Biopreservation strategies: Can organic acid concentrations be sufficient to predict yeast and mould growth in strawberry purée?
生物保鲜策略：有机酸浓度能否足以预测草莓泥中酵母菌和霉菌的生长？
来源：International Journal of Food Microbiology 443 (2025) 111396
论文整体总结
该论文发表于2025年《International Journal of Food Microbiology》，针对消费者对无添加、低加工食品的需求增长，聚焦草莓泥生物保鲜的核心痛点，基于预测微生物学方法，构建了有机酸对草莓泥中腐败酵母菌和霉菌生长的预测模型，并系统验证了模型的有效性。研究首先测定了草莓相关腐败菌株对乳酸、乙酸、丙酸、山梨酸、苯甲酸的最低抑菌浓度（MIC）和最低抑制浓度（LIC），以Baranyi模型为一级模型、有机酸多效应叠加模型为二级模型，完成了预测模型的构建；随后在合成草莓培养基（SSM）、巴氏杀菌草莓泥、新鲜草莓泥中完成了模型验证，证实模型整体呈保守预测，具备良好的准确性和安全性。核心发现是：仅靠有机酸浓度无法准确预测发酵蔬菜汁这类生物保鲜液的实际抑菌效果，食品基质中存在其他能干扰有机酸抑菌活性、增强微生物抗性的成分。该研究不仅为草莓泥的生物保鲜配方设计和货架期预测提供了可靠的模型工具，还揭示了当前仅以有机酸为核心的生物保鲜效果评估体系的核心局限性，为果蔬制品生物保鲜策略的开发提供了全新的理论依据和实践方向。
1. 论文摘要内容
背景：随着消费者对无添加剂健康食品的需求日益增长，生物保鲜成为了极具前景的替代方案。然而，大多数研究聚焦于生物保鲜的有效性，而非生物保鲜策略的开发。
目的：为解决这一问题，本研究采用基于模型的方法，为草莓泥设计生物保鲜方案，构建了一个预测模型，以评估有机酸存在下草莓泥中腐败酵母菌和霉菌的生长情况。
方法：为构建和验证模型，测定了乳酸、乙酸、丙酸、山梨酸、苯甲酸对草莓代表性腐败菌株（葡萄汁有孢汉逊酵母、奇异酵母、胶红酵母、灰葡萄孢），以及5株从腐败草莓泥中分离的酵母菌的MIC和LIC。
结果：结果与文献数据一致，其中山梨酸对所有菌株的抑制效果最强，乳酸最弱。该模型在合成草莓培养基中构建，整体能提供保守或准确的预测；在20%的误差范围内，合成草莓培养基和草莓泥中分别仅有1%和10%的实测生长速率快于预测值。然而，基于发酵蔬菜汁的生物保鲜液，其实际抑菌活性远低于根据其有机酸含量的预期值，这一现象很可能由体系中其他化合物导致。
结论：这表明仅靠有机酸浓度无法预测生物保鲜的实际效果；鉴定这些额外化合物并解析其作用机制，结合食品基质的理化特性优化模型，可进一步提升模型的准确性。
2. 论文关键词
最低抑菌浓度、预测模型、发酵、腐败酵母菌和真菌
3. 研究目的
1. 构建并验证一个可预测有机酸对草莓泥中腐败酵母菌和霉菌生长影响的预测微生物学模型，为草莓泥生物保鲜配方的设计提供量化工具。
2. 系统测定草莓相关腐败菌株（保藏代表性菌株+实际分离腐败菌株）对食品中常用有机酸的MIC和LIC，明确不同菌株对有机酸的敏感性差异，填补8℃冷藏酸性体系中相关数据的空白。
3. 验证模型在合成草莓培养基、巴氏杀菌草莓泥、新鲜草莓泥中的预测性能，界定模型的适用范围和边界，评估其在实际食品工业场景中的应用价值。
4. 明确仅通过有机酸浓度，能否准确预测发酵蔬菜汁这类复合生物保鲜液的实际抑菌效果，解析生物保鲜体系中有机酸之外的成分对抑菌活性的影响。
5. 筛选可用于草莓泥腐败挑战试验和抑菌效果评估的生物指示菌，为工业生产中草莓泥货架期预测和防腐配方筛选提供标准化的指示菌株。
4. 研究思路
