基本信息
- 项目名称：
- 大型食品（禽肉）生产企业弯曲菌感染流行的风险预测模型探索与建立
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品选择大型禽肉企业，应用定量监测技术，对生产过程主要环节弯曲菌的流行监测，应用预测微生物学建立弯曲菌感染流行的风险预测数学模型。流行病学结果显示，各环节污染率高，且呈逐步上升趋势，冷冻能有效降低禽肉弯曲菌数量；建立的模型模拟效果好，与实际监测值差异小，应用软件技术开发了《禽肉生产加工过程弯曲菌预测与风险分析系统软件》，试应用模拟效果好，为我国食源性弯曲菌疾病预警体系的建立奠定基础。
- 详细介绍：
- 根据世界卫生组织的估计，全球每年发生食源性疾病数十亿例；由微生物污染引起的食源性疾病一直是食品安全中突出的问题之一。即使是在卫生条件相对较好的发达国家，平均每年也有1/3的人群感染食源性疾病。由此可见对食源性疾病的检测和控制极其重要。弯曲菌(Campylobacter)作为一种重要的食源性感染病原菌，在许多经济发达国家由其引起的腹泻在细菌性腹泻病例数量中位居榜首。在发展中国家，其引起的肠炎病例仅次于沙门氏菌和志贺氏菌,在很多地区甚至有超过沙门氏菌的趋势。世界卫生组织已将该弯曲菌病列为最常见的食源性传染病之一。从2003年起，我国国家食源性疾病监测网也将弯曲菌列为主要监测对象。弯曲菌为革兰氏阴性菌，它能引起散发性和地方流行性的胃肠炎暴发，特别是对具有免疫缺陷性的群体，如癌症病人、艾滋病病人、糖尿病人、小孩和老人等，危害更加严重。弯曲菌肠炎潜伏期约为17天，主要症状有发热、腹痛、水样或粘液血性腹泻以及呕吐。另外，弯曲菌还被认为是人格林-巴利综合征最主要的前驱因子，严重威胁到公众的卫生安全。家禽是弯曲菌病最重要的传染源，鸡群感染率可达100%，弯曲菌的传播主要是通过水平传播，禽肉被公认为人弯曲菌病的最重要来源，消费禽肉与人弯曲菌病的流行有紧密相关性。进入屠宰场弯曲菌阳性禽群的细菌数量是巨大的，肠内容物的泄漏不仅污染胴体，而且引起环境污染导致屠宰场外界环境的污染，新鲜禽肉产品的污染率最高可达100%，胴体的细菌量可达108CFU。对30余个国家调查表明，上世纪80年代中期弯曲菌在鸡中已经广泛分布。据最近的调查研究结果可知，市场上出售的75%的活禽和80%的禽肉中含有弯曲菌。由此可见，对弯曲菌的预防和控制迫在眉睫，而禽肉生产加工过程作为禽肉被弯曲菌污染的主要环节，因此，对禽肉生产加工过程的研究对弯曲菌的预防和控制起着至关重要的作用。食品安全质量控制涉及面广，“战线”长，从生产加工流通全程来看，禽肉中弯曲菌的防控涉及饲养、屠宰加工、贮存运输、销售等诸多环节，而人弯曲菌病的流行控制存在社会危害性大、检测控制的滞后性、检测难度大等特点。预测微生物学是运用数学、工程学、统计学和微生物学建立数学模型，对食品中微生物的生长和残存进行定量分析的一门新兴学科，该学科不仅可以对食品安全作出快速评估的预测，而且可用于货架期预测，在食品质量安全研究中具有重要意义。本文对禽肉生产加工过程主要环节进行弯曲菌流行病学规律研究，并应用预测微生物方法，进一步对禽肉流行病学数据分析，建立数学模拟模型，为弯曲菌的预防和控制提供了更加有力的依据。 1 鸡肉生产加工过程弯曲菌流行病学研究样品采集为了研究禽肉生产加工过程中弯曲菌的流行规律，项目从探究鸡肉生产加工过程起步，经充分的实验设计，选择国内某大型鸡肉生产加工企业采集样品，分两次共采集558份样品。在样品采集的6个环节中，对每份样品进行标记，以便于研究鸡肉生产加工过程中弯曲菌的流行规律。