食品中沙門(mén)氏菌預(yù)測(cè)模型的研究進(jìn)展

◎李雪娜

（國(guó)家輕工業(yè)食品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)南京站，江蘇 南京 210000）

沙門(mén)氏菌廣泛分布于自然界之中，人們很容易通過(guò)食物攝入而感染沙門(mén)氏菌，繼而引發(fā)胃腸炎、菌血癥或敗血癥以及傷寒等其他腸熱癥型疾病。沙門(mén)氏菌為革蘭氏陰性，形態(tài)是呈兩端鈍圓的短桿菌，需氧或兼性厭氧菌，無(wú)芽孢和莢膜，大多有周身鞭毛，能運(yùn)動(dòng)；在普通培養(yǎng)基中就可生長(zhǎng)，最佳生長(zhǎng)溫度約為37 ℃，最低生長(zhǎng)溫度為5 ℃，最適pH 為6.8～7.8，但它對(duì)熱抵抗力不強(qiáng)，在60 ℃、15 min 條件下都可被殺死。沙門(mén)氏菌是導(dǎo)致食源性疾病暴發(fā)的重要原因之一，嚴(yán)重威脅食品安全[1]。在各類(lèi)食品中，畜禽肉、蛋以及乳類(lèi)食品是引起沙門(mén)氏菌病暴發(fā)的主要媒介，特別是即食類(lèi)食品，食用前不再作消毒處理，一旦遭受沙門(mén)氏菌二次污染，將使消費(fèi)者承受更大的感染風(fēng)險(xiǎn)。

預(yù)測(cè)微生物學(xué)是一門(mén)在微生物學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的新興學(xué)科，借助所建預(yù)測(cè)模型，可以在不進(jìn)行傳統(tǒng)微生物學(xué)檢測(cè)的情況下，快速對(duì)食品的污染狀況、安全性和貨架期等進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而可以有效監(jiān)控致病菌污染、管理食品安全。預(yù)測(cè)微生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要是基于微生物對(duì)環(huán)境影響具有重現(xiàn)性的原理，設(shè)計(jì)一系列能夠描述和預(yù)測(cè)微生物在特定條件下生長(zhǎng)和存活的模型，這些模型為微生物定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和危害分析關(guān)鍵控制點(diǎn)（HACCP）提供了科學(xué)依據(jù)，是管理食品安全的重要工具。

1 沙門(mén)氏菌預(yù)測(cè)模型分類(lèi)

關(guān)于預(yù)測(cè)模型有很多分類(lèi)方法，目前人們普遍認(rèn)可的是WHITING 和BUCHANAN 提出的基于變量類(lèi)型的模型分類(lèi)法，將模型分為兩大類(lèi)，即生長(zhǎng)模型和失活模型，每個(gè)模型又有3 個(gè)不同層次的模型水平，分別為一級(jí)模型、二級(jí)模型和三級(jí)模型[2]。一級(jí)模型是基礎(chǔ)模型，它用來(lái)描述微生物量與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系；二級(jí)模型是指一級(jí)模型中的參數(shù)與物理、化學(xué)、生物等環(huán)境變量（溫度、貯藏氣體、水分活度、pH、有機(jī)酸及紫外線照射等）之間的函數(shù)關(guān)系；三級(jí)模型是在一級(jí)、二級(jí)模型的基礎(chǔ)之上所建立的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，也稱(chēng)專(zhuān)家系統(tǒng)。部分一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)模型如表1所示。

表1 模型分類(lèi)表

2 預(yù)測(cè)模型建模過(guò)程中使用的檢測(cè)技術(shù)

預(yù)測(cè)微生物學(xué)的核心在于建立完善的預(yù)測(cè)模型，而全面準(zhǔn)確地建立數(shù)學(xué)模型是建立預(yù)測(cè)模型過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。采用不同的微生物培養(yǎng)方式、數(shù)據(jù)采集方式、檢測(cè)技術(shù)，對(duì)預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性有較大影響。表2 列出了常見(jiàn)的檢測(cè)技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)、局限性，還給出了目前在檢測(cè)沙門(mén)氏菌中的實(shí)際應(yīng)用。

表2 建模過(guò)程中使用的檢測(cè)方法表

續(xù)表2

在表2 所列出的方法中，傳統(tǒng)的平板計(jì)數(shù)法大多在無(wú)菌條件下選擇合適的培養(yǎng)基對(duì)單一微生物進(jìn)行培養(yǎng)（少則2～3 d，多則數(shù)周），耗時(shí)耗力且無(wú)法檢測(cè)出可存活但不可培養(yǎng)狀態(tài)的細(xì)菌；酶聯(lián)免疫吸附法在應(yīng)用過(guò)程中，微生物之間易發(fā)生交叉反應(yīng)，而且由于抗原抗體復(fù)合物的結(jié)合能力低，通常檢測(cè)限較低；分子方法比常規(guī)方法更加具有特異性及敏感性，但是PCR 法中的擴(kuò)增步驟會(huì)因?yàn)槭称坊|(zhì)的不同成分而受到干擾，擴(kuò)增時(shí)間太長(zhǎng)還需要注意避免交叉污染。近年來(lái)，還出現(xiàn)了一些新技術(shù)，如納米技術(shù)、生物傳感器檢測(cè)技術(shù)、近紅外技術(shù)等。例如，MAO 等[3]用實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的納米流式細(xì)胞儀（nFCM）對(duì)雞蛋中的鼠傷寒沙門(mén)氏菌進(jìn)行快速、定量檢測(cè)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程程耗時(shí)短，且具有較低的檢測(cè)限和較大的動(dòng)態(tài)范圍，可以同時(shí)檢測(cè)鼠傷寒沙門(mén)氏菌和總細(xì)菌數(shù)量。由于每種方法各有利弊，在實(shí)際應(yīng)用中為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還需要綜合考慮，往往將兩種或兩種以上的方法結(jié)合使用來(lái)弱化單一方法的弊端。

