基于分子生物学技术的食品微生物检测研究

作者简介：刘佳丽（1989—），女，内蒙古呼和浩特人，本科，工程师。研究方向：食品检验检测技术。

摘 要：食品微生物检测是确保食品安全和公共健康的重要环节。分子生物学技术凭借其高灵敏度、高特异性和快速检测的优势，逐渐成为食品微生物检测领域的主流技术。本文概述了分子生物学技术的基本概念及其在微生物检测中的优势及常见的检测技术，探讨了这些技术在食品病原菌检测、食品腐败菌检测、食品中益生菌的检测与监控以及微生物群落分析中的具体应用，为食品行业的可持续发展提供了技术保障。

关键词：分子生物学；食品；微生物检测

Research on Food Microbial Detection Based on Molecular Biology Technology

LIU Jiali1， XU Peng2， LU Lihua1， WANG Haiyu1， SANG Shuang1

（1.Inner Mongolia Autonomous Region Product Quality Inspection and Research Institute， Hohhot 010010， China; 2.Inner Mongolia Jiaran Technology Co.， Ltd.， Hohhot 010010， China）

Abstract： Food microbiological testing is an important step in ensuring food safety and public health. Molecular biology technology， with its advantages of high sensitivity， specificity， and rapid detection， has gradually become the mainstream technology in the field of food microbiology detection. This article outlines the basic concepts of molecular biology technology， its advantages in microbial detection， and common detection techniques. It explores the specific applications of these technologies in food pathogen detection， food spoilage bacteria detection， detection and monitoring of probiotics in food， and microbial community analysis， providing technical support for the sustainable development of the food industry.

Keywords： molecular biology; food; microbial testing

随着食品生产和流通的全球化趋势日益加剧，食品安全问题已成为全球关注的焦点。平板培养、显微镜观察和生化鉴定等传统的微生物检测方法，虽然在微生物分类鉴定中发挥了重要作用，但存在检测周期长、灵敏度和特异性较低等问题，难以满足现代食品安全检测的需求。分子生物学技术的引入为食品微生物检测提供了全新的解决方案。分子生物学技术通过对微生物的遗传物质进行检测与分析，能够快速、准确地检测出食品中的微生物成分，其高灵敏度和特异性使得这些技术在食品微生物检测中具有明显优势。

1 分子生物学技术概述

1.1 分子生物学技术的基本概念

分子生物学技术在食品微生物检测领域的应用基于其对微生物生物学特性的深入理解和技术操作的精确性。分子生物学技术主要涉及对微生物的遗传物质进行特异性的识别和定量分析，从而快速准确地检测和鉴定食品样本中的微生物种类和数量。核心技术包括核酸的提取、扩增及其序列分析，这些步骤能够揭示微生物的种属、毒力因子和抗药性等关键信息。提取核酸是检测的初步步骤，其目的是从食品样品中提取出纯净的微生物脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）或核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）。聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）通过选择性地扩增特定的微生物DNA序列来提高检测的灵敏度。实时荧光定量PCR（Quantitative Real-time PCR，qPCR）进一步提供了定量数据，使得研究人员能够准确测定样品中微生物的数量，这对于评估食品的安全性和微生物污染的程度至关重要[1]。

1.2 分子生物学技术在微生物检测中的优势

分子生物学技术在食品微生物检测中的优势显著，主要体现在其能够提供快速、高灵敏度和高特异性的检测结果。分子生物学技术包括聚合酶链反应、实时荧光定量PCR、核酸杂交技术和下一代测序（Next-Generation Sequencing，NGS），它们通过直接分析微生物的遗传物质，极大地加快了识别过程，并能在无须培养的情况下检测到微生物的种类和数量。PCR技术通过特定的引物扩增目标DNA序列，大大缩短了从样品中检测微生物所需的时间，从而使检测周期从数日缩短至数小时。此外，实时荧光定量PCR技术利用荧光标记探针，在扩增过程中实时监测DNA含量的变化，不仅可以定性分析，还能精确定量，提供关于微生物载量的直接信息，这对于评估食品安全和控制生产过程中的微生物污染至关重要。

