Tự động hóa phòng thử nghiệm vi sinh thực phẩm

26/12/2015

Điểm chính: Tự động hóa có thể tiết kiệm thời gian và chi phí đáng kể, đặc biệt là với các phòng thử nghiệm (PTN) lớn. Nhân viên có tay nghề cao được giải phóng khỏi các công việc lặp lại hàng ngày như làm rõ kết quả, dịch vụ khách hàng và hoạt động quản lý. Tự động hóa giảm thiểu khả năng lỗi do con người và có thể cung cấp một cách nhất quán các kết quả chính xác và đáng tin cậy.

Làm tất cả mọi thứ thủ công không phải là phương pháp thích hợp để đạt được hiệu quả tối đa trong bất kỳ ngành nào tại thế kỉ 21. Tuy nhiên, phân tích vi sinh dựa trên các phương pháp nuôi cấy truyền thống là một hoạt động cần nhiều lao động liên quan đến một loạt các bước xử lý bằng tay phức tạp và yêu cầu mức độ cao về đào tạo đối với kỹ thuật viên. Một hoạt động như vậy có thể được yêu cầu tự động hóa.

Tự động hóa phòng thử nghiệm vi sinh thực phẩm

Các PTN hóa công nghiệp và lâm sàng đã được tự động hóa rộng rãi trong nhiều năm. Gần đây, các PTN vi sinh học lâm sàng đã chứng kiến các cấp độ gia tăng của tự động hóa do khối lượng công việc của họ gia tăng và yêu cầu đặt ra cho họ để tạo ra các kết quả nhanh chóng và tin cậy đã trở nên cấp bách hơn. PTN lâm sàng hoàn toàn tự động hiện nay là một thực tế. Vì nhiều lý do, các PTN vi sinh thực phẩm đã tụt lại phía sau lĩnh vực lâm sàng trong việc tiếp thu các hệ thống và thiết bị tự động. Tuy nhiên tình trạng này đã thay đổi do áp lực thương mại và việc áp dụng các phương pháp thử nghiệm mới phù hợp hơn với tự động hóa so với các quy trình truyền thống.

Các lợi ích tiềm năng của tự động hóa PTN là rõ ràng. Thuê một số lượng lớn nhân viên được đào tạo chuyên sâu là tốn kém và có được những nhân viên như vậy trở nên khó khăn hơn bao giờ hết. Sử dụng nhân viên chất lượng cao để thực hiện các hoạt động lặp đi lặp lại bằng tay trong thử nghiệm vi sinh truyền thống là lãng phí. Tự động hóa có thể loại bỏ gánh nặng đó cho nhân viên và cho phép họ tập trung vào quản lý việc xử lý, giải thích và báo cáo kết quả. Hơn nữa, các thử nghiệm với hàng loạt bước xử lý bằng tay rất dễ bị lỗi do con người. Tự động hóa có thể loại bỏ khả năng lỗi và đưa ra kết quả đáng tin cậy hơn.

Các lợi thế có thể thấy rõ ràng nhưng điều này không có nghĩa là tất cả các PTN vi sinh thực phẩm sẽ được lợi như nhau từ việc áp dụng hệ thống tự động. Ví dụ, các PTN nhỏ với khối lượng công việc ít và khó lường, yêu cầu một mức độ linh hoạt trong hoạt động không phù hợp với tự động hóa. Nhìn chung, các PTN lớn hơn với lượng mẫu lớn và danh sách hạn chế các phương pháp thử tiêu chuẩn có nhiều khả năng được hưởng lợi hơn. Các PTN vi sinh thực phẩm đang xem xét áp dụng công nghệ này, đầu tiên cần xác định cơ hội cho tự động hóa trong hoạt động của họ và sau đó phân tích lợi ích và hạn chế tiềm ẩn một cách kỹ càng trước khi đánh giá thiết bị để tận dụng hết lợi thế của cơ hội. Tự động hóa yêu cầu đầu tư lớn và lợi ích phải thấy được để biện minh cho các chi phí ban đầu.

