玉米薄餅的菌落總數，采用Gompertz方程（式（1））描述微生物生長變化，進行非線性回歸分析[18]。

式中：N（t）為t時刻樣品菌落總數（lg（CFU/g））；N0為初始的樣品菌落總數（lg（CFU/g））；λ為延滯時間/d；μmax為最大比生長速率/d－1；α為總生長量，是最大菌落總數與初始菌落總數差值（lg（CFU/g））。

1.3.8.2 溫度對微生物生長影響模型（二級模型）

用Belehradek方程，即平方根方程描述溫度對菌落總數生長的影響[19]，具體見式（2）、（3）。

式中：μmax為最大生長速率/d－1；λ為延滯時間/d；T為溫度/℃；bμ、bλ為回歸直線的斜率；Tminμ、Tminλ為假設概念，指理論上微生物細胞能夠代謝的最低溫度/℃。

1.3.8.3 模型可靠性驗證

應用建立的微生物動力學模型求得貯藏在4、25、40 ℃環境下樣品貨架期的預測值，與實驗實際值比較，采用偏差因子（bias factor，Bf）和準確因子（accuracy factor，Af）來評價菌落總數生長動力學模型的可靠性，Bf和Af分別按式（4）、（5）進行計算[20-21]。

式中：N實測是實驗測得的微生物的數量；N預測是應用微生物生長動力學模型中得到的與N實測同一時間的微生物數量；n為實驗次數。

1.4 數據統計與處理

實驗均重復3 次，利用SPSS 22.0軟件通過單因素方差分析比較差異顯著性，P＜0.05為差異顯著，數據以平均值±標準差表示。利用Origin Pro 8.5軟件作圖與模型擬合。

2 結果與分析

2.1 玉米薄餅貨架期品質指標變化

2.1.1 感官評價分析結果

圖1 不同溫度貯藏玉米薄餅感官評分變化Fig.1 Changes in sensory score of samples under different storage temperatures

由圖1可知，隨著貯藏時間的延長，玉米薄餅感官評分呈下降趨勢，即玉米薄餅的感官品質逐漸降低。其中，在4 ℃貯藏條件下，樣品的感官評分下降速率緩慢，在14 d的貯藏過程中保持了較好的感官品質。在25 ℃和40 ℃貯藏條件下，感官評分下降速率加快。感官品質的下降主要由微生物活動、自身組分變化、水分遷移等原因引起。當感官評分降至60 分時，即認為不適宜食用，達到保質期限值。

2.1.2 酸值分析結果

圖2 不同溫度貯藏玉米薄餅酸值變化Fig.2 Changes in acid value of samples under different storage temperatures

酸值是用來表示脂質水解酸敗程度的指標，酸值越高表示脂質水解產生游離脂肪酸含量越高。貯藏過程中較高的溫度對脂肪的水解有一定的促進作用，會產生較多的游離脂肪酸；因此貯藏溫度越高，酸值變化越大[22-23]。如圖2所示，玉米薄餅酸值均隨貯藏時間的延長而逐漸增大，在4 ℃條件下貯藏，玉米薄餅的酸值上升速率最小。貯藏14 d時，25、40 ℃條件下玉米薄餅酸值分別達到2.03、2.75 mg/g。在貯藏時間內，玉米薄餅酸值一直低于GB 7099—2015《食品安全國家標準 糕點、面包》[24]中對糕點等食品酸值規定的食品安全限量要求（5 mg/g）。

2.1.3 過氧化值分析結果

圖3 不同溫度貯藏玉米薄餅過氧化值的變化Fig.3 Changes in POV of samples under different storage temperatures

通過測定脂肪過氧化值，可以判定其氧化變質的程度[25]。如圖3所示，4 ℃貯藏條件下，玉米薄餅的過氧化值增加的幅度最小。而在25 ℃和40 ℃貯藏條件下，玉米薄餅過氧化值隨貯藏時間的延長而逐漸增大。在40 ℃貯藏14 d時，玉米薄餅的過氧化值達0.18 g/100 g。隨貯藏溫度的升高，油脂反應的速率加快，促進了脂肪的氧化。在不同溫度下貯藏14 d時，玉米薄餅的過氧化值均小于GB 7099—2015[24]中對糕點等食品過氧化值規定的食品安全限量要求（0.25 g/100 g）。

2.1.4 菌落總數和大腸桿菌分析結果

圖4 不同貯藏溫度玉米薄餅菌落總數的變化Fig.4 Changes in total number of bacterial colonies in samples under different storage temperatures

