研 究 課 題 の 概 要 研 究 課 題 名 予 測 微 生 物 学 的 解 析 手 法 を 用 いた 微 生 物 学 的 リスク 評 価 システムの 開 発 主 任 研 究 者 所 属 機 関 小 関 成 樹 ( 独 ) 農 業 食 品 産 業 技 術 総 合 研 究 機 構 食 品 総 合 研 究 所 研 究 成 果 の 概 要 食 品 における 微 生 物 学 的 リスク 評 価 を 効 率 的 効 果 的 に 行 うための 支 援 システ ムを 開 発 し 論 文 化 の 上 公 開 した 具 体 的 には リスク 評 価 に 必 要 不 可 欠 な 各 種 の 食 中 毒 菌 挙 動 を 効 率 的 かつ 確 実 に 検 索 収 集 可 能 とする 従 来 にない 操 作 性 と 検 索 容 易 性 を 備 えたデータベース(Microbial Responses Viewer, MRV)を 開 発 した また 食 中 毒 菌 を 食 事 とともに 摂 食 した 場 合 の 胃 内 における 食 中 毒 菌 の 死 滅 を 予 測 するシミュレータを 開 発 した さらに 実 際 の 食 品 ( 鶏 挽 肉 とマグロす き 身 )における 食 中 毒 菌 の 種 々の 保 存 温 度 における 詳 細 な 増 殖 挙 動 データを 蓄 積 し それらを 元 にして 数 理 モデルを 構 築 した 開 発 したモデルによって 変 動 温 度 環 境 下 における 食 中 毒 菌 数 および 食 品 常 在 菌 数 の 同 時 予 測 と 予 測 菌 数 の 取 り 得 る 確 率 分 布 の 推 定 を 可 能 とした これらのデータベースと 予 測 モデルとの 連 携 は 効 率 的 かつ 適 切 なリスク 評 価 の 遂 行 に 資 する 評 価 所 見 食 中 毒 のリスク 評 価 を 行 うためのデータベース 並 びにシュミレーションモデルの 開 発 に 成 功 した 胃 内 の 細 菌 の 挙 動 をシュミレートできるモデルは 食 中 毒 の 基 礎 データとして 有 用 である 食 中 毒 菌 の 食 品 中 や 体 内 での 挙 動 の 予 測 に 活 用 で きると 思 われる 評 価 結 果 目 標 を 達 成 した
0705 Microbial Resp onses Viewer, MRV 1
( 1921 ) ( 0705) 1 2 3 3 1 1-1 2
7 6 (a) L. monocytogenes 7 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (h) 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (h) 1-1 L. monocytogenes ( ) Natural flora() ( ) ---- ph 1-2 3
2 ComBase (http://www.combase.cc/) 2008 8 Microbial Responses Viewer (MRV) (http://cbnfri.dc.affrc.go.jp/mrv-j) MRV 1-3 Microbial Responses Viewer (MRV) ComBase ph ph 4
3 Salmonella 1-4, L. monocytogenes 1-5 1-4 ( )( ) A: B: 1-5 L. monocytogenes natural flora 5 : natural flora 10 2 CFU/g L. monocytogenes : natural flora 10 4 CFU/g L. monocytogenes : natural flora 10 6 CFU/g L. monocytogenes : natural flora 10 2 CFU/g : natural flora 10 4 CFU/g : natural flora 10 6 CFU/g 5
ComBase ComBase ComBase 2-1 ph L. monocytogenes 2-1 1 29 2 ph web Combase UK, Food Research Institute, USDA, Eastern Regional Research Center, Australian Food Safety Centre of Excellence ComBase 1 PCR 6
PCR (Fujikawa et al., J. Food Hyg. Japan, 47,151-156,2006) Salmonella Enteritidis Percoll (EEM) inv A PCR Ct Ct EEM Ct 2-2 30 2-2 2 L. monocytogenes L. monocytogenes L. monocytogenes L. monocytogenes 2-3 L. monocytogenes 20 C L. monocytogenes 20-5-1 7
MRV (Microbial Responses Viewer) ComBase ComBase MRV Microbial Responses Viewer, http://cbnfri.dc.affrc.go.jp/ MRV 16 ph, 2-4 MRV MRV 2-4 E. coli O157:H7 <10 2 2-5 2-5 E. coli O157:H7 1 PCR -20 8
30 12 Salmonella Enteritidis 10 3.3 CFU/g 32 28 24 20 16 (2 ) ( ) DHL ( ) DHL PCR O Salmonella 32 2-6 20 C : : : : 2-6 10 6.8 CFU/g 10 4.8 CFU/g 100 2 Listeria monocytogenes L. monocytogenes Natural flora 2ºC 5 ºC 10 ºC 15 ºC 20ºC 25ºC 30 ºC L. monocytogenes 1.5%NaCl TSA L. monocytogenes PALCAM (MERCK) 30 24 L. monocytogenes 48 5 ºC 2-7 natural flora 6 L. monocytogenes 5 log CFU/g 4 6 log cfu/g 2 7log CFU/g 8log CFU/g natural flora L. 2-7 L. monocytogenes natural flora 5 : natural flora 10 2 CFU/g L. monocytogenes : natural flora 10 4 CFU/g L. monocytogenes : natural flora 10 6 CFU/g L. monocytogenes : natural flora 10 2 CFU/g : natural flora 10 4 CFU/g : natural flora 10 6 CFU/g monocytogenes L. monocytogenes 9
