祁 巖 游春蘋
(1. 乳業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200436;2. 上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心,上海 200436;3. 光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院,上海 200436)
乳是理想的天然食品之一。它包括多種品類,例如液態(tài)乳、發(fā)酵乳制品(如酸奶和奶酪)和經(jīng)干燥提煉后的乳制品(如奶粉和煉乳)[1]。乳品中可能存在多種微生物,有影響產(chǎn)品質(zhì)量和消費(fèi)者健康的腐敗菌和致病菌,也有可以改善乳品發(fā)酵工藝和功能性的益生菌。鑒于微生物對(duì)乳品的影響,目前乳品微生物檢測(cè)越來(lái)越受到關(guān)注。
現(xiàn)階段,常用的乳品微生物檢測(cè)技術(shù)包括傳統(tǒng)計(jì)數(shù)法、免疫分析檢測(cè)技術(shù)、PCR技術(shù)、ATP生物熒光技術(shù)和基因芯片技術(shù)等[2-3]。這些技術(shù)在乳品微生物檢測(cè)方面各有優(yōu)勢(shì),也各有不足之處,如傳統(tǒng)計(jì)數(shù)法檢測(cè)成本低、操作簡(jiǎn)單,但檢測(cè)時(shí)效長(zhǎng)。傳統(tǒng)PCR技術(shù)快速、簡(jiǎn)單,但無(wú)法區(qū)分死活細(xì)胞。
流式細(xì)胞術(shù)是應(yīng)用流式細(xì)胞儀,對(duì)懸浮單細(xì)胞進(jìn)行快速定量分析和分選,是集電子技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的先進(jìn)的生物學(xué)測(cè)定技術(shù),具有高靈敏度、高通量、高精確度和多參數(shù)檢測(cè)等多個(gè)功能特征[4-5]。流式細(xì)胞術(shù)起初應(yīng)用在醫(yī)學(xué)臨床檢驗(yàn)領(lǐng)域,隨著科技的發(fā)展和儀器不斷的改進(jìn)與完善,目前該技術(shù)已被應(yīng)用于分子生物學(xué)、免疫學(xué)、病毒學(xué)、癌癥生物學(xué)、傳染病監(jiān)測(cè)和食品檢測(cè)等多個(gè)學(xué)科[4,6]。
近年來(lái),流式細(xì)胞術(shù)在乳品微生物檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮了廣泛的作用。文章擬結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究,探討流式細(xì)胞術(shù)在乳品微生物檢測(cè)方面的進(jìn)展,旨在為流式細(xì)胞術(shù)在乳品領(lǐng)域中進(jìn)一步的開發(fā)提供參考。
流式細(xì)胞術(shù)最早可追溯到20世紀(jì)30年代。1934年,Moldaven提出了流式細(xì)胞儀的概念原型,他設(shè)想讓細(xì)胞檢測(cè)自動(dòng)化,并使光電記錄儀記錄通過(guò)單根毛細(xì)管的細(xì)胞數(shù)量。1949年,Coulter提出了在懸液中計(jì)數(shù)粒子的方法。1953年,Parker和Hutcheon描述了全血細(xì)胞計(jì)數(shù)裝置,是流式細(xì)胞儀的雛形。1967年,Kamemtsky和Melamed提出了細(xì)胞分選方法。1969年,Van Dilla Fulwyler等發(fā)明了第一臺(tái)熒光檢測(cè)細(xì)胞儀。20世紀(jì)70年代,流式細(xì)胞術(shù)開啟了商業(yè)化進(jìn)程,一批生產(chǎn)流式細(xì)胞儀的公司如Becton Dickinson和Beckman Coulter逐漸涌現(xiàn);90年代開始,流式細(xì)胞術(shù)邁向了低成本、易操作、多用途、高精尖的發(fā)展歷程。迄今為止,流式細(xì)胞術(shù)的發(fā)展已日臻完善,研究人員越來(lái)越側(cè)重于檢測(cè)樣品的制備、軟件開發(fā)等方面,以擴(kuò)大流式細(xì)胞術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用范圍[7-8]。
