微生物挥发性有机物检测及在食品安全监测中的研究进展

李若冰

摘要：微生物挥发性有机物是一种气态性功能化合物，是伴随细菌、真菌代谢产物的生长所形成的，菌株非常多样化，气味独特，在微生物存在、活动检测方面发挥着重要作用。在食品安全监测领域中，将微生物挥发性有机物的检测作为指标，分析微生物污染状况，有助于全面推进食品安全工作。文章主要对微生物挥发性有机物进行了概述，分析了当前常见的微生物挥发性有机物检测方法，并总结了食品安全监测中微生物挥发性有机物的研究进展，旨在推进微生物挥发性有机物检测的进一步发展和应用，精准、快速的检测食品是否存在微生物污染问题，创新食品安全监测技术，保障食品安全。

关键词：微生物；挥发性；有机物检测；食品安全

近年来，食品安全问题受到社会公众的广泛关注，因微生物污染产生的食品腐败变质所导致的食源性疾病频频发生，严重威胁着公众的身体健康。作为引发食物感染性疾病的诱因，感染性微生物种类丰富、变异率不断提升，给病原微生物检测、鉴定工作提出了更高的要求。传统食品微生物检测技术存在耗时长、精确率不高的弊端，无法迎合食品安全监测要求，还有待进一步创新检测技术。利用微生物挥发性有机物检测技术来开展食品安全监测工作，能够在食品包装、贮藏、品质分析等环节中，结合挥发性有机物检测结果来分析微生物存在、活动情况，判断食品是否受到微生物污染，弥补传统食品监测方式的不足，消除食品安全隐患，并为相关研究提供参考意见。

1 微生物挥发性有机物概述

微生物挥发性有机物（MVOCs）是微生物作用于基质中糖类、蛋白质、脂肪等物质生成的酮类、醇类、酸类、酯类、醛类和有机酸类等，含量较低，气味特殊，但种类非常多，影响着发酵食品的风味[1]。其中，在微生物作用下进行糖代谢时，可以使碳源分解并转化为乳酸、丙酮酸等较小的代谢产物，经历脱水、脱羧等相关代谢反应后，能够形成酸类、醇类发挥性有机物；微生物在分解蛋白质的过程中，会经历一系列的化学反应，对成氨基酸进行脱羧、脱氨处理，生成发挥性氨基酸代谢产物，其中就包括醛类、酮类等挥发性有机物；对于脂肪酸，微生物能够将其分解成类似乙酰辅酶 A的代谢产物，进行氧化、脱羧反应后，可以产生醛类、酮类微生物及挥发性有机物。

挥发性有机物的释放不仅同外部环境的氧气浓度、温度及湿度等条件的影响，还与微生物的存在和活动有着直接的关系。所以可以结合挥发性有机物这一代谢产物来反映微生物存在、活动状况，为评估微生物生态学行为提供了可靠的依据。由于微生物种类的不同，所产生的发挥性有机物在气味、成分等方面也存在有一定的差异，这就使挥发性有机物成为鉴别微生物的重要指标。微生物挥发性有机物可以准确反映出食品中微生物的生长状况，涵盖了食品安全指标、成熟度以及进度等多项信息，根据检测结果能够判断食品状态，判断食品污染程度，在食品研发、质量管控及安全监测等方面发挥着重要作用。

2 常见的微生物挥发性有机物检测方法

鉴于微生物挥发性有机物在食品加工过程中始终处于动态变化的状态，应采用不同的技术方式进行检测，对微生物挥发性有机物开展整体性分析，从而直观化的判断食物产品的品质。目前常用的微生物挥发性有机物监测方法主要有光声光谱法、气相色谱法、电子鼻法、气—质联谱法等，具体原理及应用研究进展介绍如下：

2.1 光声光谱法

基于光声效应的光声光谱法具有较强的灵敏性，做到了持续采样，可以结合光、热、电和声的能量转移过程，利用微音器检测入射光、透射光强度差异和弱吸收状况，体现物质和光之间的作用特性，在生物组织微量气体研究方面有着广泛的应用。借助光声光谱法对微生物挥发性有机物进行检测时，需要在光声池中通过单色光源，待池中挥发性有机物气体吸收光能量后，形成脉冲压力波，并应用光学微音器感知声信号的变化状况。声压信号越大，代表微生物挥发性有机物浓度越大，二者成正比关系[2]。大量研究人员将光声光谱法应用到生物医学领域中，取得了一定的成果。其中部分学者利用真空紫外光束这一光源，成功检测到溶菌酶、酪氨酸、烯及脱氧核糖核酸等生物分子的真空紫外光声光谱；一些学者针对绿脓杆菌所含的氰化氢开展连续检测，掌握不同时间段氰化氢浓度的变化情况。中国首次通过光声光谱法对微生物挥发性有机物进行检测，验证该方式具有较强的可行性，研究发展空间极为广阔，临床应用价值较高。