1. 试验材料准备阶段：筛选4株与草莓腐败相关的代表性保藏菌株，同时从腐败的新鲜草莓泥中分离、鉴定出5株优势腐败菌株；基于草莓的营养成分，配制pH3.5的合成草莓培养基（SSM），同时准备巴氏杀菌草莓泥和新鲜草莓泥作为真实食品基质。
2. 菌株有机酸敏感性测定阶段：测定6种食品常用有机酸（乙酸、乳酸、丙酸、琥珀酸、山梨酸、苯甲酸）对目标菌株的MIC和LIC；利用芬兰Bioscreen C仪器，连续监测不同有机酸浓度下菌株的生长曲线，获取完整的生长动力学数据。
3. 预测模型构建阶段：以Baranyi模型为一级模型，拟合生长曲线提取最大生长速率μmax、迟滞期λ等核心生长参数；以有机酸浓度与μmax的剂量-效应关系构建二级模型，明确每种有机酸对各菌株的MIC和曲率参数α，基于有机酸的多效应叠加原则，完成最终的预测模型构建。
4. 模型多维度验证阶段：首先在含有机酸组合的合成草莓培养基中，验证模型对菌株临界生长时间（TCG）的预测性能；随后在添加单一有机酸的巴氏杀菌草莓泥中，验证模型在真实食品基质中的适用性；最后以对有机酸最不敏感的S. uvarum为指示菌，验证模型对新鲜草莓泥中天然腐败菌群生长的预测能力。
5. 生物保鲜液应用验证阶段：以发酵蔬菜汁为研究对象，定量检测其中有机酸及其他已报道的抑菌化合物浓度，验证非有机酸类成分的抑菌贡献；对比发酵蔬菜汁、等浓度纯有机酸溶液、未发酵蔬菜汁体系中菌株的生长情况，评估模型对生物保鲜液抑菌效果的预测能力，解析有机酸之外的成分对抑菌活性的影响。
6. 结论与展望阶段：整合全链条实验结果，回答“有机酸浓度能否足以预测草莓泥中酵母菌和霉菌生长”的核心问题，明确模型的应用价值和局限性，提出后续模型优化和生物保鲜策略开发的方向。
5. 研究亮点
1. 首次针对草莓泥冷藏体系构建了有机酸对腐败菌的预测模型，验证了模型的工业应用价值。模型在合成培养基和真实草莓泥中均表现出良好的保守性和准确性，对近两周的生长过程平均预测误差仅1.9~2.4天，为草莓泥生物保鲜配方设计和货架期预测提供了可直接应用的量化工具。
2. 直面行业核心问题，明确了仅靠有机酸浓度无法预测复合生物保鲜液的实际抑菌效果。通过严谨的对照实验，证实了发酵蔬菜汁的抑菌效果显著低于等浓度的纯有机酸溶液，揭示了食品基质中存在能增强微生物对有机酸抗性的成分，打破了“生物保鲜液的效果仅由有机酸含量决定”的行业固有认知。
3. 验证了保藏菌株与野生腐败菌株的一致性，确定了标准化的生物指示菌。证实从腐败草莓泥中分离的野生菌株，对有机酸的敏感性与所选保藏代表性菌株相当或更高，其中对有机酸最不敏感的S. uvarum可作为草莓泥腐败挑战试验的生物指示菌，为工业生产中防腐配方的高通量筛选提供了标准化的试验菌株。
4. 填补了冷藏酸性条件下草莓腐败菌有机酸敏感性的基础数据空白。系统测定了8℃、pH3.5的草莓模拟体系中，9株酵母菌和霉菌对6种有机酸的MIC和LIC，明确了不同菌株的敏感性差异和有机酸的抑菌效力排序，为果蔬酸性食品的有机酸防腐应用提供了关键的基础数据。
5. 揭示了亚MIC有机酸对腐败菌生长的精细化调控效应，突破了传统终点法MIC测定的局限性。基于高分辨率生长曲线，量化了亚MIC有机酸对菌株生长速率、迟滞期的浓度依赖性影响，证实了亚MIC浓度仍能显著延缓腐败菌生长，为草莓泥冷链货架期的精准预测和低剂量防腐配方的优化提供了全新的理论依据。
6. 可延伸的方向
1. 鉴定食品基质中干扰有机酸抑菌活性的未知化合物，解析其作用机制。通过代谢组学、色谱分级分离等方法，明确发酵/未发酵蔬菜汁中影响有机酸抑菌效果的具体成分，解析其增强微生物有机酸抗性、或与有机酸发生相互作用的分子机制，为提升有机酸抑菌效率提供理论依据。
2. 优化预测模型，纳入食品基质的理化特性提升适用性。将食品基质中的蛋白质、脂质、碳水化合物、酚类物质、阳离子等成分，以及pH、温度、水分活度等环境因素纳入模型，构建更贴合复杂植物基食品体系的多参数预测模型，拓展模型在其他果蔬制品、发酵食品中的应用范围。
