食品檢測(cè)中生物技術(shù)的研究進(jìn)展

黃曉云，黃永震，姜艷芬，郭抗抗，王晶鈺，張彥明，賀 花*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西楊凌 712100)

隨著人們食品安全意識(shí)的提高，人們對(duì)食品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，政府的監(jiān)管部門(mén)也對(duì)食品檢測(cè)技術(shù)不斷地進(jìn)行更新。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸落后于社會(huì)發(fā)展需求，因此在食品檢測(cè)當(dāng)中充分應(yīng)用現(xiàn)代科技手段以提高檢測(cè)結(jié)果的速度、準(zhǔn)確度和靈敏度是時(shí)代的需求。而將生物技術(shù)與食品檢測(cè)相結(jié)合，能夠很好地滿(mǎn)足這些要求，在大多數(shù)食品檢測(cè)機(jī)構(gòu)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。筆者介紹了在當(dāng)前食品檢測(cè)中應(yīng)用的幾種主要生物技術(shù)，分別是PCR技術(shù)、免疫技術(shù)、生物芯片技術(shù)和生物傳感器技術(shù)，這些技術(shù)相比傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)速度、靈敏度和準(zhǔn)確度更高，檢測(cè)應(yīng)用的范圍主要針對(duì)食品中的病原微生物，這些前沿生物技術(shù)的應(yīng)用為人類(lèi)的食品安全提供了可靠保障。

1 食品檢測(cè)中應(yīng)用生物技術(shù)的意義

在現(xiàn)代社會(huì)，保障食品安全、提高食品質(zhì)量都離不開(kāi)食品檢測(cè)。但是傳統(tǒng)的物理化學(xué)檢測(cè)手段有很大的局限性，比如物理檢測(cè)所需的儀器昂貴而且對(duì)環(huán)境和操作水平有一定的要求，這使得傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。隨著科技水平的不斷發(fā)展，生物技術(shù)在食品檢測(cè)中所具備的優(yōu)勢(shì)逐漸展露，并得到了大范圍的推廣與應(yīng)用，許多食品檢測(cè)部門(mén)已經(jīng)逐漸用生物檢測(cè)技術(shù)取代了傳統(tǒng)的物理化學(xué)儀器等檢測(cè)技術(shù)。

事實(shí)上，生物技術(shù)并不是將以往的物理化學(xué)檢測(cè)方式完全摒棄，而是將它們互相結(jié)合，綜合兩者的優(yōu)勢(shì)，從而得到簡(jiǎn)單、快速、靈活、準(zhǔn)確而又低成本的組合檢測(cè)方法。生物檢測(cè)技術(shù)能夠高效地檢測(cè)出食品中攜帶的病原微生物，從而為人們能夠購(gòu)買(mǎi)到安全的食品做出了極大的貢獻(xiàn)。不僅如此，生物檢測(cè)還可以精準(zhǔn)地檢測(cè)出食品中所殘留的農(nóng)藥，在很大程度上避免了安全隱患。生物科技在食品檢測(cè)中的運(yùn)用已經(jīng)得到了廣泛地認(rèn)可，占據(jù)的地位也越來(lái)越重要，為食品安全提供更全面更可靠的保障。

2 食品檢測(cè)中的主要生物技術(shù)

2.1PCR技術(shù)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction，簡(jiǎn)稱(chēng)PCR)，最早應(yīng)用在基因克隆上，因?yàn)槠洫?dú)特的微量和精度優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐與檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，食品檢測(cè)的關(guān)鍵在于對(duì)基因序列的檢驗(yàn)和遺傳因子的檢驗(yàn)，這也剛好符合PCR技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。PCR檢測(cè)技術(shù)主要分為常規(guī)PCR檢測(cè)、多重PCR檢測(cè)和熒光定量PCR檢測(cè)。多重PCR檢測(cè)和熒光定量PCR檢測(cè)均是由常規(guī)PCR技術(shù)衍生出的技術(shù)。這3種方法的基本原理是一樣的，但是在應(yīng)用過(guò)程中展現(xiàn)了不同的特點(diǎn)，所以有各自適用的應(yīng)用范圍。

常規(guī)PCR技術(shù)的主要原理是以熱穩(wěn)定DNA聚合酶作為催化劑，以引物、DNA模板、dNTPs、緩沖液與MgCl2溶液作為反應(yīng)混合物，擴(kuò)增一對(duì)核苷酸物所引導(dǎo)的特定DNA片段[1]。DNA經(jīng)過(guò)多次擴(kuò)增之后，PCR復(fù)制出的DNA可多達(dá)體內(nèi)的2倍，從而滿(mǎn)足多方面分析，所以PCR技術(shù)只需要采用少量的物質(zhì)就可以擴(kuò)增到需要的DNA片段數(shù)量，為分析人員定量分析提供了便利條件。目前為止，常規(guī)PCR技術(shù)可以有效地檢測(cè)食品中的致病菌，如沙門(mén)氏菌、致病性大腸桿菌等。尤其是水體病原微生物的檢測(cè)也可應(yīng)用常規(guī)PCR技術(shù)，所以近幾年逐漸開(kāi)始將其應(yīng)用于生活用水的檢測(cè)。

