預測微生物學及其在食品科學中的運用

彭盼盼

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?基于分析預測微生物學及其在食品科學中的運用，首先分析出預測微生物學的概念，以及預測微生物學的數學模型，包括一級、二級和三級模型。其次分析出預測微生物學在食品科學中的有效應用途徑，分別在食品工業、食品生產管理、食品有益微生物、其他領域四個方面，來增強食品的質量和食品安全。最后分析出預測微生物學在食品科學中的應用，有助于人們食用的健康、安全，從而實現食品生產的經濟效益最大化。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?預測微生物學;預測模型;食品科學;食品安全

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）07-0184-02

微生物學是一門不斷發展和進步的學科，開始出現的預測微生物學，能夠讓人們在沒有進行微生物檢測情況下，來預測微生物的生長和死亡，這為食品的安全性提供了重要的保障。因為預測微生物學是在多個學科交叉的基礎上逐漸發展起來的，所以對食品科學的管理、安全的預測等具有一定的運用價值。從而在一定的條件下，去預測微生物數量對人們健康生活的威脅，或者影響微生物滅活的程度，推動食品科學工業的更好發展，提高人們食用食品的安全性。

一、預測微生物學的概念

預測微生物學，最早為食品預測微生物學，是食品科學家針對食品中微生物危害的問題所提出的，后來逐漸發展為一門專業的學科。預測微生物，主要是運用微生物學、工程數學、統計學等進行數學建模，并通過計算機、相關配套軟件，去描述處于特定環境下微生物的生長、死亡規律。

由于當前的食品產業需要解決的一個問題就是，如何預測食品中的微生物危害、食源性病原微生物的危害。在傳統的檢測上，主要是通過接種對食品病原微生物的生長、產生霉素的風險進行檢驗。首先，取一定量的病原微生物，再接種到食品中，在食品保存過程中，進行連續的取樣，來檢測微生物的生長和衰退或者死亡情況。但是因為食品貨架期的不穩定因素，一些新型的食品日益增加，而大部分的食品成分不同，生產過程也不同，就會導致難以評估每一種產品食物的病原微生物情況。[1]因此，在食品科學中運用預測微生物學，能夠有效彌補傳統檢驗的不足和弊端，促進食品產業的更快發展。

二、預測微生物學的數學模型

（一）一級模型

一級模型，也是初級模型，主要是描述微生物在特定的環境下，其數量變化和時間的函數關系。通過微生物的生長模型，建立預測微生物模型，進行測量和模擬生長，通常情況下以繪制生長曲線來體現細菌的生長。其中，生長曲線就是微生物數量的對數隨著時間變化的函數，主要包括微生物對新環境適應的生長情況，經過一段時間的生長，作為延滯期[2]。當細菌呈現指數生長時，這一階段稱之為指數期，當細菌的生長率開始下降，直到變零，呈現出漸近線形狀，這一段稱之為靜止期。

當前，出現了描述微生物生長的S型方程，比較簡便好用，具有很廣的適用范圍，在很多環境條件下仍然適用，涵蓋了微生物的生長延滯期和指數期。并且，還有一些描述微生物失活的模型，因為細菌數量下降后與之前的方程不一致，經常在下降前會出現一段延滯期，所以出現了初級模型。

（二）二級模型

二級模型，也叫次級模型，主要是描述環境因子變量與影響初級模型中的參數關系。次級模型常用的是平方根模型、反應表面模型，適用于冷凍的食品。當生長率和溫度的平方根存在線性的關系時，就可以運用該方程。[3]后來，在方程中又引入了溫度和水厚度等，如若溫度是控制細菌生長的唯一因子，就可以應用平方根模型，但是如果涉及更多的因子時，此時就需要反應表面模型，去描述多個因子的影響、各個因子之間的相互作用。其中，平方根模型中分別加入二次方程和三次方程，可以表示延滯的時間、最大生長率。而反應表面模型，只是規定了溫度的范圍、PH和其他因子條件，無論哪一種因子，只要超出范圍就會導致預測參數的錯誤。同時，影響因子的增加，會增多模型中預測參數的數目，從而需要收集更多的實驗數據。

可以說，建立預測微生物模型具有很多的挑戰，微生物對環境條件變化，所產生的相應生理反應比較復雜，人們對其的了解又是少之又少。由于微生物的生長，本身生物學具有較高的變動性，而可行的微生物計數技術準確性也較低，導致微生物模型，要建立在不精準的計數標準上，當生長條件受到限制，微生物的活力變動就會更大，從而高于適合生長條件的變動性，這就造成機械性的模型無法適用。[4]而此時，就可以運用人工神經網，這是一種非線性的模型技術，能夠模仿人類神經系統的工作原理，在數據的檢驗方面比較準確，能夠有效地進行食品生產和安全的風險評估。

（三）三級模型

三級模型，也是專家系統，是在前兩個模型的基礎上，通過計算機編程軟件，所制作出的人機對話，讓更多的非專業人士，也可以獲得預測微生物學相關信息和指導的機會。當前，三級模型已經成為食品生產和研究的重要工具。

