模拟模型量化干洗干预对受污染奶粉生产线的效果：助力食品安全决策

本文构建蒙特卡罗模拟模型，研究奶粉生产中沙门氏菌（Salmonella）交叉污染情况。评估了干洗策略对减少污染的效果，比较了潜在替代菌，为优化干洗策略、选择合适替代菌提供依据，对保障低水分食品（LMF）安全意义重大。

　　

研究背景

近年来，与婴儿配方奶粉、谷物、花生酱等相关的食源性疾病爆发事件频发，其中由沙门氏菌引发的感染以及奶粉等干乳制品的召回事件备受关注，这凸显出低水分食品（LMF）生产环境清洁与消毒面临的严峻挑战。在 LMF 加工过程中，沙门氏菌可在低水分环境中存活并污染食品，而目前常用的干洗方法，如刷拭、吸尘和物料冲洗等，虽能去除可见食物残渣，但在微生物去除和降低交叉污染风险方面的研究较少，且缺乏明确的实施参数。此外，水性化学消毒剂虽在实验室研究中表现出良好的微生物减少效果，但引入水分会增加微生物生长风险。因此，本研究旨在构建模拟模型，评估不同干洗方法对降低沙门氏菌交叉污染风险的效果。

材料与方法

1. 模型构建：本研究模拟了奶粉在干食品加工环境中的生产过程。将典型工业奶粉制造商的生产参数作为模型参数，每次模拟生产 30,000 kg 奶粉，分成 100,000 个 300 g 的消费者装单元。选择奶粉生产中粉末形成与包装之间通过填充管运输的环节作为污染发生和后续交叉污染的源头。模型的主要输出结果为生产过程中受污染奶粉单元的数量（流行率）和受污染单元内的平均污染浓度（log CFU/g）。所有建模和统计分析均在 R 4.2.2 版本中进行，每个模型模拟 1,000 次迭代，结果以 1,000 次迭代模型输出的中位数 [5th, 95th 百分位数] 报告。
2. 模拟场景：共模拟了五种不同的沙门氏菌交叉污染和干预场景。场景 1 模拟生产前生产线填充管内 8.4 cm²的不锈钢食品接触表面被沙门氏菌污染，测试了 2-log CFU、4-log CFU 和 6-log CFU 三种初始表面污染水平。场景 2 和 3 分别在生产前采用不同的干洗策略，即冲洗和干毛巾擦拭。场景 4 模拟清洁干预工具（干毛巾）引入污染的情况。场景 5 模拟更严格的干洗干预，即重复用干毛巾擦拭污染表面，以估计生产前需擦拭多少次才能去除所有表面污染，并比较了不同潜在替代菌（大肠杆菌 Escherichia coli、屎肠球菌 Enterococcus faecium、无害李斯特菌 Listeria innocua）在干洗验证和确认活动中的效果。
3. 模型参数设定：根据有限的已发表研究和行业推荐标准，选择 2-log、4-log 和 6-log CFU 作为污染表面（8.4 cm²）的起始污染负荷，其中 2-log CFU 负荷被认为是最可能的初始污染水平，用于各场景间的主要比较。通过实验生成了沙门氏菌、屎肠球菌、无害李斯特菌和大肠杆菌从接种不锈钢片转移到 10 g 奶粉的转移数据，并使用 “fitdistrplus” 包中的 fitdist 函数将概率分布拟合到转移数据上。转移系数经对数转换后拟合为正态分布，通过 Kolmogorov–Smirnov 检验和 Q-Q 概率图评估拟合优度。同时，模型中还设定了其他参数，如干毛巾擦拭污染表面的微生物减少量（Mr）、污染干毛巾到清洁表面的转移系数（Td）、接触污染表面的奶粉比例（Pmp）等，这些参数均根据相关实验数据或假设设定为特定的概率分布。
4. 敏感性分析：对场景 3（毛巾擦拭）生产运行中，起始污染（C0）、不锈钢表面到奶粉的转移系数（Tc）、干洗过程中的微生物减少量（Mr）和每个单元内接触污染表面的奶粉比例（Pmp）进行全局敏感性分析，以确定它们对受污染奶粉单元流行率和浓度的相对影响。敏感性分析使用部分秩相关系数（PRCC），在 R 的 “epiR” 包 2.0.66 版本中进行。
5. 实验菌株与接种物准备：本研究使用的沙门氏菌菌株为肠炎沙门氏菌（Salmonella Enteritidis）PT30，替代菌株为屎肠球菌 NRRL B - 2354、无害李斯特菌 ATCC 51742 和大肠杆菌 ATCC 25922。按照 Chen 和 Snyder 描述的方法制备接种物，将冷冻菌种接种到脑心浸液（BHI）肉汤中培养，经过多次转接、离心、洗涤后，调整细胞浓度至约 9.0 log CFU/mL，每种细菌进行三个生物学重复。
6. 表面接种与微生物转移实验：微生物从接种不锈钢表面转移到奶粉以及从污染干毛巾转移到不锈钢表面的实验均采用特定方法进行。对于不锈钢表面到奶粉的转移实验，采用点接种法，将接种物滴在不锈钢片上干燥后，与奶粉混合振荡，收集并计数转移前后不同样品中的微生物数量，每种细菌进行五个重复实验。对于干毛巾到不锈钢表面的转移实验，先将玻璃珠接种细菌，再与无菌纸毛巾混合滚动使其接种，对不锈钢片进行预处理后，通过模拟干洗过程进行转移实验，同样收集并计数不同样品中的微生物数量，每种细菌进行五个重复实验。