多重PCR技術(shù)是對(duì)常規(guī)PCR技術(shù)進(jìn)行改動(dòng)，加入多對(duì)特異性引物，使得多重PCR技術(shù)在一次反應(yīng)中能擴(kuò)增出多條目的DNA片段，從而同時(shí)檢測(cè)確認(rèn)多個(gè)基因。這也讓多重PCR技術(shù)有快速、價(jià)廉、易操作等特點(diǎn)，是適用于檢測(cè)食源性微生物的技術(shù)。多重PCR技術(shù)廣泛地應(yīng)用于加工食品中的檢測(cè)，該技術(shù)不僅可以檢測(cè)韓國(guó)泡菜中的乳酸菌，也可以對(duì)肉類(lèi)加工食品中的李斯特氏菌、伊氏李斯特氏菌等進(jìn)行檢測(cè)[2]。

熒光定量PCR檢測(cè)技術(shù)是近幾年興起的在常規(guī)PCR的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新的實(shí)時(shí)定量檢測(cè)特定核酸的技術(shù)，其主要原理是將熒光能量傳遞技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)儀中，通過(guò)受體發(fā)色團(tuán)之間偶極-偶極相互作用來(lái)產(chǎn)生效果。從檢測(cè)PCR的過(guò)程得知靶序列初始濃度，能量從供體發(fā)色團(tuán)轉(zhuǎn)移到受體發(fā)色團(tuán)，受體熒光染料發(fā)射出的熒光訊號(hào)強(qiáng)度與DNA成正比，從而達(dá)到定量的目的[3]。熒光定量PCR技術(shù)所具有的環(huán)保性和靈敏性使得它在食源性致病菌檢測(cè)中具有舉足輕重的地位。同時(shí)由于其在分子水平上檢測(cè)轉(zhuǎn)基因成分準(zhǔn)確性更高，熒光定量PCR技術(shù)也被廣泛地應(yīng)用在轉(zhuǎn)基因食品的檢測(cè)中[4]。

此外，反轉(zhuǎn)錄PCR等技術(shù)也比較常見(jiàn)。但是由于PCR檢測(cè)技術(shù)較復(fù)雜，難度高，儀器成本貴，因此對(duì)PCR檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室要求比較嚴(yán)格，對(duì)技術(shù)人員的要求也很高，使得PCR技術(shù)不能快速的廣泛應(yīng)用。

2.2免疫技術(shù)免疫技術(shù)是生物檢測(cè)方法中最受歡迎的一種檢測(cè)技術(shù)，原理是根據(jù)抗原和抗體的特異性結(jié)合反應(yīng)進(jìn)行工作。與其他檢測(cè)技術(shù)相比，免疫技術(shù)具備一些其他方法所不具備的優(yōu)勢(shì)，例如檢測(cè)靈敏度高、特異性強(qiáng)、成本低、分析容量大。特別是在食品檢測(cè)中，這些優(yōu)勢(shì)得以全部發(fā)揮，尤其是應(yīng)用在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析時(shí)。在此主要介紹免疫熒光技術(shù)、酶聯(lián)免疫吸附技術(shù)和免疫磁珠分離技術(shù)。

免疫熒光技術(shù)就是將不影響抗原抗體活性的熒光色素標(biāo)記在抗體或抗原上，與其相應(yīng)的抗原或抗體結(jié)合后，在熒光顯微鏡下會(huì)產(chǎn)生一種特異性熒光反應(yīng)，可用來(lái)快速檢測(cè)沙門(mén)氏菌、李斯特菌等[5]。這個(gè)方法具有特異性強(qiáng)、靈敏度高和速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是仍存在結(jié)果判斷有主觀因素的影響、技術(shù)操作步驟較為復(fù)雜等問(wèn)題。