玉米薄餅含有豐富的營養，同時水分含量較高。貯藏時微生物大量生長繁殖，從而導致其貨架期縮短。隨著貯藏時間延長和溫度升高，菌落總數增加[26]。如圖4所示，在不同貯藏溫度下玉米薄餅樣品的菌落總數隨貯藏時間的延長呈上升趨勢，25 ℃和40 ℃條件下，菌落總數增長較快。40 ℃貯藏6 d時，玉米薄餅的菌落總數已經達到4.90（lg（CFU/g））。25 ℃貯藏10 d時，玉米薄餅的菌落總數達到4.98（lg（CFU/g））。4 ℃下，菌落總數增長最為緩慢，14 d時達到2.51（lg（CFU/g）），未達到GB 7099—2015[24]規定的糕點安全限量（5（l g（C F U/g）））。而在25 ℃和40 ℃下分別貯藏10 d和6 d時，菌落總數接近GB 7099—2015[24]的規定的食品安全限量要求。因為包裝條件對菌落總數存在較大影響，所以本實驗中，為避免空氣中細菌污染薄餅，餅的生產和包裝環境達到商業無菌無塵的衛生標準。本實驗中，玉米薄餅在4、25、40 ℃條件下貯藏的整個過程中均未檢出大腸菌群。

2.1.5 色值分析結果

色澤是食品的主要質量指標。如表2所示，隨貯藏時間延長，玉米薄餅L*值和a*值均呈下降趨勢，b*值呈上升趨勢，即樣品的整體色澤加深。色值變化主要是淀粉的老化、脂肪氧化及微生物生長所導致的[27]。隨著貯藏時間的延長，淀粉發生老化現象，水分子局部析出，從而阻礙了表面對光的反射，致使光的反射率下降，亮度降低；微生物也開始生長，霉菌、酵母菌會在餅的內部及表面滋生，導致面片表面出現綠色斑點；同時玉米薄餅中組分也會發生褐變反應，導致餅變暗、變褐，色澤向綠色和黃色發展。

表2 不同貯藏溫度玉米薄餅L*值、a＊值和b*值Table 2L*,a* andb* values of corn pancakes under different storage temperatures

2.1.6 熱特性分析結果

運用DSC技術可以對淀粉制品的回生老化程度進行測定。凝膠在溫度掃描過程中會有不同程度的吸熱及放熱現象，淀粉凝膠結晶度增加，代表其回生程度增大[28]。在不同貯藏溫度下，對玉米薄餅熱力學參數的變化進行測定，結果如表3所示。貯藏時間對重結晶淀粉的熱特性有顯著影響，隨著貯藏時間的延長，玉米薄餅的重結晶融化起始溫度t0、最高溫度tp、終止溫度tm和老化焓ΔH呈升高趨勢，是因為在貯藏過程中，樣品中淀粉分子逐漸老化回生，增強了淀粉分子內部有序性的結晶，融化淀粉重結晶所需的老化焓越來越高，導致了ΔH的升高，其在4 ℃下由第0天的0.9 J/g增加到第14天的4.28 J/g。

2.1.7 質構特性分析結果

圖5 不同貯藏溫度玉米薄餅質構特性變化Fig.5 Changes in texture properties of samples under different storage temperatures

質構特性測試常與感官評價相結合，能夠減少感官評價的主觀誤差，是目前評價食品品質的一種重要方法。淀粉基食品在貯藏過程中易發生老化現象，在貯藏過程中質構特性的變化與淀粉的老化有一定的關系[29]。由圖5可知，隨著貯藏時間的延長，玉米薄餅的韌性及延展性呈下降趨勢。在貯藏14 d的過程中，40、25、4 ℃條件下玉米薄餅韌性分別下降了55.35%、34.82%、19.96%，延展性分別下降了15.36%、12.40%、5.50%。韌性和延展性明顯下降是由于在貯藏期內，玉米薄餅中微生物生長、淀粉的老化、水分的析出破壞了玉米薄餅內面筋蛋白與淀粉分子形成的空間結構，導致玉米薄餅質構特性的變化，使其隨貯藏時間的延長韌性和延展性降低。而隨著貯藏溫度的升高，餅的韌性與延展性下降幅度加大。這是由于隨著貯藏溫度的升高，餅中的許多酶促和非酶促化學反應速率及微生物生長速率均加快，其導致面筋網絡結構物理性破壞。結合感官評價，玉米薄餅韌性低于600 g、延展性低于55 mm時即認為不適宜食用，到達保質期限值。