5 ºC L. monocytogenes natural flora 20 C natural flora MRV (Microbial Responses Viewer) ComBase (http://www.combase.cc/) 2008 8 Microbial Responses Viewer (MRV) (http://cbnfri.dc.affrc.go.jp/mrv-j) MRV ComBase (ver. 4) 29 3 5 50 C 3 1 1.0 log Ratkowsky MRV (http://cbnfri.dc.affrc.go.jp/mrv-j/) ph ph 2-8 10
2-8 MRV 2-9 29 18 2-9 L. monocytogenes 3 11
H20 L. monocytogenes 2-10 σ 2 τ 2 2-10 2-10 Markov Chain Monte Carlo (MCMC), APC ~ Poisson (mean.apc) APC Natural flora conc.apc ln.apc mean.apc = exp(ln.apc) / conc.apc ln.apc ln.apc ~ N (xa, τ 2 A ) xa Natural flora 12
(ln CFU/g) τ 2 A. L. monocytogenes LM ~ Poisson (mean.lm) mean.lm = exp(ln.lm) / conc.lm ln.lm ~ N (xl, τ 2 L ) ln.lm xl L. monocytogenes (ln CFU/g) L. monocytogenes (ln CFU/g) xa xl mean.xa mean.xl σ 2 A σ 2 L xa ~ N (mean.xa, σ 2 A ) xl ~ N (mean.xl, σ 2 L ) mean.xa mean.xl (1) (2) t, Temp, xa.max, xl.max, and xl.x0 (h), ( C), natural flora (ln CFU/g), L. monocytogenes (ln CFU/g), L. monocytogenes (ln CFU/g) pa[i] pl[i] MCMC Gibbs R2WinBUGS package (Sturtz et al., 2005) WinBUGS 1.4.3 (Lunn et al., 2000) R 2.8.1 (R Development Core Team, 2008) 13
L. monocytogenes Natural flora 28 584 10 (a) L. monocytogenes 10 (b) Natural flora 8 8 10 6 6 4 4 2 2 0 0 2 4 6 8 10 Prediction (log 10 CFU/g) 0 0 2 4 6 8 10 Prediction (log 10 CFU/g) 2-11 (a) L. monocytogenes (b) Natural flora Baranyi-Ratkowsky model 7 (a) Bayesian modeling 20 7 (b) Conventional modeling 20 6 6 5 15 5 15 4 3 10 4 3 10 2 5 2 5 1 1 0 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (h) 0 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (h) 2-12 L. monocytogenes ( ) Natural flora ( ) (a) New Bayesian State Space model, (b) Conventional Baranyi model 14
7 (a) L. monocytogenes 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (h) 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (h) 2-13 L. monocytogenes ( ) Natural flora ( ) ---- 1) 2-14 The Key Events Dose-Response Framework 15
30 ml 37 ph ph 4.5 3.0 4.0 2.5 3.5 2.0 3.0 1.5 2.5 1.0 2.0 0.5 E. coli O157:H7 Salmonella L. monocytogenes ND ND 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Time (h) 1.5 1.0 Time (h) E. coli - ph Lm -ph Sal- ph 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 2-15 ph 10 2 ~10 3 CFU/g 1 ph ph 2.5 ph ph L. monocytogenes E. coli O157:H7 ph 2-3-16 L. monocytogenes E. coli O157:H7 Salmonella ph (~2.5) 0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2-1.4 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 ph LM L. monocytogenes E. O157 coli O157:H7 Salmonella spp. 2-16 ph 16