比如，美國的農業部門和食品安全部門，開發出病原菌模型程序，能夠預測牛肉湯中的肉毒桿菌、產氣莢膜梭菌的生長;英國的農業和漁業食品部，開發了食品微生物預測模型，能夠預測食品產品中的微生物生長;澳大利亞一所大學的食品專家和相關學者，開發了預測假單胞菌生長的軟件，充分考慮到食品的特點和生產的過程，通過將染菌、接種菌的食品，放在工業生產環境中，在恒溫和溫度波動條件下進行實驗驗證[5];丹麥的漁業研究所，開發了海洋食品的腐敗預測軟件，能夠預測海洋食品，在溫度波動條件下的貨架期、特定腐敗微生物的生長，同時其安全預測程序軟件，能夠預測新鮮或輕度保藏的海洋食品貨架期、細菌生長;法國農業部門和研究部門，開發了Sym Previus軟件，能夠將食品、細菌、環境特點與微生物的生長、行為相結合的數據庫。

三、預測微生物學在食品科學中的有效應用途徑

（一）食品工業

預測微生物學，主要被廣泛應用于食品工業，通過預測模型，去評估特定的食品，在特定加工條件下的，微生物生長和繁殖速度、失活速率，來改良現有的產品，并促進新的產品開發，同時能夠進一步確認食品的貯存條件和日期[6]。尤其應用在魚類產品、乳制品和家禽類等食品的制作中。后來，逐漸將預測模型延伸，運用到牛肉在公路和鐵路運輸中貨架期的判斷。

（二）食品生產管理

對于預測微生物學來說，為食品生產管理提供了有利的幫助，同時也為食品生產中的食品安全提供了保障。比如，將設計食品生產時控制的加熱溫度，設定為關鍵控制點，通過建模能夠評估加工操作過程中的偏差，對微生物食品安全和質量的影響。

在食品生產中引入危害分析和關鍵控制點、風險評估技術，去達到食品安全生產的目的。并且，當進行食品的安全風險評估時，可以通過預測微生物學模型，了解食品在食用時所含有的微生物數量。另外，食品微生物安全風險，會因為微生物的生長而擴大，也會因為食品的防腐、除菌處理，而逐漸變小，甚至消除[7]。所以，要從食品之前的微生物水平，預測其在食用時的微生物數量，就要掌握準確可靠的數據和相關知識，包括溫度、營養、化學藥品和防腐劑等等，還需要了解微生物在該環境下生存的時間，而這些就可以借助預測微生物模型實現。

（三）食品有益微生物

在食品微生物學中，預測微生物模型通常是用于預測有害的細菌、食物病原體的生長和失活。在當前技術的不斷發展下，還可以應用到食品有益微生物中，比如乳酸菌。通過建立食品有益微生物動力學的預測模型，去預測發酵食品中的乳酸菌功能特性，例如酸化力，有利于代謝細菌素等產物的產生，風味的形成等[8]。從而，進一步掌握到關于食品環境，與菌株功能作用之間的聯系信息，有助于選擇更為合適的加工工藝，不斷增強食品的安全和食品質量，在很大程度上也能夠減少經濟的損失，實現食品生產的經濟效益最大化。

（四）其他領域

近年來，除了食品科學之外，很多科學家和生物學家，開始將預測微生物學應用到其他的領域。比如，嘗試建立不同水體、陸地生態系統的模型，預測微生物對環境有毒物質的降解，或者在環境生物修復中的作用;預測藻類的大量生長和繁殖，而引發的赤潮;預測微生物在生物地球化學循環中的作用等，以及更多領域的專家也在嘗試將其應用到調味品、化妝品的微生物危害預測之中。

四、結語

綜上所述，預測微生物學在食品科學中的應用，能夠不斷提高食品的安全和食品質量，為人們的身體健康提供了重要的保障。通過進行預測微生物學的數學建模，檢測微生物的生長和衰退或者死亡情況，在數據的檢驗方面比較準確，能夠有效地進行食品生產和安全的風險評估，以及食品的微生物數量，從而選擇更為合適的食品生產加工工藝，在很大程度上也能夠減少經濟損失，實現食品生產的經濟效益最大化。

參考文獻：

[1]牛犇，洪斌，穆麗麗，等.熒光定量PCR在預測微生物學中的應用[J].食品工業科技，2019（5）：275-282.

[2]張磊.PCR技術及其在食品微生物檢測中的應用[J].食品安全導刊，2017（33）：98.

[3]陳安徽，邵穎，陳宏偉，等.食品微生物學實驗課程中模塊化教學的應用探索[J].教育教學論壇，2017（41）：226-227.

[4]唐雪妹，謝書越，黃玉芬，等.質譜成像技術在食品科學領域的應用進展[J].食品科學，2019（13）.

[5]瑪依樂·艾海提，西熱娜依·阿布力克木，努爾古麗·熱合曼.應用高通量測序法檢測南疆傳統酸奶中微生物多樣性[J].食品科學，2018（20）.

[6]陳芳芳.發酵食品中氨基甲酸酯類農藥的微生物降解作用的研究[D].哈爾濱：哈爾濱東北農業大學，2017.

[7]林雪，李武.食品微生物學信息化教學方法的研究[J].中國校外教育（下旬），2018（3）：166-167.

[8]黃璇瑩，陳紅艷，黃啟紅.微生物檢測技術及其在食品安全中的應用[J].山東化工，2018（12）.

◎編輯 曾彥慧