微生物挥发性有机物检测及在食品安全监测中的应用

　　唐艳平

　　（桂林师范高等专科学校，广西桂林 541001）

　　摘 要：微生物挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是微生物代谢产物在生长过程中释放的气态化合物。这些化合物具有独特的香味和气味，可以用于检测微生物的存在和活动。本文介绍了微生物VOCs的产生机制和特点以及检测技术，探讨了微生物VOCs在食品安全监测中的应用，旨在为相关工作人员提供借鉴参考。

　　关键词：微生物；挥发性有机物；食品安全监测；气相色谱-质谱联用；电子鼻

　　微生物是存在于自然界中的一类微小生物体，包括细菌、真菌和病毒等。一些有害微生物如致病菌和腐败菌可能对食品安全和品质造成严重威胁。因此，对微生物的快速、准确检测具有重要的意义。传统微生物检测主要依赖于培养和鉴定技术，但这些方法的检测时间较长且对操作者有一定的技术要求。随着生物技术的发展，人们开始研究微生物代谢产物，特别是微生物VOCs的应用。微生物VOCs是微生物在代谢过程中释放的气态化合物，具有特殊的气味和香味。这些化合物的释放与微生物的存在和活动密切相关，因此可以作为检测微生物存在和活动的生物指标。

　　1 微生物挥发性有机物的产生机制和特点

　　1.1 微生物挥发性有机物概述

　　微生物挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，

　　VOCs）是微生物代谢产物在生长过程中释放的气态化合物。它们具有独特的香味和气味，常常被用作微生物存在和活动的指标。微生物VOCs可以分为多种类型，包括醇类、醛类、酮类、酸类、酯类和硫化物等[1]。不同微生物产生的VOCs具有不同的特征气味和化学成分，因此可以通过检测这些VOCs来鉴别微生物的存在和活动。醇类是一类常见的微生物VOCs，包括乙醇、丙醇、异丙醇等。这些化合物常常与发酵过程相关，因此在食品和饮料的生产中具有重要的意义。醛类是另一类常见的微生物VOCs，包括甲醛、乙醛、丁醛等。这些化合物往往与微生物的新陈代谢过程和生长活动相关联。酮类VOCs主要包括酮醇和酮酸，常常与微生物的脂肪酸代谢和糖代谢有关。酸类VOCs包括有机酸如乙酸、丙酸、戊酸等，它们与微生物的代谢活动和食品腐败过程密切相关。酯类VOCs具有芳香气味，包括乙酸乙酯、己酸乙酯、乙酸异丁酯等，与微生物的酯化反应有关。硫化物是一类具有特殊气味的微生物VOCs，包括硫化氢、二硫化碳、甲硫醚等，常常与微生物的硫代谢活动相关。这些不同类型的微生物VOCs在食品、环境和医学等领域具有广泛的应用。

　　1.2 微生物VOCs的产生机制

　　微生物产生VOCs的过程是复杂的，涉及多个化学反应。微生物通过代谢过程产生VOCs是一个动态的过程，与微生物的生长阶段、环境条件和代谢途径等因素密切相关[2]。微生物可通过蛋白质分解产生VOCs。在微生物生长过程中，蛋白质可以被分解为氨基酸。这些氨基酸经过一系列的代谢反应，包括脱羧、脱氨等反应，产生挥发性的氨基酸代谢产物。这些代谢产物中有一部分是VOCs，如酮类和醛类化合物。脂肪酸代谢也是微生物产生VOCs的重要途径。微生物通过脂肪酸代谢产生酮体和醛类化合物。在微生物的代谢过程中，脂肪酸可以被分解为较小的代谢产物，如乙酰辅酶A。这些代谢产物通过一系列的反应，包括脱羧、氧化等反应，生成酮体和醛类化合物，进而释放为VOCs。此外，微生物的糖代谢也可以产生VOCs。在微生物的糖代谢过程中，葡萄糖等碳源被分解为较小的代谢产物，如丙酮酸和乳酸。这些代谢产物经过一系列的反应，如脱羧、脱水等反应，最终生成醇类、酮类和酸类等VOCs。微生物VOCs的产生还受到环境条件的影响，如温度、湿度、氧气浓度和pH值等环境因素都可以影响微生物的代谢途径和VOCs的产生量。