Các PTN nên làm theo quy trình hướng dẫn như sau để xác định cơ hội tự động hóa

1. Tiến hành phân tích kỹ lưỡng luồng công việc trong phòng thí nghiệm với sự trợ giúp của các sơ đồ chi tiết để xác định được các bước hạn chế trong quá trình. Áp dụng công nghệ tự động tại những điểm có khả năng cung cấp lợi ích lớn nhất. Phân tích nên xem xét đầy đủ các thử nghiệm được thực hiện cũng như độ thay đổi trong khối lượng công việc PTN.

2. Xem xét thiết bị trên thị trường có sẵn để xác định xem liệu có giải pháp công nghệ nào cho các bước hạn chế đã xác định. Câu hỏi được đặt ra là liệu giải pháp tự động hóa có tạo một tác động có ích trên hiệu quả tổng thể của PTN.

3. Tiến hành một phân tích chi phí – lợi ích chi tiết của mỗi giải pháp tiềm năng. Xem xét nguồn vốn và chi phí vận hành, lợi ích năng suất định lượng, cải tiến chất lượng tiềm năng, hoàn vốn và bất kỳ các vấn đề công nhận và xác định giá trị nào khác.

4. Lập một danh sách rút gọn các giải pháp sẽ cung cấp những lợi ích thực tế và đánh giá từng giải pháp chi tiết hơn để xác định liệu chúng có thể dễ dàng đồng hóa vào họat động hiện tại và hoạt động dự kiến của PTN.

Công nghệ

Hiện có một số hệ thống tự động và bán tự động được thiết kế để sử dụng trong PTN vi sinh thực phẩm. Đa số là nhằm mục đích cung cấp hiệu quả đạt được tại một trong số các phần quan trọng trong toàn bộ quá trình của PTN truyền thống: chuẩn bị mẫu, chuẩn bị và định lượng môi trường, cấy dung dịch pha loãng mẫu, đọc đĩa và đếm khuẩn lạc. Bốn bước này chiếm hầu hết tổng thời gian làm việc yêu cầu cho thực hiện phân tích vi sinh bằng phương pháp truyền thống và vì thế đưa ra khả năng tiết kiệm lớn nhất nếu được tự động. Ngoài ra, các thiết bị bán tự động và tự động có sẵn cho việc phát hiện và xác định mầm bệnh và các vi sinh vật khác bằng các kỹ thuật không qua nuôi cấy, ví dụ như PCR.

Phương pháp nuôi cấy truyền thống

1. Chuẩn bị mẫu

Bước tốn thời gian nhất trong chuẩn bị mẫu thực phẩm rắn và bán rắn là chuẩn bị pha loãng dung dịch ban đầu và pha loãng tuần tự. Pha loãng dung dịch ban đầu thường có trọng lượng mẫu nhất định và thêm vào một lượng chuẩn chất pha loãng vô trùng được chuẩn bị sẵn. Tự động hóa bằng hình thức pha loãng trọng lực (gravimetric diluters) có thể làm cho quá trình này năng suất hơn nhiều.

Với hình thức đơn giản nhất, pha loãng trọng lực bao gồm một sự cân bằng liên kết đến một bơm phân phối chất pha loãng. Bộ vận hành có thể chuyển một lượng chất tới túi vô trùng. Bộ xử lý bên trong sau đó tính toán khối lượng chất pha loãng cần thiết cho hệ thống pha loãng trước khi thiết lập và máy bơm phân phối lượng chất pha loãng thích hợp. Thiết bị tương đối đơn giản này cho phép tiết kiệm thời gian đáng kể và cũng có thể cải thiện độ chính xác pha loãng. Hệ thống phức tạp hơn có thể phân phối 1 vài chất pha loãng khác nhau theo yêu cầu, vì thế mẫu có thể được chuẩn bị nhiều số đếm đĩa chuẩn (standard plate counts) và môi trường nuôi cấy tiền tăng sinh (pre-enrichment cultures) cùng lúc. Một số thiết bị cũng có thể được sử dụng bên trong tủ cấy bao gồm máy in nhãn và mã vạch để hỗ trợ trong việc xác định và truy xuất nguồn gốc mẫu.

