食品研發丨食品保質期預測常用模型及應用案例分析

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目前國內使用的標准術語為“食品保質期”，在2020年9月23日發布的《食品標識監督管理辦法（征求意見稿）》中第十五條（三）“保質日期可以使用“在××××年××月××日前食（飲）用最佳“或者”保質日期至××××年××月××日”等方式標注”，表明未來“食品保質期”將包含食品貨架期的概念。

本文將重點闡述食品保質期的相關標准和法規情況，總結基於品質衰變原理的保質期預測方法，並結合前期研究基礎，分析現有保質期預測模型在實際應用中存在的問題，以期為食品經營制造者評估、設計和驗證食品保質期提供一定依據。

01、食品貨架期/保質期標准和法規現狀

目前各個國家對食品貨架期或食品保質期定義沒有通用標准，ISO 16779：2015 中規定了食品最佳賞味期（best before date）為在規定的儲存條件下，所銷售產品保持其宣稱的質量的截止日期，即在此日期前，產品品質仍完全令人滿意；以及食品可食用期（use-by date）為在規定的儲存條件下，保持食品安全品質的截止日期，過了這個截止日期，產品可能不具備消費者通常期望的質量屬性，即在此日期之後，食品不宜被視為可銷售。

表 1 不同國家食品貨架期/保質期標准和法規

02、食品保質期預測常用模型及應用

目前在食品和飲料產品上標明的保質期通常為消費者提供了一個粗略的指南，告訴他們在既定加工、包裝、運輸和儲存條件下該產品的貨架壽命。但在實際產品生命鏈條中，儲存條件、運輸對包裝的破壞等因素的改變可能會使產品的實際保質期短於或長於產品預期的保質期，從而導致與食品安全和浪費相關的問題。因此保質期預測和評估的進展對提高食品供應的安全性、可靠性和可持續性起到至關重要的作用。

在保質期預測方法中選擇合適的動力學模型和數據分析技術是至關重要的
，可以根據環境條件的變化，更加准確的預測產品使用壽命，還可以進行實時監控。本文梳理了基於品質衰變原理的保質期預測方法。

近年來，國內外學者利用動態模型研究了肉制品、蔬菜、水果等的品質變化，並對其貯藏期進行預測，取得了較好的結果。通過分析影響產品質量變化的主要因素確定用於貨架期結束的關鍵指標，形成基於品質衰變原理的貨架期預測方法體系。

食品品質變化由內在品質性質因素Ci表示（如濃度、pH 值、水分活度等）與外在環境因素Ej表示（如溫度、相對濕度、包裝等）決定，食品品質衰變可表示為：rQ=f(Ci,Ej)。食品品質衰變一般包括化學品質衰變、微生物生長動力和食品感官失效三個方面的改變。

一、化學品質衰變動力學模型

食品劣變大多由化學反應引起的食品，一般采用化學品質衰變動力學模型來進行保質期預測。常用的化學品質衰變動力學模型為阿倫尼烏斯模型（Arrhenius 模型）。阿倫尼烏斯模型應用於脂肪氧化、美拉德反應、蛋白質變性等易被化學反應破壞的食品。
一般來說，溫度越高，化學反應的速度越快，這意味著產品質量下降的速度越快。Q10 模型側重於溫度對貨架期的影響，而導致其預測精度比較低，在Arrhenius 模型中，用Q10 這個概念來確定溫度對反應的敏感程度。

食品保質期的損失通常通過測量特征質量指數A隨時間t的變化來評估，通常表示為f(A)=k(T)t，其中f(A)為食品的質量函數，k 為反應速率常數。速率常數是絕對溫度T 的逆指數函數，由Arrhenius阿倫尼烏斯表達式給出，k=kAexp(–EA/RT)，其中kA為常數，EA為控制質量損失的反應活化能，R為通用氣體常數。根據以下擬合方程，可以推算貨架終點產品品質：

–d/dt=kn，–d/dt=k′n′

式中：k 和k′為品質變化速率常數；

n 和n′為反應級數；

d/dt 和d/dt 為品質變化速率。

化學指標A（如營養素或特征風味）的損失或不期望的化學指標B（異味成分或褪色色素含量）

若滿足A 或B 與時間t 的線性擬合，則為零級模式；

若滿足A 或B 半對數與t 的線性擬合，則為一級模式；

若滿足1/A 或1/B 與t 的線性擬合，則為二級模式。

二、微生物生長動力學模型

微生物腐爛是食品變質的主要方式之一，特別是對新鮮或最低限度加工的冷藏產品。微生物可引起食物腐敗或引起食源性疾病。研究表明微生物導致的食品腐爛，主要是食品貯藏中的特定腐敗菌（specific spoilage organisms，SSO）活動導致的，並且微生物菌群不是靜態的，隨著不同品類食品內在因素和外界環境因素發生改變，其增長態勢是預測食品貨架期的重要因素。

