食品中沙門氏菌預測模型的研究進展

◎李雪娜

（國家輕工業食品質量監督檢測南京站，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、統計學、數學和應用計算機基礎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，從而可以有效監控致病菌污染、管理食品安全。預測微生物學的研究內容主要是基于微生物對環境影響具有重現性的原理，設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鍵控制點（HACCP）提供了科學依據，是管理食品安全的重要工具。

1 沙門氏菌預測模型分類

關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]。一級模型是基礎模型，它用來描述微生物量與時間之間的函數關系；二級模型是指一級模型中的參數與物理、化學、生物等環境變量（溫度、貯藏氣體、水分活度、pH、有機酸及紫外線照射等）之間的函數關系；三級模型是在一級、二級模型的基礎之上所建立的計算機應用程序，也稱專家系統。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

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學模型是建立預測模型過程中的關鍵問題。采用不同的微生物培養方式、數據采集方式、檢測技術，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及其優點、局限性，還給出了目前在檢測沙門氏菌中的實際應用。

表2 建模過程中使用的檢測方法表

續表2

在表2 所列出的方法中，傳統的平板計數法大多在無菌條件下選擇合適的培養基對單一微生物進行培養（少則2～3 d，多則數周），耗時耗力且無法檢測出可存活但不可培養狀態的細菌；酶聯免疫吸附法在應用過程中，微生物之間易發生交叉反應，而且由于抗原抗體復合物的結合能力低，通常檢測限較低；分子方法比常規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，還出現了一些新技術，如納米技術、生物傳感器檢測技術、近紅外技術等。例如，MAO 等[3]用實驗室構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范圍，可以同時檢測鼠傷寒沙門氏菌和總細菌數量。由于每種方法各有利弊，在實際應用中為了確保數據的準確性，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 模型而發展起來的Jameson-effect 模型及Lokta-Volterra 模型[5]。

3.2 不同基質

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，還要考慮到環境對微生物的影響。建模時使用的培養基或食品基質都可看作一個微環境，它們與微生物之間的作用不可忽略。傳統上，食品中病原體的生長、失活預測模型建立在肉湯培養基的基礎之上，用于建模的數據（遲滯期、最大比生長速率等）可能與固體食品基質中的數據相差很大。

3.2.1 培養基與食品基質

李萌等[6]研究了不同基質條件下食品防腐劑對冷藏河鲀魚片腐敗菌的抑菌差異，實驗結果為山梨酸鉀溶液在魚肉汁基質中對熒光假單胞菌、莓實假單胞菌的抑菌效果均優于在營養肉湯液體培養基基質中的抑菌效果。

3.2.2 不同食品基質

食品中的微生物大多有3 種不同的生長形態，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。浮游細胞指微生物細胞在液體基質中浮游生長，而表面菌落和浸沒菌落是指微生物菌落在結構性食物的表面或內部。菌落中的細胞易受多種因素的影響，如有毒代謝物的積累、食品的微觀結構、食品內部的擴散限制等，因此微生物浮游生長的微環境不同于固定生長的微環境。常認定細菌在這些不同的生長形態中生長速率大小為：浮游細胞≥浸沒菌落≥表面菌落。常見食品基質的物理狀態可以是液體（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存在，在肉、蔬菜中以表面菌落的狀態存在。

4 尚未解決的問題

預測微生物學的核心是建立完善的數據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用在食品安全領域還有許多工作要完善。

（1）目前關于沙門氏菌單細胞預測模型的相關研究過少。

（2）目前關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狀態下的競爭模型，還需要開發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系，關于不同微生物對沙門氏菌的協同作用了解甚少，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合到已有的微生物預測軟件中，使得非專業人士也可以快速準確地獲得預測微生物學相關信息的指導，為數據分析奠定工作基礎。

（3）我國食品微生物風險評估工作起步較晚，投入較少且發展緩慢。在這種情況下，就要借鑒國外的先進技術和經驗，實現國內風險評估工作的良性發展。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 結語

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