2 常见的分子生物学检测技术

2.1 聚合酶链反应

聚合酶链反应能在食品微生物检测中快速扩增特定的DNA序列，从而实现对微生物的精确识别和数量估计。该技术依赖于热稳定的DNA聚合酶，这种酶能够在反复的热循环中持续工作，不断地复制目标DNA片段。PCR过程主要包括变性、退火和延伸3个步骤。在变性步骤中，双链DNA通过加热解开成为单链，为下一步引物的结合提供条件。退火步骤是将温度降低，使得富含互补碱基的引物能够特异性地结合到目标DNA序列上。在延伸步骤中，DNA聚合酶则沿着引物扩展，合成新的DNA链。

2.2 实时荧光定量PCR

qPCR是基于传统聚合酶链反应技术的进一步发展，允许对特定DNA序列的复制过程进行实时监测与定量分析。该技术通过引入荧光标记的探针或染料，实现在DNA扩增过程中实时捕捉荧光信号的变化，从而精确测定目标DNA的初始量。qPCR技术因其高灵敏度、高特异性和快速响应而被广泛认可，特别适用于病原体的迅速检测和微生物污染水平的精确测量。qPCR的关键步骤包括引物设计、荧光探针的选择和热循环条件的优化。在每个扩增周期中，荧光信号的增强与DNA模板的数量成正比，可根据荧光强度的增长曲线来估测出样品中目标DNA的初始浓度[2]。

2.3 核酸杂交技术

核酸杂交技术用于检测和鉴定食品样品中特定的微生物DNA或RNA序列。这种技术依赖于互补核酸序列之间的自然结合能力，通过设计具有特定序列的探针与目标微生物的遗传物质进行特异性结合，从而实现对微生物的定性和定量。在食品微生物检测中，核酸杂交技术尤其重要，因为它可以在不需要培养微生物的情况下直接从复杂的食品基质中检测出特定的病原体和腐败微生物。核酸杂交的过程是将标记有荧光或放射性同位素的核酸探针引入到处理过的样品中。这些核酸探针是单链，能够与目标微生物的互补核酸序列结合形成双链复合物。此后，通过各种洗涤步骤去除未结合的探针，只有与目标序列成功杂交的探针会被保留在样品中。

2.4 基因组测序技术

在食品微生物检测领域中，基因组测序技术能够提供微生物种群的全基因组数据，从而实现对食品中存在微生物的精确识别和功能分析。该技术主要利用高通量测序平台，如下一代测序和第三代测序技术，进行大规模DNA序列的快速读取，使研究人员能在短时间内获取大量的遗传信息。基因组测序的应用不仅限于单一菌种的鉴定，能扩展至复杂微生物群落的多样性分析，包括病原体、腐败微生物以及益生菌等。基因组测序技术特别适用于病原体的溯源和食品污染的风险评估，能够迅速确定污染源和传播路径。此外，通过比较不同微生物的基因组，科研人员可以识别出特定的耐药基因或致病基因，从而在食品处理和储存过程中采取针对性的控制措施。

3 分子生物学技术在食品微生物检测中的应用

3.1 食品病原菌检测

分子生物学技术在食品病原菌检测中的应用提升了食品安全领域的诊断效率和准确性，这些技术能够精确识别和定量各种病原体，包括细菌、病毒和真菌等。其中，PCR技术因其较高的灵敏性和特异性，已成为检测食品中病原体的首选方法[3]。PCR能够扩增微量的DNA，即使是在食品加工和储存过程中数量极少的病原体，也能被迅速识别和定量。此外，qPCR技术增加了对病原体浓度的定量能力，使得不仅能够确认病原体的存在，还可以评估其在食品中的负载量，这对于食品安全风险评估至关重要。

为了更全面地监测食品安全，基因组测序技术，如下一代测序已被引入到食品病原菌的检测中。下一代测序允许对食品样本中所有微生物的DNA进行高通量测序，不仅可以识别出已知的病原体，还能够发现新型或未被充分研究的病原体。此技术的应用极大地增强了食品微生物检测的广度和深度，为食品行业提供了一个强大的工具来处理复杂的食品安全问题。此外，核酸杂交技术，特别是荧光原位杂交（Fluorescence in Situ Hybridization，FISH），通过特异性探针与病原体DNA或RNA的结合，能够在细胞层面直观地观察到病原体的分布，这种技术适用于食品加工环境中微生物污染的快速检测。

