基于增强傅里叶变换红外光谱的羊肚菌菌柄腐烂病检测

《Food Chemistry: X》：Detection of stipe rot disease in Morchella sextelata based on enhanced Fourier transform infrared spectroscopy

针对羊肚菌菌柄腐烂病传统检测方法依赖主观判断或步骤繁琐、破坏样本的问题，研究人员开展了一项基于挥发性增强FTIR（傅里叶变换红外）光谱技术的疾病检测研究。他们鉴定出氨气是该病害的标志性挥发物，并利用MOF（金属有机框架）富集增强技术与ATR-FTIR（衰减全反射-FTIR）结合，建立了氨气定量模型和病害程度识别模型，识别准确率达98.75%。这项研究为羊肚菌病害的快速、无损检测提供了一种可行方法，对保障产业健康发展具有重要意义。

　　

羊肚菌，这种因其独特蜂窝状外观和高营养价值而备受青睐的珍稀食用菌，近年来在中国实现了大规模栽培，覆盖二十多个省份。然而，随着产业的快速扩张，病害问题日益凸显，尤其是由真菌感染引起的菌柄腐烂病，严重威胁着羊肚菌的产量和品质，给种植者带来巨大的经济损失。病害一旦发生，若未及时处理，感染会在短时间内迅速蔓延。因此，实现羊肚菌菌柄腐烂病的早期、快速检测，对于病害的精准防控和产业的可持续发展至关重要。

传统的病害检测方法，如形态学鉴定，虽然简单但依赖主观经验，可靠性有限；而分子生物学技术虽然精准，却需要破坏样本且操作复杂，更适用于实验室环境。这促使科学家们寻找更快速、准确且非破坏性的检测新途径。有趣的是，生物体在代谢和病理过程中会释放特定的挥发性有机物，这些物质可以作为与感染相关的生物标志物。能否通过“嗅闻”羊肚菌病害释放的独特“气味”来诊断疾病呢？这正是发表在《Food Chemistry: X》上的一项研究所探索的方向。

为了回答上述问题，研究团队开展了一项创新性的研究。他们采集了患有菌柄腐烂病的羊肚菌样本，并将其按病害程度分为健康、早期、中期和晚期四组。研究人员首先利用长光程增强傅里叶变换红外（FTIR）光谱系统直接分析病害样本释放的挥发物。通过光谱比对，他们成功鉴定出氨气（NH₃）是羊肚菌菌柄腐烂病的关键标志性挥发物。然而，直接光谱检测对于病害早期释放的痕量氨气能力有限。为此，他们进一步引入了金属有机框架（MOF）富集增强技术，使用一种名为CuBTC的MOF材料选择性吸附并富集样本释放的氨气，然后结合衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱技术进行高灵敏度检测。基于富集增强后的光谱特征，他们运用化学计量学方法，建立了氨气的多变量线性回归（MLR）定量模型，以及基于支持向量机（SVM）的病害程度判别模型。

研究用到几个关键技术方法：1. 长光程FTIR光谱技术：采用带有20米长多反射光学气室（gas cell）的FTIR光谱仪，通过增加光程长度来增强对气体挥发物的检测能力，用于直接分析和鉴定病害挥发物。2. MOF富集增强ATR-FTIR光谱技术：使用CuBTC MOF材料在样本顶空富集挥发物，然后利用配备金刚石ATR（衰减全反射）附件的FTIR光谱仪直接对吸附后的MOF粉末进行光谱采集，无需复杂前处理，实现了对目标挥发物的选择性吸附和信号增强。3. 化学计量学建模：利用主成分分析（PCA）进行数据降维和可视化，并构建支持向量机（SVM）分类模型和多元线性回归（MLR）定量模型，用于病害程度的判别和氨气浓度的预测。