Pha loãng tuần tự được tạo ra bởi phương pháp tiêu chuẩn sử dụng các ống nghiệm cần nhiều nhân công và việc xử lý lặp đi lặp lại lâu dài của nắp và ống nghiệm cũng như trộn bằng tay các mẫu có thể gây đau bắp và gân. Các triệu chứng này được gọi là Hội chứng tổn thương lặp đi lặp lại (Repetitive strain injury - RSI). Ngoài ra hầu hết các PTN tự chuẩn bị ống pha loãng bằng cách rửa đi rửa lại và đổ đầy các ống nghiệm với 9ml dung dịch pha loãng được đóng nắp và khử trùng sau mỗi lần sử dụng.

Một phương pháp tiếp cận mới đối với sự pha loãng tuần tự cung cấp Inlabtec Serial Diluter. Hệ thống sử dụng túi vô trùng dùng một lần hoàn toàn loại bỏ sự chuẩn bị nhân công và tài nguyên của các ống pha loãng. Do sự pha loãng tự động, an toàn và quá trình pha trộn, hệ thống này không xảy ra lỗi do con người, tối thiểu rủi ro về RSI, cung cấp pha loãng tuần tự đáng tin cậy và chính xác cho đếm đĩa mục tiêu.

2. Chuẩn bị và phân phối môi trường

Chuẩn bị và phân phối môi trường nuôi cấy là một hoạt động tốn thời gian khác trong PTN vi sinh truyền thống. Nhiều PTN lớn hơn sử dụng các kỹ thuật viên có nhiệm vụ duy nhất là chuẩn bị môi trường nuôi cấy. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa tại giai đoạn này vì thế có tiềm năng lớn để tiết kiệm hiệu quả và hiện nay một loạt thiết bị đã có sẵn.

Bộ vi xử lý điều khiển “Máy chuẩn bị môi trường” có thể được lập trình để chuẩn bị và khử trùng khối lượng lớn môi trường thạch và chất lỏng sẵn sàng cho việc phân phối. Một số thiết bị có hệ thống điều khiển tinh vi có thể áp dụng các chu kỳ nhiệt độ đa giai đoạn để môi trường phức tạp với các thành phần nhạy cảm với nhiệt độ có thể được chuẩn bị trong một quá trình duy nhất mà không cần sự tham gia của người điều hành. Máy chuẩn bị môi trường có kích thước khác nhau và thường đa chức năng với các tùy chọn để sử dụng như nồi hấp hay bể ổn nhiệt. Ngoài việc tiết kiệm đáng kể về thời gian kĩ thuật, các thiết bị này cũng giảm thiểu khả năng lỗi và biến đổi trong việc chuẩn bị môi trường.

Thiết bị chuẩn bị môi trường nuôi cấy cũng có thể kết nối với các máy rót đĩa tự động (automated plate pourers) để cung cấp thêm hiệu năng thu được. Các thiết bị này cũng có bộ vi xử lý được điều khiển và có thể được lập trình để cung cấp một khối lượng môi trường thạch được thiết lập sẵn ở nhiệt độ tối ưu cho đĩa Petri vô trùng một cách chính xác hơn nhiều so với cách thủ công. Máy rót đĩa khác nhau về công suất từ những máy benchtop nhỏ cho 20 lô đĩa, tới các hệ thống tự động hoàn toàn được thiết kế để làm đầy liên tục hàng trăm đĩa hàng giờ. Một số hệ thống dùng để khử trùng bằng tia UV tại điểm làm đầy và cũng có thể cộng dồn, ghi nhãn các đĩa được đổ. Kết hợp máy chuẩn bị mẫu với máy rót đĩa tự động có thể tạo ra một hệ thống có thể đưa ra một nguồn cung cấp nhất quán các đĩa đã dán nhãn cho PTN mà gần như không cần sự can thiệp của nhân viên.

3. Chia đĩa mẫu

Chia đĩa pha loãng mẫu tuần tự và nuôi cấy tăng sinh trong môi trường thạch có thể là hoạt động mà tự động hóa ít tác động nhất đến PTN vi sinh thực phẩm. Tuy nhiên, vẫn có các thiết bị có sẵn trên thị trường có khả năng tiết kiệm hiệu năng tại giai đoạn này.