流式細(xì)胞儀的基本工作原理是利用激光對(duì)鞘液中的染色細(xì)胞標(biāo)志物進(jìn)行測(cè)量,并記錄其熒光寬度、熒光強(qiáng)度和散射光強(qiáng)度等參數(shù)[8]。傳統(tǒng)的流式細(xì)胞儀主要由液流系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)三部分組成(圖1)。液流系統(tǒng)包括液流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和流動(dòng)室。液流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要提供壓力和進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。細(xì)胞懸液在壓力作用下進(jìn)入流動(dòng)室,同時(shí)被加壓后的鞘液也自鞘液管進(jìn)入流動(dòng)室,在鞘液的包被下,細(xì)胞懸液由流動(dòng)室的噴嘴噴出形成細(xì)胞液柱。光學(xué)系統(tǒng)包括激發(fā)光源和光束收集系統(tǒng)。細(xì)胞液柱在激發(fā)光的照射下,產(chǎn)生熒光信號(hào)和散射光信號(hào),之后,光束收集系統(tǒng)中的濾光片將熒光信號(hào)引導(dǎo)至特定檢測(cè)器。電子系統(tǒng)將來(lái)自檢測(cè)器的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換使其成為計(jì)算機(jī)可以讀取的數(shù)字信號(hào),該信號(hào)被送至計(jì)算機(jī),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析得出結(jié)果。值得一提的是具有分選功能的流式細(xì)胞儀還包括了分選系統(tǒng)。細(xì)胞的分選是指將待測(cè)液滴給予不同電荷,使其在高壓電場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),落入指定的收集容器內(nèi),實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分離[6,10-12]。
圖1 流式細(xì)胞儀結(jié)構(gòu)示意圖[9]Figure 1 Schematic diagram of flow cytometer
應(yīng)用流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)乳品中微生物需要經(jīng)過(guò)樣品前處理、樣品染色、流式細(xì)胞儀測(cè)定等過(guò)程。樣品前處理方法、緩沖液的選擇、熒光染料的選擇等都會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
乳及乳制品中含有豐富的乳蛋白和乳脂肪等物質(zhì),在使用流式細(xì)胞儀檢測(cè)前,需要經(jīng)過(guò)一定的樣品前處理以減少背景干擾。針對(duì)非液態(tài)乳品,需要將其轉(zhuǎn)化為液體基質(zhì)進(jìn)行后續(xù)研究。Wang等[13]將奶粉溶于緩沖蛋白胨水中制成液相。Yanachkina等[14]采用液壓奶酪壓榨機(jī)將磨碎的奶酪擠出奶酪汁備用。針對(duì)液態(tài)乳品,通常的做法是將樣品用紗布過(guò)濾去除雜質(zhì),用蛋白酶降解蛋白質(zhì),加入TritonX-100以破碎牛乳體細(xì)胞,通過(guò)離心實(shí)現(xiàn)脂肪分離[15-17]。除了用通常的樣品前處理方法,劉思淵等[16]還采用牛奶中微生物快速純化試劑盒處理樣品,該試劑盒可直接去除牛奶中的脂肪和蛋白質(zhì)顆粒,使樣品純化時(shí)間由傳統(tǒng)的30 min縮短至15 min。
樣品經(jīng)過(guò)前處理后得到細(xì)胞懸液。細(xì)胞懸液需要用緩沖液稀釋,緩沖液中的陽(yáng)離子含量可影響染色質(zhì)量和檢測(cè)結(jié)果。Sahalan等[18]和Kathrin等[19]均發(fā)現(xiàn)緩沖液陽(yáng)離子缺乏可影響大腸桿菌(Escherichiacoli)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和活力,進(jìn)而影響熒光信號(hào),因此,建議用Mg2+和Ca2+來(lái)補(bǔ)充緩沖液。Haruta等[20]研究表明使用標(biāo)準(zhǔn)緩沖液,經(jīng)過(guò)流式細(xì)胞儀分析僅可檢測(cè)到低于30%的大腸桿菌和低于40%的鼠傷寒沙門氏菌(SalmonellaTyphimurium)陽(yáng)性信號(hào),而向標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中添加Ca2+后,大腸桿菌陽(yáng)性信號(hào)檢出可達(dá)90%以上,鼠傷寒沙門氏菌陽(yáng)性信號(hào)檢出可達(dá)80%以上。Kathrin等[19]還用磷酸緩沖鹽溶液、M9緩沖鹽溶液和Tris-HCl分別培養(yǎng)大腸桿菌,應(yīng)用流式細(xì)胞儀進(jìn)行檢測(cè),對(duì)比3種緩沖液對(duì)熒光信號(hào)的影響,發(fā)現(xiàn)磷酸緩沖鹽溶液更適宜用于稀釋。目前在乳品微生物檢測(cè)中大多應(yīng)用未補(bǔ)充陽(yáng)離子的磷酸緩沖鹽溶液,可建議在緩沖鹽溶液中適當(dāng)添加陽(yáng)離子以提高檢測(cè)質(zhì)量。
