میکروبیولوژی پیش‌بینی کننده

انسان‌ها در زندگی روزمره‌ی خود با میکروارگانیسم‌های گوناگونی در ارتباط هستند. این میکروارگانیسم‌ها در  محیط‌های مختلف حضور داشته و برهم‌کنش بین این عوامل و انسان گاهی ممکن است باعث بروز عفونت و بیماری در افراد شود. مسمومیت غذایی، به عنوان یکی از شایع‌ترین و مهم‌ترین موارد این عفونت‌ها در نظر گرفته می‌شود که محققان را برای جست‌وجوی تکنیک‌ها و روش‌های جدید برای پیش‌بینی وقوع آلودگی، کنترل میکروبی و حفظ ایمنی مواد غذایی ترغیب کرده‌است.

همین امر، موجب شده تا بخشی بسیار مهم در مطالعات میکروبیولوژی به نام میکروبیولوژی پیش‌بینی کننده (Predictive microbiology) ایجاد شود. هدف میکروبیولوژی پیش‌بینی کننده، پیش‌بینی احتمال بروز انواع آلودگی‌هایی که ممکن است در مواد غذایی رخ دهد، می‌پردازد. این موضوع یکی از جذاب‌ترین حوزه‌های میکروبیولوژی مواد غذایی است که در ادامه به بررسی آن خواهیم پرداخت.

میکروبیولوژی در موادغذایی

میکروبیولوژی مواد غذایی مطالعه میکروارگانیسم‌هایی است که مواد غذایی را آلوده می‌کنند و در بیماری‌های ناشی از مصرف غذای آلوده نقش دارند. همان‌طور که می‌دانید غذاهایی که ما مصرف می‌کنیم حاوی میکروب هستند و به ندرت پیش می‌آید که غذایی فاقد هرگونه میکروب باشد.

بر اساس گزارش فائو (سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد) بیش از یک سوم کل مواد‌غذایی که برای مصرف در نظر گرفته شده‌است، قبل از رسیدن به دست مصرف‌کننده هدر رفته و فاسد می‌شود. فساد مواد غذایی به مراحل تولید موادغذایی مربوط می‌شود، برای رفع این مشکلات می‌توان از میکروبیولوژی پیش‌بینی کننده تا حد زیادی استفاده کرد.

برخی از میکروارگانیسم‌ها قادر به تبدیلات مواد طی انجام متابولیسم موادغذایی هستند که این تبدیلات می‌توانند در سلامت انسان بسیار موثر واقع شوند. چنین میکروارگانیسم‌هایی نه تنها پاتوژن نبوده و باعث ایجاد بیماری نمی‌شوند بلکه حضور آن‌ها برای سلامت انسان بسیار ضروری و حائز اهمیت است؛ یک مثال آشنا از این باکتری‌ها، باکتری اسید لاکتیک است. باکتری‌های اسید لاکتیک قادر به حفظ بقای خود در شرایط استرس‌زای معده و روده از جمله قرار گرفتن در معرض صفرا و  PH اسیدی هستند. مثالی دیگر از این نوع باکتری‌ها، لاکتوباسیلوس‌ها هستند که در تهیه ماست و سایر محصولات لبنی نقش دارند.  باکتری‌های اسیدلاکتیک و بیفیدوباکتریوم‌ها در غذاها با عنوان “پروبیوتیک” بکار برده می‌شوند.

هدف میکروبیولوژی پیش بینی کننده ارائه پیش بینی‌های کاربردی و مفید در مورد رفتار میکروبی در سیستم‌های غذایی است. نکته‌ی قابل توجه این است که میکروبیولوژی پیش‌بینی کننده “رشته‌های میکروبیولوژی مواد غذایی، مهندسی و آمار” را باهم ترکیب و ادغام می‌کند.

