微生物揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)及在食品安全監(jiān)測(cè)中的研究進(jìn)展

李若冰

摘要：微生物揮發(fā)性有機(jī)物是一種氣態(tài)性功能化合物，是伴隨細(xì)菌、真菌代謝產(chǎn)物的生長(zhǎng)所形成的，菌株非常多樣化，氣味獨(dú)特，在微生物存在、活動(dòng)檢測(cè)方面發(fā)揮著重要作用。在食品安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，將微生物揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)作為指標(biāo)，分析微生物污染狀況，有助于全面推進(jìn)食品安全工作。文章主要對(duì)微生物揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行了概述，分析了當(dāng)前常見(jiàn)的微生物揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)方法，并總結(jié)了食品安全監(jiān)測(cè)中微生物揮發(fā)性有機(jī)物的研究進(jìn)展，旨在推進(jìn)微生物揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，精準(zhǔn)、快速的檢測(cè)食品是否存在微生物污染問(wèn)題，創(chuàng)新食品安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，保障食品安全。

關(guān)鍵詞：微生物；揮發(fā)性；有機(jī)物檢測(cè)；食品安全

近年來(lái)，食品安全問(wèn)題受到社會(huì)公眾的廣泛關(guān)注，因微生物污染產(chǎn)生的食品腐敗變質(zhì)所導(dǎo)致的食源性疾病頻頻發(fā)生，嚴(yán)重威脅著公眾的身體健康。作為引發(fā)食物感染性疾病的誘因，感染性微生物種類(lèi)豐富、變異率不斷提升，給病原微生物檢測(cè)、鑒定工作提出了更高的要求。傳統(tǒng)食品微生物檢測(cè)技術(shù)存在耗時(shí)長(zhǎng)、精確率不高的弊端，無(wú)法迎合食品安全監(jiān)測(cè)要求，還有待進(jìn)一步創(chuàng)新檢測(cè)技術(shù)。利用微生物揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)技術(shù)來(lái)開(kāi)展食品安全監(jiān)測(cè)工作，能夠在食品包裝、貯藏、品質(zhì)分析等環(huán)節(jié)中，結(jié)合揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)結(jié)果來(lái)分析微生物存在、活動(dòng)情況，判斷食品是否受到微生物污染，彌補(bǔ)傳統(tǒng)食品監(jiān)測(cè)方式的不足，消除食品安全隱患，并為相關(guān)研究提供參考意見(jiàn)。

1 微生物揮發(fā)性有機(jī)物概述

微生物揮發(fā)性有機(jī)物（MVOCs）是微生物作用于基質(zhì)中糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)生成的酮類(lèi)、醇類(lèi)、酸類(lèi)、酯類(lèi)、醛類(lèi)和有機(jī)酸類(lèi)等，含量較低，氣味特殊，但種類(lèi)非常多，影響著發(fā)酵食品的風(fēng)味[1]。其中，在微生物作用下進(jìn)行糖代謝時(shí)，可以使碳源分解并轉(zhuǎn)化為乳酸、丙酮酸等較小的代謝產(chǎn)物，經(jīng)歷脫水、脫羧等相關(guān)代謝反應(yīng)后，能夠形成酸類(lèi)、醇類(lèi)發(fā)揮性有機(jī)物；微生物在分解蛋白質(zhì)的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷一系列的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)成氨基酸進(jìn)行脫羧、脫氨處理，生成發(fā)揮性氨基酸代謝產(chǎn)物，其中就包括醛類(lèi)、酮類(lèi)等揮發(fā)性有機(jī)物；對(duì)于脂肪酸，微生物能夠?qū)⑵浞纸獬深?lèi)似乙酰輔酶 A的代謝產(chǎn)物，進(jìn)行氧化、脫羧反應(yīng)后，可以產(chǎn)生醛類(lèi)、酮類(lèi)微生物及揮發(fā)性有機(jī)物。

揮發(fā)性有機(jī)物的釋放不僅同外部環(huán)境的氧氣濃度、溫度及濕度等條件的影響，還與微生物的存在和活動(dòng)有著直接的關(guān)系。所以可以結(jié)合揮發(fā)性有機(jī)物這一代謝產(chǎn)物來(lái)反映微生物存在、活動(dòng)狀況，為評(píng)估微生物生態(tài)學(xué)行為提供了可靠的依據(jù)。由于微生物種類(lèi)的不同，所產(chǎn)生的發(fā)揮性有機(jī)物在氣味、成分等方面也存在有一定的差異，這就使揮發(fā)性有機(jī)物成為鑒別微生物的重要指標(biāo)。微生物揮發(fā)性有機(jī)物可以準(zhǔn)確反映出食品中微生物的生長(zhǎng)狀況，涵蓋了食品安全指標(biāo)、成熟度以及進(jìn)度等多項(xiàng)信息，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果能夠判斷食品狀態(tài)，判斷食品污染程度，在食品研發(fā)、質(zhì)量管控及安全監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮著重要作用。

