Using FTIR to Detect Microbial Contamination during the Production of Microbial Products

Význam tématu

Rychlé a spolehlivé odhalení mikrobiální kontaminace během výroby bioproduktů je klíčové pro zajištění kvality a bezpečnosti finálního produktu. Tradiční mikrobiologické metody mohou být časově náročné a nákladné, proto se FTIR spektroskopie jeví jako efektivní alternativní technika pro kontinuální monitoring výrobního procesu.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem předložené studie bylo demonstrovat využití Fourierovy transformace infračervené spektroskopie (FTIR) kombinované s difuzní reflektancí (DRS) k rychlé detekci a kvantifikaci kontaminace kultivací bakterie Staphylococcus cohnii pomocí Escherichia coli. Studie zahrnuje optimalizaci přípravy vzorků, nastavení analytických podmínek a vyhodnocení spektrálních dat pomocí multivariačních metod.

Použitá metodika

Příprava vzorků probíhala centri fugací, následným promýváním fyziologickým roztokem a ultrapure vodou, homogenizací s ethanolovým roztokem (70 %) a zirconovými kuličkami. Kultivace bakterií byla prováděna při 37 °C po dobu 24 hodin s poměrným mícháním S. cohnii a E. coli od 1 % do 1·10⁻⁶ %. Spektrální data byla získávána v rozsahu 1300 až 800 cm⁻¹ s rozlišením 4 cm⁻¹ a 20 průměry skenů. Spektra procházela druhou derivací (Savitzky-Golay filtr), výběrem vlnového rozsahu a normalizací vektorovou metodou. Pro rozlišení vzorků byla použita hlavní komponentová analýza (PCA) a hierarchická shluková analýza (metoda průměrů, Eukleidovská vzdálenost).

Použitá instrumentace

• FTIR spektrometr IRXross
• Difuzní reflektance DRS-8000 (vlastní typ)
• Detektor DLATGS
• Dusíkové proplachování optiky
• Software pro automatizovaná měření DRS

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza druhé derivace spekter odhalila rozdíly nevypozorovatelné v původních spektrálních profilech. Shluková analýza vytvořila pět skupin podle počáteční koncentrace E. coli: samostatná kultivace, poměry od 1 do 10⁻¹ %, 10⁻² %, 10⁻³ až 10⁻⁴ % a 10⁻⁵ až 10⁻⁶ %. PCA potvrdila podobné rozdělení. Metoda spolehlivě detekovala kontaminaci při počátečních koncentracích od 10⁻⁴ % výše. Kvantifikace poměru obou bakterií pomocí real-time PCR ukázala ve finálních kulturách podíly E. coli až 94 % při vyšších počátečních koncentracích.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá detekce kontaminace za necelých 30 vteřin na vzorek
• Možnost souběžného měření více vzorků díky difuzní reflektanci a mikrodefokusační destičce
• Minimální manipulace se vzorkem a snadná údržba měřicí optiky
• Včasná identifikace odchylek ve výrobním procesu bioproduktů

Budoucí trendy a možnosti využití

Integrace FTIR-DRS analýzy do on-line monitoringu výrobních fermentorů, rozšíření datové základny spekter pro různé mikroorganismy a zavádění pokročilých multivariačních algoritmů pro automatizovanou interpretaci spektrálních dat. Kombinace s umělou inteligencí a strojovým učením může dále zvýšit citlivost a selektivitu detekce kontaminant.

Závěr

FTIR spektroskopie s difuzní reflektancí představuje rychlou a robustní metodu pro včasnou detekci mikrobiální kontaminace ve výrobě. Při vhodné přípravě vzorků a zpracování dat lze spolehlivě identifikovat nežádoucí bakterie již od 10⁻⁴ % počáteční koncentrace.

Reference

• Lasch P, Naumann D. Infrared Spectroscopy in Microbiology. Encyclopedia of Analytical Chemistry, 3: 1–32, Mar. 2015.