近紅外光譜分析技術在乳源致病菌快速檢測中的應用研究

邢 敏，史恩聰，俞雅萍，昂 媛，劉俊江，劉學偉，康懷彬，費 鵬

（1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南科技大學河南省食品綠色加工與質量安全控制國際聯合實驗室，河南 洛陽 471023；3.東北農業大學食品學院乳品科學教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030）

近年來，乳制品的安全問題深受全社會廣泛關注，其中食源性致病菌污染被認為是威脅乳制品安全的主要問題之一。乳制品中常見的致病菌主要有大腸桿菌（Escherichia coli）、沙門氏菌（Samonella）、蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）及克羅諾桿菌（Cronobacter）等，不僅會造成乳制品營養價值和風味的降低，同時也對消費者的健康造成了嚴重的危害[1-2]。目前，乳品工業中對致病菌的檢測普遍遵循的是國家標準提供的傳統生理生化檢測方法，費時費力、準確性低，無法及時得到檢測結果，不能起到快速檢測的作用[3]。常規的理化檢測方法容易出現假陽性，而且檢測限高不適用于乳及乳制品安全快速檢測的需要[4]。因此，現代乳品工業迫切需求能夠快速、準確、客觀地檢測食源性致病菌的方法，從而確保乳制品的質量安全。

近紅外光譜（Near Infrared spectroscopy，NIR）分析技術是一種新型的、具有較強實用性的現代分析技術，具有檢測效率高、無污染、不破壞樣品、檢測成本低等優點，在食品的成分分析、摻假識別及致病菌檢測等方面得到了廣泛應用[5-7]。綜述近紅外光譜技術在乳源致病菌中快速檢測中的應用，以期為乳制品安全檢測技術的研究提供理論依據。

1 近紅外光譜分析技術的原理及特點

近紅外光譜實際上屬于電磁波的一種，其主要是指波長為780～2 526 nm，波數為12 820～3 959 cm-1的光譜區[8]。近紅外的吸收光譜是在分子振動的非諧振性的作用下，分子振動從基態向高能級躍遷的過程中所產生[9]。近紅外光譜分析方法利用有機物分子中含氫基團（-OH，-CH，-SH，-NH）的伸縮振動倍頻和組合頻，對樣品在近紅外區的吸收光譜進行識別分析，然后結合化學計量學技術，構建樣品特征光譜與樣品待測成分之間的校正模型，從而實現對樣品組分的快速定性或定量檢測[10]。

近紅外光譜分析技術作為當今應用較為廣泛的一種檢測技術，主要具有以下特點：①步驟簡單、操作方便。近紅外光譜分析技術僅需對樣品進行掃描就可得到目標物質的光譜數據，一般不會對樣品進行預處理，能夠實現對樣品的無損檢測，操作較為簡便[11]。②檢測時間短，效率高[12]?？稍趲追昼娚踔翈酌雰韧瓿蓪悠范喾N組分的定性或定量檢測。③分析成本低、無污染。該技術在檢測過程中無需使用化學試劑，可以避免化學試劑對檢測結果的影響，同時防止對環境的污染[13]。

2 乳制品中常見的食源性致病菌

2.1 大腸桿菌

大腸桿菌又稱大腸埃希氏菌，為周身鞭毛、無芽孢、短桿狀的革蘭氏陰性菌，是乳制品中常見的食源性致病菌之一。大腸桿菌屬于條件性致病菌，通常情況下不致病，但是某些致病性大腸桿菌可以引起人體腹瀉、腸炎、敗血癥等，嚴重時甚至死亡[14-15]。盡管國家標準規定大腸桿菌在乳制品中不得檢出，但其仍然可通過空氣、水、加工環境等污染乳制品[16]。

2.2 沙門氏菌

沙門氏菌是污染乳及乳制品另一種常見的致病菌，同時也是全球范圍內誘發細菌性食源性疾病的主要原因之一。沙門氏菌可產生腸毒素，引起腸熱、膿毒癥和胃腸道疾病，人體一旦食用了被沙門氏菌感染的乳或乳制品，會不同程度地出現高燒、嘔吐、腹瀉等癥狀[17]。據報道，2000年在廣東省出現了一起因食用沙門氏菌污染的乳制品而引起的食物中毒案例，導致40人住院[18]。而在美國，每年約有130萬人受到沙門氏菌感染，并造成500人死亡[19]。

