《International Journal of Food Microbiology》：Heat, dry, survive: Up-stream parameters and matrix effects driving
Salmonella enterica and
Cronobacter sakazakii survival in whole milk and powdered infant formula during spray-drying
编辑推荐：
为应对乳粉及婴儿配方奶粉（PIF）因喷雾干燥过程中病原菌残留引发的安全挑战，研究人员系统探究了上游参数（亚应激、初始干物质浓度）及不同食品基质对肠炎沙门氏菌（Salmonella enterica）和阪崎克罗诺杆菌（Cronobacter sakazakii）存活的影响。研究结果表明，PIF提供更强的保护性环境，而干燥亚应激显著提升了细菌存活率，为优化生产工艺以提升粉状乳制品微生物安全提供了关键见解。
引言：脆弱的营养，隐藏的威胁
在全世界的厨房和婴幼儿食品柜里，乳粉和婴儿配方奶粉（Powdered Infant Formula, PIF）是常见的常备品。它们凭借超长的保质期和便捷的冲调方式，成为全球食品供应链中的重要一环。然而，在这些看似安全、营养的粉末背后，却潜藏着令人担忧的微生物安全风险。对于免疫系统尚未发育完全、尤其依赖配方奶粉喂养的婴儿群体而言，这种风险显得尤为严峻。近年来，由肠炎沙门氏菌（Salmonella enterica）和阪崎克罗诺杆菌（Cronobacter sakazakii）等病原体引发的奶粉污染事件时有发生，这些事件轻则导致肠胃不适，重则引发致命的脑膜炎或坏死性小肠结肠炎，敲响了行业安全警钟。
将这些液态“牛奶”变成可以长期储存的“粉末”的关键技术，是一种叫做喷雾干燥的工业过程。简单来说，就是将液态奶通过雾化器喷成极细小的液滴，并暴露在高温气流中，使水分瞬间蒸发，留下干燥的粉末颗粒。虽然这个过程能有效延长产品货架期，但其本身并非一个专门为杀菌设计的步骤。过去的研究已经指出，细菌能否在喷雾干燥的“高温、脱水”双重打击下存活下来，受到多种复杂因素的共同影响。例如，奶粉的组成（是全脂奶还是成分更复杂的婴儿配方奶粉）、液态奶在进入喷雾干燥塔前的初始干物质浓度（%DM），甚至细菌在遭遇“致命”干燥前是否经历过一些温和的“热身”压力（即亚应激，如轻微的加热或脱水），都可能成为决定其生死的“关键先生”。
目前，工业界对于如何精确调控这些上游参数来最大化降低病原菌存活率，仍缺乏系统性的理解。更令人担忧的是，细菌在面临亚致死水平的压力时，会启动一系列复杂的应激反应，比如上调外排泵、改变细胞膜通透性或激活应激反应通路，从而获得更强的生存能力，甚至产生对多种压力的交叉抗性。这意味着，生产流程中不经意的温和处理，反而可能“锻炼”了细菌，让它们更能抵抗后续严酷的喷雾干燥过程。因此，系统地探究这些上游参数如何影响主要食源性病原菌在喷雾干燥过程中的生存动态，对于保障婴幼儿这一脆弱人群的健康、提升整个乳制品行业的微生物安全水平，具有迫切的现实意义和科学价值。这项题为“Heat, dry, survive: Up-stream parameters and matrix effects driving Salmonella enterica and Cronobacter sakazakii survival in whole milk and powdered infant formula during spray-drying”的研究，正是为了回应这一挑战而展开，并发表在食品微生物学领域的权威期刊《International Journal of Food Microbiology》上。
关键技术方法概述
本研究采用了Taguchi实验设计法，这是一种基于正交阵列的高效实验方法，能够用最少的实验次数系统评估多个因素（本研究中为四个因素，各三个水平）对目标（细菌灭活）的影响。研究团队选取了四种上游参数作为考察因素：A. 菌株（对每种细菌测试三个不同菌株）、B. 食品基质（全脂奶、大豆基婴儿配方奶粉(S-PIF)、牛奶基婴儿配方奶粉(PIF)）、C. 初始干物质浓度（30%， 40%， 50% DM）和D. 亚应激条件（无应激(NA)、热应激(HS， 62°C 4分钟)、干燥应激(DS， 22°C， 40%相对湿度暴露16小时)）。所有喷雾干燥实验均在一台MSD 10型并流式喷雾干燥机上进行，模拟工业条件（入口温度约170°C）。细菌存活率通过平板计数法在选择性培养基上测定，并统一换算为每克干物质中的菌落形成单位(CFU/gDM)，通过计算十进制减少值（γ = log(N/N0)）来量化灭活效果。数据分析则运用信噪比(S/N Ratio)分析和方差分析(ANOVA)来确定各因素的显著性影响。
