Hvad er de almindelige modeller og anvendelsesmuligheder for forudsigelse af fødevarers holdbarhed?

Fødevarers holdbarhed påvirker ikke kun forbrugernes sensoriske nydelse, men vedrører også forbrugernes sundhed og sikkerhed og er relateret til fødevareproducenternes omdømme, brand og økonomiske fordele. Nøjagtig forudsigelse og beregning af produkters holdbarhed under specificerede opbevaringsforhold er producenternes garanti og forpligtelse til fødevarernes kvalitet og effektivitet i cirkulationsperioden, hvilket kan give et effektivt grundlag for formulering af strategier for produktopbevaring, cirkulation og distribution og kan også give en reference til muligheden for yderligere at forlænge holdbarheden.

En fødevares holdbarhed er den periode, hvor fødevarens kvalitet opretholdes under de angivne opbevaringsforhold, normalt den periode, hvor fødevaren er acceptabel til konsum med hensyn til fysiske, kemiske, mikrobiologiske eller sensoriske egenskaber. Der er to mulige scenarier afhængigt af produktets egenskaber.
Den første er "sikker forbrugsperiode", hovedsageligt for letfordærvelige fødevarer, efter "sikker forbrugsperiode" er det sandsynligt, at det udgør en direkte trussel mod menneskers sundhed i løbet af kort tid, fødevaren betragtes som usikker, kan ikke sælges eller spises;
Det andet tilfælde er "bedst før", den dato, hvor fødevaren bevarer sine specifikke egenskaber (herunder kvalitetsegenskaber som udseende, lugt, konsistens, smag osv.), når den opbevares korrekt (EU1169/2011).
På nuværende tidspunkt er det standardbegreb, der anvendes i Kina, "fødevarens holdbarhed", og i artikel 15 (3) i "Foranstaltninger til overvågning og administration af fødevaremærkning (udkast til kommentarer)" udstedt den 23. september 2020, "kan kvalitetsdatoen markeres med" spise (drikke) før × × × måned × × dag i × × × År × × × måned × × × dag i × × × år × × " osv." Indikerer, at den fremtidige "fødevareholdbarhed" vil omfatte begrebet fødevareholdbarhed.
Denne artikel vil fokusere på de relevante standarder og regler for fødevarers holdbarhed, opsummere metoden til forudsigelse af holdbarhed baseret på princippet om kvalitetsforfald og analysere de problemer, der findes i den praktiske anvendelse af den eksisterende model til forudsigelse af holdbarhed kombineret med det tidligere forskningsgrundlag, for at give fødevareproducenter et vist grundlag for at evaluere, designe og verificere fødevarers holdbarhed.
Status for standarder og regler for fødevarers holdbarhed/udløbsdato
På nuværende tidspunkt er der ingen universel standard for definitionen af fødevarers holdbarhed eller holdbarhed i forskellige lande. ISO 16779:2015 fastslår, at fødevarers bedst før-dato er fristen for, at markedsførte produkter kan opretholde deres deklarerede kvalitet under specificerede opbevaringsforhold, dvs. før denne dato er produktkvaliteten stadig helt tilfredsstillende; og sidste anvendelsesdato er den udløbsdato, hvor fødevarens sikre kvalitet opretholdes under specificerede opbevaringsforhold, hvorefter produktet muligvis ikke har de kvalitetsegenskaber, som forbrugerne almindeligvis forventer, dvs. efter denne dato bør fødevaren ikke anses for at være salgbar.
Tabel 1 Standarder og regler for fødevarers holdbarhed i forskellige lande

Almindelige modeller og anvendelser til forudsigelse af fødevarers holdbarhed
Den holdbarhed, der i øjeblikket er angivet på føde- og drikkevarer, giver generelt forbrugerne en grov vejledning i produktets holdbarhed under etablerede forarbejdnings-, emballerings-, transport- og opbevaringsforhold.
Men i den faktiske produktlivskæde kan ændringer i opbevaringsforhold, skader på emballagen under transport og andre faktorer gøre produktets faktiske holdbarhed kortere eller længere end produktets tilsigtede holdbarhed, hvilket resulterer i problemer med fødevaresikkerhed og spild.
Fremskridt inden for forudsigelse og vurdering af holdbarhed er derfor afgørende for at forbedre fødevareforsyningens sikkerhed, pålidelighed og bæredygtighed.
