综述：用于检测牛奶中食源性病原体的光谱技术的最新进展：综述

《International Dairy Journal》：Recent Advances in Spectroscopic Techniques for Detecting Foodborne Pathogens in Milk: A Review

食品病原体检测技术综述：系统分析了红外、拉曼、荧光及成像光谱技术在牛奶中沙门氏菌、大肠杆菌等病原体检测的原理与应用，指出红外灵敏度低、拉曼信号易受干扰、荧光背景噪声大及HSI计算复杂等瓶颈，提出多光谱融合、便携设备开发与AI解析模型为突破方向。

　　

彭安|李婷婷|于浩楠|刘新怡|马海燕|朱宁|张忠雄|王松雷

宁夏大学食品科学与工程学院，中国银川750021

摘要

食源性病原体是导致牛奶安全事件的主要原因，因此快速检测对于保障乳制品的质量和安全至关重要——这引起了消费者、政府监管机构和食品行业的日益关注。传统的微生物检测方法由于处理时间较长、成本较高以及操作复杂而受到限制，无法用于在线快速筛查。相比之下，光谱技术凭借其快速性、非破坏性和在线检测能力的固有优势，已成为检测食源性病原体的重要研究方向。本文全面总结了牛奶中常见食源性病原体的污染情况，阐述了四种关键光谱技术（即红外光谱（IR）、拉曼光谱（RS）、荧光光谱（FS）和高光谱成像（HSI）的检测原理，并详细介绍了它们在检测代表性病原体（如沙门氏菌属、单核细胞增生李斯特菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）方面的最新进展。最后，本文指出了这些技术在检测食源性病原体时存在的技术瓶颈，包括红外光谱的灵敏度不足（归因于复杂牛奶基质中的分子吸收较弱）、拉曼光谱的信号不稳定（由基质诱导的荧光加剧）、荧光光谱的背景噪声以及高光谱成像的计算复杂性（与高维数据处理相关）。此外，本文还提出了有前景的发展途径，如结合互补的光谱技术、开发微型化且经济可行的便携式检测器以及强大的基于人工智能的光谱数据分析模型，为该领域的基础研究和工业应用提供指导。

引言

食物是人类生存的基本需求，食品安全是其根本前提——这是一个与社会和生计密切相关的重要问题，与公共卫生和福祉息息相关。世界卫生组织（WHO）的一份报告显示，全球每年约有10%的人口因食用受污染的食物而患病（Gao等人，2024年）。金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌属、单核细胞增生李斯特菌、弯曲杆菌属和副溶血性弧菌是最常见的具有临床意义的食源性病原体（Shi & Kang，2024年）。这些病原体会污染牛奶，并通过复杂的全球贸易链对数百万消费者造成疾病风险，严重损害公共卫生和食品安全。因此，迫切需要先进的食品检测技术来提高牛奶中食源性病原体的检测能力，确保食品安全。

由牛奶中的食源性病原体引起的食品安全问题已成为全球公共卫生的关键焦点，促使研究人员在相关病原体检测领域展开广泛研究（Li等人，2024年；Song等人，2022年；Zhang等人，2019年）。除了传统的细菌培养鉴定和生化检测方法外，还采用了酶联免疫吸附测定（ELISA）、流式细胞术和聚合酶链反应（PCR）等微生物技术来检测食源性病原体（He等人，2020年；Zhai等人，2023年）。然而，这些方法通常存在操作繁琐、处理时间较长、依赖昂贵设备以及需要专业人员的局限性，无法满足实际生产和检测需求。光谱技术由于其高灵敏度、快速性和非破坏性的固有优势，以及适用于现场检测的特点，受到了研究人员的广泛关注，并已在环境科学（Peng等人，2022年）、食品安全（Mei等人，2021年）和材料科学（Wang等人，2025年）等领域得到广泛应用。特别是红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱和高光谱成像能够通过快速获取样品的特征波长数据来有效预测食品质量属性，并在病原体检测中表现出高效的在线性能（Li等人，2025年）。由于不同的光谱技术基于不同的原理，每种技术在应用于特定样品类型时具有独特的优势和局限性，因此选择合适的方法进行食源性病原体检测至关重要（表1）。拉曼光谱能够揭示目标样品的分子组成，具有高特异性和低水干扰敏感性，是检测完整细菌细胞的有效工具。Meisel验证了拉曼光谱在检测牛奶中食源性病原体的适用性，此外，研究人员还在探索将拉曼光谱与纳米粒子结合以提升检测性能的创新方法（Meisel等人，2014年）。荧光光谱也是一种快速且非破坏性的分析技术，能在几秒钟内提供包含物理化学和结构信息的光谱特征，这些信息可通过多变量方法用于表征目标牛奶样品。然而，荧光光谱容易受到局部分子环境中的抑制剂、荧光团之间的短程相互作用以及各种环境因素的影响，从而导致准确度降低（Yuan等人，2025年）。此外，红外光谱中的近红外（NIR）和中红外（MIR）光谱数据能够提供关于牛奶中水分、蛋白质和脂肪的丰富复杂信息，是检测牛奶中食源性病原体的强大工具。上述光谱技术（如NIR、RS）是成熟的非侵入性分析方法，但它们都基于点扫描，因此无法提供牛奶检测的空间数据——这是高光谱成像（HSI）能够解决的局限性（Pu等人，2019年）。