结果与讨论

1. 影响产品污染结果的关键参数：通过对场景 3 的全局敏感性分析发现，与沙门氏菌污染流行率（受污染单元数量）和浓度（单元内 log CFU/g）相关性最强的参数是起始污染水平（C0）、不锈钢到奶粉的转移系数（Tc）以及每个产品单元中接触污染表面的奶粉比例（Pmp）。转移系数和接触污染的奶粉比例与浓度呈正相关，与流行率呈负相关。转移系数对结果的影响几乎与起始污染量相当，而接触污染表面的奶粉比例和干擦干预对结果的影响相似，但干擦干预呈负相关。转移系数受多种因素影响，如接种方法、接触时间、表面材料和病原体菌株选择等，且初始细菌种群大小也会影响转移系数。在本研究中，由于实验接种物浓度较高，可能导致模型在低水平污染场景下高估转移量。此外，加工线不同部位的剪切应力会影响转移系数，未来研究应关注冲洗材料、物料流速和加工线几何形状对剪切应力及转移系数的影响，以及初始细菌种群大小在低初始污染场景下对转移率的影响。同时，接触污染表面的奶粉比例对模型输出也有重要影响，实际生产中污染可能存在于与奶粉接触程度不同的区域，未来需与行业合作确定食品材料与加工线中特殊区域的相互作用，以生成更准确的模型参数。
2. 污染对奶粉污染单元及浓度的影响：在场景 1 中，2-log CFU 污染突破后，模拟得到的受污染单元数量为 72 [24, 96]，受污染单元内沙门氏菌的平均浓度为?2.33-log CFU/g [-2.46, –1.86]。当起始污染水平增加到 6-log CFU 时，受污染单元数量增加到 688 [95, 4420]，平均浓度增加到 0.689-log CFU/g [?0.122, 1.55]。虽然受污染单元数量和平均浓度均随初始污染水平增加而增加，但浓度增加幅度更大，且模拟生产运行中受污染产品数量和平均浓度的变异性也增大。已发表的召回产品中病原体浓度研究数据与本模型在 2-log CFU 沙门氏菌污染突破后的预测浓度范围相似，但关于受污染单元数量的实验数据较少，需要更多实验验证模型，尤其是在中试或工业规模下使用沙门氏菌干转移替代菌进行研究，但在实际生产环境中引入替代菌存在污染和安全风险。模型预测的受污染奶粉单元流行率和浓度可用于评估食品安全风险，未来需进行定量微生物风险分析（QMRA）来量化受污染产品单元导致疾病和感染的风险。同时，应考虑产品中细菌的异质分布对风险评估的影响，以及模型在根本原因分析中的应用，以了解导致污染的参数和场景。总体而言，大多数污染突破情况下，奶粉中沙门氏菌的平均污染浓度可能较低，若低于检测限或致病水平，污染可能不易被察觉，但高污染水平（如 6-log CFU）的突破虽不太可能发生，但可能导致受污染单元内沙门氏菌浓度显著增加，未来建模应结合 QMRA 研究产品中污染浓度与疾病检测水平的关系。
3. 冲洗对降低污染的效果：在模拟生产中，污染突破后直接生产的奶粉单元中沙门氏菌浓度高于后续生产的单元。为评估冲洗干预的效果，模拟了不同冲洗量（30 kg、150 kg 和 300 kg）的情况。结果表明，增加冲洗物料量可减少受污染的成品数量。不冲洗时，受污染单元中位数为 72 [24, 96]，冲洗 30 kg 后降至 20 [0, 82]，150 kg 后降至 0 [0, 41]，300 kg 后降至 0 [0, 16]。且冲洗 30 kg、150 kg 和 300 kg 时，模拟生产运行中无污染单元的比例分别为 17.4%、63% 和 79.9%。其他研究也证实了冲洗在去除微生物污染物方面的作用，但不同研究中冲洗效果因表面材料、设备特性和处理参数等因素而异，且外推至商业规模操作仍具有挑战性。在评估冲洗干预的风险降低程度时，还需考虑模型输出的变异性，因为转移系数和接触污染表面的奶粉比例会影响冲洗过程中沙门氏菌污染的去除量。目前工业冲洗程序中使用的物料量多基于历史实践，未来需确定明确的冲洗参数，在保证食品安全的同时，平衡经济和可持续性因素。
