Melyek az élelmiszerek eltarthatósági idejének előrejelzésének általános modelljei és alkalmazási esetei?

Az élelmiszerek eltarthatósági ideje nemcsak a fogyasztók érzékszervi élvezetére van hatással, hanem a fogyasztók egészségét és biztonságát is érinti, és összefügg az élelmiszer-gyártók hírnevével, márkájával és gazdasági hasznával. A termékek meghatározott tárolási körülmények közötti eltarthatósági idejének pontos előrejelzése és kiszámítása a gyártók garanciája és elkötelezettsége az élelmiszerek minőségére és hatékonyságára a forgalmazási időszak alatt, ami hatékony alapot nyújthat a termékek tárolási, forgalmazási és forgalmazási stratégiáinak kialakításához, valamint hivatkozási alapot nyújthat az eltarthatósági idő további meghosszabbításának lehetőségéhez.

Az élelmiszer eltarthatósági ideje az az időtartam, amely alatt az élelmiszer minősége a megadott tárolási körülmények között megmarad, általában az az időtartam, amely alatt az élelmiszer fizikai, kémiai, mikrobiológiai vagy érzékszervi tulajdonságai tekintetében fogyasztásra elfogadható. A termék jellemzőitől függően két lehetséges forgatókönyv létezik.
Az első a "biztonságos fogyasztási időszak", főként a romlandó élelmiszerek esetében, a "biztonságos fogyasztási időszak" után rövid időn belül valószínűleg közvetlen veszélyt jelent az emberi egészségre, az élelmiszer nem tekinthető biztonságosnak, nem értékesíthető vagy fogyasztható;
A második eset a "minőségmegőrzési idő", azaz az a dátum, amikor az élelmiszer megfelelő tárolás mellett megőrzi különleges tulajdonságait (beleértve a minőségi jellemzőket, mint például a megjelenés, szag, állag, íz stb.) (EU1169/2011).
Jelenleg a Kínában használt szabványos kifejezés az "élelmiszer eltarthatósági ideje", és a 2020. szeptember 23-án kiadott "Élelmiszer-címkézési felügyeleti és igazgatási intézkedések (megjegyzéseket tartalmazó tervezet)" 15. cikkének (3) bekezdésében "a minőségi dátumot a következővel lehet jelölni:" evés (ivás) a ××× hónap ×× nap előtt ××× év ×× hónap ×× nap előtt ××× év ××× ", stb.". Jelzi, hogy a jövőben az "élelmiszer eltarthatósági idő" fogalma magában foglalja az élelmiszer eltarthatósági idő fogalmát.
Ez a dokumentum az élelmiszerek eltarthatósági idejére vonatkozó szabványokra és előírásokra összpontosít, összefoglalja a minőségromlás elvén alapuló eltarthatósági előrejelzési módszert, és elemzi a meglévő eltarthatósági előrejelzési modell gyakorlati alkalmazásában meglévő problémákat a korábbi kutatási alapokkal kombinálva, annak érdekében, hogy bizonyos alapot biztosítson az élelmiszer-gyártók számára az élelmiszer eltarthatósági idő értékeléséhez, tervezéséhez és ellenőrzéséhez.
Az élelmiszerboltok élettartamára/felhasználhatósági idejére vonatkozó szabványok és rendeletek állapota
Jelenleg nincs általános szabvány az élelmiszerek eltarthatósági idejének vagy az élelmiszerek eltarthatósági idejének meghatározására a különböző országokban. Az ISO 16779:2015 előírja, hogy az élelmiszerek minőségmegőrzési ideje az a határidő, ameddig a forgalomba hozott termékek meghatározott tárolási körülmények között megőrzik a deklarált minőségüket, azaz ezen időpont előtt a termék minősége még teljesen kielégítő; a fogyaszthatósági idő pedig az a lejárati idő, ameddig az élelmiszer biztonságos minősége meghatározott tárolási körülmények között megmarad, ezután a termék nem rendelkezik a fogyasztók által általánosan elvárt minőségi jellemzőkkel, azaz ezen időpont után az élelmiszer nem tekinthető forgalomképesnek.
