背景介紹：研究人員通過結(jié)合基于個(gè)體的建模（IBM）和食品微環(huán)境描述，預(yù)測(cè)單核增生李斯特菌在涂抹軟奶酪表面的生長(zhǎng)行為。李斯特菌是***種重要的食源性病原菌，能夠在低溫下繁殖，對(duì)食品安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法主要基于宏觀尺度的物理化學(xué)特性（如pH和水活度），但忽略了微觀尺度的變異性。本研究提出了***種新的建模方法，以更準(zhǔn)確地評(píng)估李斯特菌在異質(zhì)食品中的生長(zhǎng)行為。研究使用了法***斯特拉斯堡地區(qū)的涂抹軟奶酪（Munster），通過三批奶酪的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，測(cè)量了奶酪表面pH和水活度（aw）的時(shí)空變異性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，奶酪成熟過程中表面pH值從約5.0升高到超過7.0，且存在顯著的空間變異性，例如半徑方向和凹陷/隆起部位的pH差異。微觀尺度的aw值范圍為0.96到0.98，成熟過程中保持穩(wěn)定，但存在奶酪表面之間的變異性。為了更準(zhǔn)確地描述李斯特菌的生長(zhǎng)行為，研究開發(fā)了基于個(gè)體的建模（IBM）方法，考慮了單個(gè)細(xì)胞的生長(zhǎng)概率、滯后期和生長(zhǎng)速率，并結(jié)合了微觀尺度的物理化學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)中，通過人工污染實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的預(yù)測(cè)能力。結(jié)果顯示，IBM方法能夠更好地描述低接種量和不利生長(zhǎng)條件下的李斯特菌生長(zhǎng)行為，尤其是在奶酪表面污染細(xì)胞數(shù)低時(shí)。與傳統(tǒng)的種群/宏觀方法相比，IBM方法能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)無生長(zhǎng)的情況，并且在高污染情況下不會(huì)高估風(fēng)險(xiǎn)。此外，研究還模擬了奶酪成熟過程中李斯特菌的生長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)IBM方法預(yù)測(cè)的雙峰分布能夠反映出***些奶酪表面無生長(zhǎng)，而另***些奶酪表面則提供了有利的生長(zhǎng)條件。

微觀方法下的污染變異性比宏觀方法更大，且污染范圍約比宏觀方法大1個(gè)log10單位。結(jié)合IBM和微觀尺度的物理化學(xué)特性描述，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)李斯特菌在涂抹軟奶酪表面的生長(zhǎng)行為，尤其是在低接種量和不利生長(zhǎng)條件下。與傳統(tǒng)的種群/宏觀方法相比，IBM方法能夠更好地描述實(shí)際細(xì)菌行為的變異性，并預(yù)測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)情況。這***研究為食品安全管理和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了新的工具和思路，并為未來在其他食品中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

unisense微電極用于測(cè)量涂抹軟奶酪表面微觀尺度的pH值。傳統(tǒng)方法通常測(cè)量宏觀尺度的pH值，這種測(cè)試方法無法捕捉到微觀尺度上的空間變異性。unisense PH 微電極能夠檢測(cè)到奶酪表面不同位置（如凹陷和隆起部位）的pH差異，揭示了微觀尺度的pH值相較于宏觀尺度的高度變異性。研究發(fā)現(xiàn)奶酪表面的pH值在半徑方向上存在顯著差異，且凸起部位的pH值高于凹陷部位。這種微觀尺度的測(cè)量對(duì)理解李斯特菌在奶酪表面的生長(zhǎng)環(huán)境提供了更精確的信息。微電極的使用使得研究人員詳細(xì)了解奶酪表面的空間異質(zhì)性。通過在奶酪表面不同位置（如中心、半徑中間和邊緣）進(jìn)行多次測(cè)量，研究發(fā)現(xiàn)奶酪表面的pH值和水活度（aw）存在顯著的空間差異。而空間異質(zhì)性對(duì)于理解李斯特菌的生長(zhǎng)行為至關(guān)重要，因?yàn)榧?xì)菌的生長(zhǎng)不僅取決于宏觀環(huán)境，還受到微觀環(huán)境的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用了法***斯特拉斯堡地區(qū)的涂抹軟奶酪（Munster），通過三批奶酪的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，測(cè)量了奶酪表面pH和水活度（aw）的時(shí)空變異性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示奶酪成熟過程中表面pH值從約5.0升高到超過7.0，且存在顯著的空間變異性，例如半徑方向和凹陷/隆起部位的pH差異。結(jié)合IBM和微觀尺度的物理化學(xué)特性描述，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)李斯特菌在涂抹軟奶酪表面的生長(zhǎng)行為，尤其是在低接種量和不利生長(zhǎng)條件下。與傳統(tǒng)的種群/宏觀方法相比，IBM方法能夠更好地描述實(shí)際細(xì)菌行為的變異性，并預(yù)測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)情況。