2 常見(jiàn)的微生物揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)方法

鑒于微生物揮發(fā)性有機(jī)物在食品加工過(guò)程中始終處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，應(yīng)采用不同的技術(shù)方式進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)微生物揮發(fā)性有機(jī)物開(kāi)展整體性分析，從而直觀化的判斷食物產(chǎn)品的品質(zhì)。目前常用的微生物揮發(fā)性有機(jī)物監(jiān)測(cè)方法主要有光聲光譜法、氣相色譜法、電子鼻法、氣—質(zhì)聯(lián)譜法等，具體原理及應(yīng)用研究進(jìn)展介紹如下：

2.1 光聲光譜法

基于光聲效應(yīng)的光聲光譜法具有較強(qiáng)的靈敏性，做到了持續(xù)采樣，可以結(jié)合光、熱、電和聲的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，利用微音器檢測(cè)入射光、透射光強(qiáng)度差異和弱吸收狀況，體現(xiàn)物質(zhì)和光之間的作用特性，在生物組織微量氣體研究方面有著廣泛的應(yīng)用。借助光聲光譜法對(duì)微生物揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要在光聲池中通過(guò)單色光源，待池中揮發(fā)性有機(jī)物氣體吸收光能量后，形成脈沖壓力波，并應(yīng)用光學(xué)微音器感知聲信號(hào)的變化狀況。聲壓信號(hào)越大，代表微生物揮發(fā)性有機(jī)物濃度越大，二者成正比關(guān)系[2]。大量研究人員將光聲光譜法應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，取得了一定的成果。其中部分學(xué)者利用真空紫外光束這一光源，成功檢測(cè)到溶菌酶、酪氨酸、烯及脫氧核糖核酸等生物分子的真空紫外光聲光譜；一些學(xué)者針對(duì)綠膿桿菌所含的氰化氫開(kāi)展連續(xù)檢測(cè)，掌握不同時(shí)間段氰化氫濃度的變化情況。中國(guó)首次通過(guò)光聲光譜法對(duì)微生物揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證該方式具有較強(qiáng)的可行性，研究發(fā)展空間極為廣闊，臨床應(yīng)用價(jià)值較高。

2.2 氣相色譜法

氣相色譜法是以氣體為流動(dòng)相，在色譜注入口中注入汽化樣品氣流，運(yùn)用沖洗法下的柱色譜分離原理，將樣品各組分進(jìn)行分離，獲取樣品色譜圖的技術(shù)。氣相色譜法適用于熱穩(wěn)定性、低極性的復(fù)雜混合物的檢測(cè)，能夠?qū)?xì)菌培養(yǎng)液進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)不同代謝產(chǎn)物的色譜圖，掌握細(xì)菌屬性、菌種特點(diǎn)。但該技術(shù)也存在一定的弊端，需要提前對(duì)待檢測(cè)物質(zhì)進(jìn)行氣化處理，對(duì)色譜柱進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)操作標(biāo)準(zhǔn)性有著較高的要求，設(shè)施成本投入較大。在氣相色譜技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，逐漸形成了全新的裂解氣相色譜法，優(yōu)化了檢測(cè)流程，進(jìn)一步提升了檢測(cè)靈敏度、選擇性。

2.3 電子鼻法

模擬人類(lèi)嗅覺(jué)傳導(dǎo)系統(tǒng)所研制的電子鼻法本質(zhì)上屬于電子傳感技術(shù)，主要依靠多種具有化學(xué)特性的傳感器陣列對(duì)微生物揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)。該技術(shù)方式的基本原理是，利用不同傳感器對(duì)特定類(lèi)型的微生物揮發(fā)性有機(jī)物的敏感性、選擇習(xí)慣，使傳感器與待檢測(cè)氣體發(fā)生充分的反應(yīng)，形成相應(yīng)的化學(xué)、物理變化，從而獲得同目標(biāo)氣體相關(guān)的電信號(hào)，最后應(yīng)用模式識(shí)別算法處理、分析電信號(hào)，完成快速檢測(cè)、鑒定任務(wù)，掌握微生物揮發(fā)性有機(jī)物的成分、濃度信息。該檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用的模式識(shí)別算法涉及支持向量、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等方式，能夠?qū)㈦娦盘?hào)同預(yù)先構(gòu)建的模型、數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，應(yīng)用不同特征、模式對(duì)微生物揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行識(shí)別，最后輸出鑒別結(jié)果。在微生物揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)方面，電子鼻法呈現(xiàn)出實(shí)時(shí)性、快速響應(yīng)、運(yùn)行成本低和操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，對(duì)前期樣品預(yù)處理要求不高，可以在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)高效完成高通量分析任務(wù)，有效縮短了檢測(cè)時(shí)間。