2.2 气相色谱法

气相色谱法是以气体为流动相，在色谱注入口中注入汽化样品气流，运用冲洗法下的柱色谱分离原理，将样品各组分进行分离，获取样品色谱图的技术。气相色谱法适用于热稳定性、低极性的复杂混合物的检测，能够对细菌培养液进行检测，并根据不同代谢产物的色谱图，掌握细菌属性、菌种特点。但该技术也存在一定的弊端，需要提前对待检测物质进行气化处理，对色谱柱进行标定，对操作标准性有着较高的要求，设施成本投入较大。在气相色谱技术不断发展的过程中，逐渐形成了全新的裂解气相色谱法，优化了检测流程，进一步提升了检测灵敏度、选择性。

2.3 电子鼻法

模拟人类嗅觉传导系统所研制的电子鼻法本质上属于电子传感技术，主要依靠多种具有化学特性的传感器阵列对微生物挥发性有机物进行检测。该技术方式的基本原理是，利用不同传感器对特定类型的微生物挥发性有机物的敏感性、选择习惯，使传感器与待检测气体发生充分的反应，形成相应的化学、物理变化，从而获得同目标气体相关的电信号，最后应用模式识别算法处理、分析电信号，完成快速检测、鉴定任务，掌握微生物挥发性有机物的成分、浓度信息。该检测技术中应用的模式识别算法涉及支持向量、人工神经网络、统计学等方式，能够将电信号同预先构建的模型、数据库进行匹配，应用不同特征、模式对微生物挥发性有机物进行识别，最后输出鉴别结果。在微生物挥发性有机物检测方面，电子鼻法呈现出实时性、快速响应、运行成本低和操作简便的优势，对前期样品预处理要求不高，可以在实验室或现场高效完成高通量分析任务，有效缩短了检测时间。

2.4 气-质联谱法

气—质联谱法是气相色谱—质谱联用的简称，将气相色谱法、质谱法的优势进行了整合，在医学、微生物学、食品科学等多个不同领域均发挥着重要作用。气—质联谱法的基本原理为，通过气相色谱法对样品中的挥发性有机物进行分离，并分别引入到质谱仪中，开展质谱分析，从而实现对样品挥发性有机物的高效分离、鉴定，判定挥发性有机物的化学成分及浓度。对于完成（顶空）固相微萃取预处理后的样品，应将其注入并充满气相色谱柱，在固定箱内完成分离操作[3]。在这个过程中，根据检测样品的亲水性、挥发性，可以在柱中以不同速率下对挥发性有机物进行分离，之后使其进入到质谱仪的离子源，进行破碎、电离处理，依据碎片离子的质荷比完成分离、检测任务。参考最终的质谱图，能够清晰掌握微生物挥发性有机物的结构、分子量。气—质联谱法在特异性、灵敏性和分辨率方面具有明显的优势，可以精确对微生物挥发性有机物的组成进行检测，并分析酸类、酮类、醛类等挥发性有机物，确定不同类型的挥发性有机物的浓度，从而为判断微生物的存在、活动状况。

综上所述，由于微生物挥发性有机物种类、成分多种多样，可以应用的检测分析方式也较多，不同检测方式的优缺点有所不同，为了确保检测结果的精准性，更好的满足现实应用需求，需要不断深化研究，持续创新检测分析技术，实现定性、定量检测的有效整合。

3 微生物挥发性有机物检测及在食品安全监测中的研究进展

在公众愈发重视食品卫生的情况下，快速针对食品开展微生物污染检测工作显得尤为必要。食品安全监测涉及到生产、贮藏、运输、销售等多个环节，应严格预防、控制微生物对食品的污染、腐败，为了清晰了解食品中微生物存在和活动状况，要利用好微生物挥发性有机物的价值。

3.1 食品包装中的应用

在食品安全监测工作中，食品包装安全性直接关系着其在流通过程中是否会出现物理或化学方面的损害，影响着微生物的存在和生长，决定了挥发性有机物的生成状况。一些研究学者在4℃的情况下，对肉类食品在空气、真空包装下的微生物污染腐败状况进行了研究，发现两种包装方式均会产生大量微生物挥发性有机物，且浓度不断增加，其中空气包装中的浓度比真空包装明显要大[4]。对于空气包装的猪肉食品，微生物挥发性有机物浓度同其受肠杆菌污染程度呈正相关的关系；而对于空气包装的牛肉食品，在微生物作用下产生的假单胞菌挥发性有机物浓度越大，表示假单胞菌数量越多。