ph 1 ph ph USFDA http://www.fda.gov/food/foodsafety/foodborneillness/foodborneillnessfoodbornepathogensnaturaltoxi ns/badbugbook/ucm122561.htm http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu3/toushin/05031802/002.htm PDF ph 2 ph ph 1.5, 40 ml ph = - log10 [H+] 3 1 0.1 0.01% 3 ph ph max ph 2 ph min ph 1.5 a -0.01 4 ph ph x[t] <- x[t - 1] + Delta.time[t] * (p[1] * exp(p[2] * ph[t])) t p[1], p[2] MCMC 95 ph 3 ph 17
ph ph a 5 a = 0 a= 1 5 g CFU/g = CFU ph 2-17 27 3 18
Salmonella enterica serovar Enteritidis low-contaminated chicken high-contaminated chicken 30 10 TSB 10 3.5 CFU/g 10g 110ml standard plate counts (SPC) DHL XLD PCR O AM-7002 Fujikawa 2004, 2005 N t k N max N min m n Fujikawa and Kano 2009 k log 1 2-18 19
2-18 24 2 ( 2-19) 2 19 2 20 20
2-20 4 2-21 (A) (B) 2-21 2-22 2-22 21
(log ) 2-1 2-1 (log ) A 0.0303 0.0317 B 0.1560 0.0728 A 0.0626 0.1370 B 0.1650 0.1620 2 22 5 Fujikawa, H., Kai, A., Morozumi S., 2004. A new logistic model for Escherichia coli at constant and dynamic temperatures. Food Microbiol. 21, 501-509. Fujikawa, H., Morozumi, S., 2005. Modeling Surface Growth of Escherichia coli on Agar Plates. Appl. Environ. Microbiol. 71, 7920-7926. Fujikawa, H., Kano, Y., 2009. Development of a program to fit data to a new logistic model for microbial growth. Biocont. Sci. 14, 83-86. 22
in vitro Listeria monocytogenes ph ph 2 23 3 75 g ph L. monocytogenes ( ) Buchanan The Key Events Dose-Response Framework 1) ( ) in vitro L. monocytogenes GAM 0.1%(w/v) 0.4% L. monocytogenes Scott-A CIP 103575 (Lm) (BHI) 30 C, 6-24h 10 9 cfu/ml BHI 100 0.3ml 3ml (n = 3) Lactobacillus acidophilus NBRC 13951 Enterococcus faecalis NBRC 100480 MRS broth 48h OD 660nm 2.0, 10 9 cfu/ml (OD660nm=2) Lm 0.3ml Lm E. faecalis Lb. acidophilus MRS broth Lm 37 C 24h PALCAM Lm 1) Lm 10 6 cfu/ml 37 24h 10 9 cfu/ml 10 4 cfu ( 2-24) Lm 23
2-24. 10 6 cfu/ml 37 24h 2) MRS Lb. acidophilus E. faecalis 10 8 cfu/ml Lm 2-25 Lb. acidophilus Lm Lm E. faecalis Lm Lm ( 6h)( 12h) 2-25 Lactobacillus acidophilus Enterococcus faecalis Cont., ; Cult., ; Sup., ; Cell, 24
Lm Lm Lm Lb. acidophilus Ec. faecalis Lm 1) Buchanan, R.L. et al., 2009. The Key Events Dose-Response Framework: Its Potential for Application to Foodborne Pathogenic Microorganisms',Critical Reviews in Food Science and Nutrition,49:8,718-728. 25
3 1 2 3 26
3 1 2 ComBase (http://www.combase.cc/) 2008 8Microbial Responses Viewer (MRV) (http://cbnfri.dc.affrc.go.jp/mrv-j)mrv 3 Salmonella, L. monocytogenes ComBase ComBase ComBase Combase UK, Food Research Institute, USDA, Eastern Regional Research Center, Australian Food Safety Centre of Excellence 2 26 27
ComBase (ver. 4) 29 3 5 50 C 3 1 1.0 log 2 26 ComBase Ratkowsky MRV (http://cbnfri.dc.affrc.go.jp/mrv-j/) ph ph 2 27 2 27 MRV 28
ComBase ph ph 2 28 2 28 L. monocytogenes 29 18 3 H20 L. monocytogenes 2 29 29