2.2 貨架期預測模型構建結果

玉米薄餅含有豐富的營養和較高的水分，因此，在貯藏過程中易腐敗變質。為了實現玉米薄餅工業化生產，建立其貨架期預測模型是非常必要的。可以通過貨架期預測模型對玉米薄餅的保質期進行預測，防止食品安全事件的發生。通過對玉米薄餅不同溫度下各指標變化研究可知，貯藏期內玉米薄餅的酸值與過氧化值較低。而色值變化、質構特性和感官評分均與微生物生長密切相關，25 ℃和40 ℃下分別貯藏10 d和6 d時菌落總數接近安全標準規定值，此時酸值、過氧化值和質構這3 種相關指標均未超出保質期限值。根據相關性分析結果，本實驗以菌落總數為貨架期預測指標，通過研究貯藏溫度對玉米薄餅菌落總數生長的影響，利用Gompertz方程來擬合微生物的生長曲線，進而結合平方根模型，建立并驗證玉米薄餅的貨架期預測模型。其中，Gompertz方程用于描述食品在貯藏期內微生物的生長情況，利用延滯時間λ、最大比生長速率μmax、總生長量α這3 個主要參數對微生物生長進行預測，建立一級模型。二級模型采用平方根模型。平方根方程被廣泛應用在溫度如何影響微生物生長的研究中，是根據微生物的生長速率或延滯時間倒數的平方根與溫度之間存在的線性關系而建立的預測模型。

2.2.1 玉米薄餅貯藏期間品質指標相關性分析結果

Pearson相關系數越大，說明兩者之間的相關性越大，由表4可知，不同貯藏溫度下，玉米薄餅的感官評分與各理化指標之間的Pearson相關系數均大于0.9，說明指標間相關性較好。且不同貯藏溫度下玉米薄餅的感官評分與過氧化值、酸值、菌落總數、b*值呈極顯著負相關（P＜0.01），與韌性、延展性、L*值、a*值呈極顯著正相關（P＜0.01）。因此，在玉米薄餅貯藏期內上述指標可以在一定程度上反映餅貨架期品質特性的變化。

在3 種貯藏溫度條件下，規定當餅滿足菌落總數接近5（lg（CFU/g））、感官評分低于60、韌性低于600 g、延展性低于55 mm這4 種條件之一時，不宜食用。研究結果表明，玉米薄餅的菌落總數達到5（lg（CFU/g））時（即25 ℃下貯藏10 d、40 ℃下貯藏6 d，4 ℃下整個過程中均未達到），其他指標均在國家標準規定范圍內。同時，菌落總數與感官評分之間具有極顯著負相關關系，4、25、40 ℃下相關系數分別為0.983、0.985、0.992，因此把菌落總數作為玉米薄餅品質變化和貨架期動力學預測模型的關鍵因素，即菌落總數為5（lg（CFU/g））時玉米薄餅的貨架期達到終點。

表4 玉米薄餅各品質指標間相關性分析結果Table 4 Correlation coefficients between physicochemical indices and sensory score

2.2.2 菌落總數生長動力學模型

2.2.2.1 菌落總數生長曲線和動力學模型

圖6 菌落總數的生長曲線和動力學模型Fig.6 Kinetic curve and model for total viable count growth

圖6 為玉米薄餅分別在4、25 ℃和40 ℃貯藏條件下得到的菌落總數，利用Gompertz方程計算擬合和預測微生物生長曲線和模型。結果表明，Gompertz方程可以很好地描述本實驗中的微生物生長曲線，在不同溫度條件下得到的微生物生長模型的方程為：y4℃＝1.398+4.973exp[－exp（1.829－0.103x）]，R2＝0.978；y25℃＝1.398+4.992exp[－exp（1.217－0.224x）]，R2＝0.989。y40℃＝1.398+4.980exp[－exp（1.091－0.383x）]，R2＝0.992。

2.2.2.2 菌落總數生長動力學參數

表5 菌落總數生長動力學參數Table 5 Kinetic parameters for total viable count growth

表5為不同溫度條件下菌落總數生長動力學參數，隨著貯藏溫度的升高，最大比生長速率μmax呈現上升趨勢。在低溫貯藏時，菌落總數的生長緩慢，延滯時間λ較長，隨著溫度的升高，最大比生長速率μmax逐漸增大，延滯時間λ逐漸縮短。從擬合結果可知，決定系數R2均大于0.97。因此，模型可以用于預測玉米薄餅貯藏過程中菌落總數的變化。

