全自动生长曲线分析仪

Development of extensive growth and growth boundary models for mesophilic and psychrotolerant Bacillus cereus in dairy products (Part 1)

乳制品中嗜温型与耐冷型蜡样芽孢杆菌的广谱生长及生长边界模型开发（第一部分）

来源：Front. Microbiol. 16:1553885.

1.摘要

本研究针对乳制品中两类关键蜡样芽孢杆菌（嗜温型、耐冷型），开发包含11种环境因子的广谱生长与生长边界预测模型。分别构建嗜温菌群（6株）与耐冷菌群（7株），在BHI肉汤与乳清超滤渗透液（UF permeate）两种培养基中，测定温度、pH、水分活度、5种有机酸（乙酸、苯甲酸、柠檬酸、乳酸、山梨酸）及3种磷酸盐（正磷酸、焦磷酸、三聚磷酸）对最大比生长速率（μmax）的影响。采用保守建模策略，选取两种培养基中生长范围最宽的参数构建模型。结果显示，蜡样芽孢杆菌在乳清基质中对低pH、高柠檬酸/乳酸耐受性显著更高；嗜温菌对乙酸、苯甲酸、山梨酸耐受性更强，耐冷菌耐酸性更优。新模型可同时预测多因子互作下的生长边界，为乳制品安全配方设计、货架期预测提供精准工具。

2.关键词（中文）

预测微生物学、 cardinal参数模型、有机酸、磷酸盐、生长边界、食品安全、蜡样芽孢杆菌、乳制品

3.研究目的

建立同时覆盖嗜温型、耐冷型蜡样芽孢杆菌的生长预测模型。

量化温度、pH、aw、5种有机酸、3种磷酸盐共11个因子的单独与互作抑制效应。

比较BHI与乳清超滤渗透液（乳制品模拟基质）对菌株耐受性的影响。

采用保守（最宽生长范围）方式建模，提升食品应用安全性。

为乳制品配方优化、杀菌与抑菌设计、风险评估提供定量模型工具。

4.研究思路

筛选乳制品来源的嗜温/耐冷蜡样芽孢杆菌混合菌株；在BHI和UF permeate中设置多梯度条件，利用Bioscreen C自动测定OD₅₄₀获取生长曲线，计算μmax；拟合温度、pH、aw、有机酸、磷酸盐的cardinal参数；比较两培养基参数，选取最宽生长边界值；整合11个因子CM项与因子互作项（ξ），构建最终广谱预测模型。

5.研究亮点

首个同时纳入11种乳制品相关抑制因子的蜡样芽孢杆菌生长模型。

首次区分并建模嗜温型/耐冷型两大菌群，更贴合实际污染风险。

证实乳清基质显著提升菌株耐酸、耐有机酸能力，颠覆实验室培养基直接外推的传统认知。

采用保守建模原则（取最宽生长边界），预测更安全、更适用于食品工业。

完整量化因子互作效应，尤其适合再制干酪等复杂多组分体系。

6.可延伸的方向

结合孢子萌发与生长，构建完整“芽孢→营养体→产毒”动力学模型。

扩展至脂肪含量高、盐类复杂的奶酪、稀奶油等真实乳制品验证。

建立基于模型的乳制品安全配方快速设计软件。

结合宏基因组分析乳制品中蜡样芽孢杆菌的真实菌群组成。

拓展模型至产毒动力学，实现生长与毒素同步预测。

结合机器学习优化模型精度，适配更多基质与工艺。

7.测量的数据及其研究意义

温度对μmax影响的数据，来自图1A、1B。意义：确定嗜温菌Tmin=7.06℃、Topt=39.8℃；耐冷菌Tmin=3.80℃、Topt=35.1℃，明确温度生长边界。

pH对μmax影响的数据，来自图1C、1D。意义：UF permeate中嗜温菌pHmin=4.75（低于BHI的4.98），耐冷菌pHmin=4.59，证明乳清基质提高耐酸性。

水分活度(aw)对μmax影响的数据，来自图1E、1F。意义：获得awmin，用于模型中渗透压抑制项。

乙酸、苯甲酸、总柠檬酸对μmax影响的数据，来自图2A–F。意义：获得各酸MIC值，发现UF中柠檬酸耐受显著更高。

乳酸、山梨酸对μmax影响的数据，来自图3A–D。意义：确定未解离酸是主要抑菌形式，UF中乳酸耐受更高。

正磷酸、焦磷酸、三聚磷酸对μmax影响的数据，来自图4A–F。意义：获得磷酸盐MIC，焦磷酸与三聚磷酸抑制更强。

两种培养基拟合的cardinal参数，来自表1、表2。意义：提供模型全部核心参数，采用保守取值保证预测安全。

8.结论

成功构建包含11个环境因子的嗜温型与耐冷型蜡样芽孢杆菌广谱生长与生长边界模型。

蜡样芽孢杆菌在乳清基质（UF permeate）中对低pH、柠檬酸、乳酸耐受性显著提升，模型必须采用乳制品相关参数。

嗜温菌更耐受乙酸、苯甲酸、山梨酸；耐冷菌耐酸性更强，两类菌群需分开建模。

模型可量化多因子互作效应，准确预测复杂乳制品中可生长/不可生长边界。

采用保守参数构建模型，更适用于乳制品安全评估、配方开发与货架期管理。

9.芬兰Bioscreen仪器测量的微生物生长曲线数据的研究意义

本研究使用芬兰Bioscreen C全自动生长分析仪，在540 nm下自动连续监测吸光度，获取嗜温与耐冷蜡样芽孢杆菌在BHI肉汤、UF permeate两种培养基、上百个条件组合下的生长曲线，用于计算最大比生长速率μmax，是整篇模型的核心数据来源。

研究意义：

超高通量获取标准化生长数据：模型需要344个（嗜温）+303个（耐冷）μmax数据，Bioscreen实现多温度、多pH、多酸、多盐同步自动测定，是完成大规模建模的唯一可行方法。

精确计算μmax，保证模型可靠性：通过连续OD曲线精准确定对数生长期，计算比生长速率，远比重点数法高效、准确、重复性高。

严格统一培养环境：全孔同步控温、振荡、检测，消除人为误差，确保不同因子、不同基质结果可直接比较。

区分两种培养基的真实生长差异：清晰显示BHI与UF permeate中生长速率、pHmin、有机酸MIC显著不同，直接支撑“乳清基质提高耐受性”核心结论。

为生长边界模型提供定量输入：所有cardinal参数（Tmin、pHmin、awmin、MIC等）均来自Bioscreen生长曲线，是模型可解释、可迁移、可验证的基础。