近红外光谱分析技术在乳源致病菌快速检测中的应用研究

邢 敏，史恩聪，俞雅萍，昂 媛，刘俊江，刘学伟，康怀彬，费 鹏

（1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023；2.河南科技大学河南省食品绿色加工与质量安全控制国际联合实验室，河南 洛阳 471023；3.东北农业大学食品学院乳品科学教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150030）

近年来，乳制品的安全问题深受全社会广泛关注，其中食源性致病菌污染被认为是威胁乳制品安全的主要问题之一。乳制品中常见的致病菌主要有大肠杆菌（Escherichia coli）、沙门氏菌（Samonella）、蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）及克罗诺杆菌（Cronobacter）等，不仅会造成乳制品营养价值和风味的降低，同时也对消费者的健康造成了严重的危害[1-2]。目前，乳品工业中对致病菌的检测普遍遵循的是国家标准提供的传统生理生化检测方法，费时费力、准确性低，无法及时得到检测结果，不能起到快速检测的作用[3]。常规的理化检测方法容易出现假阳性，而且检测限高不适用于乳及乳制品安全快速检测的需要[4]。因此，现代乳品工业迫切需求能够快速、准确、客观地检测食源性致病菌的方法，从而确保乳制品的质量安全。

近红外光谱（Near Infrared spectroscopy，NIR）分析技术是一种新型的、具有较强实用性的现代分析技术，具有检测效率高、无污染、不破坏样品、检测成本低等优点，在食品的成分分析、掺假识别及致病菌检测等方面得到了广泛应用[5-7]。综述近红外光谱技术在乳源致病菌中快速检测中的应用，以期为乳制品安全检测技术的研究提供理论依据。

1 近红外光谱分析技术的原理及特点

近红外光谱实际上属于电磁波的一种，其主要是指波长为780～2 526 nm，波数为12 820～3 959 cm-1的光谱区[8]。近红外的吸收光谱是在分子振动的非谐振性的作用下，分子振动从基态向高能级跃迁的过程中所产生[9]。近红外光谱分析方法利用有机物分子中含氢基团（-OH，-CH，-SH，-NH）的伸缩振动倍频和组合频，对样品在近红外区的吸收光谱进行识别分析，然后结合化学计量学技术，构建样品特征光谱与样品待测成分之间的校正模型，从而实现对样品组分的快速定性或定量检测[10]。

近红外光谱分析技术作为当今应用较为广泛的一种检测技术，主要具有以下特点：①步骤简单、操作方便。近红外光谱分析技术仅需对样品进行扫描就可得到目标物质的光谱数据，一般不会对样品进行预处理，能够实现对样品的无损检测，操作较为简便[11]。②检测时间短，效率高[12]。可在几分钟甚至几秒内完成对样品多种组分的定性或定量检测。③分析成本低、无污染。该技术在检测过程中无需使用化学试剂，可以避免化学试剂对检测结果的影响，同时防止对环境的污染[13]。

2 乳制品中常见的食源性致病菌

2.1 大肠杆菌

大肠杆菌又称大肠埃希氏菌，为周身鞭毛、无芽孢、短杆状的革兰氏阴性菌，是乳制品中常见的食源性致病菌之一。大肠杆菌属于条件性致病菌，通常情况下不致病，但是某些致病性大肠杆菌可以引起人体腹泻、肠炎、败血症等，严重时甚至死亡[14-15]。尽管国家标准规定大肠杆菌在乳制品中不得检出，但其仍然可通过空气、水、加工环境等污染乳制品[16]。

2.2 沙门氏菌

沙门氏菌是污染乳及乳制品另一种常见的致病菌，同时也是全球范围内诱发细菌性食源性疾病的主要原因之一。沙门氏菌可产生肠毒素，引起肠热、脓毒症和胃肠道疾病，人体一旦食用了被沙门氏菌感染的乳或乳制品，会不同程度地出现高烧、呕吐、腹泻等症状[17]。据报道，2000年在广东省出现了一起因食用沙门氏菌污染的乳制品而引起的食物中毒案例，导致40人住院[18]。而在美国，每年约有130万人受到沙门氏菌感染，并造成500人死亡[19]。

