預(yù)測(cè)微生物學(xué)及其在食品科學(xué)中的運(yùn)用

彭盼盼

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?基于分析預(yù)測(cè)微生物學(xué)及其在食品科學(xué)中的運(yùn)用，首先分析出預(yù)測(cè)微生物學(xué)的概念，以及預(yù)測(cè)微生物學(xué)的數(shù)學(xué)模型，包括一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)模型。其次分析出預(yù)測(cè)微生物學(xué)在食品科學(xué)中的有效應(yīng)用途徑，分別在食品工業(yè)、食品生產(chǎn)管理、食品有益微生物、其他領(lǐng)域四個(gè)方面，來(lái)增強(qiáng)食品的質(zhì)量和食品安全。最后分析出預(yù)測(cè)微生物學(xué)在食品科學(xué)中的應(yīng)用，有助于人們食用的健康、安全，從而實(shí)現(xiàn)食品生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?預(yù)測(cè)微生物學(xué);預(yù)測(cè)模型;食品科學(xué);食品安全

[中圖分類(lèi)號(hào)] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）07-0184-02

微生物學(xué)是一門(mén)不斷發(fā)展和進(jìn)步的學(xué)科，開(kāi)始出現(xiàn)的預(yù)測(cè)微生物學(xué)，能夠讓人們?cè)跊](méi)有進(jìn)行微生物檢測(cè)情況下，來(lái)預(yù)測(cè)微生物的生長(zhǎng)和死亡，這為食品的安全性提供了重要的保障。因?yàn)轭A(yù)測(cè)微生物學(xué)是在多個(gè)學(xué)科交叉的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的，所以對(duì)食品科學(xué)的管理、安全的預(yù)測(cè)等具有一定的運(yùn)用價(jià)值。從而在一定的條件下，去預(yù)測(cè)微生物數(shù)量對(duì)人們健康生活的威脅，或者影響微生物滅活的程度，推動(dòng)食品科學(xué)工業(yè)的更好發(fā)展，提高人們食用食品的安全性。

一、預(yù)測(cè)微生物學(xué)的概念

預(yù)測(cè)微生物學(xué)，最早為食品預(yù)測(cè)微生物學(xué)，是食品科學(xué)家針對(duì)食品中微生物危害的問(wèn)題所提出的，后來(lái)逐漸發(fā)展為一門(mén)專(zhuān)業(yè)的學(xué)科。預(yù)測(cè)微生物，主要是運(yùn)用微生物學(xué)、工程數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并通過(guò)計(jì)算機(jī)、相關(guān)配套軟件，去描述處于特定環(huán)境下微生物的生長(zhǎng)、死亡規(guī)律。

由于當(dāng)前的食品產(chǎn)業(yè)需要解決的一個(gè)問(wèn)題就是，如何預(yù)測(cè)食品中的微生物危害、食源性病原微生物的危害。在傳統(tǒng)的檢測(cè)上，主要是通過(guò)接種對(duì)食品病原微生物的生長(zhǎng)、產(chǎn)生霉素的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。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(guò)程中，進(jìn)行連續(xù)的取樣，來(lái)檢測(cè)微生物的生長(zhǎng)和衰退或者死亡情況。但是因?yàn)槭称坟浖芷诘牟环€(wěn)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(chǎn)過(guò)程也不同，就會(huì)導(dǎo)致難以評(píng)估每一種產(chǎn)品食物的病原微生物情況。[1]因此，在食品科學(xué)中運(yùn)用預(yù)測(cè)微生物學(xué)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢驗(yàn)的不足和弊端，促進(jìn)食品產(chǎn)業(yè)的更快發(fā)展。

二、預(yù)測(cè)微生物學(xué)的數(shù)學(xué)模型

（一）一級(jí)模型

一級(jí)模型，也是初級(jí)模型，主要是描述微生物在特定的環(huán)境下，其數(shù)量變化和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)微生物的生長(zhǎng)模型，建立預(yù)測(cè)微生物模型，進(jìn)行測(cè)量和模擬生長(zhǎng)，通常情況下以繪制生長(zhǎng)曲線來(lái)體現(xiàn)細(xì)菌的生長(zhǎng)。其中，生長(zhǎng)曲線就是微生物數(shù)量的對(duì)數(shù)隨著時(shí)間變化的函數(shù)，主要包括微生物對(duì)新環(huán)境適應(yīng)的生長(zhǎng)情況，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生長(zhǎng)，作為延滯期[2]。當(dāng)細(xì)菌呈現(xiàn)指數(shù)生長(zhǎng)時(shí)，這一階段稱(chēng)之為指數(shù)期，當(dāng)細(xì)菌的生長(zhǎng)率開(kāi)始下降，直到變零，呈現(xiàn)出漸近線形狀，這一段稱(chēng)之為靜止期。