　　1.3 微生物VOCs的特点

　　微生物VOCs具有一些独特的特点，使其成为微生物存在和活动的生物指标。①微生物VOCs的释放与微生物的存在和活动密切相关。微生物的生长和代谢过程会产生不同类型和浓度的VOCs，并将其释放到周围的环境中。这些VOCs可以作为微生物存在和活动的指标，因为它们是微生物代谢的副产物。通过检测和分析微生物VOCs，可以确定微生物的存在和活动水平，从而对微生物的生态学和生物学行为进行评估和研究[3]。②微生物VOCs具有独特的气味和香味。不同微生物产生的VOCs具有不同的化学成分和特征气味，这使得微生物VOCs可以作为一种快速鉴别微生物的方法。通过人工嗅觉或使用电子鼻等传感器技术，可以对微生物VOCs的气味进行识别和分析，从而实现对微生物的快速检测和鉴别。

　　2 微生物挥发性有机物的检测方法

　　2.1 气相色谱-质谱联用

　　气相色谱-质谱联用（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GC-MS）是一种常用的微生物VOCs分析技术，被广泛应用于微生物学、食品科学、环境科学和医学等领域。它结合了气相色谱和质谱两种技术，通过将样品中的VOCs进行分离和鉴定，可以确定VOCs的化学成分和浓度。GC-MS的工作原理是将样品中的VOCs通过气相色谱分离，并将分离后的化合物逐一引入质谱仪进行质谱分析。样品经过前处理步骤，如固相微萃取或顶空固相微萃取，用以富集和预处理样品中的VOCs。然后，样品被注入气相色谱柱中，其中柱内充满了固定相，以实现VOCs的分离。在气相色谱分离过程中，样品中的VOCs根据它们的挥发性和亲水性等性质，在柱中以不同的速率进行分离，分离出的化合物被逐一引入质谱仪进行质谱分析。在质谱仪中，化合物进入离子源，经过电离和碎裂产生碎片离子，这些离子根据其质荷比被分离和检测。通过测量质谱图，可以确定化合物的分子量和结构信息。GC-MS具有高分辨率、高灵敏度和高特异性的优势，能够准确地分析微生物VOCs的组成。它可以同时分析多种VOCs，包括醇类、醛类、酮类、酸类等不同类型的化合物。GC-MS在微生物VOCs分析中的应用具有广泛的优势，它可以快速、准确地确定微生物VOCs的组成和浓度，为微生物的存在和活动提供直接的参考[4]。

　　2.2 电子鼻

　　电子鼻是一种模拟人类嗅觉系统的传感器，通过一组化学传感器阵列检测微生物VOCs释放的气体，将检测结果转化为电信号，并通过模式识别算法对这些信号进行分析和处理，实现对微生物VOCs的快速检测和鉴定。电子鼻的核心部分是化学传感器阵列，其中包含多个具有不同化学特性的传感器。每个传感器对特定类型的VOCs具有选择性和敏感性，当被测气体与传感器相互作用时，它们会发生物理或化学变化，并产生与目标气体相关的电信号。这些电信号经过放大和处理后，可以提供关于被测气体的成分和浓度信息。为了实现对微生物VOCs的准确鉴别，电子鼻通常结合了模式识别算法。这些算法通过对来自传感器阵列的电信号进行分析和比较，并将其与预先建立的模式或数据库进行匹配。模式识别算法可以利用统计学、人工神经网络、支持向量机等方法，根据不同的模式或特征来识别微生物VOCs，并输出相应的鉴别结果。电子鼻具有一些显著优势，使其成为微生物VOCs分析中的重要工具。①电子鼻具有快速响应和实时检测的能力，能够在短时间内完成对微生物VOCs的检测，适用于高通量和快速分析的需求。②电子鼻具有较低的运行成本和易于操作的特点，无须复杂的样品预处理步骤，能够在现场或实验室中进行快速检测。