样品采集的企业为大型鸡肉生产加工企业，年肉鸡生产能力为4000万只，其产品销往中国各大城市，该企业产品的食品安全对全国人民的健康产生深远的影响。 2 鸡肉生产加工过程中弯曲菌流行率变化分析不同批次鸡肉生产加工过程中弯曲菌的流行率分析显示，在鸡肉屠宰加工过程中，除了消毒预冷环节的阳性率暂时下降外，各环节的阳性率呈现逐步上升的趋势。这种逐步上升的趋势可能是由鸡肉生产加工过程中机器、操作刀具等因素引起的交叉污染造成的。从生产加工的季节来看，秋季采集样品的变化趋势与冬季采集样品的变化趋势基本相似，只是冬季采集样品的入厂肛拭检验的阳性率高于秋季采集样品的阳性率，这可能与饲养鸡群的个体差异引起。 3鸡肉生产加工过程中弯曲菌数变化分析在鸡肉生产加工过程的流行病学研究中，根据不同批次、不同环节的弯曲菌数的变化，表明：秋季样品和冬季样品的脱毛环节阳性样品的弯曲菌数量的平均值分别为1830.64 CFU/100cm2和543.67 CFU/100cm2，而去除内脏环节弯曲菌的平均值却出现了剧烈的上升，分别为3900 CFU/100cm2和1528.79 CFU/100cm2，这说明在去除内脏环节的阳性样品中的弯曲菌可能大部分是由于开膛取内脏时的交叉污染造成的。 另外，鸡肉进入冻库速冻本应能达到杀灭细菌的效果，但是在速冻环节，样品中的弯曲菌数量出现了上升的情况，这可能是冷冻过程中鸡肉个体之间和鸡肉与储藏框之间的交叉污染造成的。同时，在环境样品中，对储藏框进行检测时，储藏框均为弯曲菌阳性，弯曲菌的数量的平均值为3640 CFU/100cm2。最后，在不同的季节采样的样品各环节的弯曲菌数量基本相似，但在速冻环节出现了差异，发现冬季采集的样品的弯曲菌数量低于秋季采集样品的弯曲菌数量。这表明延长冷冻的时间能对弯曲菌的消减起到较显著的效果。 4 鸡肉生产加工过程中弯曲菌数频次分布分析为了了解鸡肉中弯曲菌的污染程度，我们对样品中弯曲菌数的分布范围进行分析，鸡肉生产加工过程中弯曲菌数频次分布显示：除泄殖腔样品外，鸡肉表面弯曲菌的数量主要集中在5000 CFU/100cm2以内，其中鸡肉经过消毒预冷环节以后，鸡肉表面弯曲菌的数量减少到1000 CFU/100cm2以内。虽然消毒预冷没有降低鸡肉群体的弯曲菌阳性率，但是它使得鸡肉表面中弯曲菌的数量大幅的减少，这说明生产加工企业可在该环节加强控制，以达到预防的效果。从季节来看，冬季和秋季样品因群体的差异，使得冬季样品中鸡泄殖腔的弯曲菌数高于秋季的样品，但根据数据分析发现，这种差异是由其中几个样品中弯曲菌数较大造成的，且其他各环节弯曲菌数量的分布差异不显著。总体来讲，鸡肉生产加工过程中弯曲菌的流行规律受季节的影响较小。 5 鸡肉生产加工过程中环境中弯曲菌污染分析鸡肉生产加工过程环境中的弯曲菌是引起交叉污染的主要来源，为了对这种交叉污染进行研究，特采集了各生产环节的环境样品，环境样品主要包括地面、清洗液、水沟、工作台面、操作刀具、仪器设备表面和工人操作手套等。其各环节环境样品中弯曲菌数量见表3，编号5与10各环节环境样品均为工人操作手套上的细菌样品，所有环节均为阳性，这表明工人手套可能是一个交叉污染的重要传染源。另外，从各环节环境样品弯曲菌数量的平均值来看，环境样品中弯曲菌数量平均值的变化规律与鸡肉样品的弯曲菌数量的平均值的变化规律一致，出现相似的波动。其中，挂鸡进场区、脱羽转挂区、开膛取肠区和杂物清洗区的环境样品均为阳性，而消毒预冷区中除了下水沟、预冷池壁和工人手套有少量的弯曲菌存在外，地面、消毒池和预冷池均为弯曲菌阴性。