貨架壽命可以定義為從開始儲存到SSOs 達到某一最大水平的時間。生產加工企業應進行貨架期實驗，以確定何時發生變質，並應有效驗證致病性微生物生長趨勢，使用合理科學研究來評估其食品的潛在風險。文獻中有許多與溫度相關的模型來描述微生物的生長還開發了一系列軟件工具來預測食品中某些微生物的生長，然而只有少數是適用於實際的貨架壽命預測。

常見的微生物動力學一級模型主要包括四種，Linear 模型、Logistic模型、Gompertz 模型及Baranyi & Roberts 模型。其中Gompertz 模型是預測微生物學的基石，美國農業部開發的PMP（Pathogen Modeling Program）系統和英國農糧漁部開發的FM（Food Micromodel）系統都以Gompertz 函數作為初級模型。

三、感官預測保質期模型

感官預測保質期方法早在20 世紀80 和90 年代，Taoukis 等就描述了進行有效加速貨架期測試（ASLT: Accelerated shelf-life testing）的原則和方法。在ASLT 方法中，溫度是決定食品損傷的關鍵參數，因為溫度越高，食品損傷越快。溫度和變質速度之間的關系可以用阿倫尼烏斯方程來表示。通常有兩類主要的測試可用於此目的：差異測試（特別是成對比較，雙三聯測試——通常在差異變化的控制測試中——和三角形測試）和使用適當尺度的測試（特征或某些特定屬性）。

目前國內外廣泛使用的感官預測貨架期方法為威布爾危險分析（Weibull hazard）
，這是一種較為實用的方法，有效地結合了ASLT 原理和感官方法並進行改進。威布爾概率函數在工程中被廣泛用於描述失效現象，由Gacula 和Kubala提出用於貨架壽命測試。該方法的原理主要為產品被消費者拒絕所體現的累計危害率與貯藏時間的關系式為：lgt=lgH/β+lgα

式中：t 為發現新變質食品的時間/d；

H 為累計危險率/%；

α 是尺度威布爾分布參數；

β 是形狀威布爾分布參數。

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四、保質期預測方法研究案例

Wahyuni等研究布朗尼蛋糕貨架期的預測，采用加速貨架期測試（ASLT）方法，並結合Arrhenius 模型。在該研究中，使用了20℃、30℃ 和40 ℃三種儲存溫度的變化，並選擇硫代巴比妥酸（TBA）為變化指標進行監測。根據Ketaren的研究表明貯藏過程中脂肪等營養成分的變化會使食品發生酸敗，氧化產物醛類可與TBA 生成有色化合物，用TBA 值來表示氧化程度，TBA 的數量是決定油脂損害程度的最重要因素。

實驗結果表明，TBA 地值隨著貯藏溫度的升高而增加，布朗尼的貯藏壽命通過阿倫尼烏斯方程來估計，即隨著溫度升高（20℃、30℃、40 ℃），產品貨架期分別為1.57、4.9 和14 d。

Nashi等對超高溫瞬時處理後的燕麥谷物飲料進行風味特征的貨架期研究，評價指標有不良風味混合物、正己醛和PVG，評價方法采用風味物質色譜分析法，並成立感官評價小組進行風味可接受程度打分，實驗結果表明當正己醛含量高於初始值的3~5 倍時，燕麥谷物飲料風味為不可接受。

HU 等研究殼聚糖包埋的雞蛋在貯藏過程中品質變化和貨架期，分別在5℃、20℃和35 ℃條件下，測定經包埋的雞蛋在貯藏過程中品質的變化。並分析以哈夫值、密度和氣室直徑增加百分比的Pearson 相關系數，建立基於Arrhenius 方程的貨架期預測模型。結果表明，隨著貯藏時間的延長，雞蛋品質呈下降趨勢。高溫（20℃和35 ℃）貯藏環境比低溫（5 ℃）貯藏環境對品質劣化影響顯著；蛋黃品質與霍夫單位的相關系數最高，可以作為預測貨架期的重要指標；根據雞蛋品質的變化規律，蛋黃因素可以建立一階動力學模型。

根據蛋黃品質變化數建立的模型，預測值與實測值擬合曲線的系數R2 為0.982 5，平均相對誤差P 為9.32%，小於10%。較好地描述了蛋黃品質與溫度之間的動力學關系。同時基於動態模型，確定了基於蛋黃系數的殼聚糖雞蛋貨架期預測模型。平均相對誤差為7.6%，小於10%，說明基於蛋黃品質變化的雞蛋貨架期預測模型是可行的。