کاربردهای میکروبیولوژی پیش‌بینی‌کننده

کاربردهای میکروبیولوژی پیش‌بینی‌کننده در زمینه صنعتی گسترده است، اما می‌توان آن را در سه گروه از فعالیت‌ها خلاصه کرد:

• نوآوری محصول: ارزیابی سرعت تکثیر میکروبی، محدودیت‌های رشد، یا نرخ غیرفعال‌سازی مرتبط با شرایط فرمولاسیون/فرایند غذایی خاص به منظور توسعه محصولات و فرآیندهای جدید، فرمول‌بندی مجدد محصولات موجود، و تعیین شرایط نگهداری و ماندگاری.
• پشتیبانی عملیاتی: حمایت از تصمیمات ایمنی مواد غذایی که باید هنگام اجرا یا اجرای عملیات تولید مواد غذایی گرفته شوند، مانند طراحی رژیم های گرمایش در کارخانه، تعیین نقاط کنترل بحرانیCCP در HACCP، ارزیابی تأثیر انحرافات فرآیند بر ایمنی و کیفیت میکروبیولوژیکی از محصولات غذایی
• پشتیبانی رویداد: برآورد تأثیر بر ایمنی مصرف کننده یا کیفیت محصول در صورت بروز مشکل در محصولات موجود در بازار

معیارهای میکروبیولوژیک

معیارهای میکروبیولوژیک که توسط کمیسیون بین المللی مشخصات میکروبیولوژیکی برای غذاها (ICMSF) تعریف شده است، عبارتند از:

الف_ استاندارد میکروبیولوژیکی.

ب_مشخصات میکروبیولوژیکی که در تجارت مواد غذایی به عنوان شرط پذیرش توسط مصرف کننده اعمال می شود.

ج_ دستورالعمل میکروبیولوژیکی، که در نظارت بر پذیرش میکروبیولوژیکی یک محصول یا فرآیند اعمال می شود.

علاوه بر موارد بالا، ICMSF معیارهای زیر را نیز مشخص می کند:

الف_ فهرست مواد غذایی که معیار به آن‌ها عرضه می کند.
ب_ ثبت میکروارگانیسم ها یا سموم درگیر در آن‌ها.
ج_ شرح روش‌های کمی و کیفی که برای تشخیص میکروارگانیسم‌ها و سموم آن‌ها اعمال می‌شود.
د_ تعداد و اندازه نمونه‌هایی که باید برداشت شوند.
ه_برش میکروبیولوژیکی برای محصول داده شده و همچنین تعداد نمونه های تکراری به منظور قابل قبول بودن یک محصول.

معیارهای میکروبیولوژیکی ابزارهایی هستند که می توانند در ارزیابی ایمنی و کیفیت غذاها استفاده شوند. درهمین راستا، در هر کشوری، سازمان‌های ملی توسعه‌یافته‌ای وجود دارند که استانداردهای کیفی را برای مواد غذایی ارائه شده برای مصرف کنندگان و تضمین ایمنی موادغذایی ایجاد کنند. در واقع میکروبیولوژی پیش‌بینی کننده پلی میان غذا (مثلاً عوامل نگهدارنده) و زیست شناسی (مثلاً مکانیسم مولکولی) است.

مدل‌ها و توسعه‌ی مدل‌ها

امروزه مدل‌های بسیار متنوعی برای توصیف رفتار جمعیت‌های میکروارگانیسم‌ها (مانند رشد، مرگ، بقا، تعامل با سایر میکروب‌ها) در غذاهای مایع و ساختار یافته وجود دارد. کلاس‌های مختلفی از مدل‌ها وجود دارد که به آن‌ها مدل‌های اولیه یا ثانویه می‌گویند.

مدل‌های اولیه رفتار جمعیت باکتریایی را که در معرض یک شرایط محیطی خاص (مانند دمای خاص، pH، فعالیت آب، غلظت مواد نگهدارنده) قرار می‌گیرند، که به عنوان تابعی از زمان توصیف می‌کنند.  همچنین از آنها را می‌توان برای توصیف یا شبیه سازی رشد یا مرگ در جمعیت میکروارگانیسم‌‌ها به کار برد.

