牛奶微生物检测难题破解？新型纸条传感器来 “救场”

在全球奶制品产业蓬勃发展的当下，牛奶及奶制品的微生物安全问题备受关注。印度作为全球最大的牛奶生产国，产量占全球约 25%，全球牛奶产量在过去 30 年也显著增长，从 1992 年的 5.24 亿吨升至 2022 年的 9.3 亿吨。但牛奶富含营养，易滋生多种致病和致腐微生物，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等，这对食品加工行业和监管机构而言，如何精准快速检测微生物污染，保障奶制品质量安全，成为关键挑战。

传统的总平板计数（TPC）等微生物检测方法存在诸多弊端。像染色还原测试灵敏度低，结果易受牛奶氧化还原电位变化干扰；平板计数法操作繁琐、耗时长且材料需求大；非培养法虽快速，但依赖专业人员和昂贵设备，难以满足日常工业检测需求。在此背景下，印度农业研究委员会国家乳业研究所（ICAR-NDRI）的科研团队成功研发出一种基于聚苯胺-果胶（PANI-Pec）纳米粒子的纸质传感器，为牛奶及奶制品微生物检测带来新突破，相关研究成果发表于《Food Control》。

图 1：展示了 PANI-Pec 纳米颗粒的检测原理、粒径分布及 zeta 电位分布情况，为其在传感器中的应用提供基础依据。

该传感器的工作原理基于细菌在优化生长培养基中生长时，会利用碳水化合物产生酸性代谢物。这些代谢物与固定在纸条上的对 pH 敏感的 PANI-Pec 纳米粒子相互作用，通过质子掺杂增加其电导率，使聚苯胺从翠绿亚胺碱形式转变为翠绿亚胺盐形式，从而引发纸条颜色从蓝色变为绿色，以此检测细菌生长情况。

图 2：表明 500μL 为最佳样本体积，此条件下检测时间得到优化，检测效果更好。

图 3：通过绘制检测时间与细菌数量的标准校准曲线，显示二者强相关性，体现传感器检测细菌数量的高灵敏度。

科研人员首先对 PANI-Pec 纳米粒子进行合成与表征。通过特定方法制备出纳米粒子后，对其进行 FTIR 光谱、UV-Vis 光谱、电导率、粒径和 zeta 电位等多项检测。结果显示，合成的 PANI-Pec 纳米粒子平均水动力半径为 360±3nm，多分散指数为 0.229±0.002，zeta 电位为 +3mV，电导率为 \(2.41±0.02×10^{-4} S/cm\) ，这些特性表明纳米粒子尺寸均匀、分散性良好，适合用于传感器构建。

在传感器构建过程中，科研人员对多项关键参数进行优化。确定了激活 PANI-Pec 纳米粒子的葡萄糖最佳浓度为 2±0.5%，用于固定在纸条上的 PANI-PEC 溶液最佳浓度为 3±0.5mg/mL。同时，采用响应面法对细菌生长培养基进行优化，筛选出以酪蛋白酶水解物、酵母提取物、葡萄糖和氯化钠为成分的最佳培养基组合 GM-12，它能使传感器在较短时间内产生明显颜色变化。此外，将检测的最佳样本体积确定为 500μL，这一优化与 Neogen® Corporation 开发的 Soleris 系统原理相似，该系统通过监测液体生长培养基中 pH 变化引起的颜色改变来检测微生物。

图 4：对比 ISO、AOAC、MBRT 方法，展示 PANI-Pec 纸条传感器在偏差和线性方面的性能评估结果。

性能测试结果令人满意。该传感器灵敏度高，能在 30±2°C 下，4.5±0.15 小时内检测出牛奶中低至 4.0±0.15 log CFU/mL 的微生物。在对不同类型细菌的检测中，除需氧芽孢杆菌外，其他细菌都能在 1.5 - 4.5 小时内检测出。而且，该传感器对常见抗生素和洗涤剂等不敏感，但牛奶中若含有福尔马林和过氧化氢等防腐剂会抑制其性能。

图 5：对 PANI-Pec 纸条传感器进行统计学分析，体现其在准确性、偏差、线性和重复性等方面的性能。

经过与 ISO 4833 方法、AOAC 官方方法 990.122和亚甲蓝还原时间（MBRT）方法对比验证，PANI-Pec纸条传感器表现出色，准确性高达 93% 左右，偏差接近 0，线性度良好R²达 0.97 以上），精密度高，在不同奶制品检测中均展现出可靠性能。此外，该传感器在室温、4°C和-20°C下储存3个月仍能保持稳定，灵敏度和颜色强度与新制备时相似。

PANI-Pec 纸条传感器为牛奶及奶制品微生物检测提供了一种快速、经济且可靠的新选择，能有效应用于牛奶接收站（RMRD）等场所，对原奶和各类奶制品进行质量评估，在保障奶制品安全方面具有广阔应用前景。

参考文献：Saha S, Singh M, Prajapathi M, et al. Development and Evaluation of PANI-PecPaper Strip Sensor for Detection of Total Plate Count in Milk and Milk Products[J]. Food Control, 2025: 111397.