3. 探究有机酸与其他天然抑菌物质的协同/拮抗作用，优化复合生物保鲜配方。系统评估有机酸与植物精油、 bacteriocin、酚类物质等天然抑菌剂的组合效应，筛选能协同增强抑菌效果、降低有机酸使用量的复合配方，同时验证模型对复合抑菌体系的预测能力。
4. 在实际工业生产和冷链流通场景中完成模型的全链条验证。结合草莓泥的工业加工工艺、冷链流通温度波动、包装方式等实际生产条件，验证模型对产品实际货架期的预测准确性，建立草莓泥货架期预测和生物保鲜方案设计的标准化工业流程。
5. 拓展模型的微生物覆盖范围，完善多菌种生长预测体系。纳入更多草莓及果蔬制品中常见的腐败细菌、酵母菌和霉菌，探究不同微生物间的相互作用对有机酸抑菌效果和生长动态的影响，构建能预测混合菌群生长的多物种预测模型。
6. 评估有机酸生物保鲜方案对草莓泥品质和感官特性的影响。在抑菌效果验证的基础上，系统评估有机酸组合和生物保鲜液对草莓泥色泽、风味、质地、营养成分的影响，筛选出抑菌效果优异且感官可接受的工业化生物保鲜方案。
7. 测量的数据、对应图表及研究意义
1. 草莓腐败代表性菌株对6种有机酸的MIC值和曲率参数α，对应Table 1
数据内容：在8℃、pH3.5的合成草莓培养基中，测定了S. uvarum、S. paradoxus、B. cinerea、R. glutinis 4株代表性菌株对乙酸、乳酸、丙酸、苯甲酸、山梨酸的MIC（总浓度、未解离浓度），以及描述生长速率-有机酸浓度关系的曲率参数α。
研究意义：明确了不同有机酸的抑菌效力排序，山梨酸和苯甲酸抑菌效果最强，乳酸最弱；证实菌株对不同有机酸的敏感性排序具有一致性，同时菌株间对同一有机酸的敏感性存在显著差异；为二级预测模型的构建提供了核心的MIC和α参数，是整个模型搭建的基础数据支撑。
2. 代表性菌株与分离腐败菌株对5种有机酸的最低抑制浓度（LIC），对应Table 2
数据内容：分别在8℃ pH3.5的合成草莓培养基、30/23℃ pH4.8的麦芽提取物培养基中，测定了4株代表性菌株和5株从腐败草莓泥中分离的野生菌株对乙酸、乳酸、丙酸、苯甲酸、山梨酸的LIC（以未解离浓度表示）。
研究意义：证实了从腐败草莓泥中分离的野生菌株，对有机酸的敏感性与保藏代表性菌株相当或更高，验证了所选代表性菌株的适用性和代表性；发现不同培养基中菌株的有机酸敏感性排序基本一致，麦芽提取物培养基中的生长情况可作为菌株有机酸敏感性的通用筛选指标；为草莓泥腐败菌的抑菌试验提供了标准化的LIC参考数据。
3. 合成草莓培养基中有机酸组合体系下菌株临界生长时间（TCG）的预测值与实测值，对应Fig 1A
数据内容：对比了4株代表性菌株在含乙酸、乳酸、丙酸组合的合成草莓培养基中，TCG的模型预测值与实测值，计算得到模型平均RMSE为2.4，61%的TCG值预测误差在±20%以内，38%为保守预测、1%为危险预测。
研究意义：证实了构建的模型在合成培养基中整体呈保守预测，仅极少数情况出现实测生长快于预测的危险情况，验证了模型的可靠性、准确性和安全性，证明模型可有效预测有机酸组合对草莓腐败菌的抑菌效果。
4. 草莓泥中单种有机酸体系下菌株TCG的预测值与实测值，对应Fig 1B
数据内容：对比了4株代表性菌株在添加单一有机酸的巴氏杀菌草莓泥中，TCG的模型预测值与实测值，计算得到模型平均RMSE为1.9，74%的TCG值预测误差在±20%以内，16%为保守预测、10%为危险预测。
研究意义：验证了模型在真实草莓泥食品基质中的良好预测性能，同时发现草莓泥中的天然酚类等成分会进一步增强抑菌效果，导致部分保守预测；明确了模型在真实食品体系中的适用性，为其在工业生产中的应用提供了直接的实验验证。
5. 新鲜草莓泥中腐败菌群TCG实测值与S. uvarum预测值的对比数据，对应Fig 2
数据内容：对比了4份新鲜草莓泥中天然腐败菌群的TCG实测值，与模型对S. uvarum的TCG预测值，结果显示所有样品的实测TCG均与预测值相当或更长。