圖1、人工奶酪樣品中，NaCl或水與奶酪混合后的滲透壓與水活性的關(guān)系。點(diǎn)表示觀察值的平均值，誤差條表示滲透壓的10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)和水活性的4次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

圖2、13.5°C下奶酪成熟過程中，奶酪表面微觀pH值的變化，A表示0.7厘米半徑的奶酪表面凸起處，B表示4.3厘米半徑的奶酪表面凹陷處。交叉點(diǎn)為觀察值（每個(gè)日期n=5），虛線表示建模的變異性區(qū)域的2.5%和97.5%分位數(shù)。

圖3、在8天（A）和14天（B）成熟時(shí)，在不同半徑位置（●表示凹陷處，y表示凸起處）觀察到的奶酪表面微觀pH值。點(diǎn)和誤差條表示15次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4、13.5°C下奶酪成熟過程中，奶酪表面微觀水活性的變化。三批奶酪的值通過不同符號(hào)表示，點(diǎn)和誤差條表示在同***奶酪表面上獲得的15或30次觀察的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。奶酪的清洗在第9或第10天和第13或第14天進(jìn)行。

圖5、觀察到的奶酪表面微觀水活性（aw）變異性，按表面和位置劃分。連接的點(diǎn)表示***個(gè)奶酪表面的累計(jì)分布函數(shù)（cdf），描述表面內(nèi)位置的變異性（s location）。連接點(diǎn)分布的離散性說明了奶酪間或表面間的變異性（s surface）。實(shí)線為***個(gè)表面的水活性中位數(shù)cdf，虛線顯示了建模的表面間變異性區(qū)域的2.5%和97.5%分位數(shù)。

結(jié)論與展望

***種基于個(gè)體的建模（IBM）方法被開發(fā)用來描述幾株李斯特菌（Listeria monocytogenes）在涂抹軟奶酪表面的行為。IBM方法評(píng)估了細(xì)胞在奶酪表面上的隨機(jī)個(gè)體行為，并考慮了它們周圍微環(huán)境的特性。研究人員使用了unisense微電極測(cè)量pH值和微滲透壓來評(píng)估奶酪微樣本的水活度。這些測(cè)量揭示了微觀尺度的pH值相較于宏觀尺度pH值的高度變異性。微電極技術(shù)(unisense)在本研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，通過提供微觀尺度的pH和aw測(cè)量數(shù)據(jù)，揭示了奶酪表面的空間異質(zhì)性，支持了基于個(gè)體的建模方法，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了對(duì)李斯特菌生長(zhǎng)行為的理解，還為食品安全評(píng)估提供了更精確的工具，有助于更有效地管理食品安全風(fēng)險(xiǎn)。研究人員開發(fā)了***個(gè)模型，描述了在成熟過程中pH值從約5.0升高到超過7.0的變化。還建立了描述奶酪表面空間變異性的模型，其中包括半徑方向上pH值的增高以及奶酪外皮隆起部位的pH值高于凹陷部位的現(xiàn)象。微觀尺度的水活度范圍約為0.96到0.98，并在成熟過程中保持穩(wěn)定。與奶酪之間的變異性相比，奶酪表面上的空間變異性較小。將描述奶酪特性微觀尺度變異性的模型與IBM方法結(jié)合，用于模擬李斯特菌在奶酪表面的隨機(jī)生長(zhǎng)，并將這些模擬結(jié)果與不同成熟階段人工污染的輻照奶酪的細(xì)菌計(jì)數(shù)進(jìn)行比較。使用IBM/微環(huán)境方法模擬的李斯特菌計(jì)數(shù)變異性與觀察結(jié)果***致。通過這些模型，可以推導(dǎo)出不同的情境，如沒有生長(zhǎng)或高度污染的食品。IBM方法比傳統(tǒng)的種群/宏觀環(huán)境方法更有效地描述了實(shí)際細(xì)菌行為的變異性。本研究的結(jié)論表明，結(jié)合IBM和微觀尺度的物理化學(xué)特性描述，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)李斯特菌在涂抹軟奶酪表面的生長(zhǎng)行為，尤其是在低接種量和不利生長(zhǎng)條件下。與傳統(tǒng)的種群/宏觀方法相比，IBM方法能夠更好地描述實(shí)際細(xì)菌行為的變異性，并預(yù)測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)情況。這***研究為食品安全管理和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了新的工具和思路，并為未來在其他食品中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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