I metoden til forudsigelse af holdbarhed er det afgørende at vælge den rigtige dynamiske model og dataanalyseteknologi, som kan forudsige produktets levetid mere præcist i henhold til ændringen af miljøforholdene og også kan overvåges i realtid. I denne artikel gennemgås metoden til forudsigelse af holdbarhed baseret på princippet om kvalitetsforfald.
I de senere år har indenlandske og udenlandske forskere brugt dynamiske modeller til at studere kvalitetsændringer af kødprodukter, grøntsager, frugt og så videre og forudsagt deres holdbarhed og opnået gode resultater.
Ved at analysere de vigtigste faktorer, der påvirker ændringen af produktkvaliteten, bestemmes nøgleindikatorerne for slutningen af holdbarheden, og der dannes et system til forudsigelse af holdbarheden baseret på princippet om kvalitetsforfald.
Ændringen af fødevarekvaliteten bestemmes af interne kvalitetsegenskabsfaktorer Ci (såsom koncentration, pH, vandaktivitet osv.) og eksterne miljøfaktorer Ej (såsom temperatur, relativ luftfugtighed, emballage osv.). Forringelse af fødevarekvaliteten kan udtrykkes som: rQ=f(Ci,Ej). Forringelse af fødevarekvaliteten omfatter generelt kemisk kvalitetsforringelse, mikrobiel vækstdynamik og sensorisk svigt af fødevaren.
1. Kinetisk model for kemisk kvalitetsforringelse Fødevareforringelse er for det meste forårsaget af kemiske reaktioner, og den kinetiske model for kemisk kvalitetsforringelse bruges generelt til at forudsige holdbarhed.
Den almindeligt anvendte kinetiske model for kemisk massehenfald er Arrhenius-modellen.
Arrhenius-modellen anvendes på fødevarer, som let ødelægges af kemiske reaktioner, såsom fedtoxidation, Maillard-reaktion og proteindenaturering.
Generelt gælder det, at jo højere temperaturen er, jo hurtigere er den kemiske reaktion, hvilket betyder, at produktkvaliteten falder hurtigere. Q10-modellen fokuserer på temperaturens indflydelse på holdbarheden, hvilket fører til lav forudsigelsesnøjagtighed. I Arrhenius-modellen bruges begrebet Q10 til at bestemme temperaturens følsomhed over for reaktionen.
Tabet af holdbarhed for en fødevare vurderes normalt ved at måle ændringen i det karakteristiske masseindeks A over tid t, normalt udtrykt som f(A)=k(T)t, hvor f(A) er fødevarens massefunktion, og k er reaktionshastighedskonstanten.
Hastighedskonstanten er den inverse eksponentielle funktion af den absolutte temperatur T, givet ved Arrhenius Arrhenius-udtrykket, k=kAexp(-ea /RT), hvor kA er en konstant, EA er aktiveringsenergien for den reaktion, der styrer massetabet, og R er den universelle gaskonstant. I henhold til følgende tilpasningsligning kan produktkvaliteten ved slutningen af hylden beregnes: -d [A]/dt=k[A]n, -d [B]/dt=k '[B]n', hvor k og k' er kvalitetsændringshastighedskonstanterne; n og n' er reaktionsrækkefølgen; d[A]/dt og d/dt er kvalitetsændringshastigheder. Tab af kemisk indeks A (f.eks. næringsstoffer eller karakteristiske smagsstoffer) eller uønsket kemisk indeks B (lugtsammensætning eller falmende pigmentindhold) er en nul-ordensmodel, hvis en lineær tilpasning af A eller B til tiden t er opfyldt; hvis den lineære tilpasning mellem A- eller B-semilogmer og t er opfyldt, er det en førsteordensmodel. Hvis en lineær tilpasning af 1/A eller 1/B til t er opfyldt, er det en andenordens-model.
Mikrobiel nedbrydning er en af de vigtigste måder, hvorpå fødevarer forringes, især for friske eller minimalt forarbejdede køleprodukter.
Mikroorganismer kan ødelægge fødevarer eller forårsage fødevarebårne sygdomme. Undersøgelser har vist, at madfordærv forårsaget af mikroorganismer hovedsageligt skyldes aktiviteterne i specifikke fordærvelsesorganismer (SSO) i fødevarelageret, og den mikrobielle flora er ikke statisk og ændrer sig med de interne faktorer og eksterne miljøfaktorer i forskellige typer fødevarer. Dens væksttrend er en vigtig faktor i forudsigelsen af fødevarers holdbarhed.