當(dāng)前，出現(xiàn)了描述微生物生長(zhǎng)的S型方程，比較簡(jiǎn)便好用，具有很廣的適用范圍，在很多環(huán)境條件下仍然適用，涵蓋了微生物的生長(zhǎng)延滯期和指數(shù)期。并且，還有一些描述微生物失活的模型，因?yàn)榧?xì)菌數(shù)量下降后與之前的方程不一致，經(jīng)常在下降前會(huì)出現(xiàn)一段延滯期，所以出現(xiàn)了初級(jí)模型。

（二）二級(jí)模型

二級(jí)模型，也叫次級(jí)模型，主要是描述環(huán)境因子變量與影響初級(jí)模型中的參數(shù)關(guān)系。次級(jí)模型常用的是平方根模型、反應(yīng)表面模型，適用于冷凍的食品。當(dāng)生長(zhǎng)率和溫度的平方根存在線性的關(guān)系時(shí)，就可以運(yùn)用該方程。[3]后來(lái)，在方程中又引入了溫度和水厚度等，如若溫度是控制細(xì)菌生長(zhǎng)的唯一因子，就可以應(yīng)用平方根模型，但是如果涉及更多的因子時(shí)，此時(shí)就需要反應(yīng)表面模型，去描述多個(gè)因子的影響、各個(gè)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(shí)間、最大生長(zhǎng)率。而反應(yīng)表面模型，只是規(guī)定了溫度的范圍、PH和其他因子條件，無(wú)論哪一種因子，只要超出范圍就會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)參數(shù)的錯(cuò)誤。同時(shí)，影響因子的增加，會(huì)增多模型中預(yù)測(cè)參數(shù)的數(shù)目，從而需要收集更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

可以說(shuō)，建立預(yù)測(cè)微生物模型具有很多的挑戰(zhàn)，微生物對(duì)環(huán)境條件變化，所產(chǎn)生的相應(yīng)生理反應(yīng)比較復(fù)雜，人們對(duì)其的了解又是少之又少。由于微生物的生長(zhǎng)，本身生物學(xué)具有較高的變動(dòng)性，而可行的微生物計(jì)數(shù)技術(shù)準(zhǔn)確性也較低，導(dǎo)致微生物模型，要建立在不精準(zhǔn)的計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)上，當(dāng)生長(zhǎng)條件受到限制，微生物的活力變動(dòng)就會(huì)更大，從而高于適合生長(zhǎng)條件的變動(dòng)性，這就造成機(jī)械性的模型無(wú)法適用。[4]而此時(shí)，就可以運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)，這是一種非線性的模型技術(shù)，能夠模仿人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)的工作原理，在數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方面比較準(zhǔn)確，能夠有效地進(jìn)行食品生產(chǎn)和安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

（三）三級(jí)模型

三級(jí)模型，也是專(zhuān)家系統(tǒng)，是在前兩個(gè)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程軟件，所制作出的人機(jī)對(duì)話，讓更多的非專(zhuān)業(yè)人士，也可以獲得預(yù)測(cè)微生物學(xué)相關(guān)信息和指導(dǎo)的機(jī)會(huì)。當(dāng)前，三級(jí)模型已經(jīng)成為食品生產(chǎn)和研究的重要工具。

比如，美國(guó)的農(nóng)業(yè)部門(mén)和食品安全部門(mén)，開(kāi)發(fā)出病原菌模型程序，能夠預(yù)測(cè)牛肉湯中的肉毒桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌的生長(zhǎng);英國(guó)的農(nóng)業(yè)和漁業(yè)食品部，開(kāi)發(fā)了食品微生物預(yù)測(cè)模型，能夠預(yù)測(cè)食品產(chǎn)品中的微生物生長(zhǎng);澳大利亞一所大學(xué)的食品專(zhuān)家和相關(guān)學(xué)者，開(kāi)發(fā)了預(yù)測(cè)假單胞菌生長(zhǎng)的軟件，充分考慮到食品的特點(diǎn)和生產(chǎn)的過(guò)程，通過(guò)將染菌、接種菌的食品，放在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，在恒溫和溫度波動(dòng)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[5];丹麥的漁業(yè)研究所，開(kāi)發(fā)了海洋食品的腐敗預(yù)測(cè)軟件，能夠預(yù)測(cè)海洋食品，在溫度波動(dòng)條件下的貨架期、特定腐敗微生物的生長(zhǎng)，同時(shí)其安全預(yù)測(cè)程序軟件，能夠預(yù)測(cè)新鮮或輕度保藏的海洋食品貨架期、細(xì)菌生長(zhǎng);法國(guó)農(nóng)業(yè)部門(mén)和研究部門(mén)，開(kāi)發(fā)了Sym Previus軟件，能夠?qū)⑹称贰⒓?xì)菌、環(huán)境特點(diǎn)與微生物的生長(zhǎng)、行為相結(jié)合的數(shù)據(jù)庫(kù)。