1. táblázat Élelmiszerek eltarthatósági ideje/tartósítási ideje a különböző országokban érvényes szabványok és előírások

Az élelmiszerek eltarthatósági idejének előrejelzésére szolgáló általános modellek és alkalmazások
Az élelmiszereken és italokon jelenleg feltüntetett eltarthatósági idő általában a fogyasztók számára egy durva iránymutatást ad a termék eltarthatósági idejéről a meghatározott feldolgozási, csomagolási, szállítási és tárolási feltételek mellett.
A termék tényleges életciklusában azonban a tárolási körülmények változása, a csomagolás szállítás okozta sérülése és egyéb tényezők miatt a termék tényleges eltarthatósági ideje rövidebb vagy hosszabb lehet, mint a termék tervezett eltarthatósági ideje, ami az élelmiszerbiztonsággal és a hulladékkal kapcsolatos problémákhoz vezethet.
Az eltarthatósági idő előrejelzésében és értékelésében elért előrelépések ezért kulcsfontosságúak az élelmiszerellátás biztonságának, megbízhatóságának és fenntarthatóságának javítása szempontjából.
Az eltarthatósági idő előrejelzési módszerében kulcsfontosságú a megfelelő dinamikus modell és adatelemzési technológia kiválasztása, amely a környezeti feltételek változásának megfelelően pontosabban meg tudja jósolni a termék élettartamát, és valós időben is nyomon követhető. Ebben a tanulmányban a minőségromlás elvén alapuló eltarthatósági idő előrejelzésének módszerét tekintjük át.
Az elmúlt években a hazai és külföldi tudósok dinamikus modelleket használtak a hústermékek, zöldségek, gyümölcsök stb. minőségi változásainak tanulmányozására, valamint a tárolási élettartamuk előrejelzésére, és jó eredményeket értek el.
A termékminőség változását befolyásoló fő tényezők elemzésével meghatározzák a szavatossági idő végének kulcsfontosságú mutatóit, és kialakítják a minőségromlás elvén alapuló szavatossági idő előrejelzési módszer rendszerét.
Az élelmiszer minőségének változását a Ci belső minőségi tulajdonságok (pl. koncentráció, pH, vízaktivitás stb.) és az Ej külső környezeti tényezők (pl. hőmérséklet, relatív páratartalom, csomagolás stb.) határozzák meg. Az élelmiszer minőségromlása a következőképpen fejezhető ki: rQ=f(Ci,Ej). Az élelmiszer minőségromlása általában magában foglalja a kémiai minőségromlást, a mikrobák növekedési dinamikáját és az élelmiszer érzékszervi hibákat.
1. Kémiai minőségromlási kinetikai modell Az élelmiszerek romlását többnyire kémiai reakciók okozzák, a kémiai minőségromlási kinetikai modellt általában az eltarthatósági idő előrejelzésére használják.
A kémiai tömegbomlás általánosan használt kinetikai modellje az Arrhenius-modell.
Az Arrhenius-modellt olyan élelmiszerekre alkalmazzák, amelyek kémiai reakció révén könnyen tönkremennek, mint például a zsír oxidációja, a Maillard-reakció és a fehérjék denaturációja.
Általánosságban elmondható, hogy minél magasabb a hőmérséklet, annál gyorsabb a kémiai reakció sebessége, ami azt jelenti, hogy annál gyorsabban romlik a termék minősége. A Q10 modell a hőmérsékletnek az eltarthatósági időre gyakorolt hatására összpontosít, ami alacsony előrejelzési pontossághoz vezet. Az Arrhenius-modellben a Q10 fogalmát használják a hőmérséklet reakcióérzékenységének meghatározására.
Az A élelmiszer eltarthatósági időveszteségét általában az A jellemző tömegindex t idő alatt bekövetkező változásának mérésével értékelik, amelyet általában f(A)=k(T)t alakban fejeznek ki, ahol f(A) az élelmiszer tömegfüggvénye, k pedig a reakciósebesség állandója.
