食品安全的保障防线：微生物挑战实验

对于消费者来说，食品保质期的概念很简单：按照标签上标明的储存说明，就可以合理地确定产品至少在保质期前仍然是可以食用的。然而，为实现这一目标在幕后进行的工作更为复杂。

食品制造商必须采取两项重要措施来确保产品的微生物安全：在加工过程中杀死不需要的微生物，并防止它们在保质期内生长。根据美国《食品安全和现代化法案》（FSMA），这些措施属于过程预防控制的范畴，这是唯一需要书面验证其有效性的措施。

灭菌工艺或食品配方是否可行，取决于几个变量。例如，沙门氏菌的耐热性会因菌株和常量营养素、水、盐及pH 值的组合而异。这些内在因素，加上防腐剂的使用，都会对保质期内微生物的生长产生直接影响。

这些变量的相互作用使得验证具有挑战性，“每种生物都有一个绝对极限：它不会在低于某一pH值、含盐量或水份活度下生长。但当这些因素结合在一起时，可能很难预料会发生什么。”常驻英国的食品安全顾问Peter Wareing表示，“如果pH值高到足以让生物体繁殖，但含盐量很高且水分活度低，那么这两个因素可能会阻止生物体的生长。”

很多时候，食品制造商可以使用已发表的文献来验证过程预防控制。例如，牛奶的巴氏杀菌效果已得到充分证实，不需要进一步的证据；然而，对于许多新开发的产品，没有足够的数据来了解灭菌工艺、配方和储存条件的组合是否能确保货架期的稳定。找出答案的唯一方法是采用经验方法并进行微生物挑战实验。

在挑战实验中，用已知微生物或替代物接种（挑战）到食物样本上，以观察灭菌工艺或食物本身的成分构成，是否会影响微生物的致死率，以及是否存在潜在的微生物繁殖风险。灭活实验和生长挑战实验，是两种主要的实验类型。

微生物会死吗?

在灭活挑战实验中，首先对食物样本进行接种，然后进行预定的灭菌步骤，例如热处理或高压处理（HPP），最后进行分析以验证有多少细胞存活下来。

美国芝加哥伊利诺伊理工学院食品科学和营养学副教授Alvin Lee博士表示，当这项测试在实验室进行时，仔细模拟产品将经历的条件非常重要。“就像要验证汤的烹饪过程，你不仅需要用相同的时间和温度，还必须保持原料和水的相同比例。”他补充说。

灭活挑战实验也可以直接在制造商的工厂进行。“现场挑战实验可允许你使用实际加工设备，并考虑所有未知变量。”Campden BRI（一家位于英国的食品饮料研究机构）工业过程微生物学经理Rob Limburn说，“在这种情况下，我们不会使用真正的病原体，而是使用具有类似灭活特征的非致病性替代品。”典型的替代物包括粪便肠球菌或沙门氏菌球菌、李斯特菌或大肠杆菌。在某些情况下，可能使用非致病性菌株，如无害李斯特菌。

Limburn表示，为了使现场实验结果更加可靠和高效，重要的是要确定静态系统中的关键点，或在连续加工的生产线上，找到其中最薄弱的环节，“例如，如果你有一条传送带将几条产品线送入烤箱，那么很可能会有温度梯度，这取决于风扇的位置和其他因素。在这种情况下，与其在传输带上放置更多样本，不如将最冷的通道作为最佳点：如果它在那里有效，那么传输带上的其他任何地方也会有效。”

挑战哪些食物？

某些类型的食物更可能需要失活挑战实验：“对于含水量较高的产品，如酱汁或即食食品，你可以测量时间和温度，并依赖于长期建立的微生物失活动力学。” Limburn说，“但对于水分活度低的产品，如坚果、种子、营养棒、薯片、香料或面粉，情况可能会非常不同。尤其是沙门氏菌，它对干燥加热的抵抗力要比潮湿加热强得多。在这种情况下，建议进行微生物挑战实验。”

即使一个产品很适合进行失活挑战实验，它也不一定需要。许多企业有大量的产品组合，无法真正对每个产品都进行挑战实验。一种解决方法是对它们进行分类，并在特定类别中对最具保护作用的进行挑战实验。它可能是含有高风险成分或水分含量最低的产品。”Limburn说。