从牛奶安全检测的角度来看，本文介绍了红外光谱（NIR、MIR）、拉曼光谱（自发拉曼散射、表面增强拉曼光谱SERS；尖端增强拉曼光谱TERS；相干反斯托克斯拉曼散射CARS；拉曼化学成像RCI）、荧光光谱（稳态荧光光谱SSFS；三维荧光光谱3DFS；荧光共振能量转移FRET；X射线荧光光谱XRF；同步荧光光谱SFS）、高光谱成像（HSI）和高光谱显微成像（HMI）的检测原理（图1）。它回顾了这些技术在牛奶中检测食源性病原体中的应用，并展望了该领域的现有挑战和未来发展趋势。

沙门氏菌

沙门氏菌是导致全球发病率和死亡率的主要肠道病原体之一。这种人畜共患病通过肉类、鸡蛋和乳制品等食品的污染传播，估计每年导致2亿至10亿例感染——其中9300万例为胃肠炎，15.5万人死亡（Pan等人，2025年）。沙门氏菌细胞壁的主要成分之一内毒素具有耐热性，即使在牛奶中也可能长期存在。

用于检测牛奶中食源性病原体的光谱技术：原理与应用

光谱分析在检测牛奶中的食源性病原体方面具有巨大的应用潜力，因为处理和分析光谱数据可以可靠地区分受污染和未受污染的牛奶样本，准确量化食源性病原体的含量，从而实现高效的质量控制和安全测试，具体应用详见表2。

挑战与未来展望

尽管许多研究报道了光谱技术在检测牛奶中食源性病原菌方面的应用前景，但仍有一些因素限制了其实际应用。（1）牛奶中丰富的蛋白质、脂肪和其他成分会产生强烈的背景信号，严重妨碍了对微量病原菌（通常低于10^2 CFU/mL）的准确识别。检测灵敏度和复杂的基质干扰相互制约。

结论

总之，光谱技术凭借其快速性、非破坏性和在线批量检测的独特优势，已成为牛奶中食源性病原菌检测领域的重要研究方向。红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱和高光谱成像各自具有不同的特点，在成分筛查、超高灵敏度等方面展现出独特的优势和应用潜力。

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朱宁：可视化处理。张忠雄：撰写——审稿与编辑。王松雷：撰写——审稿与编辑。李婷婷：撰写——审稿与编辑。于浩楠：实验研究。马海燕：实验研究。刘新怡：实验研究。彭安：撰写——初稿

未引用的参考文献

Fengnü等人，2014年；He等人，2017年；He和Sun，2015年；Liu等人，2021年；Liu等人，2017年；Mustafa等人，2025年；Shi等人，2025年；Sola-Larra?aga和Navarro-Blasco，2009年；Wang等人，2021年；Wang等人，2025年；Yang等人，2021年；Zaika，2001年；Zhang等人，2023年；Zizhu等人，2017年；Zhou等人，2011年。

符合伦理标准

作者未进行任何涉及人类参与者或动物的原始实验，因此无需相关的伦理批准。

数据可用性声明

本综述未生成新的数据。支持本文结论的数据来源于公开可用的研究或数据集，这些研究或数据集已在参考文献中引用并详细描述。读者可以通过原始出版的补充材料或相关研究作者指定的数据存储库获取这些数据。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

资助

本研究得到了宁夏自然科学基金（2024AAC03111）项目的支持。

利益冲突声明

?作者声明他们没有可能影响本文工作的已知竞争性财务利益或个人关系。 ?作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的竞争性利益：

致谢

本研究得到了宁夏自然科学基金（2024AAC03111）项目的支持。