流式細(xì)胞術(shù)對(duì)乳品中微生物的定量以及活性的檢測(cè)依賴于熒光染料。染料穩(wěn)定性、染色強(qiáng)度等均影響染料作用效果[21]。表1列舉了乳品微生物檢測(cè)時(shí)常用的染料種類及原理。根據(jù)不同檢測(cè)目的,可選擇不同染料品類。孫芝楊等[15]選用PI染料定量乳品的細(xì)菌總數(shù)。劉思淵等[16]用偶聯(lián)有熒光染料FITC的細(xì)菌單克隆抗體對(duì)大腸桿菌O157:H7進(jìn)行特異性標(biāo)記,通過(guò)流式檢測(cè)方法,快速定量牛乳中的大腸桿菌O157:H7。He等[25]采用SYTO9和PI兩種染料雙色聯(lián)用研究乳品中乳酸菌(Lactic acid bacteria)的存活情況。經(jīng)過(guò)染色后,流式細(xì)胞儀可通過(guò)檢查熒光信號(hào)強(qiáng)度定量細(xì)胞總數(shù)或?qū)?xì)胞的死活以及損傷狀態(tài)等方面進(jìn)行判斷。
表1 乳品微生物檢測(cè)常用的熒光染料
目前乳品行業(yè)發(fā)展迅速,微生物引發(fā)的乳品質(zhì)量安全問(wèn)題也愈發(fā)凸顯。微生物檢測(cè)是監(jiān)控乳品質(zhì)量安全不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。現(xiàn)階段,在乳品工業(yè)中,乳品微生物檢測(cè)一般采用計(jì)數(shù)法,該方法需要對(duì)細(xì)菌進(jìn)行增菌、培養(yǎng)等一系列步驟,耗時(shí)較長(zhǎng)。多數(shù)乳品的保質(zhì)期較短,需要盡快銷售,所以當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室完成檢測(cè)時(shí),產(chǎn)品可能已經(jīng)銷售掉了。因此,需要進(jìn)行乳品中微生物的快速且準(zhǔn)確檢測(cè),幫助生產(chǎn)者對(duì)乳品質(zhì)量實(shí)施在線控制并及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。流式細(xì)胞術(shù)可對(duì)乳品中的細(xì)菌總數(shù)及活菌數(shù)進(jìn)行快速定量和鑒定。孫芝楊等[15]用流式細(xì)胞術(shù)可在1 h內(nèi)測(cè)得液態(tài)乳中細(xì)菌總數(shù)。Liu等[32]應(yīng)用流式細(xì)胞儀通過(guò)高選擇性熒光標(biāo)記抗體和PI定量奶粉和液態(tài)奶中金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)活菌數(shù),可在6 h內(nèi)(包括5 h增菌過(guò)程)檢測(cè)出金黃色葡萄球菌,在奶粉和液態(tài)奶中的檢出限分別為8.30,7.50 mL-1。Wnuk等[29]應(yīng)用成像流式細(xì)胞儀(Imaging flow cytometry, IFC)結(jié)合AO染料,同時(shí)應(yīng)用多個(gè)IFC參數(shù)進(jìn)行表征,成功且快速地篩選出牛奶中的8種細(xì)菌。表2為應(yīng)用流式細(xì)胞儀快速檢測(cè)乳品中微生物的相關(guān)參數(shù),對(duì)比費(fèi)時(shí)耗力的平板計(jì)數(shù)法,運(yùn)用流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)效率得到了極大提高,有助于乳品質(zhì)量的保障。
表2 乳品微生物流式檢測(cè)的相關(guān)系數(shù)
在乳品的有害菌中,還存在著一類活的非可培養(yǎng)態(tài)(Viable but non-culturable, VBNC)微生物,其引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。VBNC意為微生物在不良環(huán)境下進(jìn)入異常的生理狀態(tài),它們具有代謝活性,卻不能被培養(yǎng)或進(jìn)行繁殖,但在某些特殊復(fù)蘇條件下,可恢復(fù)正常生理狀態(tài)[35-36]。在乳品加工中,存在著諸多環(huán)境脅迫因素,例如低pH、低水分活度和抗生素,它們都可以誘導(dǎo)微生物進(jìn)入VBNC狀態(tài),使其在常規(guī)微生物檢測(cè)中不能被發(fā)現(xiàn)。