基于食品安全快速檢測的“探究式”通識教育設計與實踐

陳超 李志鵬 柯明劍 劉志明

摘要：以“探究式”為中心的通識教育可以有效地幫助學生自主學習，拓展知識面，增加實踐技能。因此，本文以社會普遍關心的食品安全問題為切入點，構建了基于食品安全快速檢測的“探究式”通識教育微型平臺。該平臺包括利用基因芯片生物技術的“食源”性致病微生物快速鑒定和利用抗原抗體免疫反應原理的食品毒性物質快速檢測兩個模塊。另外，平臺實踐系統的“開放性”設計可適應學生自主創新的深入學習、拓展通識教育廣度，“微型”設計可降低設備的成本并滿足偏遠不發達地區的“探究式”通識教育需求。

關鍵詞：探究式；通識教育；食品安全；微型平臺

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）27-0127-03

一、引言

隨著當前科學技術的迅猛發展，通識教育領域越來越關注如何有效地激發學生的學習主動性，提高學生認識問題的深度，并養成自主不斷地拓展認識領域的習慣。解決實際問題的學習方法配合傳統和現代的科學實踐手段對激發學生的學習興趣，加強學習主觀能動性，改善教學質量有明顯作用，是實現上述目標的有效解決方案。例如，食品安全問題事關國計民生、社會和諧，但近年來因環境污染、農業不適當操作、加工儲藏不規范、微生物侵入食品供應鏈等引發的食品安全重大問題時有發生。

二、構建“探究式”通識教育的興趣元素

從教育心理學的角度來說，興趣是一個人傾向于認識、研究獲得某種知識的心理特征，是可以推動人們求知的一種內在力量。在當今“應試”教育體系下，如果所支出的時間成本和經濟成本不太高的情況下，當學生認識到某一處知識體系的實踐能夠對身邊的人群產生影響，而且周圍人群的反饋同時存在迫使其進一步提高實踐水平、拓展知識體系的客觀要求時，這種興趣才有可能成為“探究式”學習的根本原因，才有可能獲得學生、家長及社會的普遍認同，進而促進“探究式”學習不斷發展。因此，“探究式”通識教育的興趣元素必須構建在與實際問題緊密相關，通過一定的先進技術手段能夠實現，且耗時較少的探究實踐基礎之上。本文構建的快速食品安全檢測微型平臺就是針對上述基礎設計的檢測主題。

（一）食源性病源微生物檢測

據衛生部2011年度全國食物中毒報告統計，全國食物中毒類突發公共衛生事件報告189起，中毒8324人，死亡137人，涉及100人以上的食物中毒事件9起，重大食物中毒事件2起。其中，微生物性食物中毒事件的報告起數和中毒人數最多，分別占總數的41.27%和61.67%，主要是由于食品儲存、加工環節操作不當導致食品變質或受污染。由病源性微生物引起的食源性疾病中，細菌及其產生的毒素是最常見的原因，其次是病毒、真菌。常見的致病細菌有沙門菌屬、致病性大腸桿菌、志賀菌屬、空腸彎曲菌、副溶血性弧菌、單核細胞增多癥李斯特菌、金黃色葡萄球菌、肉毒梭狀芽孢桿菌、霍亂菌、小腸結腸炎耶爾森菌等。本文設計的食品安全快速檢測微型平臺利用基因芯片技術，能夠同時檢測上述10種細菌是否存在于食品當中，可從“探究式”學習的角度解決監控細菌性污染食品這一實際問題，從而較充分的激發學生的原始學習興趣。

（二）“地溝油”毒性物質檢測

“地溝油”對于人體最大的危害主要是其含有黃曲霉毒素，黃曲霉毒素是一類真菌毒素，至今已發現B1、B2、G1、G2、M1、M2、P1、Q1、H1、GM、B2a、G2a及毒醇等20余種結構類似物，其中黃曲霉毒素B1的致癌性、毒性最強。黃曲霉毒素不但存在于“地溝油”中，即使一些直接以豆類、花生為原材料生產的植物性油脂中，如果糧食原材料儲藏、運輸不當，生產的植物油脂同樣有可能會被黃曲霉毒素B1污染，因此鑒定油脂中是否含有黃曲霉毒素B1對于監控有害“地溝油”是否進入人類食品供應鏈，或者購買的調和油、花生油等常見植物油脂是否具有潛在的致癌危害具有重要意義。本文設計的食品安全快速檢測微型平臺利用“膠體金標記免疫層析技術”能夠快速檢測油脂中黃曲霉毒素B1，可充分激發學生探究其所能獲得的油脂中的毒性物質，從而激發主動學習興趣。