借助对各类包装方式下食品腐败菌所产生的挥发性有机物成分、浓度，可以监测食品受微生物污染的程度，查看食品变质与否，以便对食品生产、管理工艺进行调整，做到及时发现和处理，有效减少食品出现微生物污染的问题。

3.2 食品品质风味评价中的应用

在食品腐败或变质的情况下，微生物会产生不同浓度、类型的挥发性有机物，针对挥发性有机物的释放量，开展定量、定向检测分析，可以评价食品品质，判断食品是否新鲜。对于香肠这一肉制品而言，鉴于生产、贮藏流程不够完善，很容易出现食品腐败变质的问题，影响了公众的健康，对此可以对样品中微生物挥发性有机物进行检测，可以发现香肠在青霉、总状毛霉的感染下，会产生50多种挥发性有机物，其中，3—甲基丁烷、2—甲基丙醛、2—甲基丁烷类的支链醛浓度较大，且醇类物质也如此；对于酱类食品而言，其在存储过程中会出现脂肪氧化反应，影响食品风味，尤其是在开封之后极易出现微生物污染的问题。相关研究显示，蚕豆酱在微生物的作用下，会产生地衣芽孢杆菌，进而生成挥发性有机物，可以通过气—质联谱法检测出来，使商品风味变差，据此可以制定有效的措施来抑制微生物的生长；此外，在乳制品、饮料产品的风味检测方面，可以结合微生物污染状况，根据产品中生物标记物识别挥发性有机物的类型，快速找到影响食品风味的重要挥发性成分，明确食品致病菌，了解牛奶和饮料酸败、腐败变质的缘由，科学评价食品的风味特点和口感，以便更好的开展视频品质监测工作。

3.3 食品腐败菌监测和鉴定中的应用

影响食品质量和安全的关键因素就是腐败变质，通过对挥发性有机物进行检测，可以对不同微生物的气味指纹特征图谱库进行构建，据此判定食品卫生及质量状况。在食品腐败变质的过程中，受微生物代谢的影响，会产生大量挥发性有机物，并释放到环境中，因此可以将挥发性有机物作为腐败指标，为食品腐败监测提供依据。在鉴定果蔬腐败菌时，由于产品含水量较大，对微生物、酶的生存和活动极为有利，大大缩短了保质期，增大了腐败风险。对此，可以将固相微萃取法和气—质联谱法联合起来，对腐败病原体所产生的挥发性有机物进行检测，结合病原体类型、腐烂指数，明确柠檬烯、苯甲醛、苯乙烯以及部分乙酯等是腐败变质所产生的挥发性有机物，检验果蔬的新鲜程度[5]；对于水产品腐败问题，应根据产品中微生物的化学氧化、自溶等引发腐败的缘由，借助不同的技术检测腐败菌产生的挥发性代谢产物，鉴定出多种挥发性有机物，将其作为评价水产品新鲜度的指标。结合检测出的微生物挥发性有机物，可以快速判断食物是否出现腐败状况，并快速采取处理工作，将变质产品淘汰，确保食品质量。

4 结语

作为发应微生物生长的重要指标，挥发性有机物可以为食品安全监测提供可靠的依据，在保障食品质量、确定食品货架期方面具有积极作用。将微生物挥发性有机物检测技术在食品包装、食品质量评估、食品腐败菌监测和鉴定等领域中，有助于分析和鉴别食品中微生物挥发性有机物的成分、浓度，推动了食品安全监测技术的发展和革新。在未来的发展过程中，还需要加大对微生物挥发性有机物检测技术的研发力度，揭示微生物种类与挥发性有机物间的新标记物和方法，运用更加先进的检测技术方式来保障食品安全。

参考文献

[1] 李毅然，李德洁，冯看.柳州市农村生活饮用水挥发性有机物和微生物检测及结果分析[J].应用预防医学，2022，28（6）：521-526.

[2] 陶芳怡.9种常见挥发性有机物对指状青霉产孢抑制及其机制[D].浙江农林大学，2021.

[3] 李艳玲，宋阿琳，卢玉秋，等.不同土壤玉米根际挥发性有机物组成和微生物群落特征[J].植物营养与肥料学报，2019，25（10）：1633-1645.

[4] 李艳玲.根际微生物群落对挥发性有机物和作物生长的影响[D].中国农业科学院，2019.

[5] 田宇曦，闵勇，杨自文，等.具有农药活性的微生物挥发性有机物研究进展[J].湖北农业科学，2018，57（21）：16-18.