劉紅等研究表明目前我國食品及飲料行業保質期的測定大多依靠參照法，即經驗值來進行確定，缺乏科學和標准測試方法。在我國應用較為廣泛地為加速破壞性實驗，所選用的方法為Q10 模型，主要研究貯藏期間溫度對產品品質變化的影響。

任亞妮等應用 ASLT 法預測軟面包的貨架期，實驗溫度選擇為常溫20℃、37℃ 和47 ℃，相對濕度為60%，通過檢測37 ℃和47 ℃下產品的酸價、過氧化值和微生物指標（菌落總數、黴菌、大腸杆菌），並結合感官評價結果，結合Q10 模型，推算出常溫貯藏條件下軟面包的貨架期。

近年來，部分動力學模型和微生物生長模型也逐漸應用到我國產品保質期預測中。胡雲峰等研究不同貯藏溫度下鮮濕米粉的品質變化動力學模型，並應用Arrhenius 模型預測其貨架期。研究結果表明鮮濕米粉的典藍值的擬合系數較高，以典藍值為預測目標建立的模型，經驗證誤差較小。

程曉鳳等研究壓縮餅幹貨架期預測， 選擇ASLT 方法結合Arrhenius 模型進行預測。在加速儲藏溫度條件下，測定壓縮餅幹酸價的變化，研究發現酸價變化較為明顯，符合一級動力學模型，從而建立壓縮餅幹貨架期預測方程，計算出產品在45 ℃下的保質期。

03、我國保質期研究存在的問題及建議

（1）當前保質期研究覆蓋的產品類型少，多為即食食品；

（2）國內多類產品在現行標准中缺乏對於產品品質，尤其是非食品安全性指標（衛生指標）的設計，但在實際商品流通中，往往產品品質會先於食品安全性指標發生改變，導致產品保質期終點難以確定。

如：在開展堅果棒類產品的保質期實驗時，參考《T/CNFIA 001—2017 食品保質期通用指南》附錄B 中的基於溫度條件的保質期穩定性實驗方案設計了堅果棒產品的實驗方案。參考文獻資料，按照Q10=4 設計加速實驗，采用常溫樣品（25 ℃）、加速樣品（貯藏條件35 和45 ℃，75 %RH）與對照樣品（貯藏條件4 ℃）進行，產品執行GB 7099—2015《食品安全國家標准糕點、面包》，根據標准的相關要求，對比評價了理化（酸價、過氧化值）、微生物（菌落總數、黴菌數、大腸菌落數）、感官（差異性測試、消費者接受度測試）指標。

實驗結果表明：35℃ 和45 ℃的加速條件下，酸價和過氧化值在折算常溫儲藏天數320 d 內均沒有超過標准的限量值，微生物的檢驗結果也均為合格，遠低於標准中的限量要求。因此無法通過酸價或過氧化值的檢驗確定產品的Q10，並以酸價或過氧化值進行產品保質期評估。

根據感官評價三點檢驗的實驗結果，在P≤0.05 的置信區間，35 ℃加速條件下的產品在折算常溫儲藏天數達到270 d 時與對照樣品差異最為明顯，但對照樣品無顯著性差異，繼續存放的產品與對照樣品的差異沒有擴大；在45 ℃加速條件下折算常溫儲藏天數達到270 d 時已經與對照樣品有顯著性差異，根據此實驗推測產品的常溫保質期應在270 d（9 個月）左右。

感官接受度評價的結果表明在35 ℃加速條件下，在檢測的時間段內（折算常溫儲藏天數達到320 d）尚未出現任何一項指標無法達到3.5 分的接受度最低要求的情況；在45 ℃加速條件下，折算常溫儲藏天數450 d 的產品除粘合度指標外，其他各項指標均已無法達到3.5 分的接受度最低要求。根據此實驗推測，產品的常溫保質期應在450 d（15 個月）左右。

三種不同的實驗方法得出了完全不同的保質期測試結果，且理化指標未超標的情況下，感官已出現了不可接受的評分。

（3）對於類似糧食制品（如大米、掛面等）等初加工農產品，由於缺乏指示性指標（理化、微生物）或指示性指標為品質劣變的中間產物（如脂肪酸值）與產品保質期的相關性差。

針對上述問題及國內食品品類多，保質期測試周期長，不同品類食品保質期預測數據可參考性不強等問題。建議增加包括不同食品及初加工農產品品類保質期預測的研究，加強對相關品質劣變指示性指標的研究，提高保質期預測數據的穩定性和可參考性。同時結合ASLT 模型，通過多溫度測試獲得Q10 後測算保質期，提高保質期預測的准確性。

來源：食品保質期研究概況分析. 強婉麗，謝 天，李 慧，杜昱蒙，李 靜，李小燕. 中糧營養健康研究院，營養健康與食品安全北京市重點實驗室。注：參考文獻已略，具體見原文。

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