4. 干毛巾擦拭对降低污染的效果及交叉污染风险：用干毛巾擦拭污染表面（2-log CFU）的模拟干洗（场景 3）使受沙门氏菌污染的奶粉单元数量减少了 64%，从 72 [24, 96] 降至 26 [12, 64]，受污染单元内沙门氏菌的平均浓度略有下降，从?2.33-log CFU/g [-2.46, –1.86] 降至?2.42-log CFU/g [-2.48, –2.08]。在 6-log CFU 污染突破时，干擦干预使受污染单元中位数的减少百分比仅为 11%，但绝对减少数量更多。机械干洗方法如擦拭虽能使表面看起来清洁，但对微生物污染的去除有限。在场景 4 模拟的干毛巾交叉污染实验中，尽管初始表面污染严重（6-log per 8.4 cm²），但大多数（83%）模拟未导致毛巾对加工线的交叉污染，下游奶粉产品的污染也很低。清洁工具虽常被认为是干加工环境中潜在的污染载体，但本研究结果表明，其可能并非交叉污染的主要驱动因素，尤其是在清洁工具使用后丢弃或消毒的情况下。不过，清洁工具仍应作为良好生产规范（GMPs）的一部分进行管理，以确保加工环境的卫生。
5. 不同场景下的沙门氏菌替代菌评估：微生物替代菌常用于评估各种过程控制对食源性病原体的致死率。在干洗场景中，评估替代菌的关键在于其在表面擦拭、刷洗、刮擦或冲洗过程中的转移和去除特性。本研究通过实验生成了三种潜在沙门氏菌替代菌（大肠杆菌、屎肠球菌和无害李斯特菌）的转移数据，并重新运行了场景 1、2 和 5 的模拟。在场景 5 中，模拟重复干擦去除 4-log CFU 表面污染，结果显示，去除所有沙门氏菌所需的干毛巾清洁次数中位数为 9 [5, 35]，与沙门氏菌最相似的替代菌是无害李斯特菌，其清洁次数中位数为 12 [6, 64]，而屎肠球菌清洁次数中位数仅为 4 [3, 9]，可能高估对沙门氏菌的减少效果，大肠杆菌则需要 20 [10, 101] 次清洁，是非常保守的替代菌。在场景 1（无干洗干预）中，屎肠球菌在污染单元数量和平均浓度方面与沙门氏菌最为相似。在场景 2（冲洗干预后生产）中，污染结果在沙门氏菌和屎肠球菌之间也最为相似。在场景 3（干擦干预后生产）中，就受污染单元数量而言，无害李斯特菌与沙门氏菌最相似，就单元内污染浓度而言，无害李斯特菌和屎肠球菌与沙门氏菌相似。由此可见，最能代表沙门氏菌的替代菌取决于所模拟的场景、相关参数和关注的结果。直接比较经验性转移和减少数据往往具有挑战性，而模型输出更易于理解，可作为决策支持工具。在实际应用中，选择合适的替代菌还需考虑其对环境监测计划的影响。

研究结论

本研究通过构建模拟模型，评估了干洗策略对减少奶粉中沙门氏菌污染的效果，并对潜在替代菌进行了比较。结果表明，冲洗和干毛巾擦拭均能降低受污染奶粉单元中沙门氏菌的流行率和浓度。然而，当前模型存在局限性，如仅考虑了光滑平坦表面的污染，未来研究应探索加工线中特殊区域（如 niche 和 dead zone）的交叉污染动态，获取更准确的参数，以更好地理解冲洗和交叉污染过程。此外，未来建模还可考虑间歇性湿卫生过程中微生物减少与生长的权衡，以及不同湿卫生间隔频率下的风险比较。本研究还发现，不存在适用于所有情况的沙门氏菌干转移替代菌，其选择取决于具体的转移场景。未来需通过更多研究，包括使用替代菌进行实验，对模型进行充分验证，以确保其在实际应用中的准确性，为保障食品安全提供更可靠的支持。