三、構建“探究式”通識教育的專業深度

（一）生物芯片技術

該技術利用分子間特異性相互作用的原理，在厘米見方的芯片上集成成千上萬與生命相關的信息分子，甚至將生命科學領域中不連續的分析過程微縮在硅芯片或玻璃芯片表面，從而形成微型生物化學分析系統，以實現對有機小分子、核酸、蛋白、細胞及其他生物組分準確、快速、高通量的測試與分析。由于該技術可以將極其大量的探針同時固定于支持物上，從而實現一次性對大量生物分子的檢測分析，解決了傳統核酸、免疫印跡雜交技術操作復雜、檢測目的分子數量少、自動化程度低、低通量等不足，是“高通量”、“快速檢測”在食品安全領域應用的最前沿研究熱點之一。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以將生物芯片劃分為基因芯片、多肽芯片、蛋白質芯片、細胞芯片和組織芯片等。生物芯片技術可用于DNA序列鑒定、基因差異性表達檢測、突變點分析以及單核苷酸多態性（SNP）分析等，廣泛應用于遺傳病、傳染病檢測、癌癥等多種疾病的生物學研究和臨床診斷中。本文涉及的生物芯片為基因芯片檢測，學生在掌握基本操作后，不僅可以理解基因芯片的基本原理，更能直接利用該技術監控周圍“食源”性致病細菌的潛在危害，從而積極探索該領域的專業知識體系（圖1），甚至獨立開發新的應用芯片。

（二）膠體金標記免疫層析技術

膠體金標記免疫層析技術（colloidal gold immunochromatographic assay，簡稱ICG）是近幾年在國內外興起的一種固相標記免疫鑒定技術，主要是在紙層析基礎上，將膠體金作為示蹤標記物，利用抗原抗體特異性相互作用，對目的蛋白（抗原或抗體）進行定位從而達到對其定性、定量的檢測目的。氯金酸在還原劑（如白磷，枸櫞酸鈉，鞣酸，抗壞血酸）的作用下，可以聚合成特定大小的金顆粒，在靜電作用下成為穩定的膠體體系，成為膠體金。膠體金所帶負電荷可與蛋白質分子（或其他有機分子）的正電荷基團靜電結合，從而可以與酶、抗生素、激素、糖蛋白等多種物質進行非共價結合。膠體金具有的一些物理特性，如高電子密度、顆粒大小、顏色反應等，使膠體金標記技術廣泛地應用于免疫學、組織學、病理學和細胞生物學等領域。

膠體金標記免疫層析法的原理是：將特異性的有機小分子抗原藕聯BSA后以條帶狀固定在膜上，膠體金標記試劑（金標記抗體）吸附在結合墊上；當待檢樣本加到試紙條一端的加樣孔后，通過毛細作用向前移動，與溶解在結合墊上的膠體金標記試劑發生反應后，繼續沿著試紙條向前移動，當遇到固定有小分子抗原藕聯BSA的條帶后，膜上固定的有機小分子將和待檢樣本中的目的小分子競爭結合膠體金標記的抗體，從而在檢測帶上顯現出顏色，從而實現特異性的免疫檢測。該法使用十分方便，但是所涉及的專業知識比較多（圖2），其操作流程可歸納為以下幾個方面：膠體金的制備，膠體金的標記，膠體金標記后的純化，試紙條的組裝等，但是其核心關鍵技術是相應抗體的獲得。因此，在專業拓展上，可適當引入多克隆抗體的制備，而這一技術可涵蓋大部分的分子生物學核心技術，有利于學生從通識教育領域向專業領域主動深化，培養濃厚的科學興趣。