但在称重包装区中，弯曲菌数量出现了大幅上升，特别是电子称台面，其弯曲菌的数量最高，这也有可能是一个重要的交叉污染传染源。从两次采集样品的季节角度来看，结果比较稳定，没有出现显著的差异。说明季节的变化对环境中弯曲菌的数量没有显著的影响。 6 鸡肉中弯曲菌分离株种属分析弯曲菌是革兰氏染色阴性菌，包括18个种，6个亚种和2个生物变型。我们对分离培养的157株细菌进行鉴定，空肠弯曲菌为94株，比例为59.87%；结肠弯曲菌为63株，比例为40.13%；未见其他种类的弯曲菌。然而能引起人弯曲菌病的主要弯曲菌类型是空肠弯曲菌和结肠弯曲菌。由此可见，鸡携带的弯曲菌种类对公众健康危害性大，加强对鸡肉中弯曲菌的预防与控制势在必行。 7鸡肉生产加工过程弯曲菌感染流行的数学预测模拟模型的探索与建立 7.1 模拟模型建立技术路线鸡肉生产加工过程中弯曲菌模拟模型建立的技术路线如图所示，建立模型主要包括提出实际问题、抽象、简化与明确变量和参数、运用数学方法建立模型、对模型进行求解、对模型的验证和模型的应用几个部分。 7.2 模拟模型建立的数值定义对鸡肉生产加工六个过程监测的数值进行对数处理，并分别定义为x1、x2、x3、x4、x5、x6。其中，x1为鸡肉肛拭样品中弯曲菌数的对数值；x2为鸡肉脱毛之后表面弯曲菌数的对数值；x3为鸡肉掏除内脏之后表面弯曲菌数的对数值；x4为鸡肉消毒预冷之后表面弯曲菌数的对数值；x5为鸡肉包装之后表面弯曲菌数的对数值；x6为鸡肉冷冻之后表面弯曲菌数的对数值。 7.3 模拟模型建立的依据运用Matlab (ver7.5.0) 软件，使用回归方程对鸡肉生产加工过程中弯曲菌的数目变化趋势进行预测。 7.4 模拟模型的建立在日常的生产生活过程中，我们常常因食用禽肉而受到弯曲菌的威胁，但因为缺乏系统、准确的弯曲菌监测体系，使得我们既不能在生产之前对禽肉中的弯曲菌数进行模拟预测，以提前采取措施而达到控制的目的，也不能再生产之后对禽肉中的弯曲菌数进行模拟溯源，以做到追踪的目的。因此，根据以往监测的大量数据将数学模拟应用于模拟弯曲菌数变化规律的研究具有重大的意义。项目根据流行病学分析的基础数据建立的鸡肉生产过程中弯曲菌预测模型如表5。从鸡肉的初级生产到食用过程，鸡肉的生产加工是一个主要的环节，该过程的研究对弯曲菌的预防和控制起到至关重要的作用。因此，我们针对鸡肉生产加工过程主要环节中弯曲菌数建立模拟模型并推测出各生产环节中鸡肉表面弯曲菌数，以达到预防的目的。 7.5 模拟模型的验证运用建立的模拟模型对监测的数据进行预测计算，并将预测计算的结果与实际监测的数据进行比较分析，结果显示，模型预测的数据与实际监测的数据相比，实际监测的数据波动比模型预测的数据波动稍大些，虽然预测的弯曲菌对数值与实际监测的弯曲菌对数值之间存在一些差异，但这些数值差异并不显著，各组数据的差异在合理的误差范围内，说明该模型的模拟效果好。 7.6 鸡肉生产加工过程弯曲菌预测与风险分析系统软件的开发在前期对建食品中弯曲菌定量研究，提出在生产各环节有效控制或杀灭重要食源性致病菌的动力学模型及控制技术操作规范的基础上，为全面提升鸡肉生产加工过程的食品质量安全控制技术创新能力和科技水平，有效解决从饲养到餐桌全过程中的食品安全问题，应用预测微生物学基本理论、结合现代计算机技术研制开发了《大型鸡肉生产加工过程弯曲菌污染风险预测模型》软件。使用该软件，用户可以提前预测产品弯曲菌携带量，借此，生产者可以做好弯曲菌数量控制工作，检验部门可对弯曲菌引起的风险进行管理，从而更加有效地对弯曲菌引起的食源性疾病进行控制。