A sebességállandó a T abszolút hőmérséklet fordított exponenciális függvénye, amelyet az Arrhenius-féle Arrhenius-kifejezés ad, k=kAexp(-ea /RT), ahol kA egy állandó, EA a reakció tömegveszteséget szabályozó aktiválási energiája, R pedig az egyetemes gázállandó. A következő illesztési egyenlet szerint kiszámítható a termék minősége a polc végén: -d [A]/dt=k[A]n, -d [B]/dt=k '[B]n', ahol k és k 'a minőségváltozás sebességi állandói; n és n 'a reakció sorrendje; d[A]/dt és d/dt a minőségváltozás sebessége. Az A kémiai mutató (például tápanyagok vagy jellegzetes aromák) vagy a B nemkívánatos kémiai mutató (szagösszetétel vagy elhalványuló pigmenttartalom) elvesztése nulladik rendű modell, ha az A vagy B lineáris illeszkedése a t időhöz teljesül; Ha az A vagy B félgörbe és a t közötti lineáris illeszkedés teljesül, akkor elsőrendű modellről van szó. Ha az 1/A vagy 1/B lineáris illeszkedése a t értékhez kielégítő, akkor másodrendű módusról van szó.
A mikrobiális bomlás az élelmiszerek romlásának egyik fő módja, különösen a friss vagy minimálisan feldolgozott, hűtött termékek esetében.
A mikroorganizmusok élelmiszerromlást vagy élelmiszer eredetű megbetegedést okozhatnak. Vizsgálatok kimutatták, hogy a mikroorganizmusok által okozott élelmiszerromlást elsősorban a specifikus romlást okozó szervezetek (SSO) tevékenysége okozza az élelmiszer-tárolás során, és a mikrobaflóra nem statikus, hanem a különböző típusú élelmiszerek belső tényezőinek és külső környezeti tényezőinek függvényében változik. Növekedési tendenciája fontos tényező az élelmiszerek eltarthatósági idejének előrejelzésében.
Az eltarthatósági idő a tárolás kezdetétől a SSO-k egy bizonyos maximális szintjének eléréséig eltelt idő. A termelő és feldolgozó vállalkozásoknak eltarthatósági vizsgálatokat kell végezniük annak megállapítására, hogy mikor következik be a romlás, és hatékonyan ellenőrizniük kell a patogén mikroorganizmusok növekedési tendenciáját, megalapozott tudományos kutatásokat alkalmazva az élelmiszerük potenciális kockázatának felmérésére.
A szakirodalomban számos hőmérséklethez kapcsolódó modell található a mikrobák növekedésének leírására, és számos szoftveres eszközt fejlesztettek ki bizonyos mikroorganizmusok élelmiszerekben való növekedésének előrejelzésére, azonban csak néhány alkalmazható a tényleges eltarthatósági idő előrejelzésére.
A mikrobiális dinamikának négy általános elsőrendű modellje van: A lineáris modell, a logisztikus modell, a Gompertz-modell és a Baranyi & Roberts-modell. A Gompertz-modell a prediktív mikrobiológia sarokköve. Az Egyesült Államok Mezőgazdasági Minisztériuma által kifejlesztett PMP (Pathogen Modeling Program) rendszer és az Egyesült Királyság Mezőgazdasági, Élelmiszerügyi és Halászati Minisztériuma által kifejlesztett Food Micromodel (FM) rendszer egyaránt a Gompertz-funkciót használja elsődleges modellként.
3. Érzékszervi előrejelző eltarthatósági modellek Érzékszervi előrejelző eltarthatósági módszerek Már az 1980-as és 1990-es években Taoukis et al. leírta a hatékony gyorsított eltarthatósági vizsgálatok (ASLT) alapelveit és módszereit.
Az ASLT-módszerben a hőmérséklet a legfontosabb paraméter az élelmiszer károsodásának meghatározásában, mivel minél magasabb a hőmérséklet, annál gyorsabb az élelmiszer károsodása.
A hőmérséklet és a romlási sebesség közötti kapcsolat az Arrhenius-egyenlettel fejezhető ki. Általában a teszteknek két fő osztálya használható erre a célra: a differenciálvizsgálatok (különösen a pin-wise összehasonlítások, a kettős-hármas tesztek - általában a különbségek variációjának ellenőrzött vizsgálatában - és a háromszögvizsgálatok) és a megfelelő skálákat (jellemzők vagy valamilyen konkrét attribútum) használó tesztek.