研究结果部分如下：

3.1. 菌柄腐烂病程度分析

研究人员通过观察羊肚菌菌柄的颜色变化（从健康的乳白色到后期的深褐色）并结合亮度值测量，将病害客观地划分为健康、早期、中期和晚期四个阶段，为后续光谱分析提供了明确的分类依据。

3.2. 基于长光程增强FTIR光谱的菌柄腐烂病挥发物分析

通过长光程FTIR系统直接测量，发现健康羊肚菌挥发物的光谱主要与二氧化碳和水蒸气有关。而在病害样本的光谱指纹区（800–1200 cm^-1），出现了两个特征峰（930.5和966.1 cm^-1），并与标准氨气光谱峰位吻合，从而确认氨气是菌柄腐烂病的主要标志性挥发物，且其信号强度随病害加重而增强。

?1 and 3000–4000 cm^?1, and (c) 800–1200 cm^?1.">

3.3. 基于MOF富集增强FTIR光谱的羊肚菌菌柄腐烂病检测

3.3.1. 羊肚菌挥发物的MOF富集增强FTIR光谱分析

使用CuBTC MOF富集结合ATR-FTIR检测后发现，吸附了病害挥发物的MOF光谱与空白MOF相比发生了显著变化，出现了多个新的特征峰或峰位移。这些变化与吸附标准氨气蒸气后的光谱变化一致，表明该技术能在复杂的病害挥发物环境中特异性传感氨气。

?1 and (c) 2800–3700 cm^?1; and FTIR spectral characteristics of volatiles from healthy, early, mid-term, and late stages of disease with enrichment times of (d) 0.5 h and (e) 1 h in the region of 900–980 cm^?1.">

3.3.2. 富集时间优化

通过比较不同富集时间下病害样本在931和946 cm^-1处特征峰的变化，确定1小时为能有效区分所有四个病害阶段的最佳富集时间。

3.3.3. 菌柄腐烂病的定性预测

基于CuBTC富集增强光谱信息，利用PCA（主成分分析）和SVM（支持向量机）对四个病害阶段进行定性分析。SVM建立的判别模型能够有效区分健康、早期、中期和晚期病害，五折交叉验证的平均识别准确率达到98.75%。

3.3.4. 菌柄腐烂病标志性挥发物的定量预测

选取与氨气含量密切相关的五个特征峰强度，建立了氨气的MLR（多元线性回归）定量模型。该模型在0–320 ppm浓度范围内表现出优异的线性关系，决定系数（R²）为0.99，检测限（LOD）低至1.45 ppm。应用该模型预测不同病害阶段的氨气含量，发现从健康到晚期，氨气平均浓度从3.81 ppm急剧上升至237.06 ppm，与病害严重程度高度相关。

结论与讨论部分归纳：

本研究成功探索了利用增强FTIR光谱技术检测羊肚菌菌柄腐烂病的可行性。核心结论是：氨气被鉴定为该病害的标志性挥发物；长光程增强FTIR技术可用于直接分析和鉴定该挥发物；而MOF（CuBTC）富集增强ATR-FTIR技术则能实现对痕量氨气的特异性选择和早期检测，显著提升了检测能力。

基于此，研究建立了两个实用模型：一是用于预测氨气含量的多元线性回归定量模型，能够有效评估不同病害阶段的氨气释放水平；二是基于支持向量机（SVM）的病害程度判别模型，对健康、早期、中期和晚期四个阶段的识别准确率高达98.75%。这些结果表明，挥发性增强FTIR技术为羊肚菌菌柄腐烂病提供了一种灵敏、快速且非破坏性的检测方法。

这项研究的意义在于，它将先进的光谱增强技术、纳米富集材料与化学计量学算法相结合，为农业和食品领域中的病害早期诊断开辟了一条新路径。该方法有望从实验室走向田间，实现对羊肚菌病害的现场快速筛查，为病害的精准防控和羊肚菌的品质保障提供重要的技术支撑，从而助力该高价值产业的健康可持续发展。