食品中沙門氏菌預測模型的研究進展

◎李雪娜

（國家輕工業(yè)食品質(zhì)量監(jiān)督檢測南京站，江蘇 南京 210000）

沙門氏菌廣泛分布于自然界之中，人們很容易通過食物攝入而感染沙門氏菌，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，無芽孢和莢膜，大多有周身鞭毛，能運動；在普通培養(yǎng)基中就可生長，最佳生長溫度約為37 ℃，最低生長溫度為5 ℃，最適pH 為6.8～7.8，但它對熱抵抗力不強，在60 ℃、15 min 條件下都可被殺死。沙門氏菌是導致食源性疾病暴發(fā)的重要原因之一，嚴重威脅食品安全[1]。在各類食品中，畜禽肉、蛋以及乳類食品是引起沙門氏菌病暴發(fā)的主要媒介，特別是即食類食品，食用前不再作消毒處理，一旦遭受沙門氏菌二次污染，將使消費者承受更大的感染風險。

預測微生物學是一門在微生物學、統(tǒng)計學、數(shù)學和應(yīng)用計算機基礎(chǔ)上建立起來的新興學科，借助所建預測模型，可以在不進行傳統(tǒng)微生物學檢測的情況下，快速對食品的污染狀況、安全性和貨架期等進行預測，從而可以有效監(jiān)控致病菌污染、管理食品安全。預測微生物學的研究內(nèi)容主要是基于微生物對環(huán)境影響具有重現(xiàn)性的原理，設(shè)計一系列能夠描述和預測微生物在特定條件下生長和存活的模型，這些模型為微生物定量風險評估和危害分析關(guān)鍵控制點（HACCP）提供了科學依據(jù)，是管理食品安全的重要工具。

1 沙門氏菌預測模型分類

關(guān)于預測模型有很多分類方法，目前人們普遍認可的是WHITING 和BUCHANAN 提出的基于變量類型的模型分類法，將模型分為兩大類，即生長模型和失活模型，每個模型又有3 個不同層次的模型水平，分別為一級模型、二級模型和三級模型[2]。一級模型是基礎(chǔ)模型，它用來描述微生物量與時間之間的函數(shù)關(guān)系；二級模型是指一級模型中的參數(shù)與物理、化學、生物等環(huán)境變量（溫度、貯藏氣體、水分活度、pH、有機酸及紫外線照射等）之間的函數(shù)關(guān)系；三級模型是在一級、二級模型的基礎(chǔ)之上所建立的計算機應(yīng)用程序，也稱專家系統(tǒng)。部分一級、二級、三級模型如表1所示。

表1 模型分類表

2 預測模型建模過程中使用的檢測技術(shù)

預測微生物學的核心在于建立完善的預測模型，而全面準確地建立數(shù)學模型是建立預測模型過程中的關(guān)鍵問題。采用不同的微生物培養(yǎng)方式、數(shù)據(jù)采集方式、檢測技術(shù)，對預測模型的準確性有較大影響。表2 列出了常見的檢測技術(shù)及其優(yōu)點、局限性，還給出了目前在檢測沙門氏菌中的實際應(yīng)用。

表2 建模過程中使用的檢測方法表

續(xù)表2

在表2 所列出的方法中，傳統(tǒng)的平板計數(shù)法大多在無菌條件下選擇合適的培養(yǎng)基對單一微生物進行培養(yǎng)（少則2～3 d，多則數(shù)周），耗時耗力且無法檢測出可存活但不可培養(yǎng)狀態(tài)的細菌；酶聯(lián)免疫吸附法在應(yīng)用過程中，微生物之間易發(fā)生交叉反應(yīng)，而且由于抗原抗體復合物的結(jié)合能力低，通常檢測限較低；分子方法比常規(guī)方法更加具有特異性及敏感性，但是PCR 法中的擴增步驟會因為食品基質(zhì)的不同成分而受到干擾，擴增時間太長還需要注意避免交叉污染。近年來，還出現(xiàn)了一些新技術(shù)，如納米技術(shù)、生物傳感器檢測技術(shù)、近紅外技術(shù)等。例如，MAO 等[3]用實驗室構(gòu)建的納米流式細胞儀（nFCM）對雞蛋中的鼠傷寒沙門氏菌進行快速、定量檢測，整個實驗過程程耗時短，且具有較低的檢測限和較大的動態(tài)范圍，可以同時檢測鼠傷寒沙門氏菌和總細菌數(shù)量。由于每種方法各有利弊，在實際應(yīng)用中為了確保數(shù)據(jù)的準確性，還需要綜合考慮，往往將兩種或兩種以上的方法結(jié)合使用來弱化單一方法的弊端。

3 影響預測模型準確性的因素

3.1 微生物的交互作用

不論是微生物的群體預測模型還是單細胞預測模型，絕大部分僅研究單一微生物的生長、繁殖及死亡情況，但實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測模型主要是基于修正的Baranyi 模型而發(fā)展起來的Jameson-effect 模型及Lokta-Volterra 模型[5]。

3.2 不同基質(zhì)

預測模型的準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)境對微生物的影響。建模時使用的培養(yǎng)基或食品基質(zhì)都可看作一個微環(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、失活預測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冷藏河鲀魚片腐敗菌的抑菌差異，實驗結(jié)果為山梨酸鉀溶液在魚肉汁基質(zhì)中對熒光假單胞菌、莓實假單胞菌的抑菌效果均優(yōu)于在營養(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 種不同的生長形態(tài)，即浮游細胞、表面菌落和浸沒菌落，它們常常單獨或以組合形式出現(xiàn)。浮游細胞指微生物細胞在液體基質(zhì)中浮游生長，而表面菌落和浸沒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)部的擴散限制等，因此微生物浮游生長的微環(huán)境不同于固定生長的微環(huán)境。常認定細菌在這些不同的生長形態(tài)中生長速率大小為：浮游細胞≥浸沒菌落≥表面菌落。常見食品基質(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，細菌在液體食品中以浮游細胞的狀態(tài)存在，在肉、蔬菜中以表面菌落的狀態(tài)存在。

4 尚未解決的問題

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

（1）目前關(guān)于沙門氏菌單細胞預測模型的相關(guān)研究過少。

（2）目前關(guān)于微生物之間的交互作用研究太過局限。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)下的競爭模型，還需要開發(fā)存在背景菌或者更貼近實際食品的競爭模型。②微生物之間不只存在競爭關(guān)系，關(guān)于不同微生物對沙門氏菌的協(xié)同作用了解甚少，還需進一步研究微生物與微生物之間的相互作用。③實際食品中微生物的菌落濃度通常很低，因此構(gòu)建單細胞水平下的微生物間交互模型更具有實際意義。④將微生物間交互模型結(jié)合到已有的微生物預測軟件中，使得非專業(yè)人士也可以快速準確地獲得預測微生物學相關(guān)信息的指導，為數(shù)據(jù)分析奠定工作基礎(chǔ)。

（3）我國食品微生物風險評估工作起步較晚，投入較少且發(fā)展緩慢。在這種情況下，就要借鑒國外的先進技術(shù)和經(jīng)驗，實現(xiàn)國內(nèi)風險評估工作的良性發(fā)展。食品中食源性病毒、寄生蟲等的定量風險評估尚未開展或剛剛開始，重要病原菌在不同食品組合的定量風險評估需要拓展。

5 結(jié)語

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