Jelenleg a széles körben használt érzékszervi eltarthatósági idő előrejelzési módszer itthon és külföldön a Weibull veszélyelemzés, amely egy gyakorlatias módszer, amely hatékonyan ötvözi az ASLT és az érzékszervi módszerek elvét, és fejlesztéseket hajt végre.
A Weibull valószínűségi függvényt széles körben használják a mérnöki tudományokban a meghibásodási jelenségek leírására, és Gacula és Kubala javasolta az eltarthatósági vizsgálatokhoz. A módszer elve az, hogy a termék fogyasztó általi visszautasításában tükröződő kumulatív ártalomhányad és a tárolási idő közötti kapcsolat a következő: lgt=lgH/β+ LG-α : t az új romlott élelmiszer felfedezésének ideje /d; H a kumulatív ártalomhányad /%; α a Weibull-eloszlás skála paramétere; Beta az alak Weibull-eloszlás paramétere.
Wahyuni et al. a brownie sütemények eltarthatósági idejének előrejelzését az Arrhenius-modellel kombinált gyorsított eltarthatósági vizsgálat (ASLT) módszerének alkalmazásával vizsgálta.
Ebben a tanulmányban három tárolási hőmérséklet-változást használtak: 20 ℃, 30 ℃ és 40 ℃, és a tiobarbitursavat (TBA) választották a változás nyomon követésére szolgáló indexnek.
Ketaren kutatásai szerint a tárolás során a tápanyagok, például a zsírok megváltozása az élelmiszerek avasodását okozza, és az oxidációs termékek, az aldehidek a TBA-val színes vegyületeket képezhetnek. A TBA-érték az oxidáció mértékét jelzi, és a TBA mennyisége a legfontosabb tényező az olajkárosodás mértékének meghatározásában.
A kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a TBA-érték a tárolási hőmérséklet növekedésével nőtt, és a brownie eltarthatósági idejét az Arrhenius-egyenlet alapján becsülték, azaz a hőmérséklet növekedésével (20 ℃, 30 ℃, 40 ℃) a termék eltarthatósági ideje 1,57, 4,9 és 14 nap volt.
Nashi és munkatársai a zabszemes italok azonnali ultramagas hőmérsékletű kezelés utáni ízjellemzőinek eltarthatósági vizsgálatát végezték el, és az értékelési indexek közé tartozott a káros ízkeverék, az n-hexál és a PVG. Az értékelési módszer az aromaanyag-kromatográfiát fogadta el, és egy érzékszervi értékelő csoportot állítottak fel az íz elfogadhatóságának pontozására. A kísérleti eredmények azt mutatták, hogy amikor az n-hexál-tartalom 3-5-ször magasabb volt a kiindulási értéknél, a zabszem ital ízminősége javult. A zabpehelygabona ital íze elfogadhatatlan.
HU és munkatársai tanulmányozták a kitozánnal beágyazott tojások minőségi változásait és eltarthatósági idejét a tárolás során, és mérték a beágyazott tojások minőségi változásait 5 ℃, 20 ℃ és 35 ℃ tárolás során. A Hough-érték, a sűrűség és a kamraátmérő százalékos növekedésének Pearson-féle korrelációs együtthatóját elemezték az Arrhenius-egyenleten alapuló eltarthatósági idő-előrejelző modell felállításához.
Az eredmények azt mutatták, hogy a tárolási idő meghosszabbodásával a tojások minősége romlott. A magas hőmérsékletű (20 ℃ és 35 ℃) tárolási környezet az alacsony hőmérsékletű (5 ℃) tárolási környezethez képest jelentős hatással van a minőségromlásra. A tojássárgája minősége és a Hough-egység közötti korrelációs együttható a legmagasabb, ami fontos indexként használható az eltarthatósági idő előrejelzésére. A tojásminőség változási törvénye alapján felállítható a tojássárgája elsőrendű dinamikus modellje.
Az előre jelzett érték és a mért érték közötti görbeillesztés R2 együtthatója 0,982 5 volt, és a P átlagos relatív hiba 9,32% volt, kevesebb mint 10%. Leírták a tojássárgája minősége és a hőmérséklet közötti dinamikus kapcsolatot.
