紫外线 C 辐射下乳制品噬菌体的失活动力学建模研究

研究背景

乳制品噬菌体的危害：乳酸菌是乳制品发酵的关键微生物，而噬菌体感染可导致乳酸菌裂解，影响发酵过程，造成严重的经济损失。

现有防控手段的不足：尽管已有一些噬菌体灭活策略，但噬菌体在工业环境中的广泛存在仍对乳制品生产构成威胁，亟需高效、经济的灭活方法。

UV-C 辐射的潜力：UV-C 辐射（λ=254 nm）作为一种成熟的杀菌技术，在水处理和空气净化等领域有广泛应用，但其在乳制品噬菌体灭活中的应用研究较少，尤其是在干燥表面的灭活效果尚未明确。

研究方法

噬菌体与宿主菌株：选用 16 种从阿根廷乳制品工业环境中分离的噬菌体，宿主包括乳球菌、乳杆菌等乳酸菌。

实验装置：实验室规模的反应器，采用 OSRAM Puritec Germicidal Lamp HNS G5 8W 紫外灯（λ=200-280 nm），通过 K₂SO₄饱和溶液维持相对湿度 90%。

灭活实验：将噬菌体悬液（10⁶-10⁷ PFU/mL）滴加在硼硅酸盐玻璃板上干燥后，暴露于 UV-C 辐射下，定期取样并采用双层琼脂平板法测定噬菌体滴度。

动力学模型拟合：应用 8 种动力学模型（Weibull、Weibull-tail、Log-logistic 等）对实验数据进行拟合，通过均方根误差（RMSE）评估模型拟合优度。

研究结果

UV-C 辐射对噬菌体的灭活效果

高效灭活剂量：0.13 J/cm² 的 UV-C 剂量可使 6 种噬菌体（832-B1、892-LB、009-ML 等）完全失活（滴度 < 50 PFU/mL），其余 10 种噬菌体的滴度降低 3.16-4.45 log。

灭活曲线特征：10 种未完全失活的噬菌体在高剂量下呈现明显的拖尾效应，即灭活速率随时间延长逐渐减缓，可能与噬菌体聚集、光屏蔽效应或抗性亚群存在有关。

二次处理实验：对 MLC-A 和 LDG 噬菌体进行二次 UV-C 处理，发现其灭活曲线与首次处理相似，未观察到抗性增强，表明 UV-C 辐射不易诱导噬菌体产生抗性。

动力学模型拟合结果

最佳拟合模型：Geeraerd 模型和 Baranyi & Roberts 模型对实验数据的拟合效果最佳，RMSE 范围为 6.86×10⁻⁶-3.54%，能准确描述灭活过程中的肩期和拖尾效应。

模型参数分析：Geeraerd 模型中的最大灭活速率常数（k_max）与噬菌体对 UV-C 的敏感性呈正相关，CHD 噬菌体的 k_max 最大（9.0×10⁻² s⁻¹），LDG 噬菌体的 k_max 最小（4.6×10⁻² s⁻¹）。

影响因素分析

初始滴度的影响：降低初始噬菌体浓度（如从 10⁷ PFU/mL 降至 10⁶ PFU/mL），拖尾效应仍然存在，表明拖尾效应并非由表面噬菌体堆积导致的光屏蔽引起。

与其他研究的对比：与液体环境中噬菌体灭活相比，本研究中 UV-C 在干燥表面的灭活效率更高，可能与干燥状态下噬菌体对 UV-C 的敏感性增加有关。

讨论与结论

工业应用潜力：0.13-0.32 J/cm² 的 UV-C 剂量在短时间内（2-5 分钟）即可实现高效噬菌体灭活，所需设备简单、能耗低，适合乳制品工业中的表面消毒。

拖尾效应的机制：可能由噬菌体聚集、抗性亚群或 DNA 修复机制引起，需进一步研究其分子机制以优化灭活策略。

模型的实际应用：Geeraerd 和 Baranyi & Roberts 模型可辅助追踪工业环境中噬菌体的传播路径。例如，通过灭活效率差异判断不同来源噬菌体的抗性特征，为针对性防控提供依据

参考文献：

Jacob MF, Quiberoni ADL, Ballari MLM, Briggiler Marcó M. Kinetic modeling of dairy phages inactivation under UV-C irradiation. Sci Total Environ. 2025 May 20;983:179664. doi: 10.1016/j.scitotenv.2025.179664. Epub ahead of print. PMID: 40398171.