2.4 氣-質(zhì)聯(lián)譜法

氣—質(zhì)聯(lián)譜法是氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用的簡(jiǎn)稱(chēng)，將氣相色譜法、質(zhì)譜法的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了整合，在醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)、食品科學(xué)等多個(gè)不同領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用。氣—質(zhì)聯(lián)譜法的基本原理為，通過(guò)氣相色譜法對(duì)樣品中的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行分離，并分別引入到質(zhì)譜儀中，開(kāi)展質(zhì)譜分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品揮發(fā)性有機(jī)物的高效分離、鑒定，判定揮發(fā)性有機(jī)物的化學(xué)成分及濃度。對(duì)于完成（頂空）固相微萃取預(yù)處理后的樣品，應(yīng)將其注入并充滿氣相色譜柱，在固定箱內(nèi)完成分離操作[3]。在這個(gè)過(guò)程中，根據(jù)檢測(cè)樣品的親水性、揮發(fā)性，可以在柱中以不同速率下對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行分離，之后使其進(jìn)入到質(zhì)譜儀的離子源，進(jìn)行破碎、電離處理，依據(jù)碎片離子的質(zhì)荷比完成分離、檢測(cè)任務(wù)。參考最終的質(zhì)譜圖，能夠清晰掌握微生物揮發(fā)性有機(jī)物的結(jié)構(gòu)、分子量。氣—質(zhì)聯(lián)譜法在特異性、靈敏性和分辨率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以精確對(duì)微生物揮發(fā)性有機(jī)物的組成進(jìn)行檢測(cè)，并分析酸類(lèi)、酮類(lèi)、醛類(lèi)等揮發(fā)性有機(jī)物，確定不同類(lèi)型的揮發(fā)性有機(jī)物的濃度，從而為判斷微生物的存在、活動(dòng)狀況。

綜上所述，由于微生物揮發(fā)性有機(jī)物種類(lèi)、成分多種多樣，可以應(yīng)用的檢測(cè)分析方式也較多，不同檢測(cè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)有所不同，為了確保檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性，更好的滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求，需要不斷深化研究，持續(xù)創(chuàng)新檢測(cè)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)定性、定量檢測(cè)的有效整合。

3 微生物揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)及在食品安全監(jiān)測(cè)中的研究進(jìn)展

在公眾愈發(fā)重視食品衛(wèi)生的情況下，快速針對(duì)食品開(kāi)展微生物污染檢測(cè)工作顯得尤為必要。食品安全監(jiān)測(cè)涉及到生產(chǎn)、貯藏、運(yùn)輸、銷(xiāo)售等多個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)嚴(yán)格預(yù)防、控制微生物對(duì)食品的污染、腐敗，為了清晰了解食品中微生物存在和活動(dòng)狀況，要利用好微生物揮發(fā)性有機(jī)物的價(jià)值。

3.1 食品包裝中的應(yīng)用

在食品安全監(jiān)測(cè)工作中，食品包裝安全性直接關(guān)系著其在流通過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)物理或化學(xué)方面的損害，影響著微生物的存在和生長(zhǎng)，決定了揮發(fā)性有機(jī)物的生成狀況。一些研究學(xué)者在4℃的情況下，對(duì)肉類(lèi)食品在空氣、真空包裝下的微生物污染腐敗狀況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)兩種包裝方式均會(huì)產(chǎn)生大量微生物揮發(fā)性有機(jī)物，且濃度不斷增加，其中空氣包裝中的濃度比真空包裝明顯要大[4]。對(duì)于空氣包裝的豬肉食品，微生物揮發(fā)性有機(jī)物濃度同其受腸桿菌污染程度呈正相關(guān)的關(guān)系；而對(duì)于空氣包裝的牛肉食品，在微生物作用下產(chǎn)生的假單胞菌揮發(fā)性有機(jī)物濃度越大，表示假單胞菌數(shù)量越多。

借助對(duì)各類(lèi)包裝方式下食品腐敗菌所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物成分、濃度，可以監(jiān)測(cè)食品受微生物污染的程度，查看食品變質(zhì)與否，以便對(duì)食品生產(chǎn)、管理工藝進(jìn)行調(diào)整，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，有效減少食品出現(xiàn)微生物污染的問(wèn)題。