Ugyanakkor a dinamikus modell alapján meghatározták a tojássárgája együtthatóján alapuló kitozántojás eltarthatósági előrejelzési modelljét. Az átlagos relatív hiba 7,6%, kisebb, mint 10%, ami azt jelzi, hogy a tojás sárgája minőségváltozásán alapuló tojás eltarthatósági előrejelző modell megvalósítható.
Liu Hong és társai kimutatták, hogy jelenleg a kínai élelmiszer- és italiparban az eltarthatósági idő meghatározása többnyire referenciamódszerre, azaz empirikus érték meghatározására támaszkodik, és hiányoznak a tudományos és szabványos vizsgálati módszerek. A Q10 modell egy széles körben használt módszer a roncsolásos vizsgálatok felgyorsítására Kínában, amely elsősorban a hőmérsékletnek a termék minőségére gyakorolt hatását vizsgálja a tárolás során.
Ren Yani et al. az ASLT módszert használta a lágy kenyér eltarthatósági idejének előrejelzésére. A kísérleti hőmérsékleteket 20 ℃, 37 ℃ és 47 ℃ normál hőmérsékletre állították be, a relatív páratartalom pedig 60% volt. A szerzők a termékek savértékének, peroxidértékének és mikrobiális mutatóinak (kolóniák összlétszáma, penész és Escherichia coli) vizsgálatával 37 ℃ és 47 ℃-on, az érzékszervi értékelés eredményeivel és a Q10 modellel kombinálva elemezték a vizsgálati eredményeket. A lágy kenyér eltarthatósági idejét normál hőmérsékletű tárolási körülmények között számították ki.
Az elmúlt években Kínában fokozatosan alkalmaztak néhány kinetikai modellt és mikrobiális növekedési modellt a termékek eltarthatósági idejének előrejelzésére. Hu Yunfeng és munkatársai a friss és nedves rizsliszt minőségváltozásának dinamikus modelljét vizsgálták különböző tárolási hőmérsékleten, és Arrhenius-modellt alkalmaztak az eltarthatósági idő előrejelzésére. Az eredmények azt mutatják, hogy a friss és nedves rizsliszt klasszikus kék értékének illeszkedési együtthatója magas, és a klasszikus kék értéken mint előrejelzési célon alapuló modellnek kicsi az empirikus hibája.
Cheng Xiaofeng és munkatársai a sűrített kekszek eltarthatósági idejének előrejelzését tanulmányozták, és az előrejelzéshez az Arrhenius-modellel kombinált ASLT-módszert választották. Gyorsított tárolási hőmérséklet mellett határozták meg a sajtolt kekszek savértékének változását. Megállapították, hogy a savérték változása nyilvánvaló volt, ami összhangban volt az elsőrendű kinetikai modellel. Meghatározták a sajtolt kekszek eltarthatósági idejének előrejelző egyenletét, és kiszámították a termékek eltarthatósági idejét 45 ℃-on.
Problémák és javaslatok az eltarthatósági idő vizsgálatában Kínában
1. A jelenlegi eltarthatósági kutatások kevés terméktípusra, főként fogyasztásra kész élelmiszerekre terjednek ki;
2. A jelenlegi szabványokban számos hazai terméktípusból hiányzik a termékminőség tervezése, különösen a nem élelmiszerbiztonsági mutatók (egészségügyi mutatók), de az áruk tényleges forgalmában a termékminőség gyakran változik az élelmiszerbiztonsági mutatók előtt, ami nehéz meghatározni a termék eltarthatósági idejének végét.