Holdbarhed kan defineres som tiden fra opbevaringens start, til SSO'er når et bestemt maksimumsniveau. Produktions- og forarbejdningsvirksomheder bør udføre holdbarhedstest for at afgøre, hvornår der sker en forringelse, og bør effektivt kontrollere væksttendensen for patogene mikroorganismer ved hjælp af sund videnskabelig forskning for at vurdere den potentielle risiko ved deres fødevarer.
Der findes mange temperaturrelaterede modeller i litteraturen til at beskrive mikrobiel vækst, og der er udviklet en række softwareværktøjer til at forudsige væksten af visse mikroorganismer i fødevarer, men kun få af dem kan anvendes til at forudsige den faktiske holdbarhed.
Der findes fire almindelige førsteordens modeller for mikrobiel dynamik: Lineær model, logistisk model, Gompertz-model og Baranyi & Roberts-model. Gompertz-modellen er hjørnestenen i den prædiktive mikrobiologi. PMP-systemet (Pathogen Modeling Program), der er udviklet af det amerikanske landbrugsministerium, og Food Micromodel (FM)-systemet, der er udviklet af det britiske ministerium for landbrug, fødevarer og fiskeri, bruger begge Gompertz-funktionen som den primære model.
3. Sensoriske prædiktive holdbarhedsmodeller Sensoriske prædiktive holdbarhedsmetoder Allerede i 1980'erne og 1990'erne beskrev Taoukis et al. principperne og metoderne til at udføre effektiv accelereret holdbarhedstestning (ASLT).
I ASLT-metoden er temperaturen den vigtigste parameter til at bestemme fødevareskaden, for jo højere temperaturen er, jo hurtigere bliver fødevaren beskadiget.
Forholdet mellem temperatur og nedbrydningshastighed kan udtrykkes ved hjælp af Arrhenius-ligningen. Der er generelt to hovedklasser af tests, der kan bruges til dette formål: differentielle tests (især pin-wise sammenligninger, dobbelt-triplet tests - normalt i kontrollerede tests for variation i forskelle - og trekantstests) og tests, der bruger passende skalaer (funktioner eller en bestemt egenskab).
På nuværende tidspunkt er den udbredte sensoriske metode til forudsigelse af holdbarhed i ind- og udland Weibull-risikoanalyse, som er en praktisk metode, der effektivt kombinerer princippet om ASLT og sensoriske metoder og foretager forbedringer.
Weibull-sandsynlighedsfunktionen bruges i vid udstrækning til at beskrive fejlfænomener inden for teknik, og den blev foreslået af Gacula og Kubala til test af holdbarhed. Princippet i metoden er, at forholdet mellem den kumulative skadesfrekvens og opbevaringstiden, som afspejles i forbrugerens afvisning af produktet, er som følger: lgt=lgH/β+ LG-α : t er tiden /d for opdagelse af den nye fordærvede fødevare; H er den kumulative risikorate /%; α er Weibull-fordelingsparameteren i skala; Beta er Weibull-fordelingsparameteren i form.
Wahyuni et al. undersøgte forudsigelsen af browniekagers holdbarhed ved at anvende ASLT-metoden (accelerated shelf life testing) kombineret med Arrhenius-modellen.
I denne undersøgelse blev der brugt tre ændringer i opbevaringstemperaturen på 20 ℃, 30 ℃ og 40 ℃, og thiobarbitursyre (TBA) blev valgt som ændringsindeks til overvågning.
Ifølge Ketarens forskning vil ændringer i næringsstoffer som f.eks. fedt under opbevaring forårsage harskning af fødevarer, og oxidationsprodukterne aldehyder kan danne farvede forbindelser med TBA. TBA-værdien bruges til at angive graden af oxidering, og mængden af TBA er den vigtigste faktor til at bestemme graden af olieskade.
Forsøgsresultaterne viste, at TBA-værdien steg med stigningen i opbevaringstemperaturen, og browniens holdbarhed blev estimeret ved hjælp af Arrhenius-ligningen, dvs. med stigningen i temperaturen (20 ℃, 30 ℃, 40 ℃) var produktets holdbarhed henholdsvis 1,57, 4,9 og 14 dage.
Nashi et al. gennemførte en holdbarhedsundersøgelse af smagskarakteristika for havrekornsdrikke efter øjeblikkelig behandling ved ultrahøj temperatur, og evalueringsindekserne omfattede ugunstig smagsblanding, n-hexal og PVG. Evalueringsmetoden var kromatografi af smagsstoffer, og der blev nedsat et sensorisk evalueringsteam til at vurdere smagens acceptabilitet. De eksperimentelle resultater viste, at når n-hexal-indholdet var 3-5 gange højere end den oprindelige værdi, blev smagskvaliteten af havrekorndrikke forbedret. Smagen af havregrynsdrikke er uacceptabel.
