陳萬義,蔣 飛,鄧 睿
常熟理工學院 生物與食品工程學院,江蘇 常熟 215500
隨著全球食品貿(mào)易往來的加劇,不同國家或區(qū)域?qū)ο嗤|(zhì)類型食品的同一病原菌存在不同的標準檢測方法;同時各國的標準方法版本也不斷地修訂與更新[1],更新前后的標準方法在檢測流程上也可能不完全一致。因此,當針對同一病原菌面臨多種標準檢測方法可供使用時,會對食品生產(chǎn)企業(yè)的選擇和決策人員產(chǎn)生較大的困擾。當采用不同的標準版本以及使用不同國家的標準方法對相同的產(chǎn)品種類測試時,是否會得到相同或不同的檢測結(jié)果還沒有充分的數(shù)據(jù)支持。貿(mào)易雙方都必須對相同產(chǎn)品進行重復檢驗,加大檢測成本并延長了產(chǎn)品的放行時間,從而影響食品進出口貿(mào)易的通關效率。
另外,針對某種病原菌定性或定量的食品檢測方法選擇范圍較廣,既有國際標準(例如ISO和AOAC組織),又有國家標準、行業(yè)標準、地方標準和團體標準等。針對大多數(shù)特定基質(zhì)類型食品中的微生物檢測項目,每個國家或地區(qū)均有明確規(guī)定的基于傳統(tǒng)培養(yǎng)法的政府推薦或官方認可的標準方法。但是,在標準方法(基于培養(yǎng)法)的實際使用過程中存在一定的局限性,如耗時長、成本高等。因此,食品企業(yè)為了快速評價食品原料和產(chǎn)品中的微生物含量及加工過程中微生物的控制水平,開始使用一些新的替代檢測方法來對食品加工的原輔料和成品進行檢測[2]。基于分子生物學或免疫學等新技術研發(fā)出的商業(yè)化的試劑盒方法,檢測時間短且操作步驟更加簡便,有些還可以實現(xiàn)自動化出具結(jié)果,已經(jīng)在一些食品檢測與質(zhì)量控制實驗室成為替代方法開始使用[3]。這些替代檢測方法是否適用企業(yè)[4],需要經(jīng)過國際權威機構(gòu)(NordVal、MicroVal、AFNOR(NF Validation)或AOAC)的驗證和認可,只有確定和標準方法等效,才可正式作為一種被官方所認可的替代檢測方法[5-7]。
基于上述原因,非常有必要開展針對相同食品中同一病原菌的不同標準方法的比較性研究[8-11],并對方法之間的等效性結(jié)果進行科學合理的評估與解釋,為食品在全球不同國家之間的進出口貿(mào)易的高效放行提供科學有效的數(shù)據(jù)支撐。微生物的方法驗證比較原則有全球范圍內(nèi)公認方法驗證標準ISO 16140—2016和美國AOAC方法比較研究指導原則(2012)[12]。我國制定并參照的不同方法之間的驗證參考標準為食品微生物檢驗方法確認技術規(guī)范(SN/T 3266—2012),目前我國正在制定新的食品微生物檢驗方法驗證國家標準(微生物檢驗方法驗證通則)。作者介紹了基于不同原理的檢測方法的比較研究概況,簡要匯總了不同檢測方法之間進行等效性評價的驗證方案和具體的評價指標,以及方法驗證比較研究面臨的機遇與挑戰(zhàn)。
方法比較研究是方法驗證的重要組成部分,是為了確保可靠的檢測方法被正確地應用在檢測目標上,從而獲得正確、可靠的數(shù)據(jù)和結(jié)論。以 NF Validation (AFNOR 法國標準協(xié)會認可)為例,按照ISO 16140原則進行驗證的方法進行匯總,根據(jù)檢測原理不同進行分類,如圖 1所示, 可以看出傳統(tǒng)的培養(yǎng)法仍然占據(jù)主流; 但是新型的分子生物學方法(如各類 PCR 方法)發(fā)展迅速, 數(shù)量接近于傳統(tǒng)培養(yǎng)法。此外,NF Validation方法驗證標準中針對的不同病原菌的方法驗證研究如圖2所示,可以看出,目前以沙門氏菌和單核細胞增生李斯特菌的替代方法驗證種類和數(shù)量最多,一些新開發(fā)的檢測方法逐步作為替代方法應用于不同食品基質(zhì)中病原菌的檢測。
