预测微生物学及其在食品科学中的运用

彭盼盼

[摘           要]  基于分析预测微生物学及其在食品科学中的运用，首先分析出预测微生物学的概念，以及预测微生物学的数学模型，包括一级、二级和三级模型。其次分析出预测微生物学在食品科学中的有效应用途径，分别在食品工业、食品生产管理、食品有益微生物、其他领域四个方面，来增强食品的质量和食品安全。最后分析出预测微生物学在食品科学中的应用，有助于人们食用的健康、安全，从而实现食品生产的经济效益最大化。

[关    键   词]  预测微生物学;预测模型;食品科学;食品安全

[中图分类号]  G712                   [文献标志码]  A                    [文章编号]  2096-0603（2020）07-0184-02

微生物学是一门不断发展和进步的学科，开始出现的预测微生物学，能够让人们在没有进行微生物检测情况下，来预测微生物的生长和死亡，这为食品的安全性提供了重要的保障。因为预测微生物学是在多个学科交叉的基础上逐渐发展起来的，所以对食品科学的管理、安全的预测等具有一定的运用价值。从而在一定的条件下，去预测微生物数量对人们健康生活的威胁，或者影响微生物灭活的程度，推动食品科学工业的更好发展，提高人們食用食品的安全性。

一、预测微生物学的概念

预测微生物学，最早为食品预测微生物学，是食品科学家针对食品中微生物危害的问题所提出的，后来逐渐发展为一门专业的学科。预测微生物，主要是运用微生物学、工程数学、统计学等进行数学建模，并通过计算机、相关配套软件，去描述处于特定环境下微生物的生长、死亡规律。

由于当前的食品产业需要解决的一个问题就是，如何预测食品中的微生物危害、食源性病原微生物的危害。在传统的检测上，主要是通过接种对食品病原微生物的生长、产生霉素的风险进行检验。首先，取一定量的病原微生物，再接种到食品中，在食品保存过程中，进行连续的取样，来检测微生物的生长和衰退或者死亡情况。但是因为食品货架期的不稳定因素，一些新型的食品日益增加，而大部分的食品成分不同，生产过程也不同，就会导致难以评估每一种产品食物的病原微生物情况。[1]因此，在食品科学中运用预测微生物学，能够有效弥补传统检验的不足和弊端，促进食品产业的更快发展。

二、预测微生物学的数学模型

（一）一级模型

一级模型，也是初级模型，主要是描述微生物在特定的环境下，其数量变化和时间的函数关系。通过微生物的生长模型，建立预测微生物模型，进行测量和模拟生长，通常情况下以绘制生长曲线来体现细菌的生长。其中，生长曲线就是微生物数量的对数随着时间变化的函数，主要包括微生物对新环境适应的生长情况，经过一段时间的生长，作为延滞期[2]。当细菌呈现指数生长时，这一阶段称之为指数期，当细菌的生长率开始下降，直到变零，呈现出渐近线形状，这一段称之为静止期。

当前，出现了描述微生物生长的S型方程，比较简便好用，具有很广的适用范围，在很多环境条件下仍然适用，涵盖了微生物的生长延滞期和指数期。并且，还有一些描述微生物失活的模型，因为细菌数量下降后与之前的方程不一致，经常在下降前会出现一段延滞期，所以出现了初级模型。

（二）二级模型

二级模型，也叫次级模型，主要是描述环境因子变量与影响初级模型中的参数关系。次级模型常用的是平方根模型、反应表面模型，适用于冷冻的食品。当生长率和温度的平方根存在线性的关系时，就可以运用该方程。[3]后来，在方程中又引入了温度和水厚度等，如若温度是控制细菌生长的唯一因子，就可以应用平方根模型，但是如果涉及更多的因子时，此时就需要反应表面模型，去描述多个因子的影响、各个因子之间的相互作用。其中，平方根模型中分别加入二次方程和三次方程，可以表示延滞的时间、最大生长率。而反应表面模型，只是规定了温度的范围、PH和其他因子条件，无论哪一种因子，只要超出范围就会导致预测参数的错误。同时，影响因子的增加，会增多模型中预测参数的数目，从而需要收集更多的实验数据。

可以说，建立预测微生物模型具有很多的挑战，微生物对环境条件变化，所产生的相应生理反应比较复杂，人们对其的了解又是少之又少。由于微生物的生长，本身生物学具有较高的变动性，而可行的微生物计数技术准确性也较低，导致微生物模型，要建立在不精准的计数标准上，当生长条件受到限制，微生物的活力变动就会更大，从而高于适合生长条件的变动性，这就造成机械性的模型无法适用。[4]而此时，就可以运用人工神经网，这是一种非线性的模型技术，能够模仿人类神经系统的工作原理，在数据的检验方面比较准确，能够有效地进行食品生产和安全的风险评估。

（三）三级模型

三级模型，也是专家系统，是在前两个模型的基础上，通过计算机编程软件，所制作出的人机对话，让更多的非专业人士，也可以获得预测微生物学相关信息和指导的机会。当前，三级模型已经成为食品生产和研究的重要工具。