同時(shí),還有研究[37]表明VBNC態(tài)的微生物比可培養(yǎng)態(tài)的微生物對(duì)抑菌物質(zhì)具有更大的耐受性。因此,鑒別VBNC態(tài)微生物在乳品質(zhì)量安全領(lǐng)域具有實(shí)用價(jià)值。運(yùn)用流式細(xì)胞術(shù)可通過(guò)細(xì)胞形態(tài)或生理情況等判斷乳品中的VBNC態(tài)微生物[38-39]。Zhang等[39]應(yīng)用流式細(xì)胞術(shù)等方法研究了用于奶牛疾病治療的氨芐青霉素誘導(dǎo)阪崎克羅諾桿菌(Cronobactersakazakii)進(jìn)入VBNC態(tài)的能力。阪崎克羅諾桿菌是污染奶粉的主要病原菌之一,它可對(duì)免疫力低下人群尤其是嬰幼兒健康產(chǎn)生危害。Zhang等[39]研究發(fā)現(xiàn)了104~105mL-1不可培養(yǎng)的活細(xì)菌,這些細(xì)菌可以在適宜條件下復(fù)蘇,其形態(tài)較正常細(xì)胞不同,具有呼吸鏈活性,判斷細(xì)菌進(jìn)入了VBNC狀態(tài),及時(shí)避免了抗生素誘導(dǎo)的VBNC態(tài)阪崎克羅諾桿菌可能造成的健康風(fēng)險(xiǎn)。目前,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用流式細(xì)胞儀評(píng)估乳品中VBNC態(tài)有害微生物的研究相對(duì)較少,仍需要進(jìn)一步豐富。
流式細(xì)胞術(shù)還可以通過(guò)檢測(cè)乳品中有害微生物的生理狀態(tài)快速評(píng)估加工工藝和抑菌物質(zhì)的抑菌效果。Li等[40]應(yīng)用流式細(xì)胞術(shù)和平板計(jì)數(shù)法對(duì)比了微波容積加熱與傳統(tǒng)的管式換熱對(duì)脫脂牛奶中原生細(xì)菌和地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)及其內(nèi)生孢子的滅活作用。兩種檢測(cè)方法均證明了微波容積加熱與管式換熱以相似的程度滅活了細(xì)菌和內(nèi)生孢子。相比平板計(jì)數(shù)法,運(yùn)用流式細(xì)胞儀檢測(cè)速度較快,還可提供細(xì)胞滲透性等一系列生理數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以整合到未來(lái)乳品質(zhì)量控制和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估策略中。Mieszkin等[41]使用乳酸菌作為生物保護(hù)培養(yǎng)物防止發(fā)酵乳中酵母的腐敗,應(yīng)用流式細(xì)胞術(shù)評(píng)估了酵母活力、膜電位、細(xì)胞內(nèi)pH和活性氧的產(chǎn)生,提供了乳酸菌抗真菌機(jī)制的信息,為防止乳制品真菌腐敗的柵欄技術(shù)選取提供更多理論依據(jù)。
對(duì)乳酸菌進(jìn)行定量分析是評(píng)估發(fā)酵劑和發(fā)酵乳制品質(zhì)量的重要因素。中國(guó)制定了GB 19302—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 發(fā)酵乳》,規(guī)定乳酸菌數(shù)≥1×106CFU/mL(或 CFU/g)。益生菌常被加入發(fā)酵乳及乳飲料中,其菌種的生長(zhǎng)和存活可以改善乳品發(fā)酵工藝和提高乳品的功能性。2015年12月,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Standard Operation, ISO)制定了標(biāo)準(zhǔn)化方法ISO19344:2015,介紹了用流式細(xì)胞儀分析乳制品發(fā)酵劑中乳酸菌和益生菌的活性和總量。目前,已有研究人員采用流式細(xì)胞術(shù)對(duì)乳酸菌和益生菌展開了活細(xì)胞快速定量分析。杜耿記等[42]采用流式細(xì)胞儀對(duì)29種市售酸奶中的乳酸菌進(jìn)行了快速定量檢測(cè),與傳統(tǒng)的國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法(GB 4789.35—2010)數(shù)據(jù)相近,且培養(yǎng)時(shí)間由48 h縮短至13 min,極大提高了檢測(cè)速度。王杰等[43]通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)對(duì)發(fā)酵乳飲料和發(fā)酵乳中的乳酸菌快速檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果與平板計(jì)數(shù)法具有較好的相關(guān)性,且單樣品檢測(cè)時(shí)間不超過(guò)10 min。Chiron等[44]應(yīng)用流式細(xì)胞術(shù)結(jié)合多克隆抗體針對(duì)5種不同物種的益生菌進(jìn)行了計(jì)數(shù)、鑒定和活力評(píng)估研究,該檢測(cè)方法僅耗時(shí)2 h。