مدل‌های ثانویه اطلاعات جمع‌آوری شده در مدل‌های اولیه را می‌گیرند که مجموعه‌ای از شرایط محیطی خاص مرتبط را با هم توصیف می‌کنند.درواقع این مدل‌ها بیان می‌کنند که چگونه حداکثر نرخ رشد در یک جمعیت با افزایش دما تغییر می‌کند. سایر مدل‌های مورد استفاده در صنایع غذایی زمان مورد نیاز برای کاهش 10 برابری میکروارگانیسم‌ها یا طول فاز تاخیر تا رشد را در رابطه با تغییرات، برای عواملی مانند pH، دمای ذخیره‌سازی و غلظت نمک‌ها یا قندها و نگهدارنده‌ها نشان می‌دهند.

مدل‌های پیش‌بینی‌کننده رفتار میکروبی در غذاها برای صنعت، ایمنی مواد غذایی و سیاست‌های آموزشی دارای اهمیت است. مدل سازی، اساساً روابط بین ورودی ها و خروجی های یک سیستم معین را نشان می دهد. تخریب حرارتی گونه‌های باکتریایی در میکرو فلورا که از اطلاعات به‌دست‌آمده پس از مدل‌سازی سرعت واکنش شیمیایی یا دما به‌دست می‌آید، شواهد قابل‌توجهی از اثربخشی این رویکرد است.

مدل‌های ریاضی در میکروبیولوژی پیش‌بینی کننده، امکان پیش‌بینی رفتار میکروبی را فراهم می‌کنند که می‌تواند بر رشد این ارگانیسم‌ها در شرایط مختلف محیطی موثر واقع شود. این شرایط اساساً در دو دسته اصلی دسته بندی می شوند. عوامل درونی و بیرونی. عوامل ذاتی شامل خواص فیزیک وشیمیایی خود غذا مانند pH، فعالیت آب و پتانسیل آن‌ها است. عوامل بیرونی به عنوان همه عوامل محیطی مسئول محدود کردن رشد میکروبی مانند دما، رطوبت نسبی و جو گازی مشخص شده است.

درحال حاضر، مدل‌های ریاضی برای چندین باکتری بیماری‌زا و همچنین برای برخی میکروارگانیسم‌های فاسد ساخته شده‌اند. بسیاری از مدل ها و اطلاعات مرتبط از طریق اینترنت در دسترس هستند.

اعتبار سنجی مدل‌ها

در میکروبیولوژی پیش بینی کننده داده‌های جمع‌آوری‌شده برای بهره‌برداری در مدل‌سازی باید از یک محیط مشخص انتخاب شوند، بر اساس این دانش که محیط‌های باکتریولوژیکی انتخاب شده زیرا محدودیت‌های روش‌ها و محیط‌های مورد استفاده، نتایج رشد باکتری‌های متفاوتی را ارائه می‌دهند. بقیه‌ی پارامترهای مؤثر بر داده‌های به دست آمده نیز باید در ادامه مورد ارائه شده در نظر گرفته شوند. در نهایت، پس از توسعه، مدل باید با مقایسه مقادیر تولید شده با انجام آزمایشات اعتبار سنجی شود.

صنعت غذا از نظر سودآوری، سرمایه گذاری، صادرات جهانی و اشتغال نیروی کاری حیاتی است. میکروبیولوژی پیش بینی به طور کلی بر رشد بیش از حد بالقوه باکتری های فاسد و پاتوژن های غذایی در غذاها تمرکز دارد. همانطور که در بالا اشاره شد، برخی از باکتری ها به روشی مفید عمل می کنند و در فرآیندهای تخمیر مواد غذایی به کار می روند. اخیراً توجه دانشمندان بر روی “میکروارگانیسم های مفید” متمرکز شده است. مدل‌سازی پیش‌بینی به درک سیستماتیک از تأثیر شرایط محیطی (دما، pH، نمک، و غیره) که باید در فرآیندهای تخمیر مواد غذایی غالب باشد، با تعیین عملکرد نوین آغازگر جدید در محیط‌های شبیه‌سازی کمک می‌کند.

بنابراین، یک رویکرد مدل‌سازی رابطه نزدیک بین غذاها و رشد باکتری‌ها را روشن می‌کند. علاوه بر این، از آنجایی که رشد باکتری ها اغلب به ماهیت غذای درگیر بستگی دارد، انتظار می‌رود توسعه مدل‌های ریاضی برای پیش بینی رفتار جمعیت باکتری در مواد غذایی مفید باشند.

