微生物揮發性有機物檢測及在食品安全監測中的研究進展

李若冰

摘要：微生物揮發性有機物是一種氣態性功能化合物，是伴隨細菌、真菌代謝產物的生長所形成的，菌株非常多樣化，氣味獨特，在微生物存在、活動檢測方面發揮著重要作用。在食品安全監測領域中，將微生物揮發性有機物的檢測作為指標，分析微生物污染狀況，有助于全面推進食品安全工作。文章主要對微生物揮發性有機物進行了概述，分析了當前常見的微生物揮發性有機物檢測方法，并總結了食品安全監測中微生物揮發性有機物的研究進展，旨在推進微生物揮發性有機物檢測的進一步發展和應用，精準、快速的檢測食品是否存在微生物污染問題，創新食品安全監測技術，保障食品安全。

關鍵詞：微生物；揮發性；有機物檢測；食品安全

近年來，食品安全問題受到社會公眾的廣泛關注，因微生物污染產生的食品腐敗變質所導致的食源性疾病頻頻發生，嚴重威脅著公眾的身體健康。作為引發食物感染性疾病的誘因，感染性微生物種類豐富、變異率不斷提升，給病原微生物檢測、鑒定工作提出了更高的要求。傳統食品微生物檢測技術存在耗時長、精確率不高的弊端，無法迎合食品安全監測要求，還有待進一步創新檢測技術。利用微生物揮發性有機物檢測技術來開展食品安全監測工作，能夠在食品包裝、貯藏、品質分析等環節中，結合揮發性有機物檢測結果來分析微生物存在、活動情況，判斷食品是否受到微生物污染，彌補傳統食品監測方式的不足，消除食品安全隱患，并為相關研究提供參考意見。

1 微生物揮發性有機物概述

微生物揮發性有機物（MVOCs）是微生物作用于基質中糖類、蛋白質、脂肪等物質生成的酮類、醇類、酸類、酯類、醛類和有機酸類等，含量較低，氣味特殊，但種類非常多，影響著發酵食品的風味[1]。其中，在微生物作用下進行糖代謝時，可以使碳源分解并轉化為乳酸、丙酮酸等較小的代謝產物，經歷脫水、脫羧等相關代謝反應后，能夠形成酸類、醇類發揮性有機物；微生物在分解蛋白質的過程中，會經歷一系列的化學反應，對成氨基酸進行脫羧、脫氨處理，生成發揮性氨基酸代謝產物，其中就包括醛類、酮類等揮發性有機物；對于脂肪酸，微生物能夠將其分解成類似乙酰輔酶 A的代謝產物，進行氧化、脫羧反應后，可以產生醛類、酮類微生物及揮發性有機物。

揮發性有機物的釋放不僅同外部環境的氧氣濃度、溫度及濕度等條件的影響，還與微生物的存在和活動有著直接的關系。所以可以結合揮發性有機物這一代謝產物來反映微生物存在、活動狀況，為評估微生物生態學行為提供了可靠的依據。由于微生物種類的不同，所產生的發揮性有機物在氣味、成分等方面也存在有一定的差異，這就使揮發性有機物成為鑒別微生物的重要指標。微生物揮發性有機物可以準確反映出食品中微生物的生長狀況，涵蓋了食品安全指標、成熟度以及進度等多項信息，根據檢測結果能夠判斷食品狀態，判斷食品污染程度，在食品研發、質量管控及安全監測等方面發揮著重要作用。

2 常見的微生物揮發性有機物檢測方法

鑒于微生物揮發性有機物在食品加工過程中始終處于動態變化的狀態，應采用不同的技術方式進行檢測，對微生物揮發性有機物開展整體性分析，從而直觀化的判斷食物產品的品質。目前常用的微生物揮發性有機物監測方法主要有光聲光譜法、氣相色譜法、電子鼻法、氣—質聯譜法等，具體原理及應用研究進展介紹如下：

2.1 光聲光譜法

基于光聲效應的光聲光譜法具有較強的靈敏性，做到了持續采樣，可以結合光、熱、電和聲的能量轉移過程，利用微音器檢測入射光、透射光強度差異和弱吸收狀況，體現物質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用。借助光聲光譜法對微生物揮發性有機物進行檢測時，需要在光聲池中通過單色光源，待池中揮發性有機物氣體吸收光能量后，形成脈沖壓力波，并應用光學微音器感知聲信號的變化狀況。聲壓信號越大，代表微生物揮發性有機物濃度越大，二者成正比關系[2]。大量研究人員將光聲光譜法應用到生物醫學領域中，取得了一定的成果。其中部分學者利用真空紫外光束這一光源，成功檢測到溶菌酶、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；一些學者針對綠膿桿菌所含的氰化氫開展連續檢測，掌握不同時間段氰化氫濃度的變化情況。中國首次通過光聲光譜法對微生物揮發性有機物進行檢測，驗證該方式具有較強的可行性，研究發展空間極為廣闊，臨床應用價值較高。

