納米酶在食品安全快速檢測中的應用及展望

黃宇琪，付亞娜，郭 歌，王田林

（河南農業大學 食品科學技術學院，河南鄭州 450000）

食品是人類賴以生存和發展的物質基礎，食品安全關系到人們的身體健康和生命安全。全球食品貿易的迅猛增長使食品供應鏈更加復雜，食品安全問題成為人們共同關注的焦點問題。因此，各國政府都設立嚴格的標準檢測食品中的風險因子。傳統的檢測方法是以大型檢測儀器為主，如高效液相色譜法、原子吸收/發射光譜法、電感耦合等離子體質譜等，這些方法具有檢測靈敏度高，特異性好的優點，但其具有操作復雜、耗時長、檢測成本高等缺點，并不符合“快速檢測”的要求[1-3]。

天然酶是自然界中廣泛存在的用于催化特定化學反應的一類物質,其主要成分為蛋白質、RNA或兩者復合體，具有催化效率高、選擇性強等特點。天然酶的結構決定了其具有容易變性、制備困難、成本高及難以回收等缺點，限制了其在實際中的應用，不適用大規模工業生產。為了克服以上缺點，研究人員通過各種嘗試找到催化活性強且穩定的天然酶替代物，近年來，具有類酶活性的納米材料（簡稱納米酶）引起了人們的關注。相較于天然酶，納米酶具有合成簡單、成本可控、穩定易儲存、催化性能強等優勢，尤其是催化活性可調節、具有更大比表面積、對外部刺激響應靈敏、便于修飾和與生物分子結合等特點，使其具有很大的開發潛力。目前，已開發的納米材料有如磁性納米顆粒、金納米顆粒、氧化石墨烯和金屬有機框架等具有多種氧化還原酶的活性，如氧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶等，這些特殊的性質使納米酶在各種領域成為不可或缺的物質[4]。以納米酶為主的生物傳感器是以其為基礎原件，通過催化底物顯色，利用目標物與納米酶的相互作用或其對納米酶催化體系的調控作用實現對目標物的比色靈敏檢測。目前，納米酶傳感器因具有耗時短、價格低及結果易于觀察等優勢廣泛應用快速檢測中。本文主要綜述了納米酶在影響食品安全的重金屬離子、毒素、細菌、農獸藥等方面的檢測研究進展（圖1），并進一步分析了納米酶在食品安全檢測中存在的問題以及未來的前景。

圖1 納米酶在食品快速檢測中的應用

1 納米酶在檢測重金屬離子中的應用

重金屬離子如汞（Hg2+）、鉛（Pb2+）、銅（Cu2+）等容易在水資源中富集，對人體健康產生威脅。因此對水資源中的重金屬離子的及時監測具有重要意義。MAO等[5]設計了紙芯片、芯吸墊和底座組成的裝置，在裝置上沉積了合成的DNA修飾金納米顆粒（DNAAuNPs），Hg2+可以被DNA-AuNPs吸附，形成的DNA-AuNPs/Hg2+在雙氧水的協助下催化3,3'5,5'-四甲 基 聯 苯 胺（3,3'5,5'-tetramethylbenzidine，TMB）顯藍色，DNA-AuNPs類酶催化活性隨著Hg2+濃度的增加而增大，進而藍色越深。通過色度儀讀取顏色的灰度值與Hg2+濃度的線性關系，可得出Hg2+的線性范圍為50～2 000 nmol/L，檢測限為10 nmol/L。將該方法用于實際水樣的檢測，回收率達到85.7%～105.6%。該方法具有成本低，操作簡便快捷的特點，在實際樣品應用中具有很大潛力。XIANG等[6]將鉑納米顆粒負載在二氧化硅納米顆粒的表面上來合成基于二氧化硅的納米酶，并且所合成的納米酶表現出優異的過氧化物酶活性。合成二氧化硅的納米酶可以特異性地還原Hg2+到Hg，其自身的催化能力也隨之降低。隨著Hg2+增加，TMB顏色逐漸褪去，其檢測限低至60 fmol/L，線性范圍為5 pmol/L～5000 nmol/L。

