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

Význam tématu

V produkci mikrobiálních produktů může nekontrolovaná kontaminace jinými mikroorganismy vést ke ztrátě kvality, snížení výtěžnosti a riziku pro spotřebitele. Rychlá a spolehlivá metoda sledování kontaminace v jednotlivých fázích výroby je proto zásadní pro průmyslovou praxi i pro zajištění bezpečnosti finálního výrobku.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo ověřit možnosti použití Fourierovy transformace infračervené spektroskopie s difuzní reflexí (FTIR-DRS) pro detekci kontaminace kultur Staphylococcus cohnii bakteriemi Escherichia coli v různých poměrech. Studie zahrnovala přípravu vzorků s postupně klesajícími podíly E. coli, měření infračervených spekter a následnou multivariační analýzu k rozlišení jednotlivých úrovní kontaminace.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky byly připraveny centrifugací, promytím fyziologickým roztokem a vodou, přidáním ethanolu pro dezinfekci a homogenizací s kuličkami ze zirkonia. Následně bylo do mikropatin (64 jamková destička) naneseno 5 μl suspenze a sušeno.

Pro měření byla použita aparatura IRXross FTIR v kombinaci s difuzním reflektančním příslušenstvím DRS-8000. Měření probíhalo při rozlišení 4 cm⁻¹, se 20 průměrovanými skeny, apodizační funkcí SqrTriangle a detektorem DLATGS. Systém byl purgován dusíkem, aby se minimalizoval vliv vodní páry a CO₂.

Před analýzou byla spektra zpracována druhou derivací pomocí Savitzky-Golayova filtru, oříznuta v oblasti 1300–800 cm⁻¹ a normalizována vektorovou jednotkou. Pro vyhodnocení kontaminace byly použity hlavní komponenty (PCA) a shluková analýza.

Hlavní výsledky a diskuse

Druhá derivace spekter zdůraznila rozdíly mezi vzorky s různým podílem E. coli, jež byly v surových spektrálních datech málo patrné. Shluková analýza i PCA rozlišily pět skupin odpovídajících počátečním koncentracím E. coli od 0 % až po monoculturu. Metoda detekovala kontaminaci již při výchozí koncentraci 10⁻4 % a vyšší, nižší poměry (10⁻5–10⁻6 %) se jevily méně spolehlivě.

Kompoziční analýza reálného poměru bakterií po 24hodinové kultivaci provedená real-time PCR potvrdila, že při počátku od 10⁻2 % E. coli převyšuje pomaleji rostoucí S. cohnii. Korelace výsledků FTIR a PCR ukázala, že technika dokáže detekovat kontaminaci v rozmezí 15–27 % finálního složení.

Přínosy a praktické využití metody

FTIR-DRS nabízí rychlou analýzu (~30 s na vzorek), možnost měření více vzorků najednou, snadné čištění příslušenství i minimální přípravu. Díky kombinaci se statistickými metodami lze spolehlivě sledovat mikrobiální kontaminaci v průběhu výroby biotechnologických produktů jako součást QA/QC procesů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další vývoj by mohl zahrnovat rozšíření databází spekter pro širší škálu mikroorganismů, integraci inline senzorů pro nepřetržité monitorování, pokročilou chemometrii a umělou inteligenci pro automatickou detekci a kvantifikaci kontaminace. V kombinaci s robotizací laboratoří se otevírá prostor pro plně automatizované výrobní linky s online kontrolou kvality.

Závěr

Studie prokázala, že FTIR s difuzní reflexí v kombinaci s multivariační analýzou je účinným nástrojem pro rychlou detekci mikrobiální kontaminace v produkci mikrobiálních produktů. Metoda je vhodná pro průmyslové nasazení v kontrolních laboratořích i research & development.

Reference

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