HU et al. undersøgte kvalitetsændringerne og holdbarheden af æg indlejret med chitosan under opbevaring og målte kvalitetsændringerne af æg indlejret under opbevaring ved henholdsvis 5 ℃, 20 ℃ og 35 ℃. Pearsons korrelationskoefficient for Hough-værdi, densitet og procentvis stigning i kammerdiameter blev analyseret for at etablere en model til forudsigelse af holdbarhed baseret på Arrhenius-ligningen.
Resultaterne viste, at æggenes kvalitet faldt med forlængelsen af opbevaringstiden. Høj temperatur (20 ℃ og 35 ℃) opbevaringsmiljø end lav temperatur (5 ℃) opbevaringsmiljø har en betydelig effekt på kvalitetsforringelse. Korrelationskoefficienten mellem æggeblommekvalitet og Hough-enhed er den højeste, hvilket kan bruges som et vigtigt indeks til at forudsige holdbarhed. I henhold til variationsloven for ægkvalitet kan den første ordens dynamiske model for æggeblomme etableres.
Koefficienten R2 for kurvetilpasningen mellem den forudsagte værdi og den målte værdi var 0,982 5, og den gennemsnitlige relative fejl P var 9,32%, mindre end 10%. Det dynamiske forhold mellem æggeblommekvalitet og temperatur blev beskrevet.
Samtidig blev modellen til forudsigelse af chitosanægs holdbarhed baseret på æggeblommekoefficienten bestemt ud fra den dynamiske model. Den gennemsnitlige relative fejl er 7,6%, mindre end 10%, hvilket indikerer, at modellen til forudsigelse af æggets holdbarhed baseret på ændringer i æggeblommekvaliteten er gennemførlig.
Liu Hong et al. viste, at bestemmelsen af holdbarhed i Kinas fødevare- og drikkevareindustri på nuværende tidspunkt hovedsageligt er afhængig af referencemetoden, dvs. empirisk værdi, og at der mangler videnskabelige og standardiserede testmetoder. Q10-modellen er en udbredt metode til at fremskynde destruktive tests i Kina, som primært undersøger temperaturens effekt på produktkvaliteten under opbevaring.
Ren Yani et al. brugte ASLT-metoden til at forudsige holdbarheden af blødt brød. Forsøgstemperaturerne blev indstillet til normal temperatur på 20 °C, 37 °C og 47 °C, og den relative luftfugtighed var 60%. Ved at teste produkternes syreværdi, peroxidværdi og mikrobielle indekser (samlet antal kolonier, skimmel og Escherichia coli) ved 37 ℃ og 47 ℃, kombineret med de sensoriske evalueringsresultater og Q10-modellen, analyserede forfatterne resultaterne af testene. Holdbarheden af blødt brød er beregnet under normale temperaturopbevaringsforhold.
I de senere år er nogle kinetiske modeller og mikrobielle vækstmodeller gradvist blevet anvendt til at forudsige produkters holdbarhed i Kina. Hu Yunfeng et al. undersøgte den dynamiske model for kvalitetsændring af frisk og vådt rismel ved forskellige opbevaringstemperaturer og anvendte Arrhenius-modellen til at forudsige dets holdbarhed. Resultaterne viser, at tilpasningskoefficienten for den klassiske blå værdi af frisk og vådt rismel er høj, og modellen baseret på den klassiske blå værdi som forudsigelsesmål har en lille empirisk fejl.
Cheng Xiaofeng et al. undersøgte holdbarhedsforudsigelsen for komprimerede kiks og valgte ASLT-metoden kombineret med Arrhenius-modellen til forudsigelse. Under accelereret opbevaringstemperatur blev ændringen af syreværdien for komprimerede kiks bestemt. Det viste sig, at ændringen af syreværdien var indlysende, hvilket var i overensstemmelse med den kinetiske model af første orden. Holdbarhedsforudsigelsesligningen for komprimerede kiks blev etableret, og produkternes holdbarhed ved 45 ℃ blev beregnet.
Problemer og forslag i undersøgelsen af holdbarhed i Kina
1. Den nuværende forskning i holdbarhed dækker få typer af produkter, for det meste spiseklare fødevarer;
2. Mange typer indenlandske produkter i de nuværende standarder mangler design af produktkvalitet, især ikke-fødevaresikkerhedsindikatorer (sundhedsindikatorer), men i den faktiske cirkulation af varer ændres produktkvaliteten ofte før fødevaresikkerhedsindikatorer, hvilket resulterer i vanskeligheder med at bestemme slutningen af produktets holdbarhed.