2 納米酶在檢測生物毒素中的應用

生物毒素是由各種生物產生的對其他生物體具有毒害作用的化學物質。生物毒素在食品中的含量雖低，但其危害大、毒性強。因此，利用納米酶的特性研發快速檢測方法，實現對生物毒素的及時檢測不僅是保障食品安全重要手段，更是對化學生態學、化學生物、醫學及藥學等諸多生命科學領域的研究有著十分重要的意義。赭曲霉毒素A（Ochratoxin A，OTA）主要是曲霉和青霉菌的次級代謝物，廣泛存在于小麥、玉米、葡萄酒、干果等食物中。OTA可誘導產生肝毒性、腎毒性、致畸性、致癌性等，因此需開發快檢技術檢測食物中OTA的殘留量。TIAN等[7]基于二氧化錳納米片層（MnO2NS）的類酶活性開發一種新型的基于級聯反應的比色適配體傳感器，實現對OTA的高靈敏檢測。通過生物素-鏈霉抗生物素蛋白反應將生物素標記的OTA適配體固定在鏈霉抗生物素蛋白磁珠上。由于OTA與其適配體結合，適配體的結構轉換導致堿性磷酸酶標記的寡核苷酸釋放，該寡核苷酸與適配體部分互補。通過級聯反應將抗壞血酸-2-磷酸酶轉化為強還原性抗壞血酸，生成的抗壞血酸將MnO2NS還原為Mn2+離子，從而破壞了MnO2NS的氧化酶模擬活性，因此不能催化TMB顯藍色，隨著OTA含量的增加，TMB的顏色會從藍色到無色。利用紫外分光光度計測量TMB的吸光度值與OTA濃度在1.25～250 nmol/L范圍內存在良好的線性關系，且OTA檢測限可低至0.069 nmol/L。該方法基于MnO2NS類酶活性，通過級聯反應擴大檢測信號，大大提高了靈敏度，可為食品中的OTA提供新的技術手段。常見毒素黃曲霉毒素已被世界衛生組織癌癥研究所列為天然致癌物，他們廣泛存在于各種堅果中，利用納米酶也可測定食品中的黃曲霉毒素B1。

3 納米酶在檢測農獸藥中的應用

農藥殘留是農作物質量檢測的重要指標，含有過量農藥殘留的食物被人誤食后引起胃腸道疾病或出現神經系統紊亂等癥狀，嚴重者會威脅生命。近年來，由于納米材料獨特的催化性能和優勢，納米酶在食品中農藥殘留檢測中的應用越來越廣泛。HUANG等[8]構建了一種基于納米酶的比色紙基傳感器用于有機磷農藥（Organophosphorus Pesticides，OPS）的檢測，合成的γ-MnOOH具有類氧化酶的活性，能催化TMB顯現藍色；乙酰膽堿酯酶可以催化相應的底物生成硫膽堿。硫膽堿擁有較強的還原性可將γ-MnOOH還原成Mn2+，抑制了其催化TMB。基于OPS抑制乙酰膽堿酯酶的活性，該方法成功檢測了氧化樂果和敵敵畏兩種農藥，檢測限分別為0.35 ng/mL和0.14 ng/mL，利用該方法成功實現了大白菜中有機磷農藥的檢測。白秋月等[9]以碳酸錳、脲、檸檬酸、雙氧水為原料，采用微波加熱法合成具有納米模擬酶催化活性的錳摻雜碳點（Mn-CDs）。Mn-CDs可催化TMB產生藍色的ox-TMB。乙酰膽堿酯酶（AChE）催化底物乙酰硫代膽堿（ATCh）生成的硫代膽堿（TCh），還原所生成的ox-TMB使溶液藍色褪去。有機磷類農藥能有效抑制AChE的活性，使TCh的生成量減少，溶液的藍色變深。根據吸光度的變化可以定量檢測有機磷農藥含量，由溶液顏色的深淺構建毒死蜱的可視化半定量檢測方法。檢測的線性范圍是0～3.5 μg/mL，檢測限為0.013 μg/mL。將該檢測方法用于蘋果實際樣品中毒死蜱的測定，回收率為95.2%～102.8%，表明該方法有望應用于實際樣品中有機磷的高靈敏測定。

4 納米酶在檢測細菌中的應用

近年來，由于食源性疾病的高發病率，食源性細菌已成為對全球公共衛生的主要威脅。其中，單增李斯特菌、大腸桿菌O157:H7、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等是常見的人體易感染細菌。近年來，基于納米酶的生物傳感器已被應用于這些主要的食源性致病菌的檢測。ZHU等[10]首先合成了正八面體結構的Mn3O4納米顆粒具有很強的類酶活性，能催化TMB顯現藍色，當金黃色葡萄球菌的適配體SA31吸附在納米顆粒表明時會抑制其類酶活性，進而阻止催化TMB顯色，而金黃色葡萄球菌與其適配體SA31結合后使適配體脫離納米顆粒表面，此時顆粒的類酶活性恢復。該方法具有快速，特異性好的優點，并已成功應用于牛奶和豬肉樣品中的金黃色葡萄球菌檢測。

5 結語

納米酶作為潛在的天然酶替代品引起了廣泛的興趣。目前，納米酶在生物傳感、環境保護、抗菌目的、癌癥治療和細胞保護等方面發揮著巨大的優勢。在食品安全快速檢測方面同樣取得了一定的成績，納米酶的比色傳感器已經達到食品中風險因子的特異性檢測的要求，但這些檢測系統仍存在一些需要解決的問題。①目前對食品中風險因子檢測的研究主要集中在液體樣品上，如牛奶、果汁飲料等，而對固體食品樣品的關注較少，需要投入更多的努力來探索這一領域。②與高效液相色譜、氣相色譜和離子色譜等色譜分析技術相比，基于納米酶的檢測平臺只能檢測單一目標物質，無法實現復雜體系中多種物質的檢測。③與其他檢測方法相比，納米酶檢測在實驗室中的應用與實際應用之間仍存在一定的差距。基于納米酶的檢測條、微流控芯片和試劑盒的開發和商業應用應是未來研究的重點。