酶聯(lián)免疫吸附技術(shù)是將抗原或抗體吸附于某種固相載體表面，在載體上進(jìn)行免疫酶染色。底物顯色后通過(guò)定量分析有色產(chǎn)物的量(即顏色的深淺)就可確定樣品中待測(cè)物質(zhì)的含量。通過(guò)酶的催化可以極大地放大反應(yīng)效果，從而使檢測(cè)方法的敏感度極大提高[6]。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可定量分析、靈敏準(zhǔn)確、適用范圍廣、判斷結(jié)果客觀、簡(jiǎn)單迅速、費(fèi)用低，而且可以同時(shí)進(jìn)行大量樣品的分析。但是由于此檢測(cè)技術(shù)對(duì)試劑的選擇性較高，使得其很難同時(shí)分析多種成分[7]。當(dāng)被測(cè)樣品蛋白質(zhì)濃度較低時(shí)此方法也不適用。目前酶聯(lián)免疫吸附技術(shù)已成為食品檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)方法之一，在檢測(cè)農(nóng)藥獸藥殘留中發(fā)揮了重要作用。

免疫磁珠分離技術(shù)是將磁珠特有的磁響應(yīng)性與免疫反應(yīng)的特異性結(jié)合的一種方法。作為抗體載體的磁珠由人工合成，含有鐵元素，可被磁鐵吸引，且外部有可以結(jié)合抗體的功能基團(tuán)。當(dāng)磁珠上的抗體與特異性抗原結(jié)合后會(huì)形成抗原-抗體-磁珠免疫復(fù)合物[8]。由于磁珠的磁響應(yīng)性，該復(fù)合物在磁鐵的吸引下可以定向移動(dòng)，從而將復(fù)合物從其他物質(zhì)中分離出來(lái)，借此達(dá)到將特異性抗原分離、濃縮、純化的目的。免疫磁珠分離技術(shù)可以快速地從食品中分離出靶細(xì)胞，克服了選擇性培養(yǎng)基的抑制問(wèn)題。現(xiàn)在已經(jīng)大范圍應(yīng)用于檢測(cè)和鑒定食品中的大腸桿菌和沙門(mén)氏菌。

2.3生物芯片技術(shù)生物芯片技術(shù)是指利用光導(dǎo)原位合成或微量點(diǎn)樣的方式，把大量生物大分子有序固化在玻璃片、硅片等載體的表面，組成密集的二維分子排列，然后與標(biāo)記過(guò)的樣品分子進(jìn)行雜交，利用特定儀器(如電荷耦連相機(jī)、激光共聚掃描設(shè)備等)對(duì)雜交信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效的檢測(cè)分析，從而來(lái)判斷樣品中靶分子的數(shù)量，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行對(duì)比來(lái)達(dá)到分析比較的目的[9]。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)需要硅片等作為支持物，并且在制備過(guò)程中需要模擬計(jì)算機(jī)芯片的制備技術(shù)，由此稱(chēng)為生物芯片技術(shù)。生物芯片的制備包括4個(gè)要點(diǎn)，分別是芯片的構(gòu)建、樣品的制備、生物分子相互反應(yīng)和結(jié)果分析[10]。

自從轉(zhuǎn)基因食品誕生以來(lái)，轉(zhuǎn)基因食品的安全問(wèn)題也隨之產(chǎn)生。尤其是近幾年，人們對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的安全性越來(lái)越關(guān)心。因此對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的檢測(cè)和鑒定也變得十分重要。生物芯片可以判斷樣品當(dāng)中是否含有轉(zhuǎn)基因成分、是否在安全限度內(nèi)。利用這項(xiàng)技術(shù)檢測(cè)轉(zhuǎn)基因食品簡(jiǎn)單快速、假陽(yáng)性低、特異性強(qiáng)且自動(dòng)化程度高。

在檢測(cè)食品中病原性微生物時(shí)，傳統(tǒng)的生化培養(yǎng)檢測(cè)法需要較長(zhǎng)的時(shí)間去培養(yǎng)微生物和計(jì)數(shù)，不僅操作復(fù)雜，靈敏度低，而且不能及時(shí)反映生產(chǎn)過(guò)程中或銷(xiāo)售過(guò)程中的污染情況，使得食品檢測(cè)存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，給消費(fèi)者帶來(lái)威脅。而利用生物芯片技術(shù)，將常見(jiàn)致病菌的特異基因制備成基因芯片，利用堿基互補(bǔ)配對(duì)原則雜交檢測(cè)待測(cè)樣品，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)判定樣品中致病菌的含量，以確定食品是否有被病原性微生物污染。這樣可以及時(shí)地反映食品被污染的情況，從而避免這類(lèi)食品流入市場(chǎng)，危害公民健康，同時(shí)可以防止巨大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害的發(fā)生。