3.2 食品品質(zhì)風(fēng)味評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

在食品腐敗或變質(zhì)的情況下，微生物會(huì)產(chǎn)生不同濃度、類(lèi)型的揮發(fā)性有機(jī)物，針對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物的釋放量，開(kāi)展定量、定向檢測(cè)分析，可以評(píng)價(jià)食品品質(zhì)，判斷食品是否新鮮。對(duì)于香腸這一肉制品而言，鑒于生產(chǎn)、貯藏流程不夠完善，很容易出現(xiàn)食品腐敗變質(zhì)的問(wèn)題，影響了公眾的健康，對(duì)此可以對(duì)樣品中微生物揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)香腸在青霉、總狀毛霉的感染下，會(huì)產(chǎn)生50多種揮發(fā)性有機(jī)物，其中，3—甲基丁烷、2—甲基丙醛、2—甲基丁烷類(lèi)的支鏈醛濃度較大，且醇類(lèi)物質(zhì)也如此；對(duì)于醬類(lèi)食品而言，其在存儲(chǔ)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)脂肪氧化反應(yīng)，影響食品風(fēng)味，尤其是在開(kāi)封之后極易出現(xiàn)微生物污染的問(wèn)題。相關(guān)研究顯示，蠶豆醬在微生物的作用下，會(huì)產(chǎn)生地衣芽孢桿菌，進(jìn)而生成揮發(fā)性有機(jī)物，可以通過(guò)氣—質(zhì)聯(lián)譜法檢測(cè)出來(lái)，使商品風(fēng)味變差，據(jù)此可以制定有效的措施來(lái)抑制微生物的生長(zhǎng)；此外，在乳制品、飲料產(chǎn)品的風(fēng)味檢測(cè)方面，可以結(jié)合微生物污染狀況，根據(jù)產(chǎn)品中生物標(biāo)記物識(shí)別揮發(fā)性有機(jī)物的類(lèi)型，快速找到影響食品風(fēng)味的重要揮發(fā)性成分，明確食品致病菌，了解牛奶和飲料酸敗、腐敗變質(zhì)的緣由，科學(xué)評(píng)價(jià)食品的風(fēng)味特點(diǎn)和口感，以便更好的開(kāi)展視頻品質(zhì)監(jiān)測(cè)工作。

3.3 食品腐敗菌監(jiān)測(cè)和鑒定中的應(yīng)用

影響食品質(zhì)量和安全的關(guān)鍵因素就是腐敗變質(zhì)，通過(guò)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)，可以對(duì)不同微生物的氣味指紋特征圖譜庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建，據(jù)此判定食品衛(wèi)生及質(zhì)量狀況。在食品腐敗變質(zhì)的過(guò)程中，受微生物代謝的影響，會(huì)產(chǎn)生大量揮發(fā)性有機(jī)物，并釋放到環(huán)境中，因此可以將揮發(fā)性有機(jī)物作為腐敗指標(biāo)，為食品腐敗監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。在鑒定果蔬腐敗菌時(shí)，由于產(chǎn)品含水量較大，對(duì)微生物、酶的生存和活動(dòng)極為有利，大大縮短了保質(zhì)期，增大了腐敗風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，可以將固相微萃取法和氣—質(zhì)聯(lián)譜法聯(lián)合起來(lái)，對(duì)腐敗病原體所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合病原體類(lèi)型、腐爛指數(shù)，明確檸檬烯、苯甲醛、苯乙烯以及部分乙酯等是腐敗變質(zhì)所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物，檢驗(yàn)果蔬的新鮮程度[5]；對(duì)于水產(chǎn)品腐敗問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品中微生物的化學(xué)氧化、自溶等引發(fā)腐敗的緣由，借助不同的技術(shù)檢測(cè)腐敗菌產(chǎn)生的揮發(fā)性代謝產(chǎn)物，鑒定出多種揮發(fā)性有機(jī)物，將其作為評(píng)價(jià)水產(chǎn)品新鮮度的指標(biāo)。結(jié)合檢測(cè)出的微生物揮發(fā)性有機(jī)物，可以快速判斷食物是否出現(xiàn)腐敗狀況，并快速采取處理工作，將變質(zhì)產(chǎn)品淘汰，確保食品質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

作為發(fā)應(yīng)微生物生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，揮發(fā)性有機(jī)物可以為食品安全監(jiān)測(cè)提供可靠的依據(jù)，在保障食品質(zhì)量、確定食品貨架期方面具有積極作用。將微生物揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)技術(shù)在食品包裝、食品質(zhì)量評(píng)估、食品腐敗菌監(jiān)測(cè)和鑒定等領(lǐng)域中，有助于分析和鑒別食品中微生物揮發(fā)性有機(jī)物的成分、濃度，推動(dòng)了食品安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和革新。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，還需要加大對(duì)微生物揮發(fā)性有機(jī)物檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)力度，揭示微生物種類(lèi)與揮發(fā)性有機(jī)物間的新標(biāo)記物和方法，運(yùn)用更加先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)方式來(lái)保障食品安全。

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