研究意义：证实了新鲜草莓泥中的天然腐败菌群对有机酸的敏感性，与对有机酸最不敏感的S. uvarum相当或更高，明确了S. uvarum可作为草莓泥腐败挑战试验和有机酸抑菌效果评估的生物指示菌，为工业生产中货架期预测和防腐配方筛选提供了简便、标准化的指示菌株。
6. 发酵蔬菜汁中各类抑菌化合物的浓度与文献报道MIC的对比数据，对应Fig 3
数据内容：通过HPLC和GC-MS定量检测了发酵蔬菜汁中有机酸、双乙酰、3-苯乳酸、乙醇、琥珀酸等12种已报道的抑菌化合物的浓度，与文献中酵母菌和霉菌的MIC值进行箱线图对比。
研究意义：证实了发酵蔬菜汁中，除有机酸外的其他抑菌化合物浓度均比文献报道的MIC低10倍以上，其单独的抑菌作用可忽略不计，为后续验证“仅靠有机酸浓度无法预测发酵液抑菌效果”排除了其他抑菌成分的干扰，提供了关键的前提依据。
7. 不同体系中菌株TCG的实测值与模型预测值对比数据，对应Fig 4
数据内容：测定了5%、20%、30%添加量的发酵蔬菜汁、等浓度纯有机酸溶液、未发酵蔬菜汁、合成未发酵汁+有机酸等体系中，S. uvarum、S. paradoxus、R. glutinis的TCG实测值，与模型预测值进行对比。
研究意义：核心发现发酵蔬菜汁的抑菌效果显著低于等浓度的纯有机酸溶液，且远差于模型的预测值；证实了未发酵蔬菜汁中存在能增强酵母菌对有机酸抗性的成分，直接回答了论文的核心问题——仅靠有机酸浓度不足以预测生物保鲜液的实际抑菌效果，揭示了食品基质中其他成分对有机酸抑菌活性的关键干扰作用。
8. 研究结论
1. 本研究证实了经典的一级和二级预测微生物学模型，可有效预测草莓泥体系中不同腐败微生物在有机酸作用下的生长情况。模型在合成草莓培养基和真实草莓泥中均能提供保守或准确的预测，对于持续近两周的微生物生长过程，平均预测误差仅1.9~2.4天，具备良好的工业应用价值。
2. 从腐败草莓泥中分离的野生腐败菌株，与所选的保藏代表性菌株在生长特性和有机酸敏感性上表现高度一致；其中对有机酸最不敏感的S. uvarum，可作为草莓泥腐败挑战试验和有机酸抑菌效果评估的生物指示菌。
3. 尽管模型能有效预测纯有机酸介导的抑菌效果，但对于发酵蔬菜汁这类复合生物保鲜液，模型的预测性能显著下降；仅靠有机酸的浓度，无法准确预测生物保鲜液在草莓泥体系中的实际抑菌性能。
4. 生物保鲜液和食品基质中存在除有机酸外的其他成分，这些成分会增强微生物对有机酸的抗性，或与有机酸发生相互作用，进而影响有机酸的抑菌活性；鉴定这些成分并解析其作用机制，可帮助构建更贴合植物基食品基质理化特性的预测模型，推动果蔬制品生物保鲜策略的开发与应用。
9. 芬兰Bioscreen仪器测量的微生物生长曲线数据的研究意义详细解读
本研究中，芬兰Bioscreen C MBR全自动微生物生长分析仪被用于核心实验：连续监测不同有机酸浓度下，草莓腐败酵母菌在合成草莓培养基中的OD600变化，获取高分辨率的全周期生长曲线。这些生长曲线数据是整个研究的核心基石，其研究意义可分为以下6个核心层面，完全贴合论文的研究目标和实验设计：
1. 为预测模型的构建提供了核心基础数据，是整个研究的理论基石
本研究的核心目标是构建有机酸对草莓腐败菌生长的预测模型，而模型的核心参数完全依赖于Bioscreen测定的生长曲线。一方面，仪器通过每5分钟一次的高频、全自动OD600监测，获得了不同有机酸浓度下酵母菌从迟滞期、对数期到稳定期的完整生长曲线，通过Baranyi一级模型拟合这些曲线，精准提取了最大生长速率μmax、迟滞期λ等关键生长动力学参数；另一方面，基于μmax与有机酸未解离浓度的剂量-效应关系，拟合得到了每种有机酸对各菌株的MIC和曲率参数α，这是构建二级预测模型的核心输入参数。可以说，没有Bioscreen测定的高分辨率生长曲线，整个预测模型的构建就无从谈起，该数据是论文所有后续研究的前提。
2. 实现了多条件、大样本量的平行实验，保证了模型参数的准确性和统计学效力