除了對(duì)發(fā)酵菌種進(jìn)行快速定量檢測(cè)外,流式細(xì)胞術(shù)還可檢測(cè)發(fā)酵細(xì)菌的生理狀態(tài)。Yanachkina等[14]采用流式細(xì)胞儀研究了不同鹽分和脂肪含量在切達(dá)奶酪成熟過(guò)程中對(duì)發(fā)酵劑中細(xì)菌生理狀態(tài)的影響,發(fā)現(xiàn)鹽和脂肪水平的變化會(huì)影響發(fā)酵劑中細(xì)胞的自溶、透化以及細(xì)胞內(nèi)酶釋放等性能。Poudel等[27]運(yùn)用流式細(xì)胞儀研究了奶酪發(fā)酵劑中細(xì)菌在奶酪貯藏過(guò)程中的存活情況,發(fā)現(xiàn)奶酪中約5%的總發(fā)酵劑培養(yǎng)細(xì)胞在貯藏6 d后死亡,另外3%~19%的細(xì)胞被認(rèn)定為具有半透性的活細(xì)胞,它們具備代謝活性,可釋放細(xì)胞內(nèi)酶進(jìn)入奶酪,促使奶酪貯藏中風(fēng)味物質(zhì)的形成,由此可見,鑒定發(fā)酵菌細(xì)胞的生存狀態(tài)對(duì)于評(píng)估乳制品的風(fēng)味具有重要意義。
流式細(xì)胞術(shù)在乳品微生物檢測(cè)領(lǐng)域已有一定的應(yīng)用與發(fā)展,但仍存在一些不足。檢測(cè)方法方面:① 流式細(xì)胞儀價(jià)格昂貴,檢測(cè)樣品的制備和數(shù)據(jù)的分析都需要專業(yè)人員完成。目前,流式細(xì)胞儀大多在科研機(jī)構(gòu)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用,較難在工業(yè)界推廣。② 乳品樣品的前處理方法仍有待開發(fā)和完善。液態(tài)乳、發(fā)酵乳、奶粉和奶酪已有相關(guān)前處理方法,但主要是針對(duì)蛋白質(zhì)和脂肪的去除,消除其他乳品成分造成的背景信號(hào)干擾的相關(guān)研究仍較為缺乏。檢測(cè)項(xiàng)目方面:檢測(cè)項(xiàng)目較為單一,目前,多數(shù)研究圍繞乳品中微生物快速定量或生理狀態(tài)展開,研究?jī)?nèi)容有待進(jìn)一步拓展。
針對(duì)上述不足,流式細(xì)胞術(shù)可以從以下方面發(fā)展。檢測(cè)方法方面:① 使流式細(xì)胞儀便攜化,目前智能手機(jī)類似于微型計(jì)算機(jī),具有通信、拍照、信息處理和加工等功能,可將智能手機(jī)上設(shè)定檢測(cè)分析程序,遠(yuǎn)程對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。② 開發(fā)新型的智能化算法,使數(shù)據(jù)分析更為方便,同時(shí)也節(jié)約了人員培訓(xùn)的成本。③ 進(jìn)一步挖掘樣品前處理技術(shù),盡最大可能減少不同種類乳品造成的背景干擾。檢測(cè)項(xiàng)目方面:① 應(yīng)用流式細(xì)胞儀檢測(cè)乳品加工管道中生物膜。生物膜可附著于管道、機(jī)械等地方,它可以對(duì)抗菌物質(zhì)進(jìn)行理化防御,降低抑菌效率。與浮游細(xì)菌相比,細(xì)菌生物膜更難以應(yīng)付[45-46]。因此,尋求快速量化該類菌體的方法顯得至關(guān)重要。目前運(yùn)用流式細(xì)胞儀檢測(cè)乳品微生物的研究仍基本圍繞浮游微生物展開,乳品管道內(nèi)生物膜檢測(cè)仍需補(bǔ)充。② 進(jìn)一步開發(fā)特異性抗體,鑒別不同種類甚至不同品系的菌種,為乳品中微生物的快速溯源提供有效支持。③ 將流式細(xì)胞術(shù)與組學(xué)技術(shù)相結(jié)合,通過(guò)流式細(xì)胞術(shù)可獲得細(xì)菌表現(xiàn)型信息,組學(xué)技術(shù)可獲得基因相關(guān)信息,更加清晰地了解乳品中微生物的生理狀態(tài)。
總之,乳品微生物檢測(cè)一直是乳品工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。流式細(xì)胞術(shù)具有檢測(cè)速度快,可鑒定細(xì)胞存活狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn),在乳品領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著時(shí)代的進(jìn)步,流式細(xì)胞術(shù)也在不斷地更新迭代,流式細(xì)胞術(shù)在檢測(cè)中存在的問(wèn)題也將會(huì)被一一解決。