研究结果详析
3.1. 菌株的影响
无论是肠炎沙门氏菌还是阪崎克罗诺杆菌，不同菌株之间的存活率在本次实验设置下未表现出统计学上的显著性差异。尽管此前有研究指出不同菌株在耐受性上可能存在差异，但在喷雾干燥这种结合了高速动力学、加热和基质性质变化的复杂综合压力下，菌株间的细微差别被掩盖了。一个值得注意的现象是，对于阪崎克罗诺杆菌，从奶粉环境中分离出的P4501菌株表现出相对较高的耐受性，提示其可能对奶制品加工环境具有适应性。
3.2. 食品基质的影响
食品基质的类型对两种细菌的存活都具有极其显著的影响。对于两种病原菌而言，牛奶基婴儿配方奶粉(PIF)都是保护性最强的基质，其次是大豆基婴儿配方奶粉(S-PIF)，而全脂奶的保护性最弱。这揭示了PIF复杂的营养成分（如丰富的维生素、蛋白质、乳糖和钙离子）可能在干燥过程中通过抗氧化、稳定细胞膜和关键蛋白质等方式，为细菌提供了“防护罩”。
3.3. 初始干物质浓度的影响
初始干物质浓度是影响细菌存活的另一个显著因素。有趣的是，对于两种细菌，30% DM的初始浓度比50% DM更有利于细菌存活。这可能是因为30% DM条件下，较高的水分含量在干燥初期提供了更有效的蒸发冷却效应，减轻了细菌遭受的热应激，同时也为细菌启动适应性代谢途径提供了必要的水分环境。而50% DM的高浓度则导致严重的渗透压休克，加之热保护效率降低，从而造成更显著的灭活。
3.4. 亚应激暴露的影响
亚应激暴露的影响在两种细菌间表现出不同的模式。对于肠炎沙门氏菌，亚应激类型具有极显著的影响：干燥亚应激(DS)最能增强其存活率，其次是热亚应激(HS)，无亚应激条件对细菌的杀伤力最强。对于阪崎克罗诺杆菌，尽管方差分析未显示亚应激因素的总体显著性，但从趋势上看，干燥亚应激(DS)同样是增强其存活的最强驱动因素。这揭示了交叉保护现象的存在：预先暴露于温和的干燥或热应激，能够激活细菌的应激反应系统（如积累相容性溶质、上调热休克蛋白基因等），从而使其对后续喷雾干燥过程中的极端脱水和热应力产生更强的抵抗力。未经历亚应激“预适应”的细菌，则直接暴露在严酷条件下，更易被杀死。
结论与重要意义
本研究通过严谨的Taguchi设计，清晰地揭示了影响肠炎沙门氏菌和阪崎克罗诺杆菌在喷雾干燥过程中存活的关键上游参数。主要结论可归纳为以下几点：
- 1.
食品基质是决定性因素：婴儿配方奶粉（PIF），尤其是牛奶基PIF，因其复杂的营养成分，为病原菌提供了最强的保护，是风险控制的重中之重。
- 2.
“温和”压力可能适得其反：生产前处理中不经意的、非致命的干燥或热暴露（亚应激），特别是干燥亚应激(DS)，会显著增强病原菌对后续喷雾干燥的抵抗力。这表明，旨在浓缩或预热的温和工艺环节，如果不加以控制，可能无意中“培训”了细菌，增加了最终产品的安全风险。
- 3.
初始浓度存在“保护窗”：并非初始干物质浓度越高，杀菌效果越好。中等偏低浓度（如30% DM）由于提供了蒸发冷却和代谢适应的机会，反而可能比高浓度（50% DM）更利于细菌短期存活。这提示生产工艺优化需精细考虑浓度窗口。
- 4.
病原菌间的耐受性差异：在本研究条件下，阪崎克罗诺杆菌(C. sakazakii)整体上比肠炎沙门氏菌(S. enterica)表现出更高的固有耐受性，这与其已知的干燥环境适应能力相符，也凸显了针对不同病原菌需采取差异化控制策略的必要性。
- 5.
菌株特异性影响有限：在本研究的工业模拟条件下，不同菌株间的存活差异不显著，表明基于关键参数（基质、亚应激、浓度）的通用性控制策略具有可行性。
这项研究的意义深远。首先，它首次将Taguchi实验设计系统应用于评估上游工艺参数对喷雾干燥过程中病原菌存活的影响，为食品加工业提供了一种高效、可靠的参数优化工具。其次，研究结果直接桥接了基础实验室观察与工业过程参数优化，为乳粉和婴儿配方奶粉生产企业识别关键控制点、优化预处理和干燥工艺参数提供了直接的科学依据。例如，应严格控制原料和半成品在进入喷雾干燥塔前暴露于低湿度环境的可能性，并重新评估预热处理步骤的强度。最后，通过深入揭示基质保护效应和亚应激诱导的交叉保护机制，本研究为推动开发更精准的微生物风险评估模型和干预策略（如调整配方成分或引入针对性杀菌步骤）奠定了坚实基础，最终目标是切实保障婴幼儿等脆弱消费群体的健康，提升全球粉状乳制品的微生物安全水平。