Máy đổ đĩa xoắn ốc (spiral plater) đã được sử dụng nhiều năm nhưng gần đây các thiết bị mới đã loại bỏ được nhiều vấn đề từng ảnh hưởng đến các thiết bị trước đây. Máy đổ đĩa xoắn ốc hoạt động bằng cách cung cấp một lượng giảm theo cấp số của độ pha loãng mẫu ban đầu từ trung tâm của đĩa trong mô hình xoắn ốc trên bề mặt thạch. Điều này cho phép một tập hợp các độ pha loãng tuần tự được cấy vào một đĩa đơn hiệu quả. Sau khi ủ, khuẩn lạc được đếm trong các phần riêng biệt của đĩa tương ứng với số lượng mẫu được biết đến để tính toán kết quả. Các thiết bị hiện đại có thể vận hành ở chế độ tự động hoàn toàn với các bước tự làm sạch và tự khử trùng giữa mỗi mẫu và có thể được lập trình để cung cấp mẫu trong một số công thức khác nhau.

Một sự đổi mới gần đây nhất là hệ thống “chỉ thị chất lượng tự đông” TEMPO® của bioMérieux. Hệ thống này sử dụng kỹ thuật đếm số có xác suất lớn nhất (MPN - most probable number) được thu nhỏ trong một ‘tấm’ multi-well để liệt kê số lượng vi khuẩn đếm được trong mẫu thực phẩm. Môi trường sử dụng trong hệ thống bao gồm một dụng cụ chỉ thị huỳnh quang để tấm multi-well có thể được quét bởi máy đọc, sau đó sẽ tự động hiển thị kết quả như CFU/g của mẫu.

4. Đọc đĩa và đếm khuẩn lạc

Bất kỳ phân tích nào về quy trình làm việc trong PTN vi sinh thực phẩm đều cho thấy đọc và đếm đĩa sau khi ủ chiếm một phần lớn thời gian hàng ngày của nhân viên. Nó cũng đòi hỏi nhân viên có kinh nghiệm để có được kết quả đáng tin cậy.

Máy đếm khuẩn lạc tự động đã có nhiều năm nay nhưng các thiết bị hiện đại đã được hưởng lợi từ việc cải tiến công nghệ hình ảnh và phần mềm tinh vi, vì thế chúng trở nên chính xác, nhanh chóng và đáng tin cậy hơn nhiều. Máy đếm khuẩn lạc hiện đại thường sử dụng máy ảnh kỹ thuật số độ phân giải cao để tạo ra hình ảnh màu chi tiết, phần mềm phân tích ảnh với khả năng được cải tiến để phân biệt các khuẩn lạc vi sinh với các hạt thức ăn và các mảnh vụn khác. Kết quả sẽ có ngay sau vài giây. Máy đếm khuẩn lạc có thể được lập trình để đếm đĩa rót, đĩa trải, đĩa xoắn và thường kết nối với một máy tính để ghi số lượng, giúp thiết lập nhận dạng mẫu và truy xuất nguồn gốc. Nhiều thiết bị bao gồm một vài nguồn ánh sáng khác nhau nên khuẩn lạc có màu và phát huỳnh quang có thể được đếm.

Phương pháp phát hiện và đếm không dựa trên nuôi cấy

Việc chấp nhận rộng rãi gần đây và sự tiếp nhận phương pháp phát hiện mầm bệnh mà không dựa trên kỹ thuật nuôi cấy thông thường đã dẫn đến việc sáng tạo ra một số các thiết bị có sẵn, nhiều trong số đó là bán tự động hoặc tự động hoàn toàn. Phần lớn các thiết bị này dựa trên công nghệ miễn dịch hoặc sinh học phân tử.