比如，美国的农业部门和食品安全部门，开发出病原菌模型程序，能够预测牛肉汤中的肉毒杆菌、产气荚膜梭菌的生长;英国的农业和渔业食品部，开发了食品微生物预测模型，能够预测食品产品中的微生物生长;澳大利亚一所大学的食品专家和相关学者，开发了预测假单胞菌生长的软件，充分考虑到食品的特点和生产的过程，通过将染菌、接种菌的食品，放在工业生产环境中，在恒温和温度波动条件下进行实验验证[5];丹麦的渔业研究所，开发了海洋食品的腐败预测软件，能够预测海洋食品，在温度波动条件下的货架期、特定腐败微生物的生长，同时其安全预测程序软件，能够预测新鲜或轻度保藏的海洋食品货架期、细菌生长;法国农业部门和研究部门，开发了Sym Previus软件，能够将食品、细菌、环境特点与微生物的生长、行为相结合的数据库。

三、预测微生物学在食品科学中的有效应用途径

（一）食品工业

预测微生物学，主要被广泛应用于食品工业，通过预测模型，去评估特定的食品，在特定加工条件下的，微生物生长和繁殖速度、失活速率，来改良现有的产品，并促进新的产品开发，同时能够进一步确认食品的贮存条件和日期[6]。尤其应用在鱼类产品、乳制品和家禽类等食品的制作中。后来，逐渐将预测模型延伸，运用到牛肉在公路和铁路运输中货架期的判断。

（二）食品生产管理

对于预测微生物学来说，为食品生产管理提供了有利的帮助，同时也为食品生产中的食品安全提供了保障。比如，将设计食品生产时控制的加热温度，设定为关键控制点，通过建模能够评估加工操作过程中的偏差，对微生物食品安全和质量的影响。

在食品生产中引入危害分析和关键控制点、风险评估技术，去达到食品安全生产的目的。并且，当进行食品的安全风险评估时，可以通过预测微生物学模型，了解食品在食用时所含有的微生物数量。另外，食品微生物安全风险，会因为微生物的生长而扩大，也会因为食品的防腐、除菌处理，而逐渐变小，甚至消除[7]。所以，要从食品之前的微生物水平，预测其在食用时的微生物数量，就要掌握准确可靠的数据和相关知识，包括温度、营养、化学药品和防腐剂等等，还需要了解微生物在该环境下生存的时间，而这些就可以借助预测微生物模型实现。

（三）食品有益微生物

在食品微生物学中，预测微生物模型通常是用于预测有害的细菌、食物病原体的生长和失活。在当前技术的不断发展下，还可以应用到食品有益微生物中，比如乳酸菌。通过建立食品有益微生物动力学的预测模型，去预测发酵食品中的乳酸菌功能特性，例如酸化力，有利于代谢细菌素等产物的产生，风味的形成等[8]。从而，进一步掌握到关于食品环境，与菌株功能作用之间的联系信息，有助于选择更为合适的加工工艺，不断增强食品的安全和食品质量，在很大程度上也能够减少经济的损失，实现食品生产的经济效益最大化。

（四）其他领域

近年来，除了食品科学之外，很多科学家和生物学家，开始将预测微生物学应用到其他的领域。比如，尝试建立不同水体、陆地生态系统的模型，预测微生物对环境有毒物质的降解，或者在环境生物修复中的作用;预测藻类的大量生长和繁殖，而引发的赤潮;预测微生物在生物地球化学循环中的作用等，以及更多领域的专家也在尝试将其应用到调味品、化妆品的微生物危害预测之中。

四、结语

综上所述，预测微生物学在食品科学中的应用，能够不断提高食品的安全和食品质量，为人们的身体健康提供了重要的保障。通过进行预测微生物學的数学建模，检测微生物的生长和衰退或者死亡情况，在数据的检验方面比较准确，能够有效地进行食品生产和安全的风险评估，以及食品的微生物数量，从而选择更为合适的食品生产加工工艺，在很大程度上也能够减少经济损失，实现食品生产的经济效益最大化。

参考文献：

[1]牛犇，洪斌，穆丽丽，等.荧光定量PCR在预测微生物学中的应用[J].食品工业科技，2019（5）：275-282.

[2]张磊.PCR技术及其在食品微生物检测中的应用[J].食品安全导刊，2017（33）：98.

[3]陈安徽，邵颖，陈宏伟，等.食品微生物学实验课程中模块化教学的应用探索[J].教育教学论坛，2017（41）：226-227.

[4]唐雪妹，谢书越，黄玉芬，等.质谱成像技术在食品科学领域的应用进展[J].食品科学，2019（13）.

[5]玛依乐·艾海提，西热娜依·阿布力克木，努尔古丽·热合曼.应用高通量测序法检测南疆传统酸奶中微生物多样性[J].食品科学，2018（20）.

[6]陈芳芳.发酵食品中氨基甲酸酯类农药的微生物降解作用的研究[D].哈尔滨：哈尔滨东北农业大学，2017.

[7]林雪，李武.食品微生物学信息化教学方法的研究[J].中国校外教育（下旬），2018（3）：166-167.

[8]黄璇莹，陈红艳，黄启红.微生物检测技术及其在食品安全中的应用[J].山东化工，2018（12）.

◎编辑 曾彦慧