3 影響預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性的因素

3.1 微生物的交互作用

不論是微生物的群體預(yù)測(cè)模型還是單細(xì)胞預(yù)測(cè)模型，絕大部分僅研究單一微生物的生長(zhǎng)、繁殖及死亡情況，但實(shí)際生活中的食品不可能只有單一微生物的存在，微生物與微生物間、微生物與外部環(huán)境間都存在著相互作用[4]。目前，用于描述微生物間交互作用的預(yù)測(cè)模型主要是基于修正的Baranyi 模型而發(fā)展起來(lái)的Jameson-effect 模型及Lokta-Volterra 模型[5]。

3.2 不同基質(zhì)

預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確建立除了需要考慮微生物與微生物之間的交互作用，還要考慮到環(huán)境對(duì)微生物的影響。建模時(shí)使用的培養(yǎng)基或食品基質(zhì)都可看作一個(gè)微環(huán)境，它們與微生物之間的作用不可忽略。傳統(tǒng)上，食品中病原體的生長(zhǎng)、失活預(yù)測(cè)模型建立在肉湯培養(yǎng)基的基礎(chǔ)之上，用于建模的數(shù)據(jù)（遲滯期、最大比生長(zhǎng)速率等）可能與固體食品基質(zhì)中的數(shù)據(jù)相差很大。

3.2.1 培養(yǎng)基與食品基質(zhì)

李萌等[6]研究了不同基質(zhì)條件下食品防腐劑對(duì)冷藏河鲀魚(yú)片腐敗菌的抑菌差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為山梨酸鉀溶液在魚(yú)肉汁基質(zhì)中對(duì)熒光假單胞菌、莓實(shí)假單胞菌的抑菌效果均優(yōu)于在營(yíng)養(yǎng)肉湯液體培養(yǎng)基基質(zhì)中的抑菌效果。

3.2.2 不同食品基質(zhì)

食品中的微生物大多有3 種不同的生長(zhǎng)形態(tài)，即浮游細(xì)胞、表面菌落和浸沒(méi)菌落，它們常常單獨(dú)或以組合形式出現(xiàn)。浮游細(xì)胞指微生物細(xì)胞在液體基質(zhì)中浮游生長(zhǎng)，而表面菌落和浸沒(méi)菌落是指微生物菌落在結(jié)構(gòu)性食物的表面或內(nèi)部。菌落中的細(xì)胞易受多種因素的影響，如有毒代謝物的積累、食品的微觀結(jié)構(gòu)、食品內(nèi)部的擴(kuò)散限制等，因此微生物浮游生長(zhǎng)的微環(huán)境不同于固定生長(zhǎng)的微環(huán)境。常認(rèn)定細(xì)菌在這些不同的生長(zhǎng)形態(tài)中生長(zhǎng)速率大小為：浮游細(xì)胞≥浸沒(méi)菌落≥表面菌落。常見(jiàn)食品基質(zhì)的物理狀態(tài)可以是液體（如果汁）、凝膠狀（如果凍、軟糖等）、黏狀等。例如，細(xì)菌在液體食品中以浮游細(xì)胞的狀態(tài)存在，在肉、蔬菜中以表面菌落的狀態(tài)存在。

4 尚未解決的問(wèn)題

預(yù)測(cè)微生物學(xué)的核心是建立完善的數(shù)據(jù)庫(kù)及篩選出可靠的一級(jí)、二級(jí)模型，盡管目前有很多預(yù)測(cè)模型，但要使得這些沙門(mén)氏菌模型能正確應(yīng)用在食品安全領(lǐng)域還有許多工作要完善。

（1）目前關(guān)于沙門(mén)氏菌單細(xì)胞預(yù)測(cè)模型的相關(guān)研究過(guò)少。

（2）目前關(guān)于微生物之間的交互作用研究太過(guò)局限。①不同微生物之間的交互作用研究不徹底，目前大部分研究交互作用局限于兩種菌種純培養(yǎng)狀態(tài)下的競(jìng)爭(zhēng)模型，還需要開(kāi)發(fā)存在背景菌或者更貼近實(shí)際食品的競(jìng)爭(zhēng)模型。②微生物之間不只存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，關(guān)于不同微生物對(duì)沙門(mén)氏菌的協(xié)同作用了解甚少，還需進(jìn)一步研究微生物與微生物之間的相互作用。③實(shí)際食品中微生物的菌落濃度通常很低，因此構(gòu)建單細(xì)胞水平下的微生物間交互模型更具有實(shí)際意義。④將微生物間交互模型結(jié)合到已有的微生物預(yù)測(cè)軟件中，使得非專(zhuān)業(yè)人士也可以快速準(zhǔn)確地獲得預(yù)測(cè)微生物學(xué)相關(guān)信息的指導(dǎo)，為數(shù)據(jù)分析奠定工作基礎(chǔ)。

（3）我國(guó)食品微生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作起步較晚，投入較少且發(fā)展緩慢。在這種情況下，就要借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的良性發(fā)展。食品中食源性病毒、寄生蟲(chóng)等的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尚未開(kāi)展或剛剛開(kāi)始，重要病原菌在不同食品組合的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要拓展。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著沙門(mén)氏菌引發(fā)的食源性疾病案例的頻繁出現(xiàn)，沙門(mén)氏菌預(yù)測(cè)模型的相關(guān)研究也將不斷深入。圍繞食品復(fù)雜基質(zhì)、多種微生物相互作用以及基于新技術(shù)建模的研究將會(huì)成為新的研究熱點(diǎn)。