نرم افزار میکروبیولوژی پیش‌بینی کننده

سیستم‌های نرم‌افزاری که به دلایل تجاری توسعه یافته‌اند یا به‌طور رایگان در اینترنت در دسترس هستند، تعدادی از این مدل‌های مختلف از طریق رابط‌های به کاربران  دسترسی می‌دهند، که برخی از این سیستم به شرح زیر هستند:

• پیش‌بینی‌کننده رشد: مجموعه‌ای از مدل‌ها را برای پیش‌بینی رشد تعدادی از باکتری‌های بیماری‌زا، باکتری‌های عامل فساد و مخمرها به عنوان تابعی از عوامل کلیدی مانند دما ارائه می‌کند. pH و فعالیت آب هیچ مدل بقا یا غیرفعال سازی در نسخه فعلی Growth Predictor (نسخه 1.0) گنجانده نشده است.
• برنامه مدل‌سازی پاتوژن: نیز مدل‌هایی را برای پیش‌بینی رشد باکتری‌ها (عمدتاً بیماری‌زا) ارائه می‌کند، اما چندین نوع مدل دیگر را نیز شامل می‌شود. نسخه فعلی PMP (نسخه 7.0) مدل‌های رشد، مدل‌های بقای غیر حرارتی، مدل‌های غیرفعال‌سازی حرارتی، مدل‌های تابش گاما، مدل‌های سرمایش/رشد، یک مدل زمان تا سم‌زایی، و مدل‌های زمان  را ارائه می‌کند.
• پیش‌بینی کننده فساد غذاهای دریایی: برای پیش‌بینی ماندگاری یک گروه غذایی خاص، یعنی غذاهای دریایی، در شرایط نگهداری دمای ثابت و نوسان ایجاد شده است. این نرم‌افزار می‌تواند داده‌های انواع مختلف ثبت‌کننده‌های دما را بخواند و از این طریق تأثیر نوسان دما را بر مدت زمان ماندگاری غذاهای دریایی ارزیابی کند.
• نرم افزار Sym’Previus: شامل یک ابزار شبیه سازی و یک پایگاه داده است.در ابزار شبیه سازی، چهار گونه باکتری موجود است: لیستریا مونوسیتوژنز، سالمونلا، باسیلوس سرئوس و اشریشیا کلی. برای هر گونه، بسیاری از سویه ها را می توان با توجه به منشأ آنها انتخاب کرد (به عنوان مثال از محصولات لبنی، محصولات گوشتی یا محصولات غذایی دریایی). نسخه فعلی شامل مدل‌های رشد، مدل‌های غیرفعال‌سازی حرارتی و مدل‌های مرز رشد یا عدم رشد است. پایگاه داده حاوی مقدار قابل توجهی داده در مورد رفتار میکروارگانیسم ها در شرایط مختلف است و در ارتباط با ابزار شبیه سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کلام آخر

از آن جایی که کنترل محصولات از زمان ورود به کارخانه‌های فرآوری و سپس به بازا‌رها یک عامل حیاتی و قابل اهمیت برای کارایی و کیفیت غذابه شمار می‌رود، تحقیقات گسترده ای مورد نیاز است، از جمله این تحقیقات توسعه یک پایگاه داده‌ی قابل دسترسی است که از اطلاعات دقیق و کافی در مورد واکنش های میکروبی به مواد غذایی برخوردار باشد.

همچنین شرایط پردازش آن وجود داشته باشد تا بتوان  شرایط متعددی را که در زنجیره تامین مواد غذایی دخالت می کنند کنترل کرددر اینجا می‌تواناز میکروبیولوژی پیش بینی کننده یاد کرد که این امر بسیار موثر است. بدیهی است که تنوع ساختارها و فرآیندهایی که امکان تغییرات تکنولوژیکی و ساختاری در صنعت را فراهم می کند، باید حتما مورد ارزیابی قرار گیرند.

نویسنده: پرنیا خسروی

منابع:

1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6963536/
2. https://www.newfoodmagazine.com/article/1217/use-of-predictive-microbiology-in-the-food-industry/