2.3 蜡样芽孢杆菌

蜡样芽胞杆菌是一种革兰氏阳性菌，该菌可引起幼儿和成人，尤其是低免疫力人群的急性腹泻及胃肠道疾病等。芽孢是该菌繁殖的主要方式，其对高温、低水分等外界因素具有较强的抵抗性[20]。目前，仍有大量研究报道显示，蜡样芽胞杆菌在原料乳、巴氏杀菌奶、干酪、乳粉等多种乳制品中被检出。Zhang Y等人[21]在2013—2015年采集65个品牌共401份婴幼儿配方乳粉，蜡样芽孢的检出率为8.2%。Gao T等人[22]对中国市售的巴氏杀菌乳中蜡样芽孢杆菌的污染进行了调查，发现致病菌的污染率高达27%。因此，有必要建立对乳及乳制品中蜡样芽胞杆菌的快速检测方法。

2.4 克罗诺杆菌

克罗诺杆菌是婴儿配方乳粉中的A类致病菌，可导致婴儿和成人免疫缺陷病毒感染、脑膜炎和坏死性小肠结肠炎，死亡率可达40%～80%[23]。克罗诺杆菌在自然界中广泛存在，其中婴幼儿配方奶粉被认为是其主要的污染源[24]。克罗诺杆菌还具有高效的生物膜形成能力，可使其在乳制品包装材料表面形成生物膜，提高了对生产环境的耐受性，从而增加致病风险[25]。因此，开展对乳及乳制品中克罗诺杆菌的检验也极为重要。

3 近红外光谱分析技术在乳源致病菌检测中的应用

乳制品具有较高的营养价值，适当食用可以补充人体所必需的一些蛋白质、维生素等，但其在加工及贮藏等过程中极易受到致病微生物侵染，从而增加人体感染食源性疾病的风险。目前，近红外光谱技术已被证实其能够有效地辨别乳制品中的致病菌，并且准确率较高[11]。王建明等人[26]探究了傅里叶变换近红外光谱技术（Fourier transform near infrared spe-ctroscopy，FT-NIR）对阪崎肠杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌判别的可行性，通过采集被上述3种致病菌污染的牛奶的近红外透射光谱，经不同的预处理后结合偏最小二乘法进行判别分析。研究表明，利用多元散射校正对光谱进行预处理得到的模型的判别结果的准确率可达100%，明显优于一阶求导和标准正态变量变换2种预处理方法下的判别结果，预测性能更理想。Pereira J M等人[27]使用近红外光谱结合偏最小二乘法构建定标模型，以鉴别被沙门氏菌不同程度污染的牛奶，模型预测表明，脱脂乳和全脂乳的校准的均方根误差分别为0.163 9，0.135 1，预测均方根误差分别为0.097 1，0.092 8。结果表明，该方法可用于鉴别牛奶样品中沙门氏菌的存在与否。Cámara-Aartos F等人[28]采用近红外光谱分析法在4 000～10 000 cm-1的扫描范围内对全脂牛奶中的大肠杆菌和铜绿假单胞菌进行了检测和定量分析，结果发现在经过24 h培养后的牛奶样品，其定量模型效果更好。李守军[29]建立了快速检测乳中致病菌的近红外光谱分析法，该方法可在50 min内完成对原料乳中大肠杆菌的检测，远远快于传统的生化检测方法。

4 结语

近红外光谱技术作为一种新型的分析技术，在乳制品致病菌的快速检测方面取得了很好的进展，应用前景较为广阔，但仍存在以下问题：①近红外光谱分析技术分析成本低，然而仪器较为昂贵，应用前期投入大，限制了其适用范围；②近红外光谱定量分析检测模型的建立需要大量的具有代表性的样品，但多数研究中采集的样品数量较少，而且理想样品很难获得，缺乏一定的代表性；③乳制品成分较为复杂，致病菌的红外光谱信息在采集过程中容易受到样品状态、仪器干扰，影响检测结果的准确率，因此检测模型的准确度和稳定性有待进一步提高；④目前，对于乳制品致病菌的近红外快速检测研究大多处于初步探索阶段，因此如何将其应用于乳品工业生产体系的质量安全控制，还需要进行深入探究。