三、預(yù)測(cè)微生物學(xué)在食品科學(xué)中的有效應(yīng)用途徑

（一）食品工業(yè)

預(yù)測(cè)微生物學(xué)，主要被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，通過(guò)預(yù)測(cè)模型，去評(píng)估特定的食品，在特定加工條件下的，微生物生長(zhǎng)和繁殖速度、失活速率，來(lái)改良現(xiàn)有的產(chǎn)品，并促進(jìn)新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，同時(shí)能夠進(jìn)一步確認(rèn)食品的貯存條件和日期[6]。尤其應(yīng)用在魚(yú)類(lèi)產(chǎn)品、乳制品和家禽類(lèi)等食品的制作中。后來(lái)，逐漸將預(yù)測(cè)模型延伸，運(yùn)用到牛肉在公路和鐵路運(yùn)輸中貨架期的判斷。

（二）食品生產(chǎn)管理

對(duì)于預(yù)測(cè)微生物學(xué)來(lái)說(shuō)，為食品生產(chǎn)管理提供了有利的幫助，同時(shí)也為食品生產(chǎn)中的食品安全提供了保障。比如，將設(shè)計(jì)食品生產(chǎn)時(shí)控制的加熱溫度，設(shè)定為關(guān)鍵控制點(diǎn)，通過(guò)建模能夠評(píng)估加工操作過(guò)程中的偏差，對(duì)微生物食品安全和質(zhì)量的影響。

在食品生產(chǎn)中引入危害分析和關(guān)鍵控制點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，去達(dá)到食品安全生產(chǎn)的目的。并且，當(dāng)進(jìn)行食品的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，可以通過(guò)預(yù)測(cè)微生物學(xué)模型，了解食品在食用時(shí)所含有的微生物數(shù)量。另外，食品微生物安全風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)因?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)而擴(kuò)大，也會(huì)因?yàn)槭称返姆栏?、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(yù)測(cè)其在食用時(shí)的微生物數(shù)量，就要掌握準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)和相關(guān)知識(shí)，包括溫度、營(yíng)養(yǎng)、化學(xué)藥品和防腐劑等等，還需要了解微生物在該環(huán)境下生存的時(shí)間，而這些就可以借助預(yù)測(cè)微生物模型實(shí)現(xiàn)。

（三）食品有益微生物

在食品微生物學(xué)中，預(yù)測(cè)微生物模型通常是用于預(yù)測(cè)有害的細(xì)菌、食物病原體的生長(zhǎng)和失活。在當(dāng)前技術(shù)的不斷發(fā)展下，還可以應(yīng)用到食品有益微生物中，比如乳酸菌。通過(guò)建立食品有益微生物動(dòng)力學(xué)的預(yù)測(cè)模型，去預(yù)測(cè)發(fā)酵食品中的乳酸菌功能特性，例如酸化力，有利于代謝細(xì)菌素等產(chǎn)物的產(chǎn)生，風(fēng)味的形成等[8]。從而，進(jìn)一步掌握到關(guān)于食品環(huán)境，與菌株功能作用之間的聯(lián)系信息，有助于選擇更為合適的加工工藝，不斷增強(qiáng)食品的安全和食品質(zhì)量，在很大程度上也能夠減少經(jīng)濟(jì)的損失，實(shí)現(xiàn)食品生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

（四）其他領(lǐng)域

近年來(lái)，除了食品科學(xué)之外，很多科學(xué)家和生物學(xué)家，開(kāi)始將預(yù)測(cè)微生物學(xué)應(yīng)用到其他的領(lǐng)域。比如，嘗試建立不同水體、陸地生態(tài)系統(tǒng)的模型，預(yù)測(cè)微生物對(duì)環(huán)境有毒物質(zhì)的降解，或者在環(huán)境生物修復(fù)中的作用;預(yù)測(cè)藻類(lèi)的大量生長(zhǎng)和繁殖，而引發(fā)的赤潮;預(yù)測(cè)微生物在生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用等，以及更多領(lǐng)域的專(zhuān)家也在嘗試將其應(yīng)用到調(diào)味品、化妝品的微生物危害預(yù)測(cè)之中。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，預(yù)測(cè)微生物學(xué)在食品科學(xué)中的應(yīng)用，能夠不斷提高食品的安全和食品質(zhì)量，為人們的身體健康提供了重要的保障。通過(guò)進(jìn)行預(yù)測(cè)微生物學(xué)的數(shù)學(xué)建模，檢測(cè)微生物的生長(zhǎng)和衰退或者死亡情況，在數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)方面比較準(zhǔn)確，能夠有效地進(jìn)行食品生產(chǎn)和安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以及食品的微生物數(shù)量，從而選擇更為合適的食品生產(chǎn)加工工藝，在很大程度上也能夠減少經(jīng)濟(jì)損失，實(shí)現(xiàn)食品生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

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◎編輯 曾彥慧