注:數(shù)據(jù)統(tǒng)計來自NF Validation網(wǎng)站,截止時間為2020年7月15日。圖1 EN ISO 16140—2∶ 2016標準方案進行驗證研究的方法分類Fig.1 Methods on validation study performed in accordance with EN ISO 16140—2∶ 2016 standard protocol
注:數(shù)據(jù)統(tǒng)計來自NF Validation網(wǎng)站,截止時間為2020年7月15日。圖2 方法驗證在不同食品病原菌中的應用Fig.2 Validation of analytical methods-Application in different microorganism targets
新方法和傳統(tǒng)方法的比較研究以及傳統(tǒng)方法的更新(修改/改版)一直在不斷地進行之中,從而才能加快檢測領域的不斷進步,滿足企業(yè)和政府監(jiān)管部門當下的迫切需求和日益變化的貿(mào)易發(fā)展需求。但關于不同國家的標準之間的等效性評價及比較性研究較少,這方面相關的研究可以為不同標準間的互認、方法的改進和實踐應用提供重要的數(shù)據(jù)支撐。
1.2.1 基于傳統(tǒng)培養(yǎng)法的兩種不同檢測方法的比較
隨著傳統(tǒng)標準檢測方法的不斷應用,即使是普遍應用的標準方法,本身存在的局限性也逐漸被使用者所認知,因此,標準方法的更新和完善也一直在進行中。以克羅諾桿菌屬 (原阪崎腸桿菌)的檢測方法為例:目前基于傳統(tǒng)的生理生化鑒定克羅諾桿菌屬的標準方法主要有3種,美國FDA法、ISO法(ISO 22964—2017)和國標方法(GB 4789.40—2016)。2002年,美國食品藥品管理局(FDA)發(fā)布了克羅諾桿菌屬菌株(當時稱阪崎腸桿菌)的檢測方法。Guillaume-Gentil等[13]隨后對該方法進行了修訂并發(fā)布了一個可替代FDA方法的新方法,主要創(chuàng)新點在于更換了二次選擇性增菌液。隨后在該方法基礎上進一步修訂,將選擇性培養(yǎng)基VRBG更換為另一種顯色培養(yǎng)基,即DFI瓊脂。該方法后來成為國際標準微生物委員會(ISO)檢測嬰幼兒配方粉的技術規(guī)范,即ISO/TS 22964∶ 2006 《乳和乳制品-阪崎腸桿菌的檢測》。該方法的檢測過程相對完善,但是2017年ISO在舊版檢測方法(ISO/TS 22964∶ 2006)的基礎上更新并發(fā)布了新的標準版本(EN ISO 22964∶ 2017),并將新舊兩個版本之間的差異性在歐盟委員會授權(EC Regulation 2073/2005)的基礎上進行了方法驗證,方法驗證的參考標準為ISO 16140(圖3)。新舊版本的方法驗證項目共有來自9個國家的17家實驗室參與[1]。根據(jù)兩個不同版本的檢測方法的檢測結(jié)果統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn):新方法EN ISO 22964∶ 2017用于檢測克羅諾桿菌屬菌株,分別在5種不同的基質(zhì)中被成功驗證,包括不同基質(zhì)嬰兒配方粉、淀粉乳糖和環(huán)境樣品。
圖3 ISO 16140食品微生物檢驗方法驗證基本流程Fig.3 Workflow for validation of food microbiological testing methods
1.2.2 基于分子生物學的快速檢測方法與傳統(tǒng)方法的比較
