《Applied Food Research》：Closed-loop VOC profiling as a proof-of-concept screening approach for pathogen activity in liquid egg and ground beef
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为了应对食品工业对快速、非侵入式病原体早期检测技术的迫切需求，本研究创新性地采用闭环挥发性有机物收集系统结合气相色谱-质谱联用技术，成功地在液体全蛋和绞碎牛肉这两种高风险的食品基质中，于短时间内捕获并区分了由特定病原体（分别为肠炎沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7）代谢产生的、高度依赖基质的特征性VOC指纹图谱，为开发基于VOC的实时食品安全筛查工具提供了有力的概念验证和技术基础。
每年，全球有数亿人遭受食源性疾病的困扰，其中沙门氏菌和大肠杆菌等病原体引发的疫情尤为常见，给公共卫生和经济带来沉重负担。食品工业面临的挑战在于，传统的微生物检测方法，如培养法和聚合酶链式反应（PCR），虽然精准，但通常耗时较长，无法满足生产线上快速决策的需求。于是，科学家们将目光投向了由微生物代谢产生的“化学信号”——挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，简称VOCs）。这些微小的分子，就像病原体在食品中“呼吸”和“生长”时散发的独特气味指纹，如果能被快速捕捉和解读，或许就能成为预警污染的“哨兵”。
发表在《Applied Food Research》上的这项研究，正是为了验证这一设想。研究人员选取了两种监管和工业层面都极为重要的高风险食品：富含蛋白质的液体全蛋和富含脂质的绞碎牛肉。它们分别是肠炎沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7的常见传播媒介。研究核心问题是：在真实的、化学成分复杂的食品体系中，病原体的早期生长是否会产生可重复的、且强烈依赖于食品基质本身的VOC特征谱？能否利用这些特征在短时间内（如6小时内）将受污染的食品与未受污染的对照品区分开来？
为了回答这些问题，研究团队主要运用了三大关键技术方法。首先是闭环顶空气体收集系统，这是一个定制化的装置，使用特氟龙管路和特定吸附剂陷阱，以封闭循环的方式高效捕集样品顶空中稀薄的VOCs，最大限度减少挥发损失和环境干扰。其次是气相色谱-三重四极杆质谱联用技术，用于对收集到的VOCs进行高灵敏度的分离与鉴定。最后是严格控制的病原体接种与样品制备流程，研究使用标准菌株，在生物安全柜内操作，将病原体接种到经过无菌处理的液体鸡蛋或绞碎牛肉中，并设置未接种的对照，以确保检测到的VOCs源自病原体代谢而非食品本底。
研究结果清晰地展示了不同基质中独特的VOC“指纹”。
3.1. 液体鸡蛋中肠炎沙门氏菌的VOC谱分析
在接种了肠炎沙门氏菌的液体鸡蛋中，研究人员发现了四种在未接种对照中完全检测不到的VOCs。其中包括两种可能源自氟化前体转化的1,1,2,2-四氟乙烷，以及一种与氨基酸（如赖氨酸）代谢途径一致的4-氨基-1-戊醇。尤为重要的是，其中两种VOCs在接种后短短2小时内即可被检测到。这些结果表明，肠炎沙门氏菌在鸡蛋的蛋白质和脂质环境中，启动了特定的氨基酸分解代谢和转化通路，产生了可用于早期识别的挥发性信号分子。
3.2. 绞碎牛肉中大肠杆菌O157:H7的VOC谱分析
在绞碎牛肉的实验中，情况更为复杂但同样具有规律性。接种大肠杆菌O157:H7后，共鉴定出13种在对照中未出现或强度极低的VOCs，其中8种在所有三个生物学重复样品中均稳定出现。在这8种候选生物标志物中，有6种因谱库匹配度低暂被标记为“未知”，这暗示了食品基质中可能催生了新颖的代谢产物。另外两种已鉴定的化合物则颇具启示性：2-溴十二烷和丁基羟基甲苯。前者可能与微生物对牛肉中长链脂肪酸的β-氧化及卤化反应有关；后者的出现则排除了包装污染的可能，提示可能是微生物代谢转化了牛肉内源的酚类抗氧化物质（如生育酚）所产生。这些VOCs的出现，深刻反映了大肠杆菌在富含脂质和蛋白质的牛肉基质中活跃的脂质氧化、蛋白质分解等代谢活动。
3.3. VOC生物传感器开发的局限性与转化意义
当然，这项概念验证研究也存在局限性，例如实验室条件与复杂商业环境的差异，以及多数VOC标志物结构尚未完全解析。然而，其转化潜力巨大。研究识别出的VOCs，如含氮、含氧化合物及卤代烃等，其化学性质适合被多种低成本传感器（如电化学传感器、金属氧化物半导体阵列）探测。早期VOC的出现为开发无需富集步骤的快速筛查设备提供了可能。研究明确强调，未来基于VOC的检测技术必须针对特定食品基质开发定制化的生物标志物组合，而非追求通用信号。
总结与讨论部分指出，这项研究成功证明，利用闭环VOC分析技术，可以在短培养期内有效区分受病原体污染的食品与对照品，并且VOC谱图强烈受食品基质化学组成的支配。在液体鸡蛋中，病原体活动关联于含氮和含氧的VOCs；在绞碎牛肉中，则关联于脂质和氨基酸衍生的VOCs。这证实了病原体相关VOC的形成是由基质组成和代谢通路可及性决定的，而非单一的微生物特征。尽管需要在更多菌株和条件下进行验证，但该工作为开发针对液体蛋和绞碎牛肉等高危商品的快速、非侵入式筛查工具奠定了坚实的化学与方-法学基础。它标志着VOC分析从实验室走向食品安全生产现场监控，迈出了关键的一步。