3.2 食品腐败菌检测

在食品微生物检测领域，分子生物学技术的应用已经显著提升了对食品腐败菌的识别和定量能力。食品腐败菌，通常是指能引起食品感官属性变化（如颜色、气味、味道和质地）的微生物，包括某些细菌、酵母和霉菌。这些微生物活动不仅导致食品品质下降，还可能产生对人体健康有害的代谢产物。传统的微生物检测方法往往依赖培养技术，这些方法耗时且有时难以检测到微生物污染的全貌。相对而言，分子生物学技术，如实时荧光定量PCR、核酸杂交技术，提供了快速、敏感和特异性高的检测方案。实时荧光定量PCR技术特别适合于检测特定种类的腐败菌，如产气荚膜梭菌和乳酸菌等，它们在食品储存期间能迅速繁殖并引起腐败。qPCR允许检测特定DNA序列，能够在几小时内定量分析样品中的微生物含量，这对于评估食品的保质期和制定合理的保鲜策略至关重要[4]。核酸杂交技术，尤其是荧光原位杂交也在食品腐败菌的检测中发挥了重要作用。

3.3 食品中益生菌的检测与监控

在食品科学领域，益生菌的检测与监控是确保食品功能性和安全性的关键环节，而分子生物学技术在此过程中发挥了至关重要的作用。益生菌，作为一类有益健康的活性微生物，常用于各类发酵食品中，如酸奶、其他益生菌补充食品。益生菌检测技术可以确保这些微生物的种属和数量达到足够的生物活性水平，从而保证其对人体的益处。

实时荧光定量PCR技术是益生菌检测中的一项核心技术，它允许精确量化特定益生菌的DNA，从而提供其在食品中的具体数量。通过设计特异性的引物和探针，qPCR能够区分和量化乳酸菌和双歧杆菌等关键益生菌。基因组测序技术，尤其是下一代测序提供了另一种强大的工具，用于益生菌的全面分析。下一代测序能够揭示食品中益生菌的完整基因组信息，这有助于识别其遗传多样性和潜在的健康促进特性。荧光原位杂交等核酸杂交技术同样适用于食品中益生菌的直接观察和定量[5]。

3.4 微生物群落分析

微生物群落分析在评估食品安全和质量控制方面起着至关重要的作用。高通量测序技术如下一代测序，已经成为分析食品中微生物群落结构和功能的关键工具。下一代测序允许同时从单一样品中测定成千上万的微生物基因组，提供了一种前所未有的方式来深入了解食品中存在的微生物多样性和其潜在的生物学活性。通过对食品样品进行宏基因组测序，研究人员可以获得未经培养的微生物群落的全面遗传快照，包括那些传统培养方法难以检测到的微生物。这种方法不仅揭示了微生物种类和数量，还能够分析微生物的代谢途径和抗性基因，这对于食品安全监管至关重要。此外，实时荧光定量PCR和荧光原位杂交技术也被用于目标特定微生物或微生物群落的检测。qPCR通过定量特定的微生物DNA序列来评估微生物群落中特定成员的相对丰度，而FISH技术则允许在微观层面上直观地观察这些微生物在食品基质中的空间分布。

4 结语

分子生物学技术为食品微生物检测提供了强有力的技术支持，其在食品安全保障中的应用前景广阔。随着分子生物学技术的不断发展和完善，将进一步提高食品微生物检测的灵敏度、特异性和检测效率，为确保食品安全提供更为科学、有效的手段。这不仅有助于提高公众对食品安全的信心，也为食品行业的可持续发展提供了技术保障。

参考文献

[1]杨颖.食品微生物检验内容与检测技术研究[J].中国食品工业，2024（9）：86-88.

[2]李伟宝，刘海霞.食品安全检测中微生物检测技术的应用[J].中国食品工业，2024（9）：107-109.

[3]李静.如何运用分子生物学进行食品微生物检测[J].中国食品工业，2022（1）：56-57.

[4]魏川川.分子生物学技术在病原微生物检验中的研究进展[J].中文科技期刊数据库（引文版）医药卫生，2022（3）：259-261.

[5]兰鸿珠，杨越，邢雪岩.病原微生物检验中分子生物学技术的运用探究[J].中文科技期刊数据库（全文版）医药卫生，2023（4）：172-175.