Például a diós szelettermékek eltarthatósági kísérletének elvégzésekor a diós szelettermékek kísérleti sémáját a T/CNFIA 001-2017 Általános útmutató az élelmiszerek eltarthatósági idejére vonatkozó általános útmutató B. függelékében szereplő hőmérsékleti körülményeken alapuló eltarthatósági kísérleti séma alapján tervezték meg. A referenciaadatok alapján a gyorsított kísérletet Q10=4 szerint terveztük, szobahőmérsékletű minták (25 ℃), gyorsított minták (35 és 45 ℃-os tárolási körülmények, 75%RH) és kontroll minták (4 ℃-os tárolási körülmények) felhasználásával. A terméket a GB 7099-2015 "Élelmiszerbiztonsági nemzeti szabvány tészta és kenyér" szerint végeztük, a szabvány vonatkozó követelményeinek megfelelően. Fizikokémiai (savérték, peroxidérték), mikrobiológiai (kolóniák összlétszáma, penészgombák száma, kólibaktériumok száma), érzékszervi (különbségteszt, fogyasztói elfogadottsági teszt) mutatókat hasonlítottunk össze és értékeltünk.
A kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a 35 ℃ és 45 ℃ gyorsított körülmények között a savérték és a peroxidérték nem haladta meg a szabványos határértéket 320 napon belül a normál hőmérsékleten történő tárolási napok átalakítása után, és a mikrobiológiai vizsgálati eredmények is minősítettek, ami jóval alacsonyabb volt, mint a szabványban szereplő határértékek. Ezért a termék Q10-je nem határozható meg a savérték vagy a peroxidérték vizsgálatával, és a termék eltarthatósági ideje a savérték vagy a peroxidérték alapján értékelhető.
Az érzékszervi értékelés hárompontos tesztjének kísérleti eredményei szerint a P≤0,05 bizalmi intervallumban a 35 ℃-os gyorsítás feltételei mellett a terméknél volt a legnyilvánvalóbb különbség a kontrollminta és a termék között, amikor a tárolási napok elérték a 270 napot normál hőmérsékleten, de a kontrollminta nem mutatott jelentős különbséget, és a folyamatos tárolásban lévő termék és a kontrollminta közötti különbség nem nőtt. Amikor a tárolási napok szobahőmérsékleten elérték a 270 d-t 45 ℃-os gyorsított körülmények között, a minta és a kontrollminta között jelentős különbség volt. E kísérlet alapján a termék szobahőmérsékleten való eltarthatósági ideje körülbelül 270 d (9 hónap).
Az érzékszervi átvételi értékelés eredményei azt mutatták, hogy 35 ℃-os gyorsított körülmények között egyetlen index sem érte el a 3,5 pontos minimális átvételi követelményt a vizsgálati időszak alatt (átszámítva 320 napos normál hőmérsékleten történő tárolás). A 45 ℃-os gyorsítás mellett a termékek 450 napos szobahőmérsékleten történő tárolás esetén nem érik el a 3,5 pontos minimális elfogadási követelményt, kivéve a tapadási indexet. E kísérlet szerint a termék szobahőmérsékleten való eltarthatósági idejének körülbelül 450 napnak (15 hónap) kell lennie.
Három különböző kísérleti módszerrel teljesen eltérő eltarthatósági vizsgálati eredményeket kaptak, és a fizikai és kémiai mutatókat nem haladják meg, az érzékszervek elfogadhatatlan pontszámot értek el.
3. A hasonló gabonatermékek (pl. rizs, tészta stb.) és más elsődlegesen feldolgozott mezőgazdasági termékek esetében a tájékoztató jellegű mutatók (fizikai és kémiai, mikrobiális) vagy a köztes termékek minőségromlását jelző mutatók (pl. zsírsavérték) hiánya miatt a termék eltarthatósága gyenge.
Tekintettel a fenti problémákra és számos hazai élelmiszer-kategóriára, az eltarthatósági vizsgálati időszak hosszú, és a különböző élelmiszer-kategóriák eltarthatósági előrejelzési adatai nem erősek. Javasoljuk a különböző élelmiszerek és elsődlegesen feldolgozott mezőgazdasági termékek eltarthatósági idejének előrejelzésével kapcsolatos kutatások fokozását, a kapcsolódó minőségromlási mutatók kutatásának erősítését, valamint az eltarthatósági időre vonatkozó előrejelzési adatok stabilitásának és hivatkozhatóságának javítását. Ugyanakkor az ASLT-modellel kombinálva az eltarthatósági időt a Q10 több hőmérsékletű vizsgálaton keresztül kapott Q10 után mérik, és javul az eltarthatósági idő előrejelzésének pontossága.