四、構建“探究式”通識教育的實踐手段

（一）生物芯片實驗方法

生物芯片檢測食源性微生物的主要技術路線如圖3所示，其主要技術原理為：利用已有的待檢測微生物的基因組序列信息，特別是更為完整的16s rRNA基因序列數據庫，分析各種微生物的特異的DNA序列，設計特異性探針并預先固定到生物芯片的相應位置上（圖4A）。同時根據側翼的共同序列部分設計通用引物，并事先在引物的5′端標記生物素（Biotin）。標記完成后的PCR產物變性后與芯片上相匹配的探針序列發生雜交，在雜交后生物素與鏈親和素-堿性磷酸酶復合物（Stripavitin-AP）反應，生成新的復合物：Biotin-Stripavitin-AP，后者發生如下的顯色反應從而得到識別（圖4B、C）：

Biotin-Stripavitin-AP+BCI-P→BCI-OH+Pi（pH7.5）

BCI-OH+NBT→藍紫色沉淀

式中：BCIP代表5溴-4氯-3吲哚磷酸；NBT代表硝基四氮唑藍。

生物芯片檢測過程較為復雜，本文所述基因芯片檢測技術，不需復雜儀器，其中的PCR實踐內容除可用專業的PCR儀器完成外，利用簡單的恒溫箱或水浴鍋，配合微型平臺內提供特殊的酶，也可在恒溫中進行等溫PCR擴增。芯片雜交顯色步驟也只需一般的恒溫箱就能實現（在室外，溫度計配合溫水就可以實施）。生物芯片這一最具前沿的生物科學現代技術，可通過微型平臺向各類學生展示它在食品安全方面的應用，并深入拓展學生的通識領域和通識深度。

（二）膠體金標記免疫層析方法

膠體金標記免疫層析試紙條由樣品墊（吸水紙）、吸水玻璃纖維、硝酸纖維素膜、余液吸收墊（吸水紙）、底板（塑膠板）紙四部分組成。作為樣品墊的吸水紙剪切為長寬均為0.7×0.5 cm的長方形小片。余液吸收墊（吸水紙）剪切為長1.5 cm，寬0.5 cm的矩形小條。將樣品墊、吸水玻璃纖維、硝酸纖維素膜和余液吸收墊依次粘貼于5.0 cm×0.5 cm塑膠板表面制成金標-AFB1免疫層析試紙，除硝酸纖維素膜和余液吸收墊重疊區為3 mm外，吸水玻璃纖維和樣品墊及硝酸纖維素膜的重疊區均為2mm，試紙條組裝后，套上塑料外殼，分別用含有黃曲霉毒素B1、M1以及玉米赤霉烯酮標準溶液，濃度分別為0、10、30（ng/ml），進行特異性檢測，典型實驗結果如圖5。膠體金標記免疫層析試紙結合了義務教育中的物理、化學、生物知識，三者完美的統一成為現代醫學快速診斷、食品快速檢測的“金標”試劑的核心基礎，而正是這一技術基礎廣泛的應用，使其成為學生最直接的可操作的通識媒介。

五、結語

“開放性”實驗是本文食品安全檢測微型平臺的靈魂，在提供食源性微生物基因芯片檢測的同時，微型平臺內還提供空白基因芯片試劑，使用者可根據需要制作任何自己感興趣的低通量生物芯片，例如人體癌癥SNP突變芯片，白血病融合基因檢測芯片等；在膠體金標記免疫層析方法中，提供了空白的試紙條組裝原材料，使用者可制備檢測瘦肉精，農藥殘留的金標試紙條。在食品安全快速檢測的“探究式”通識教育微型平臺上，學生可不拘泥于課堂實驗時空的限制，通過平臺拓展，既能滿足學生通識教育的需要，又能提高學生的動手能力、設計能力、分析與解決問題的能力。2012年12月本文所提出的基于食品快速檢測的“探究式”通識教育設計經非生物學、化學專業的大一本科生試用后，問卷調查結果顯示，學生對實踐操作檢測食品安全的反應良好。通過實踐，既能協助學生進行“探究式”生物學通識學習，獲得相關食品安全知識，也能深入了解生物工程學科專業體系，并對現代科學技術的發展有了深入了解，而且所花費的時間不多，對其自身專業學習不構成影響。因此，本課題組還將進一步推廣基于食品快速檢測的“探究式”通識教育到中學教育中，以便更好地為中學通識教育服務。

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