σ 2 τ 2 2 29 2 29 Markov Chain Monte Carlo (MCMC), APC ~ Poisson (mean.apc) APC Natural flora conc.apc ln.apc mean.apc = exp(ln.apc) / conc.apc ln.apc ln.apc ~ N (xa, τ 2 A ) xa Natural flora (ln CFU/g) τ 2 A. L. monocytogenes LM ~ Poisson (mean.lm) mean.lm = exp(ln.lm) / conc.lm ln.lm ~ N (xl, τ 2 L ) ln.lm xl L. monocytogenes (ln CFU/g) L. monocytogenes (ln CFU/g) xa xl mean.xa mean.xl σ 2 A σ 2 L xa ~ N (mean.xa, σ 2 A ) xl ~ N (mean.xl, σ 2 L ) mean.xa mean.xl (1) 30
(2) t, Temp, xa.max, xl.max, and xl.x0 (h), ( C), natural flora (ln CFU/g), L. monocytogenes (ln CFU/g), L. monocytogenes (ln CFU/g) pa[i] pl[i] MCMC Gibbs R2WinBUGS package (Sturtz et al., 2005) WinBUGS 1.4.3 (Lunn et al., 2000) R 2.8.1 (R Development Core Team, 2008) L. monocytogenes Natural flora 28 584 10 (a) L. monocytogenes 10 (b) Natural flora 8 8 10 6 6 4 4 2 2 0 0 2 4 6 8 10 Prediction (log 10 CFU/g) 0 0 2 4 6 8 10 Prediction (log 10 CFU/g) 2 30 (a) L. monocytogenes (b) Natural flora 31
Baranyi-Ratkowsky model 7 (a) Bayesian modeling 20 7 (b) Conventional modeling 20 6 6 5 15 5 15 4 3 10 4 3 10 2 5 2 5 1 1 0 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (h) 0 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (h) 2-31 L. monocytogenes ( ) Natural flora ( ) (a) New Bayesian State Space model, (b) Conventional Baranyi model 7 (a) L. monocytogenes 7 6 5 4 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (h) 6 5 4 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 120 Time (h) 2-32 L. monocytogenes ( ) Natural flora ( ) ---- 32
1) 2-33 The Key Events Dose-Response Framework 30 ml 37 ph ph 4.5 3.0 4.0 2.5 3.5 2.0 3.0 1.5 2.5 1.0 2.0 0.5 E. coli O157:H7 Salmonella L. monocytogenes ND ND 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Time (h) 1.5 1.0 Time (h) E. coli - ph Lm -ph Sal- ph 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 2-34 ph 33
10 2 ~10 3 CFU/g 1 ph ph 2.5 ph ph L. monocytogenes E. coli O157:H7 ph L. monocytogenes E. coli O157:H7 Salmonella ph (~2.5) ph 0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2-1.4 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 ph LM L. monocytogenes E. O157 coli O157:H7 Salmonella spp. 2-35 ph 1 ph ph USFDA http://www.fda.gov/food/foodsafety/foodborneillness/foodborneillnessfoodbornepathogensnaturalt oxins/badbugbook/ucm122561.htm http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu3/toushin/05031802/002.htm PDF ph 2 ph ph 1.5, 40 ml ph = - log10 [H+] 3 1 0.1 0.01% 3 ph 34
ph max ph 2 ph min ph 1.5 a -0.01 4 ph ph x[t] <- x[t - 1] + Delta.time[t] * (p[1] * exp(p[2] * ph[t])) t p[1], p[2] MCMC 95 ph 3 ph ph ph a 5 a = 0 a= 1 5 35
g CFU/g = CFU ph 2-36 27 3 36
4 Salmonella enterica serovar Enteritidis low-contaminated chicken high-contaminated chicken 30 10 TSB 10 3.5 CFU/g 10g 110ml standard plate counts (SPC) DHL XLD PCR O AM-7002 Fujikawa 2004, 2005 N t k N max N min m n Fujikawa and Kano 2009 k log 37
( 10 4.7 CFU/g) 2-38A N max k 8 SPC k N max 2-38B A B 2-38 (A) (B) 2 ( 10 6.8 CFU/g) 2-39A N max k 2-39B k N max A B 2-39 (A) (B) 3 2-40 38