沙門氏菌是全球范圍內(nèi)最重要的食源性致病菌之一,針對不同食品基質(zhì)中沙門氏菌的快速檢測流程開發(fā)出了多種快速檢測方法[14-15]。環(huán)介導等溫擴增(LAMP)是一種快速的分子生物學檢測方法,由于該方法具有檢測簡單、快速和結(jié)果可靠等優(yōu)點,在國內(nèi)外的食品企業(yè)得到了廣泛的應用。2019年,為了確認LAMP方法檢測動物食品中沙門氏菌的有效性,將該方法與美國FDA(Food and Drug Administration)的傳統(tǒng)標準檢測方法BAM Chapter 5 (bacteriological analytical manual)進行了比較研究,該研究在美國和加拿大共計7家實驗室參與并共同完成[16]。對兩種檢測方法結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn),LAMP方法與BAM方法的檢測結(jié)果之間無統(tǒng)計學顯著差異。此外,有學者將3種分子檢測方法(Pathatrix(R) Auto、 VIDAS(R) Easy SLM 和DuPont BAX qPCR)與傳統(tǒng)培養(yǎng)法(BAM)進行了比較研究[17]。使用了5種不同的增菌培養(yǎng)基:緩沖蛋白胨水(BPW)、 改良BPW (mBPW)、通用預富集肉湯 (UPB)、BAX(R) MP 培養(yǎng)基和乳糖肉湯(LB)培養(yǎng)基分別對松子仁中的沙門氏菌進行富集培養(yǎng);而參考方法(BAM)中規(guī)定使用的增菌培養(yǎng)基為乳糖肉湯(LB)培養(yǎng)基。研究結(jié)果表明:當使用5種預富集培養(yǎng)基增菌培養(yǎng)24 h后, 再接著按照參考方法的標準操作流程分別進行檢測,得到的檢測結(jié)果在統(tǒng)計學上沒有顯著性差異?;诿庖邔W原理的VIDAS(R) Easy方法和兩種基于qPCR的方法的檢測結(jié)果具有等效性。
隨著新的納米材料技術和分子檢測技術的逐漸成熟,基于抗原抗體的快速檢測試劑盒可以提高食品樣品中病原菌的檢測效率。Decory 等[18]新開發(fā)的免疫磁珠檢測方法可以檢測產(chǎn)志賀毒素的大腸桿菌(STEC), 并且按照AOAC方法驗證指南進行了科學有效的驗證,證實了其與傳統(tǒng)平板培養(yǎng)法在檢測食品中STEC具有等效性。
1.2.3 基于物理鑒定技術與傳統(tǒng)方法的比較
基于物理學原理的鑒定技術在食源性致病菌的檢測方面具有快速、準確和易操作等優(yōu)點,已被許多國家和檢測機構(gòu)所認可。表面增強拉曼光譜(Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)作為一種快速、可靠、簡便的鑒定分型方法,已應用于食源性致病菌的檢測之中。Witkowska等[19]利用SERS方法對不同食品基質(zhì)中的沙門氏菌、單核細胞增生李斯特菌和克羅諾桿菌屬菌株進行了檢測,檢測結(jié)果利用主成分分析(PCA)方法進行分析,表明SERS技術能夠有效地將一個屬內(nèi)親緣關系密切的細菌菌株進行鑒別。SERS方法應用于致病菌鑒定的主要優(yōu)點在于簡化和減少分析時間,從傳統(tǒng)的標準方法要求的將近144 h降低到48 h內(nèi)完成鑒定工作。這項工作的主要目的是將SERS技術引入到3個ISO標準方法(ISO 6579∶ 2002、ISO 11290—1∶ 1996/A1∶ 2004、ISO 22964∶ 2006)中,它可作為一種有效的替代鑒定方法。
多種非官方認可的標準檢測方法之間的比較和結(jié)合使用,對鑒定結(jié)果的準確性有相輔相成的作用,比如使用一代測序技術16 S-ARDRA (Amplified 16 S Ribosomal DNA Restriction Analysis)和MALDI-TOF同時對乳酸菌菌株進行鑒定[20]。兩種方法聯(lián)合使用,可以將80株不同來源的乳酸菌分離菌株在種的水平上進行鑒定,能夠?qū)⒉煌瑏碓吹娜樗峋蛛x菌株進行準確有效的鑒定,分辨率高于使用一種方法的分辨率。此外,霉菌的鑒定對普通實驗室來講具有一定的挑戰(zhàn)性,傳統(tǒng)的鑒定方法存在一定的局限性,需要結(jié)合其他方法進行鑒定。Rychert等[21]對絲狀真菌分別利用傳統(tǒng)生理生化方法Vitek MS v3.0 System(bioMérieux, Marcy l’Etoile, France)、MALDI-TOF 和DNA測序方法對1 519株真菌分離菌株進行了鑒定,并對每個方法的檢測結(jié)果進行了統(tǒng)計與分析。v3.0可以將91%的菌株準確地鑒定到種的水平,能將2%的菌株鑒定到屬的水平,而有6%的菌株v3.0卻無法進行準確鑒定。