For eksempel, når man udførte holdbarhedsforsøget med nøddebarer, blev forsøgsordningen for nøddebarer designet ved at henvise til forsøgsordningen for holdbarhedsstabilitet baseret på temperaturforhold i tillæg B til T/CNFIA 001-2017 General Guide for Food Shelf-Life. I henhold til referencedataene blev det accelererede eksperiment designet i henhold til Q10=4 ved hjælp af prøver ved stuetemperatur (25 °C), accelererede prøver (opbevaringsbetingelser på 35 og 45 °C, 75%RH) og kontrolprøver (opbevaringsbetingelser på 4 °C). Produktet blev udført i henhold til GB 7099-2015 "Food Safety National Standard wienerbrød og brød" i henhold til de relevante krav i standarden. Fysisk-kemiske (syreværdi, peroxidværdi), mikrobiologiske (samlet antal kolonier, skimmelantal, coliformt antal), sensoriske (forskelstest, forbrugeraccepttest) indekser blev sammenlignet og evalueret.
De eksperimentelle resultater viste, at under de accelererede forhold på 35 ℃ og 45 ℃ overskred syreværdien og peroxidværdien ikke standardgrænseværdien inden for 320 dage efter konvertering af opbevaringsdage ved normal temperatur, og de mikrobielle testresultater var også kvalificerede, hvilket var langt lavere end grænsekravene i standarden. Derfor kan produktets Q10 ikke bestemmes ved hjælp af syreværdi- eller peroxidværditest, og produktets holdbarhed kan evalueres ved hjælp af syreværdi eller peroxidværdi.
Ifølge de eksperimentelle resultater af trepunktstesten af sensorisk evaluering, i konfidensintervallet på P≤0,05, havde produktet under betingelse af 35 ℃ acceleration den mest åbenlyse forskel mellem kontrolprøven og produktet, når opbevaringsdagene nåede 270 dage ved normal temperatur, men kontrolprøven havde ingen signifikant forskel, og forskellen mellem produktet i kontinuerlig opbevaring og kontrolprøven blev ikke udvidet. Da opbevaringsdagene ved stuetemperatur nåede 270 d under den accelererede tilstand på 45 ℃, var der en signifikant forskel mellem prøven og kontrolprøven. Ifølge dette eksperiment bør produktets holdbarhed ved stuetemperatur være ca. 270 dage (9 måneder).
Resultaterne af den sensoriske acceptvurdering viste, at under den accelererede tilstand på 35 °C kunne intet indeks ikke opfylde minimumsacceptkravet på 3,5 point i testperioden (omregnet til 320 dages opbevaring ved normal temperatur). Under betingelse af 45 ℃ acceleration kan produkterne med 450 dages opbevaring ved stuetemperatur ikke nå det mindste acceptkrav på 3,5 point undtagen vedhæftningsindekset. Ifølge dette eksperiment bør produktets holdbarhed ved stuetemperatur være ca. 450 dage (15 måneder).
Tre forskellige eksperimentelle metoder har opnået helt forskellige testresultater for holdbarhed, og de fysiske og kemiske indikatorer er ikke overskredet, den sensoriske har vist sig at være uacceptabel.
3. For lignende kornprodukter (såsom ris, nudler osv.) og andre primære forarbejdede landbrugsprodukter skyldes manglen på vejledende indikatorer (fysiske og kemiske, mikrobielle) eller vejledende indikatorer for kvalitetsforringelse af mellemprodukter (såsom fedtsyreværdi), og produktets holdbarhed er dårlig.
I lyset af ovenstående problemer og mange indenlandske fødevarekategorier er testperioden for holdbarhed lang, og data om forudsigelse af holdbarhed for forskellige fødevarekategorier er ikke stærke. Det foreslås at øge forskningen i forudsigelse af holdbarhed for forskellige fødevarer og primære forarbejdede landbrugsprodukter, styrke forskningen i relaterede kvalitetsforringelsesindikatorer og forbedre stabiliteten og henvisbarheden af data om forudsigelse af holdbarhed. Samtidig måles holdbarheden i kombination med ASLT-modellen, efter at Q10 er opnået gennem multitemperaturtest, og nøjagtigheden af holdbarhedsforudsigelsen forbedres.