2-40 24 2 ( 2-41) 2-41 2-42 39
2-42 4 2-43 (A) (B) 2-43 2-44 2-44 40
(log ) 2 2 (log ) A 0.0303 0.0317 B 0.1560 0.0728 A 0.0626 0.1370 B 0.1650 0.1620 2 44 5 Fujikawa, H., Kai, A., Morozumi S., 2004. A new logistic model for Escherichia coli at constant and dynamic temperatures. Food Microbiol. 21, 501-509. Fujikawa, H., Morozumi, S., 2005. Modeling Surface Growth of Escherichia coli on Agar Plates. Appl. Environ. Microbiol. 71, 7920-7926. Fujikawa, H., Kano, Y., 2009. Development of a program to fit data to a new logistic model for microbial growth. Biocont. Sci. 14, 83-86. 41
5 L. monocytogenes Natural flora 2ºC 5 ºC 10 ºC 15 ºC 20ºC 25ºC 30 ºC L. monocytogenes 1.5%NaCl TSA L. monocytogenes PALCAM (MERCK) 30 24 L. monocytogenes 48 5 ºC 2-45 natural flora 6 L. monocytogenes 5 log CFU/g 4 6 log cfu/g 2 7log CFU/g 8log CFU/g natural flora L. monocytogenes L. monocytogenes 5 ºC L. monocytogenes natural flora 20 C natural flora 2-45 L. monocytogenes natural flora 5 : natural flora 10 2 CFU/g L. monocytogenes : natural flora 10 4 CFU/g L. monocytogenes : natural flora 10 6 CFU/g L. monocytogenes : natural flora 10 2 CFU/g : natural flora 10 4 CFU/g : natural flora 10 6 CFU/g 6 in vitro Listeria monocytogenes ph ph 2-46 3 75 g ph L. monocytogenes ( ) 42
Buchanan The Key Events Dose-Response Framework 1) ( ) in vitro L. monocytogenes GAM 0.1%(w/v) 0.4% L. monocytogenes Scott-A CIP 103575 (Lm) (BHI) 30 C, 6-24h 10 9 cfu/ml BHI 100 0.3ml 3ml (n = 3) Lactobacillus acidophilus NBRC 13951 Enterococcus faecalis NBRC 100480 MRS broth 48h OD 660nm 2.0, 10 9 cfu/ml (OD660nm=2) Lm 0.3ml Lm E. faecalis Lb. acidophilus MRS broth Lm 37 C 24h PALCAM Lm 1 Lm 10 6 cfu/ml 37 24h 10 9 cfu/ml 10 4 cfu ( 2-47) Lm 2-47. 10 6 cfu/ml 37 24h 43
3 MRS Lb. acidophilus E. faecalis 10 8 cfu/ml Lm 2-48 Lb. acidophilus Lm Lm E. faecalis Lm Lm ( 6h)( 12h) Lm Lm Lm Lb. acidophilus Ec. faecalis Lm 2-48 Lactobacillus acidophilus Enterococcus faecalis Cont., ; Cult., ; Sup., ; Cell, Buchanan, R.L. et al., 2009. The Key Events Dose-Response Framework: Its Potential for Application to Foodborne Pathogenic Microorganisms',Critical Reviews in Food Science and Nutrition,49:8,718-728. 44
1) Koseki, S. 2009. Microbial Responses Viewer (MRV): a new ComBase-derived database of microbial responses to food environments. Int. J. Food Microbiol. 134, 75-82. (IF = 2.753) 2) Shige Koseki 1 *, Yoshiko Takizawa 2, Satoko Miya 2, Hajime Takahashi 2, and Bon Kimura. A Novel Approach to Predicting the Bacterial Growth using Bayesian State Space Model: Quantify both the Bacterial Population and its Probability Distribution. (in submission) 3) Shige Koseki 1 *, Yasuko Mizuno. Pathogen can survive during digesting process: Prediction of pathogen survival in si,ulated gastric fluid with various foods. (in submission) 2009 14 MRV http://dc.cbnfri.affrc.go.jp/mrv-j 45
3 Buchanan 46