然而，即使有足够的可用数据，进行挑战性实验可能仍然是个好主意：“没有两种食品是相同的。当水果在不同地方种植时，危害或pH值可能会略有不同。即使有既定流程，我们还是建议制造商进行挑战测试，因为如果发生任何事情，至少他们有自己的数据来支持它。”Lee博士说道。

罐头和腌渍产品不需要这样做。“你通常要依靠时间、温度和食物的内部特性来确保它们是安全的。”Wareing补充说：“如果它们不能在整个保质期内‘存活’下来，那就意味着这个过程存在严重问题。”

微生物会生长吗？

在微生物生长挑战实验中，接种的是成品。目标是找出配方是否提供了一个能抑制有害微生物在保质期内生长的环境。Wareing说，主要目标是那些你已经知道会在灭菌工艺中存活下来的微生物，例如，如果你使用巴氏杀菌法灭活沙门氏菌、李斯特菌和大肠杆菌等非孢子形成的病原体，你可能无法完全消除孢子形成的肉毒杆菌。但你可能不想采用更剧烈的加热工艺，而是想给食物接种，看看控制因素（可能是pH值和盐的组合），加上抗菌剂和冷藏，是否会阻止它在保质期内生长。”

统计问题

通常，灭活挑战研究之后会进行保质期的试验：“一个典型例子是果汁。” Lee博士说，“FDA要求经过抗菌处理后，病原体在整个保质期内不得生长。所以，在对产品进行接种并完成整个过程后，我们会在保质期内对其进行评估，例如30天，看看是否有任何微生物复活，特别是亚致死性受损的微生物可能会随着时间的推移而复活。实际操作中，我们还会延长这段时间，甚至将一些滥用条件纳入其中，以更好地模拟食品可能经历的温度变化。”

Lee说，实施这一额外步骤是为了在无法对所有东西进行采样时，验证灭菌工艺的致命性，微生物测试只能做到这一步。你只需要一个细胞就能让病原体繁殖，让食物再次变得不安全。但这种细胞可能不存在于你分析的样本中。通过保质期试验，你要弄清楚那个细胞是否存在。”

样本统计的有效性问题，也是进行微生物生长挑战研究的主要原因，因此要对货架期内的产品进行接种试验。“当你查看抽样的统计分析时，它非常复杂。”Wareing 说，“如果微生物只存在于你要分析的某些批次中，或数量非常低，除非采集足够的样本，否则将难以发现。通过给产品接种疫苗，可以确保在挑战试验结束后采集微生物样本时，其中有足够的微生物出现。”

设计正确的挑战实验

挑战实验的可靠性在很大程度上取决于其设计的好坏。在选择目标微生物时，要考虑的一项关键因素是风险：“我们通常使用在实际爆发中发现的菌株。” Lee博士说，“例如，我们现在正在进行一项涉及海鲜的挑战研究，目标是从海鲜产品中分离出的单核细胞增生李斯特菌菌株。”

一旦确定了病原体，最好尝试重现最坏的情况：“不同菌株的表现方式不尽相同。”Jeff Kornacki博士说。他是Kornacki微生物学解决方案公司总裁和高级技术总监，该公司提供食品安全和质量咨询服务，“我会选择一种已知对那种食物具有高耐热性的血清型。更好的方法是使用不同菌株的混合物，这样你就可以涵盖生长模型的可变性。”

设计挑战测试的一个有用工具是预测微生物学，它通过计算机系统进行数字建模，可以计算出灭菌过程和食品配方的影响，给出微生物可能存活的指示。Lee博士说：“预测模型的结果可以帮助你缩小研究的参数范围。例如，如果你试图确定正确的抗菌剂浓度，并且预测模型表明理想浓度为25ppm或更高，你可以将生长测试的采样范围限制在20ppm至30ppm之间。”

预测微生物学的核心在于建立完善的数字模型。其测试结果也可以表明挑战的食物是否有意义：“如果预测模型表明目标微生物会生长，那么就没有必要进行实际的挑战实验，因为结果很可能是一样的。”Kornacki博士说，“然而，如果预测模型表明生物体不会生长，那么你可能需要进一步研究以确保它是真实的。”

作者：ANDREA TOLU
摘自Food Quality & Safety杂志

来源：荣格-《国际食品加工及包装商情》

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