2.2 氣相色譜法

氣相色譜法是以氣體為流動相，在色譜注入口中注入汽化樣品氣流，運用沖洗法下的柱色譜分離原理，將樣品各組分進行分離，獲取樣品色譜圖的技術。氣相色譜法適用于熱穩定性、低極性的復雜混合物的檢測，能夠對細菌培養液進行檢測，并根據不同代謝產物的色譜圖，掌握細菌屬性、菌種特點。但該技術也存在一定的弊端，需要提前對待檢測物質進行氣化處理，對色譜柱進行標定，對操作標準性有著較高的要求，設施成本投入較大。在氣相色譜技術不斷發展的過程中，逐漸形成了全新的裂解氣相色譜法，優化了檢測流程，進一步提升了檢測靈敏度、選擇性。

2.3 電子鼻法

模擬人類嗅覺傳導系統所研制的電子鼻法本質上屬于電子傳感技術，主要依靠多種具有化學特性的傳感器陣列對微生物揮發性有機物進行檢測。該技術方式的基本原理是，利用不同傳感器對特定類型的微生物揮發性有機物的敏感性、選擇習慣，使傳感器與待檢測氣體發生充分的反應，形成相應的化學、物理變化，從而獲得同目標氣體相關的電信號，最后應用模式識別算法處理、分析電信號，完成快速檢測、鑒定任務，掌握微生物揮發性有機物的成分、濃度信息。該檢測技術中應用的模式識別算法涉及支持向量、人工神經網絡、統計學等方式，能夠將電信號同預先構建的模型、數據庫進行匹配，應用不同特征、模式對微生物揮發性有機物進行識別，最后輸出鑒別結果。在微生物揮發性有機物檢測方面，電子鼻法呈現出實時性、快速響應、運行成本低和操作簡便的優勢，對前期樣品預處理要求不高，可以在實驗室或現場高效完成高通量分析任務，有效縮短了檢測時間。

2.4 氣-質聯譜法

氣—質聯譜法是氣相色譜—質譜聯用的簡稱，將氣相色譜法、質譜法的優勢進行了整合，在醫學、微生物學、食品科學等多個不同領域均發揮著重要作用。氣—質聯譜法的基本原理為，通過氣相色譜法對樣品中的揮發性有機物進行分離，并分別引入到質譜儀中，開展質譜分析，從而實現對樣品揮發性有機物的高效分離、鑒定，判定揮發性有機物的化學成分及濃度。對于完成（頂空）固相微萃取預處理后的樣品，應將其注入并充滿氣相色譜柱，在固定箱內完成分離操作[3]。在這個過程中，根據檢測樣品的親水性、揮發性，可以在柱中以不同速率下對揮發性有機物進行分離，之后使其進入到質譜儀的離子源，進行破碎、電離處理，依據碎片離子的質荷比完成分離、檢測任務。參考最終的質譜圖，能夠清晰掌握微生物揮發性有機物的結構、分子量。氣—質聯譜法在特異性、靈敏性和分辨率方面具有明顯的優勢，可以精確對微生物揮發性有機物的組成進行檢測，并分析酸類、酮類、醛類等揮發性有機物，確定不同類型的揮發性有機物的濃度，從而為判斷微生物的存在、活動狀況。

綜上所述，由于微生物揮發性有機物種類、成分多種多樣，可以應用的檢測分析方式也較多，不同檢測方式的優缺點有所不同，為了確保檢測結果的精準性，更好的滿足現實應用需求，需要不斷深化研究，持續創新檢測分析技術，實現定性、定量檢測的有效整合。

3 微生物揮發性有機物檢測及在食品安全監測中的研究進展

在公眾愈發重視食品衛生的情況下，快速針對食品開展微生物污染檢測工作顯得尤為必要。食品安全監測涉及到生產、貯藏、運輸、銷售等多個環節，應嚴格預防、控制微生物對食品的污染、腐敗，為了清晰了解食品中微生物存在和活動狀況，要利用好微生物揮發性有機物的價值。