2.3 蠟樣芽孢桿菌

蠟樣芽胞桿菌是一種革蘭氏陽性菌，該菌可引起幼兒和成人，尤其是低免疫力人群的急性腹瀉及胃腸道疾病等。芽孢是該菌繁殖的主要方式，其對高溫、低水分等外界因素具有較強的抵抗性[20]。目前，仍有大量研究報道顯示，蠟樣芽胞桿菌在原料乳、巴氏殺菌奶、干酪、乳粉等多種乳制品中被檢出。Zhang Y等人[21]在2013—2015年采集65個品牌共401份嬰幼兒配方乳粉，蠟樣芽孢的檢出率為8.2%。Gao T等人[22]對中國市售的巴氏殺菌乳中蠟樣芽孢桿菌的污染進行了調查，發現致病菌的污染率高達27%。因此，有必要建立對乳及乳制品中蠟樣芽胞桿菌的快速檢測方法。

2.4 克羅諾桿菌

克羅諾桿菌是嬰兒配方乳粉中的A類致病菌，可導致嬰兒和成人免疫缺陷病毒感染、腦膜炎和壞死性小腸結腸炎，死亡率可達40%～80%[23]。克羅諾桿菌在自然界中廣泛存在，其中嬰幼兒配方奶粉被認為是其主要的污染源[24]?？肆_諾桿菌還具有高效的生物膜形成能力，可使其在乳制品包裝材料表面形成生物膜，提高了對生產環境的耐受性，從而增加致病風險[25]。因此，開展對乳及乳制品中克羅諾桿菌的檢驗也極為重要。

3 近紅外光譜分析技術在乳源致病菌檢測中的應用

乳制品具有較高的營養價值，適當食用可以補充人體所必需的一些蛋白質、維生素等，但其在加工及貯藏等過程中極易受到致病微生物侵染，從而增加人體感染食源性疾病的風險。目前，近紅外光譜技術已被證實其能夠有效地辨別乳制品中的致病菌，并且準確率較高[11]。王建明等人[26]探究了傅里葉變換近紅外光譜技術（Fourier transform near infrared spe-ctroscopy，FT-NIR）對阪崎腸桿菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌判別的可行性，通過采集被上述3種致病菌污染的牛奶的近紅外透射光譜，經不同的預處理后結合偏最小二乘法進行判別分析。研究表明，利用多元散射校正對光譜進行預處理得到的模型的判別結果的準確率可達100%，明顯優于一階求導和標準正態變量變換2種預處理方法下的判別結果，預測性能更理想。Pereira J M等人[27]使用近紅外光譜結合偏最小二乘法構建定標模型，以鑒別被沙門氏菌不同程度污染的牛奶，模型預測表明，脫脂乳和全脂乳的校準的均方根誤差分別為0.163 9，0.135 1，預測均方根誤差分別為0.097 1，0.092 8。結果表明，該方法可用于鑒別牛奶樣品中沙門氏菌的存在與否。Cámara-Aartos F等人[28]采用近紅外光譜分析法在4 000～10 000 cm-1的掃描范圍內對全脂牛奶中的大腸桿菌和銅綠假單胞菌進行了檢測和定量分析，結果發現在經過24 h培養后的牛奶樣品，其定量模型效果更好。李守軍[29]建立了快速檢測乳中致病菌的近紅外光譜分析法，該方法可在50 min內完成對原料乳中大腸桿菌的檢測，遠遠快于傳統的生化檢測方法。

4 結語

近紅外光譜技術作為一種新型的分析技術，在乳制品致病菌的快速檢測方面取得了很好的進展，應用前景較為廣闊，但仍存在以下問題：①近紅外光譜分析技術分析成本低，然而儀器較為昂貴，應用前期投入大，限制了其適用范圍；②近紅外光譜定量分析檢測模型的建立需要大量的具有代表性的樣品，但多數研究中采集的樣品數量較少，而且理想樣品很難獲得，缺乏一定的代表性；③乳制品成分較為復雜，致病菌的紅外光譜信息在采集過程中容易受到樣品狀態、儀器干擾，影響檢測結果的準確率，因此檢測模型的準確度和穩定性有待進一步提高；④目前，對于乳制品致病菌的近紅外快速檢測研究大多處于初步探索階段，因此如何將其應用于乳品工業生產體系的質量安全控制，還需要進行深入探究。