2 食品中病原微生物檢測方法比較原則
國際標準委員會(the International Organization for Standardization, ISO)在2003年組織并制定了替代方法和參考方法驗證比較研究的流程和方法等效性評價標準(ISO 16140),并且該標準方法在2016年經(jīng)進一步修訂并正式生效。ISO明確指出,針對同一目標檢測微生物的不同檢測方法,如果評判不同檢測方法的適用性,需要進行科學系統(tǒng)的評價,因此必須采取科學合理的驗證方法進行評價,并推薦使用 ISO 16140—2對兩種方法進行科學系統(tǒng)的評價。此外,美國AOAC國際標準方法委員于2012年公布了食品和環(huán)境樣品中微生物的不同檢測方法之間進行等效性評價的指導原則[12]。當前,這兩個國際權威機構(gòu)發(fā)布的標準原則為食品微生物不同檢測方法之間的比較性研究提供了非常重要的參考依據(jù)。
目前,對食品中病原菌的定性或定量檢測標準方法絕大多數(shù)為傳統(tǒng)的培養(yǎng)法,但基于傳統(tǒng)法的標準檢測方法存在耗時長和檢測步驟煩瑣等缺點,因而大量新的快速檢測方法被研發(fā)并逐步得到應用[3-5]。推廣和使用任何一種新的快速檢測方法的前提條件是提供確鑿的數(shù)據(jù)表明其得出的結(jié)果與選擇的相應的參考方法得到的檢測結(jié)果具有等效性。替代方法的特異性、靈敏度和排他性(包容性)需要與已有的參考方法進行比較,實際檢測結(jié)果必須能夠和參考方法具有等效性,同時能夠?qū)Ρ容^性結(jié)果給予合理的解釋和說明。參考方法通常選擇在國際范圍內(nèi)被大家所認可的、檢測結(jié)果具有可追溯性的方法,因而通常為傳統(tǒng)的培養(yǎng)法。對于食品微生物替代方法的整個驗證過程而言,選擇標準的參考方法是進行方法比較研究非常重要的先決條件。
2002年,AOAC公布了方法驗證比較的指導原則和要求。此后,AOAC對該方法驗證比較指導原則在2012年進行了更新,其中,定性方法的方案設計和數(shù)據(jù)分析都是基于檢出可能性(probability of detection, POD)模型進行計算。它是一種用于定性方法驗證的統(tǒng)計模型,統(tǒng)一了定量和定性方法驗證之間的統(tǒng)計概念和參數(shù)。利用POD模型可以進行兩種檢測方法在單實驗室研究(重復性)和多實驗室協(xié)同研究(再現(xiàn)性)的等效性評價[22-23]。
針對某一相同基質(zhì)類型的食品中兩種檢測方法進行定性比較研究,兩種方法通常均用于食品中某一特定致病菌的檢測。為了比較兩種不同的定性檢測方法的檢測性能(靈敏度和特異性)之間的差異,通常參照ISO 16140的要求進行一系列比較實驗和結(jié)果比較分析[1]?;蛘咭罁?jù)AOAC方法比較驗證指導原則進行科學的系統(tǒng)性比較研究[12]。目前,兩種方法驗證比較的流程、基本要求和數(shù)據(jù)分析等均具有相似性。
對食品樣品中某一重要指標微生物進行定量檢測也是非常必要的,例如嬰幼兒配方粉中雙歧桿菌含量的測定[24]。由于雙歧桿菌的含量對于其定殖嬰幼兒腸道起著一定的作用,因此為了比較兩種不同的定量檢測方法的檢測性能(相對準確度和精確度)之間的差異,通??梢詤⒄誌SO 16140—2中的定量檢測方法比較研究要求進行一系列比較實驗和結(jié)果分析,或者依據(jù)AOAC 方法比較指導原則進行科學、系統(tǒng)性的方法驗證比較研究。