3.1 食品包裝中的應用

在食品安全監測工作中，食品包裝安全性直接關系著其在流通過程中是否會出現物理或化學方面的損害，影響著微生物的存在和生長，決定了揮發性有機物的生成狀況。一些研究學者在4℃的情況下，對肉類食品在空氣、真空包裝下的微生物污染腐敗狀況進行了研究，發現兩種包裝方式均會產生大量微生物揮發性有機物，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]。對于空氣包裝的豬肉食品，微生物揮發性有機物濃度同其受腸桿菌污染程度呈正相關的關系；而對于空氣包裝的牛肉食品，在微生物作用下產生的假單胞菌揮發性有機物濃度越大，表示假單胞菌數量越多。

借助對各類包裝方式下食品腐敗菌所產生的揮發性有機物成分、濃度，可以監測食品受微生物污染的程度，查看食品變質與否，以便對食品生產、管理工藝進行調整，做到及時發現和處理，有效減少食品出現微生物污染的問題。

3.2 食品品質風味評價中的應用

在食品腐敗或變質的情況下，微生物會產生不同濃度、類型的揮發性有機物，針對揮發性有機物的釋放量，開展定量、定向檢測分析，可以評價食品品質，判斷食品是否新鮮。對于香腸這一肉制品而言，鑒于生產、貯藏流程不夠完善，很容易出現食品腐敗變質的問題，影響了公眾的健康，對此可以對樣品中微生物揮發性有機物進行檢測，可以發現香腸在青霉、總狀毛霉的感染下，會產生50多種揮發性有機物，其中，3—甲基丁烷、2—甲基丙醛、2—甲基丁烷類的支鏈醛濃度較大，且醇類物質也如此；對于醬類食品而言，其在存儲過程中會出現脂肪氧化反應，影響食品風味，尤其是在開封之后極易出現微生物污染的問題。相關研究顯示，蠶豆醬在微生物的作用下，會產生地衣芽孢桿菌，進而生成揮發性有機物，可以通過氣—質聯譜法檢測出來，使商品風味變差，據此可以制定有效的措施來抑制微生物的生長；此外，在乳制品、飲料產品的風味檢測方面，可以結合微生物污染狀況，根據產品中生物標記物識別揮發性有機物的類型，快速找到影響食品風味的重要揮發性成分，明確食品致病菌，了解牛奶和飲料酸敗、腐敗變質的緣由，科學評價食品的風味特點和口感，以便更好的開展視頻品質監測工作。

3.3 食品腐敗菌監測和鑒定中的應用

影響食品質量和安全的關鍵因素就是腐敗變質，通過對揮發性有機物進行檢測，可以對不同微生物的氣味指紋特征圖譜庫進行構建，據此判定食品衛生及質量狀況。在食品腐敗變質的過程中，受微生物代謝的影響，會產生大量揮發性有機物，并釋放到環境中，因此可以將揮發性有機物作為腐敗指標，為食品腐敗監測提供依據。在鑒定果蔬腐敗菌時，由于產品含水量較大，對微生物、酶的生存和活動極為有利，大大縮短了保質期，增大了腐敗風險。對此，可以將固相微萃取法和氣—質聯譜法聯合起來，對腐敗病原體所產生的揮發性有機物進行檢測，結合病原體類型、腐爛指數，明確檸檬烯、苯甲醛、苯乙烯以及部分乙酯等是腐敗變質所產生的揮發性有機物，檢驗果蔬的新鮮程度[5]；對于水產品腐敗問題，應根據產品中微生物的化學氧化、自溶等引發腐敗的緣由，借助不同的技術檢測腐敗菌產生的揮發性代謝產物，鑒定出多種揮發性有機物，將其作為評價水產品新鮮度的指標。結合檢測出的微生物揮發性有機物，可以快速判斷食物是否出現腐敗狀況，并快速采取處理工作，將變質產品淘汰，確保食品質量。

4 結語

作為發應微生物生長的重要指標，揮發性有機物可以為食品安全監測提供可靠的依據，在保障食品質量、確定食品貨架期方面具有積極作用。將微生物揮發性有機物檢測技術在食品包裝、食品質量評估、食品腐敗菌監測和鑒定等領域中，有助于分析和鑒別食品中微生物揮發性有機物的成分、濃度，推動了食品安全監測技術的發展和革新。在未來的發展過程中，還需要加大對微生物揮發性有機物檢測技術的研發力度，揭示微生物種類與揮發性有機物間的新標記物和方法，運用更加先進的檢測技術方式來保障食品安全。

參考文獻

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[3] 李艷玲，宋阿琳，盧玉秋，等.不同土壤玉米根際揮發性有機物組成和微生物群落特征[J].植物營養與肥料學報，2019，25（10）：1633-1645.

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[5] 田宇曦，閔勇，楊自文，等.具有農藥活性的微生物揮發性有機物研究進展[J].湖北農業科學，2018，57（21）：16-18.