倪永生|庞大正|李浩然|周钢华|李玉萌|姚永祺|徐宝才
合肥工业大学食品与生物工程学院，中国安徽省合肥市230601
摘要
产孢细菌是常见的食源性病原体，以其耐热性和形成孢子的能力而闻名，这使得它们难以被消灭。它们的存在对食品安全和保质期构成威胁。传统的检测方法通常耗时、劳动强度大且灵敏度不足。因此，开发快速、准确且实用的检测策略对于食品工业应用至关重要。本文综述了四种代表性产孢细菌（枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、产气荚膜梭菌和肉毒梭菌）的快速检测的最新进展。评估了五种检测方法：基于基因扩增的、基于蛋白质的、基于理化性质的、多重检测系统以及人工智能增强的检测系统。还分析了这些快速检测方法之间的共性，包括特异性分子识别、信号放大、结果可视化、基质效应和样品预处理等方面。这些检测方法在食品安全监测中具有广泛的应用潜力，有助于推动下一代产孢细菌检测平台的发展。
引言
产孢细菌广泛分布于土壤、水、空气和动物肠道中，其中一些对食品安全和人类健康构成重大风险。其中，枯草芽孢杆菌属和梭菌属的物种尤为值得关注。例如，枯草芽孢杆菌可引发呕吐和腹泻综合征，导致急性胃肠道疾病。这类疾病经常被误诊或归因于其他原因，从而低估了其实际发病率（Li等人，2024年）。
除了具有产毒潜力外，产孢细菌还表现出极强的耐热性、耐辐射性、耐化学消毒剂性、耐干燥性和耐pH值变化的能力。破坏营养细胞的不良条件往往无法使孢子失活，使它们能够在食品和加工环境中持续存在，并在条件适宜时萌发为具有代谢活性的营养细胞（Busch等人，2022年；Ye等人，2024年）。这些生物学特性使得产孢细菌难以控制，凸显了及时准确检测策略的必要性，以有效管理食品安全。
传统的检测方法，如培养技术、染色、显微镜计数、生化检测和血清学测试，耗时且劳动强度大，通常受到复杂程序和长检测时间的限制（Xing等人，2023年）。与其他病原体相比，产孢细菌带来了独特的分析挑战。细菌孢子体积小，形态变化有限，使得用常规显微镜或培养方法难以快速区分（Farag等人，2021年）。在孢子状态下，细胞处于代谢休眠状态，并被多层包膜包围，核心水分含量极低。这些结构赋予了它们极强的化学和物理抵抗力，大大降低了裂解酶和分析探针的渗透性（Fan等人，2024年）。因此，核酸和其他内部生物标志物得到良好保护，使得孢子比营养细胞更难裂解和检测。相比之下，快速鉴定方法更快、更具成本效益且通常更可靠，使其在现实应用中越来越有价值。常见的技术包括传感器、PCR、免疫测定和光谱学，每种方法在特定检测场景下都有其独特优势。
目前，针对典型食源性产孢细菌的快速检测研究正在稳步推进，特别是针对四种代表性物种：枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、产气荚膜梭菌和肉毒梭菌。选择这四种细菌是基于它们在公共卫生负担、经济影响、毒素类型和生理特性方面的典型性和互补性。蜡样芽孢杆菌和产气荚膜梭菌是常见的食源性疾病原因，每年导致大量病例（Fox等人，2020年；Wang等人，2025年；Wu等人，2025年）。对于畜牧业而言，由产气荚膜梭菌引起的坏死性肠炎每年造成的经济损失估计在20亿至60亿美元之间（Liu等人，2023年）。它们经常导致产品召回和相关经济损失，突显了其在流行病学和监管方面的意义。枯草芽孢杆菌广泛应用于发酵和益生菌领域，但其高度耐热的孢子常常导致乳制品变质，从而造成质量下降和经济损失（Moschonas等人，2021年）。此外，枯草芽孢杆菌还具有产生呕吐毒素的潜力，使其成为研究孢子抗性和与变质相关的毒素形成的重要模式生物（Jeyaraman & Eltzov，2025年）。相比之下，肉毒梭菌产生的肉毒神经毒素是已知最致命的生物毒素之一，即使在极低污染水平下也能导致致命的肉毒中毒（Kumar等人，2022年）。总体而言，这四种细菌包括好氧和厌氧类型，具有多种致病机制，从呕吐毒素到神经毒素不等，危害形式从食品变质到急性中毒不等。它们共同为分析食品系统中产孢细菌的检测挑战和控制要求提供了广泛的框架。尽管已有研究探讨了单个物种，但尚未有全面涵盖所有四种细菌并比较检测机制的综述。本文系统总结了这些病原体的快速检测进展，包括检测原理、新兴技术和机制比较（见图1）。此外，本文还比较了不同方法的检测机制、灵敏度、特异性和现场适用性，以支持开发高效且广泛适用的产孢细菌检测策略。
典型产孢细菌
在孢子形成过程中，营养受限的营养细胞会进入一个特定的发育程序。这一过程由主调控因子Spo0A及其下游基因网络的激活控制（Vidic等人，2020年）。形态变化从正常生长的细胞开始，经过I期和II期，不对称分裂产生两个部分：较小的前孢子和较大的母细胞。在III期，前孢子被母细胞吞噬
基于基因扩增的检测系统
这些系统通过检测细菌独特的遗传特征，扩增其特征DNA序列以高特异性揭示其存在。基于基因扩增的检测方法应在分析前促进孢子萌发为营养细胞。否则，裂解或正在形成孢子的细胞可能导致假阴性结果。
基于理化性质的检测系统
大多数基于理化性质的检测系统不需要孢子萌发，因为它们测量的是孢子本身的理化特征。然而，依赖代谢热、氧气消耗或阻抗变化的理化方法本质上需要孢子萌发和生长。休眠的孢子处于代谢不活跃状态，因此无法在这些系统中产生可检测的信号。
分子识别
检测的精确性源于系统组件与细菌独特生物标志物之间的高度选择性相互作用，如抗体-抗原结合、酶-底物相互作用、适配体-目标识别和核酸杂交。典型的生物标志物包括DPA、肠毒素基因、唾液酸酶和肉毒神经毒素。其他目标，如螯合二吡啶酸、挥发性有机化合物和细胞裂解物，也为检测提供了进一步的可能性
结论与展望
本文总结了枯草芽孢杆菌、蜡样芽孢杆菌、产气荚膜梭菌和肉毒梭菌的快速检测策略，为未来研究提供参考：
(I)总体评估：PCR或实时PCR、等温扩增和免疫测定已显示出对食源性产孢细菌的良好实用性能。在适当条件下，这些方法的检测限通常为每毫升或每克10至10^2 CFU，并且可以在几小时内提供结果
CRediT作者贡献声明
倪永生：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、资源准备、方法学设计、实验设计、概念构建。
庞大正：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、概念构建。
李浩然：验证、实验设计。
周钢华：实验设计。
李玉萌：实验设计。
姚永祺：验证。
徐宝才：资源准备、实验设计。
资助
本研究得到了宁夏回族自治区重点研发计划（项目编号：2023BCFO1041）、合肥工业大学人才引进启动基金（项目编号：1-020-03712022048）、安徽省博士后科学研究计划基金（项目编号：2024C945）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：PA2025GDSK0094；PA2025GDGP0026）的资助。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