ISO 16140∶ 2003中對兩種方法等效性的最終判斷時提出,兩種方法的等效性判斷主要基于一套零假設檢驗,旨在說明替代方法的估計參數(shù)與參考方法無顯著性差異,但是該判定標準存在不足之處[25-26]。因此, Hubert等[27-30]對定量方法的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析進行了研究和修改,提出了新的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和判斷方法。在此研究基礎上,ISO 16140在2016年經(jīng)修訂后重新對外公布生效,并對定量方法比較研究的方案和數(shù)據(jù)處理及分析方法進行了更新,包括單實驗室研究(重復性)和多實驗室協(xié)同研究(再現(xiàn)性)的等效性評價。目前,AOAC 方法比較指導原則與ISO 16140∶ 2016兩種微生物定量檢測方法驗證比較研究在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析上具有相似性。
以往的方法比較研究結(jié)果表明,基于傳統(tǒng)培養(yǎng)法的不同標準檢測方法在檢測性能參數(shù)(靈敏度和特異性)上存在一定的差別[31]?;贗SO 17025∶ 2017的規(guī)定,排除人為和設備等造成系統(tǒng)性偏差的因素之外,影響檢測性能的主要因素有初始的樣品量、樣品基質(zhì)、選擇性培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度和初始污染量等因素。因此,針對相同的食品種類,使用不同的傳統(tǒng)標準檢測方法,有可能會得到不同的檢測結(jié)果。以嬰幼兒配方粉中的克羅諾桿菌屬傳統(tǒng)檢測方法為例:中國在2008年制定并公布了嬰幼兒配方粉中的阪崎腸桿菌檢測方法(GB 4789.40—2008), 并于2010年和2016年經(jīng)過兩次修訂,形成了目前最新的國標方法(GB 4789.40—2016)。由于GB 4789.40—2016與ISO 22964—2017在取樣量、選擇性培養(yǎng)基、選擇性培養(yǎng)過程中的培養(yǎng)溫度以及后續(xù)的鑒定步驟均不相同,因此開展兩種基于傳統(tǒng)培養(yǎng)法的標準檢測方法的比較研究具有十分重要的科學意義。
盡管傳統(tǒng)的培養(yǎng)法依舊為食源性致病菌檢測的“金標準”[32],但是根據(jù)新技術和新原理開發(fā)出來的針對食源性致病菌的檢測方法具有自身獨特的優(yōu)勢,例如高靈敏度、檢測周期短和操作簡便等優(yōu)點,可以應用到評估原料和快速放行成品以及監(jiān)測生產(chǎn)過程的微生物狀態(tài)中,可以幫助食品企業(yè)提高放行速度。然而如果沒有通過方法等效性驗證就直接使用這些方法,可能導致錯檢和漏檢,對產(chǎn)品質(zhì)量和食品安全都存在巨大隱患。因此,新開發(fā)出來的檢測方法必須經(jīng)過科學的系統(tǒng)的方法驗證程序[33],通過等效性確認后才可以被認可為替代方法??梢愿鶕?jù)方法的適用范圍和檢測能力(定性或定量)選擇已經(jīng)公布的標準方法作為參考方法[34],然后選擇按照ISO 16140—2(2016)或AOAC方法驗證指導原則(2012)中的要求進行科學規(guī)范的方法驗證,驗證報告中的數(shù)據(jù)應真實客觀,通過數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計學分析可以得出兩種檢測方法在靈敏度、重復性和重現(xiàn)性上是否具有一致性的結(jié)果,從而來判定兩種方法在檢測某種食品類型或類別中的病原菌是否具有等效性?;贗SO 16140∶ 2003版本(舊版)中的方法比較程序,已有超過100種替代方法得到了驗證。有了科學的評判原則,新的方法生成的性能數(shù)據(jù)還為潛在的終端用戶在采用替代方法時根據(jù)評價結(jié)果做出明智的選擇。同時,兩種方法驗證數(shù)據(jù)也可以作為一個獨立組織認證與評價一種新的替代方法有效性的重要依據(jù)。