　　2.3 传感器

　　传感器在与微生物VOCs相互作用时，会产生电流、光信号、声波等输出信号，这些信号与微生物VOCs的浓度或特定化学成分相关[5]。传感器具有多项优势，使其成为微生物VOCs分析中的重要工具。①传感器具有便携、快速和实时监测的特点。它们通常具有小尺寸、轻便易携带，能够在现场进行实时检测。这种实时监测的能力使得传感器在环境监测、食品安全和医学诊断等领域具有广泛应用。②传感器通常具有较低的成本和较简单的操作步骤，无须复杂的样品准备过程，能够实现快速检测和高通量分析的需求。

　　3 微生物挥发性有机物在食品安全监测中的应用

　　3.1 食品质量评估

　　微生物VOCs在食品质量评估中具有独特的应用优势。①微生物VOCs可以提供关于食品新鲜度和保存状况的重要信息。随着食品的变质和腐败，微生物会产生不同类型和浓度的VOCs，这些VOCs的释放量可以用来评估食品的腐败程度。通过对食品样品中微生物VOCs的定量或定性分析，可以快速判断食品是否具有良好的品质和新鲜度。②微生物VOCs在评估食品口感、风味和香气方面具有重要作用。微生物代谢过程中产生的VOCs可以对食品的感官特征产生明显影响。不同微生物所产生的VOCs具有独特的化学成分和气味特征，这些特征与食品的口感、风味和香气密切相关。通过对食品中微生物VOCs的分析，可以评估食品的口感、风味特点和香气组成，从而提供有关食品品质的全面信息。

　　3.2 食品腐败检测

　　食品腐败是食品安全和质量的主要威胁因素。微生物VOCs在食品腐败检测中发挥着重要作用。当食品发生腐败时，微生物会通过代谢过程产生一系列的VOCs，并释放到食品的周围环境中。这些微生物VOCs可作为腐败指标，用于及早发现食品的腐败情况。通过监测微生物产生的VOCs，可以迅速识别和定量食品腐败的程度。不同类型的微生物产生不同的VOCs，这些VOCs的种类、组成和浓度可以提供食品腐败的信息。例如，一些特定的微生物VOCs如异丁酸、乙酸和二甲基二硫等，被广泛用作食品腐败的指标物质。通过检测这些VOCs的含量，可以快速判断食品是否已经腐败，并及时采取措施，如淘汰、处理或采购新鲜食品，以保证食品质量和消费者的健康。微生物VOCs的分析方法在食品腐败检测中发挥着关键作用。气相色谱-质谱联用是一种常用的分析技术，可用于分离、鉴定和定量微生物产生的VOCs。该技术具有高分辨率、高灵敏度和高特异性的优势，能够准确分析复杂的微生物VOCs组成。

　　3.3 食品中毒源追溯

　　致病菌和腐败菌等有害微生物可能对食品安全和品质造成严重威胁。微生物VOCs可以作为食品中毒源追溯的指标之一。不同微生物产生的VOCs具有独特的化学特征和气味，可以通过检测食品中特定微生物产生的VOCs来确定食品中是否存在有害微生物，并对食品安全问题进行追溯。这有助于及早发现潜在的食品安全问题，并采取适当的措施来保护消费者的健康。

　　4 结语

　　总之，微生物VOCs在食品安全监测中具有重要的应用价值，能够为食品质量评估、食品腐败检测和食品中毒源追溯提供关键信息。通过不断深入研究和技术创新，我国将更好地利用微生物VOCs来保障食品安全，满足人们对健康和高质量食品的需求。

　　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]杨智鹏.区域环境及微生物菌剂对枣果品质的影响[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2022.

　　[3]方舒婷,刘舒芹,向章敏.微生物挥发性有机物检测及在食品安全监测中的应用[J].食品工业科技,2020,41(16):353-361.

　　[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].北京:中国农业科学院,2019.

　　[5]张晔,高红梅,陈文丽,等.微生物挥发性有机物的检测及临床应用进展[J].中华灾害救援医学,2016,4(4):218-222

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