软件的主要操作方法与使用如下：通过软件登录页面的系统按钮即可进入软件操作页面，用户可进行新建、打开、删除和筛选等项目选择，在模型选择页面，用户可在此选择与实际生产状况相符合的预测模型，以获得更加精准的预测结果（目前本预测模型只针对大型鸡肉生产加工线，即日生产加工量为5万只以上的生产线），然后进入数据录入页面，可通过人工录入和数据导入的方法输入检测数据，经数据检查符合要求后，即可提交分析。在结果分析界面，用户可以得到软件的预测结果，结果包括综合分析图，详细预测数据原值表、对数表等，且用户可将数据以Excel表和曲线变化图的形式导出进行备份和再分析，最后根据分析结果在预警系统设置页面设置预警临界值并在生产过程中进行控制以实现防疫的目的，同时还可在预警页面了解数据采集方法、加工模型等相关信息。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 由弯曲菌引起的食品安全是全球公众关注的焦点。食用弯曲菌污染的禽肉是公认的引起弯曲菌感染流行的主要因素。本作品以大型禽肉生产企业为目标，经充分的实验设计，对禽肉生产加工过程中弯曲菌的流行病学进行研究，运用预测微生物学和软件技术的方法对禽肉生产加工过程主要环节中弯曲菌建立数学预测模型、开发应用软件，实现食品中弯曲菌的快速评估预测，也为食源性微生物食品质量预防和控制提供技术支持和参考。
科学性、先进性及独特之处
- 经教育部科技查新工作站（N10）查询证实：本研究应用快速定量检测方法采集弯曲菌污染数据，对我国禽肉生产加工过程中的弯曲菌流行病学进行分析研究在国内外公开发表的文献中未见其他报道。同时，运用预测微生物的方法，对我国禽肉加工过程中弯曲菌预测模型和风险分析软件的研究，在国内外公开发表的文献中未见其他报道。
应用价值和现实意义
- 作品对禽肉生产加工过程进行深入、全面的研究，获得国内禽肉生产加工企业弯曲菌污染情况的基础数据，为制定中国弯曲菌的防控提供数据支持。同时，建立的禽肉生产加工过程主要环节中弯曲菌数学预测模型和风险分析软件，经江苏淮安苏食肉品有限公司试应用，结果初步显示，软件建立的模型预测数值与实际监测结果差异不显著，模型的模拟效果好。具有良好的开发应用前景。为生产加工企业和风险管理部门对弯曲菌控制提供有力的依据。
学术论文摘要
- 食品安全是全球公众关注的焦点问题，由微生物污染造成的食源性疾病一直是食品安全中突出的问题之一。弯曲菌(Campylobacter)是一种重要的食源性感染病原菌，由其引起的腹泻在食物中毒病例中位居榜首。食用弯曲菌污染的食品（禽肉）是公认的引起弯曲菌感染流行的主要因素，而禽肉生产加工过程是弯曲菌污染的主要环节。本文选择大型鸡肉生产企业为研究对象，通过对鸡肉生产加工过程主要环节弯曲菌的流行规律监测，分析引起感染的主要影响因素，并应用预测微生物学方法进一步对流行病学数据进行分析，建立大型食品生产企业弯曲菌感染流行的风险预测数学模型。结果显示，各环节的阳性率均高，呈逐步上升的趋势，消毒预冷环节能有效降低鸡肉中的弯曲菌数量，且建立的模型预测数值与实际监测结果差异不显著，模型的模拟效果好。此后，应用预测微生物学基本理论、结合软件技术研制开发了《大型鸡肉生产加工过程弯曲菌污染风险预测模型》。该研究结果将为食源性弯曲菌疾病预警体系的建立奠定基础，并为相关政府部门的决策提供依据。
获奖情况
- 1.XX大学第六届“挑战杯•动感地带”大学生课外学术科技作品竞赛生命科学类特等奖； 2.第一作者，鸡肉屠宰加工环节弯曲菌流行病学调查与分析.肉类工业，2011;4;44-46; 3.第二作者，禽肉中弯曲菌污染现状和防控措施研究进展.动物医学进展，2010;31(S):180-184.