2.2.3 溫度對菌落總數生長動力學的影響模型

圖7 Belehradek方程描述溫度與μmax的關系Fig.7 Relationship between temperature and maximum growth rate fitted to Belehradek model

通過Gompertz模型可以較好地預測菌落總數的生長，但是對于溫度如何影響微生物生長未進行描述。在0～40 ℃溫度條件下，根據平方根模型研究溫度對微生物生長參數的影響，認為生長速率或延滯時間倒數的平方根與溫度之間存在線性關系[27]。應用平方根方程描述的溫度與生長速率關系如圖7所示，生長速率隨溫度的上升逐漸增大，溫度與生長速率的平方根呈良好的線性關系，方程為：R2＝0.986。

應用平方根模型描述的溫度與延滯時間的關系見圖8，溫度與延滯時間倒數的平方根呈良好的線性關系，延滯時間隨溫度上升逐漸減小，具體關系的方程為：（R2＝0.902）。表明平方根模型可以較好地描述玉米薄餅中微生物的生長參數隨貯藏溫度的變化規律。

圖8 Belehradek方程描述溫度與延滯時間的關系Fig.8 Relationship between temperature and lag phase fitted to Belehradek model

2.2.4 菌落總數生長動力學模型驗證和可靠性評價

表6 菌落總數生長預測值的準確因子和偏差因子Table 6 Bias and accuracy factors of predicted values for the growth of total viable count

應用建立的微生物生長動力學模型求得4、25 ℃和40 ℃貯藏時的預測值，并與實驗中測得實際菌落總數比較。偏差因子能衡量預測值與實測值偏離程度，該值小于1表明生長速率預測值比實測值大，預測值較為安全；一般認為偏差因子在0.75～1.25之間，模型可被接受[21]。準確因子是衡量預測值與實測值的平均誤差，該值等于1表明預測值與實測值完全吻合，預測準確，一般在1.1～1.9之間[30]。由表6可知，偏差因子在0.899～1.051之間，準確因子在1.126～1.281之間，表示誤差較低，因此本研究中建立的預測模型能夠很好地預測玉米薄餅中微生物的生長狀態。

2.2.5 貨架期預測和驗證

玉米薄餅的貨架期是根據建立的菌落總數生長模型測得菌落總數從初始增加至貨架期終點的最小腐敗量（NS，105CFU/g）所需的時間來預測。通過Gompertz模型計算出不同溫度下的動力學參數，將上述參數代入式（6）得到菌落總數的貨架期預測模型（7）。

在相同的實驗條件下，以菌落總數接近5（lg（CFU/g））為保質期限值，對貯藏于3 個溫度下的玉米餅樣品進行實際貨架期的測定，將實驗得到的貨架期實際值與預測值進行比較，探究貨架期模型的可靠性，結果如表7所示。預測值和實測值的相對誤差在－4.10%～2.91%，驗證結果表明，采用本研究建立的菌落總數動力學生長模型可以快速可靠地預測4～40 ℃貯藏溫度下玉米薄餅的貨架期。

表7 玉米薄餅的貨架期預測值和實際值Table 7 Observed and predicted shelf-life of corn pancake

3 結 論

隨貯藏時間的延長，玉米薄餅的酸值、過氧化值、菌落總數、熱焓值均逐漸增加；韌性、延展性、感官評分逐漸降低，各指標隨貯藏溫度的升高變化速率加快。影響玉米薄餅貨架期的關鍵因素為微生物生長情況，根據不同溫度下菌落總數生長曲線應用Gompertz方程建立了菌落總數生長擬合模型，模型可以很好地預測菌落總數在4、25 ℃和40 ℃下生長狀態。利用平方根模型，建立菌落總數生長速率和延滯時間隨溫度變化的動力學模型，結果表明，隨溫度的升高菌落總數生長速率逐漸增加。根據Gompertz模型和平方根模型建立了玉米薄餅貨架期預測模型，該模型可以有效地預測4～40 ℃下玉米薄餅的貨架期。本實驗條件下，玉米薄餅在4、25 ℃和40 ℃條件下的貨架期分別為35、10 d和6 d。研究結果可為玉米餅及相關制品的工業化生產提供技術和理論依據。