为了保证模型的可靠性，本研究中每种有机酸-菌株组合需要至少24个实验浓度梯度，同时设置多个技术重复，总计需要完成数百个样品的生长曲线测定。Bioscreen的100孔板培养体系，可同时完成上百个样品的恒温、持续震荡培养和OD值自动检测，彻底解决了传统试管培养、人工取样检测的三大核心问题：一是批次间培养环境不一致导致的系统误差，二是人工取样的操作误差和时间分辨率不足，三是低通量无法完成大样本量的平行实验。仪器的标准化培养和检测流程，保证了所有样品的培养条件完全一致，使得不同有机酸浓度、不同菌株间的生长参数具有直接可比性，确保了拟合得到的MIC和α参数具备高准确性和统计学可靠性，最终让模型的预测性能得到了根本保障。
3. 精准量化了亚MIC有机酸对微生物生长的多重影响，突破了传统终点法MIC测定的局限性
传统的MIC/LIC测定仅关注“12天内是否出现肉眼可见生长”的终点结果，完全无法反映亚MIC浓度下有机酸对微生物生长的动态调控效应。而Bioscreen测定的连续生长曲线，可精准量化亚MIC有机酸对酵母菌生长的三个核心维度的影响：一是浓度依赖性地降低菌株的最大生长速率μmax，二是显著延长菌株的生长迟滞期λ，三是改变菌株最终达到的种群密度。这些动态数据不仅是构建模型的关键，更揭示了一个核心的工业应用结论：即使有机酸浓度未达到MIC，仍能通过延长迟滞期、降低生长速率，显著延缓草莓泥中腐败菌的增殖，大幅延长产品的冷链货架期。这是传统终点法MIC测定完全无法捕捉的关键信息，为食品工业中低剂量有机酸防腐配方的优化、产品货架期的精准预测提供了更精细、更贴合实际的参考依据。
4. 完美适配草莓泥冷藏保藏的实际场景，保证了模型的工业应用价值
草莓泥的实际工业保藏和冷链流通是在8℃冷藏条件下进行的，该温度下腐败酵母菌的生长速率极慢，完整的生长周期长达12天。传统的人工取样检测方法，在十几天的监测周期中不仅工作量极大，还极易出现样品污染、操作误差等问题，无法获得连续、准确的生长数据。而Bioscreen仪器可实现长达数十天的连续、无人值守的恒温培养和OD值监测，完美适配了8℃冷藏条件下慢生长体系的实验需求，获得了草莓泥实际保藏场景中，腐败菌在有机酸作用下的真实生长动态。这使得构建的预测模型完全贴合工业冷链流通的实际条件，而非实验室最优培养条件，从根本上提升了模型的实际应用价值，避免了实验室数据与工业生产脱节的行业常见问题。
5. 为模型的验证和性能评估提供了标准化的实测数据，明确了模型的适用边界
论文中不仅用Bioscreen的生长数据构建模型，还通过该仪器获得了有机酸组合体系、发酵蔬菜汁体系中的菌株生长曲线，计算得到实测的TCG值，与模型的预测值进行系统对比，完成了模型的内部和外部验证。通过这些标准化的实测数据，研究明确了模型在合成培养基中的保守性、在真实草莓泥中的准确性，以及在复合发酵蔬菜汁体系中的局限性，完整界定了模型的适用边界。同时，研究中通过OD600与活菌数的相关性验证，确保了基于Bioscreen OD值计算的TCG值，能准确反映腐败菌的实际活菌增长情况，保证了模型验证结果的真实性和可靠性，让研究结论具备严谨的实验支撑。
6. 为果蔬食品生物保鲜配方的高通量筛选提供了标准化的技术方案
传统的食品防腐配方筛选，依赖于终点法的货架期挑战试验，存在周期长、通量低、无法量化生长动态的缺陷，严重制约了生物保鲜配方的研发效率。而本研究中基于Bioscreen的生长曲线测定方法，可在短时间内完成大量抑菌配方的平行测试，精准量化不同配方对腐败菌生长速率、迟滞期的影响，快速筛选出最优的有机酸组合和浓度，大幅提升了草莓泥生物保鲜配方的研发效率。同时，基于该方法构建的预测模型，可进一步实现抑菌配方的计算机模拟筛选，大幅减少实验工作量。该技术方案不仅适用于草莓泥，还可复制到其他果蔬制品、乳制品、烘焙食品等体系的防腐配方研发中，为食品工业的生物保鲜策略开发提供了可推广的标准化技术方法。