Thiết bị dựa trên miễn dịch

Việc sử dụng kỹ thuật xét nghiệm miễn dịch enzyme (EIA) và xét nghiệm miễn dịch liên kết enzyme (ELISA) trong vi sinh thực phẩm hiện nay là phổ biến để phát hiện mầm bệnh thường gặp như Salmonella enteriaca và Listeria monocytogense. Trong khi một số các xét nghiệm này đã được phát triển thành các que thử nhanh (lateral flow tests) đơn giản để sử dụng, các xét nghiệm khác đã được tự động hóa hoàn toàn và có sẵn như là hệ thống phát hiện mầm bệnh hoàn chỉnh. Hai ví dụ của hệ thống này là hệ sản phẩm VIDAS® được phát triển bởi bioMérieux và công cụ Tecra™ Unique Plus từ 3M. Các bộ dụng cụ phát hiện mầm bệnh dựa trên tiêu chuẩn ELISA khác cũng có thể là bán tự động bằng cách sử dụng buồng ủ/máy đọc đĩa vi sinh thích hợp và các phụ kiện khác, như máy rửa đĩa.

Công cụ dựa trên PCR

Phát hiện mầm bệnh sử dụng Kỹ thuật phản ứng chuỗi trùng hợp (PCR) đã trở nên phổ biến trong 10 năm qua và một số sản phẩm thương mại được thiết kế cho ngành thực phẩm đang có sẵn trên thị trường. Tự động hóa cần thiết dưới một số góc độ, đặc biệt là trong các bước khuếch đại và phát hiện. Một trong những ví dụ đầu tiên là hệ thống phát hiện BAX® từ DuPont Qualicon. Các hệ thống khác có sẵn hiện nay bao gồm bộ công cụ phát hiện mầm bệnh TaqMan® từ Applied Biosystems và bộ công cụ PCR Real-Time iQ-Check™ của Bio-Rad. Gần đây, một liên kết giữa Biotecon Diagnostics và Xiril, robot chuyên xử lý chất lỏng Thụy Sĩ, đã phát triển foodproof® RoboPrep+ Series của sáu thiết bị khác nhau được thiết kế để tự động hóa kỹ thuật chiết xuất và tinh chế DNA hạt từ tính của Biotecon đối với việc phát hiện mầm bệnh thực phẩm dựa trên PCR. Điều này có ý nghĩa rằng bây giờ có thể thiết lập một hệ thống phát hiện mầm bệnh PCR hoàn toàn tự động được thiết kế đặc biệt cho PTN vi sinh thực phẩm.

Các công nghệ khác

Ngoài ra còn có các công cụ phát hiện vi khuẩn bán tự động và tự động dựa trên các công nghệ khác ngoài miễn dịch hay PCR nhưng có thể ứng dụng trong một số PTN.

Một ví dụ tốt nhất là phân tích tế bào theo dòng chảy (flow cytometry). Phân tích tế bào theo dòng chảy sử dụng kỹ thuật tính toán và phát hiện vi khuẩn trực tiếp có thể áp dụng cho thực phẩm dạng lỏng không thể lọc như nước giải khát và các sản phẩm từ sữa. Các thiết bị thương mại có sẵn cho ngành thực phẩm, ví dụ, công cụ BactiFlow ALS® từ AES Chemunex.

Phát triển trong tương lai

Trong khi đã có tiềm năng đáng kể cho tự động hóa trong các PTN vi sinh thực phẩm, có thể các kỹ thuật đang có và đang phát triển sẽ sớm tìm được các ứng dụng trong ngành thực phẩm. Tự động hóa PTN Kiestra (Kiestra Lab Automation) chuẩn Hà Lan đã mở ra các PTN vi khuẩn y tế tự động hoàn toàn và có thể không bao lâu nữa trước khi xu hướng hướng tới các PTN thực phẩm tập trung lớn hơn làm cho sự phát triển như vậy có giá trị kinh tế trong lĩnh vực thực phẩm. Sự tinh vi ngày càng tăng của công nghệ robot công nghiệp cũng có thể cho phép một số hoạt động trong PTN vẫn cần sự can thiệp bằng tay được tự động hóa. Ví dụ, các công ty như Thermo Scientific đã cung cấp một loạt cánh tay robot khớp nối được thiết kế đặc biệt cho PTN.

Theo www.rapidmicrobiology.com

Tin bài khác