食品中特定病原微生物的傳統(tǒng)檢測方法由于檢測周期長、費時耗力,不斷受到新的檢測方法的巨大的沖擊和挑戰(zhàn)?;诜肿由飳W技術、免疫技術、納米材料以及下一代測序技術(NGS)等各種新技術原理基礎之上開發(fā)出一系列新的微生物快速檢測方法[35-40],并且有些檢測方法在食品質(zhì)量與安全領域已經(jīng)逐漸成為非常重要的替代檢測方法,如基于質(zhì)譜原理開發(fā)的檢測方法[41]。另外,食品工業(yè)對于食品微生物的檢測方法的要求也是越來越高,包括靈敏度、特異性、檢測時間、檢測結(jié)果準確性等性能參數(shù)。截止目前,針對食品中同一病原菌的檢測,已開發(fā)出多種新的檢測方法,每種方法各有自己的優(yōu)缺點,因此十分有必要對不同的檢測方法進行比較性研究。在設計方法驗證方案時,首先需要確定正確的參考方法,然后選擇盡可能多的食品基質(zhì)類別,檢測盡可能多的樣品數(shù)量。如果沒有自然污染樣品,如何制備和保持低污染水平的人工污染樣品,同時保證病原菌的穩(wěn)定性和均一性,獲得大量數(shù)據(jù)后如何進行統(tǒng)計分析等,這些因素均對開展方法比較研究提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。針對相同食品中的同一病原菌而言,今后在選擇微生物替代檢測方法時仍然要慎重考慮,建議選擇的依據(jù)如下:(1)是否按照大家公認的標準方法(例如ISO16140或AOAC指導原則)與傳統(tǒng)的標準檢測方法進行過科學的驗證和等效性評價;(2)適合的檢測基質(zhì)類型;(3)所需要的設備和檢測成本;(4)靈敏度和特異性;(5)檢測周期;(6)局限性??傊?,企業(yè)在應用可供選擇的替代檢測方法時,需要按照以上依據(jù)綜合評判,要了解沒有通過一致性評價的方法應用的風險,才能選擇合理的測試方法。當這些新的替代方法經(jīng)過方法驗證標準的要求并與參考方法具有等效性的檢測結(jié)果評價之后,即可以作為企業(yè)內(nèi)部標準或者行業(yè)標準、團體標準。另外,在其他領域的新方法開發(fā)與實際應用中同樣需要對新開發(fā)的檢測方法進行比較研究,例如臨床樣本的診斷方法[42]以及植物病理學的診斷方法[43]等領域均需要進行方法驗證研究,因而方法驗證標準可在多領域推廣和應用。
我國食品微生物檢測方法的強制性執(zhí)行標準為國家標準,但對于食品企業(yè)而言,由于食品基質(zhì)類型多樣,國家標準無法滿足在實際生產(chǎn)過程中的真正需求,迫切需要一些新的替代方法能夠作為國家標準的一種有效補充。我國也正在制定微生物檢驗方法驗證通則(方法驗證標準)。兩種檢測方法進行等效性評價,必須要按照科學的比較程序進行實施。當前國際上廣泛認可的方法比較參考標準為ISO 16140—2016和美國AOAC 官方指導原則(2012)。兩種程序的流程、基本要求和數(shù)據(jù)分析等均具有相似性,但也存在差異,均為國際認可的官方分析方法。
鑒于國際食品貿(mào)易往來的加劇,針對相同食品中同一病原菌的檢測方法之間的等效性評價就顯得尤為必要。除了對新開發(fā)的快速檢測方法進行比較研究外,同時也需要對基于傳統(tǒng)培養(yǎng)法的具有不同檢測流程的兩種標準檢測方法進行比較研究;按照ISO 16140—2016或美國AOAC 官方指導原則(2012)通過對兩種傳統(tǒng)檢測方法的檢測性能參數(shù)(靈敏度和特異性等)進行比較性研究還是具有非常重要的應用價值。方法等效性評價結(jié)果將為兩種方法今后在不同國家或區(qū)域之間的相互等同認可提供重要的數(shù)據(jù)支撐和科學依據(jù)。