鉴定结果
- 作品研究中开发的《禽肉生产加工过程弯曲菌预测与风险分析系统软件》经江苏淮安苏食肉品有限公司试应用结果初步显示，软件建立的模型预测数值与实际监测结果差异不显著，模型的模拟效果好。具有良好的开发应用前景。
参考文献
- [1] 胡晓杼, 袁宝君. 食源性疾病的预防控制[M]. 南京: 南京大学出版社, 2005. [2] Huang JL, Yang GJ, Meng WJ, Wu LP, Zhu AP, Jiao XA. An electrochemical impedimetric immunosensor for label-free detection of Campylobacter jejuni in diarrhea patients’ stool based on O-carboxymethyl chitosan surface modified Fe3O4 nanoparticles. Biosensors and Bioelectronics, 2010, 25(5): 1204-1211. [3] 中华人民共和国国家标准[S]. 食品卫生微生物学检验——空肠弯曲菌检验. GB/T 4789, 9-2008: 59-66. [4] FAO/WHO, 2009. Technical Report—risk assessment of Campylobacter spp. in broiler chickens. ( MRA 12 ). [5] Thomas A, Florian G, Annekathrin F. Distribution of Campylobacter jejuni strains at different stages of a turkey slaughter line [J]. Food Microbiol, 2005, (22): 345-351. [6] Rahimi E, Momtaz H, Bonyadian G. PCR detection of Campylobacter spp. from turkey carcasses during processing plant in Iran [J]. Food Control, 2009, 21(5):692-694.
同类课题研究水平概述
- 弯曲菌是全球范围内主要的动物源性人兽共患、细菌性肠道病原菌。近年来，人弯曲菌病发生率呈增长趋势，已引起世卫组织（WHO）高度关注。据美国国家食品网监测，弯曲菌是发病率最高的病原菌之一，其病例数已超过沙门菌病、李斯特菌病等，每年由弯曲菌导致的腹泻可达4-5亿例，其导致的消化道感染有显著的发病率和死亡率，成为全球范围内最常见的急性细菌性肠道传染病。 弯曲菌宿主范围宽，是野生、饲养动物的正常寄居菌，通过排泄物或分娩物污染食物和饮水，从而引起人类感染并带来极大威胁。其中，家禽是人弯曲菌病最重要的传染源，感染率可达100%，消费禽肉与人空肠弯曲菌病的流行有紧密相关性。通过对弯曲菌感染病例的研究发现，接触和消费各类禽肉和内脏是引起弯曲菌感染的重要因素。调查表明，上世纪80年代中期弯曲菌在鸡中已经广泛分布，而当前市场上75%的活禽和80%的禽肉中均含有弯曲菌。 禽肉屠宰过程中的交叉污染是禽肉食品中弯曲菌流行的主要原因，这使得该过程成为许多学者的研究热点。Thomas A等在对德国8个屠宰场中火鸡表面的弯曲菌流行情况进行了研究，发现弯曲菌的携带率随着加工步骤的进行而出现起伏的变化，在屠宰的6个不同阶段的火鸡表面擦拭样品中，弯曲菌的平均携带率为56.2%，其中烫毛之后携带率为37.2%，脱毛之后携带率为58.1%，而在取完内脏之后的携带率上升到72.1%，但经过预冷池预冷后携带率下降到了67.4%，经过24小时的冷冻后携带率只有25.6%。2009年，国际粮农组织和WHO发表的肉鸡弯曲菌风险分析报告认为肉鸡是许多国家食用的主要禽肉，而其生产加工过程是禽肉质量把关的重要环节，这种污染对消费者已构成严重的威胁。 危险性评估是食源性疾病预警预报系统的重要组成部分，是食品安全管理的重要手段。欧美国家在对食品中病原细菌危害的危险性评估方面进行了卓有成效的工作。美国已经完成了蛋和蛋类制品中沙门氏菌、牛肉中的大肠杆菌和即食食品中李斯特菌的危险性分析。其中，定量微生物风险评估成为控制食品安全重要的工具。自Cassin M.H首次使用该方法对汉堡包里的E.coli进行了定量风险评估以来，很多学者和研究机构相继地对其他食源性致病菌进行了定量风险评估。我国在食品中病原菌危害的危险性评估方面也做了一些工作，但关于弯曲菌方面的定量风险评估、危害性预测和预警技术的研究仍然处于空白。