在食品毒理學(xué)中應(yīng)用生物芯片技術(shù)也得到了廣泛的認(rèn)可。傳統(tǒng)毒理學(xué)研究必須通過(guò)動(dòng)物試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行模糊評(píng)估。這不僅要消耗大量的動(dòng)物，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。再考慮到動(dòng)物模型由于種屬差異，得出的結(jié)果往往并不適合外推至人[11]。而且動(dòng)物試驗(yàn)中的毒物劑量遠(yuǎn)大于人的暴露水平，不能反映真實(shí)的情況。所以傳統(tǒng)的動(dòng)物試驗(yàn)不僅不精確，而且不符合人道主義。而生物芯片可以同時(shí)對(duì)數(shù)千個(gè)基因的表達(dá)進(jìn)行分析，為研究新型食品對(duì)人體的免疫系統(tǒng)影響機(jī)理提供完整的技術(shù)資料；并通過(guò)對(duì)單個(gè)或多個(gè)混合體有害成分進(jìn)行分析，以確定該化學(xué)物質(zhì)在低劑量條件下的毒性，分析出該物質(zhì)的最低限量。這使得許多生物試驗(yàn)可以被免去，降低了動(dòng)物的消耗，節(jié)約了大量經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，并且可以避免試驗(yàn)結(jié)果外推至人時(shí)所產(chǎn)生的誤差，更真實(shí)地反映暴露水平下人體對(duì)化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)。

生物芯片存在的主要缺點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度低，假陽(yáng)性和假陰性仍然影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，這極大地限制了這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(yīng)用。傳統(tǒng)的免疫檢測(cè)技術(shù)中所有的檢測(cè)程序都是一體化的，但是當(dāng)前生物芯片尚未形成有效統(tǒng)一的制備、檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)芯片結(jié)果的可重復(fù)性有較大影響[12]。而且芯片制作系統(tǒng)價(jià)格昂貴，嚴(yán)重限制了這種方法的普及推廣。

2.4生物傳感器技術(shù)生物傳感器是把具有分子識(shí)別功能的生物活性材料比如抗原、抗體、蛋白質(zhì)、酶、細(xì)胞、生物膜等作為敏感元件固定在特定轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行測(cè)定的一類(lèi)傳感器[13]，由生物接收器、換能器和測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成[14]，其工作原理是待測(cè)物質(zhì)和分子識(shí)別原件特異性結(jié)合，產(chǎn)生離子強(qiáng)度變化、顏色變化、pH變化、熱焓變化等信號(hào)。產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為能夠進(jìn)行定量處理的光、電信號(hào)，經(jīng)過(guò)二次儀表放大輸出，用電極測(cè)定電壓或電流值，可以換算出被測(cè)物質(zhì)的濃度或物質(zhì)的量[15]。

這類(lèi)方法分析簡(jiǎn)單、迅速、準(zhǔn)確、靈敏度高、價(jià)廉，不僅可以在生產(chǎn)中和部門(mén)檢測(cè)中大規(guī)模應(yīng)用，還能夠現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)，因此在食品成分分析、食品保鮮期預(yù)測(cè)、食品生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制具有廣闊的應(yīng)用前景[16]。但是由于穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、使用壽命的限制，以及食品成分眾多且含量差異大等問(wèn)題，在食品檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)生物傳感器的商業(yè)化仍受到制約[17]。

生物傳感器可以對(duì)蛋白質(zhì)、氨基酸、有機(jī)酸、酚類(lèi)、糖類(lèi)、膽固醇、維生素、礦物質(zhì)元素等大多數(shù)食品的基本成分進(jìn)行快速分析。而且針對(duì)食品中的添加劑、有害微生物、農(nóng)藥獸藥殘留、生物毒素、重金屬也能實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。此外還可以檢測(cè)食品是否合乎品質(zhì)指標(biāo)、是否含有轉(zhuǎn)基因成分。

3 展望

運(yùn)用生物技術(shù)進(jìn)行食品安全檢測(cè)對(duì)人們的身體健康和生活質(zhì)量都起著十分重要的作用，保障食品安全提高食品質(zhì)量離不開(kāi)生物檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和推廣。通過(guò)PCR檢測(cè)技術(shù)、免疫學(xué)檢測(cè)技術(shù)、生物芯片技術(shù)、生物傳感器技術(shù)，還有其他的一些生物檢測(cè)技術(shù)對(duì)食品進(jìn)行安全、科學(xué)、可靠的檢驗(yàn)，極大地提高了食品質(zhì)量。生物檢測(cè)技術(shù)作為一項(xiàng)復(fù)雜的研究，涉及的內(nèi)容多且雜，這需要在今后的實(shí)踐中加強(qiáng)對(duì)生物技術(shù)的重視，不斷完善改進(jìn)現(xiàn)有的技術(shù)手段，以促進(jìn)生物檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和推廣，不斷推動(dòng)我國(guó)食品檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，為人們能夠享受安全的食品做出貢獻(xiàn)。

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