生物传感技术在食品检验中的应用
生物传感技术在食品检验中的应用
庞非
暨南大学 生命科学技术学院 广州
摘 要 生物传感技术具有较好的敏感性、特异性，操作简便、响应速度快等优势，已成为检测食品质量、卫生、安全的一种重要方法。本文简要介绍了生物传感器的基本原理，重点介绍了生物传感器在食品检验中的应用，主要有在食品成分分析中的应用、食品添加剂分析中的应用、食品中细菌、病原菌和病毒的检测等,并对生物传感器检测技术进行展望。
关键词 生物传感器;食品检测;应用
Bio-sensing technology in food testing application
PangFei College of Life Science, Jinan University,Guangzhou
Abstract Objective Bio-sensor technology has a good sensitivity, specificity, simple operation, fast response and other advantages, has become the testing of food quality, health, safety an important method. This paper introduces the basic principles of bio-sensors，focuses on the biological sensors in food analysis applications. Mainly in the food composition analysis, analysis of food additives, food bacteria, pathogenic bacteria and virus detection.
Key words Biosensor; Food testing；application
食品的质量安全问题直接影响到广大人民的生命与健康，越来越受社会广泛关注,仅靠常规的化学检测已不能满足快速判定的需要。一些简便、敏感、准确、省力、省成本的快速检测方法越来越多地被运用到食品安全性检测中。生物传感器作为一种快速、灵敏的检测技术,正成为食品快速检验技术研究的新热点。生物传感器是一种集现代生物技术与电子技术为一体的高科技产品,是生命科学和信息科学的交叉区域,也是当今工程技术领域一个非常活跃的话题,形成21世纪新兴的高技术产业的重要组成部分,具有重要的战略意义。
1、生物传感技术的简介
生物传感器是一种由生物元件和物理元件构成的分析仪器, 生物元件所提供的特异性反应及其信号由物理元件即传感器转变成光信号或电信号, 用作生物元件的材料有抗原、抗体、酶、核酸、受体、细胞和细胞器。它们能够与被测物起特异性反应。物理元件包括光导纤维、测声仪器、压电晶体、及应用于电化学的各种电极。
生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层,经分子识别而发生生物学作用,产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号,再经二次仪表放大并输出,以电极测定其电流值或电压值,从而换算出被测物质的量或浓度。
由于生物传感器是选用选择性良好的生物材料作为分子识别元件，因此，它具有以下特别适用于产品检测分析的特点：(1)结构简单，体积小，使用方便，尤其是便携式生物传感器非常有利于现场快速检测；(2)响应速度快，样品用量少，可反复多次使用；(3)不需要对被测组分进行分离，即不用对样品进行预处理，测定时也不需另加其它试剂；(4)与其它大型分析仪器相比，生物传感器连同测定仪的成本较低，便于推广普及。
2、生物传感技术在食品检验中的应用
生物传感器在食品成分分析中的应用
食品的组成成分往往比较复杂，要在众多成分共存的条件下测定其中某一种成分，常常需要繁杂的前处理过程，因此，食品检验尤其需要向特异性好、简便、快速、可靠的方向发展。生物传感器作为一种现代的检测装置，具有可靠性佳、响应速度快、灵敏度高及特异性
好等显著优点，特别适用于对食品加工过程中产品的品质与工艺参数的控制与确定。
目前，生物传感技术常见用于食品中糖类、氨基酸、有机酸、维生素等成分的测定。主要是利用各种成分所相对应的酶作为敏感材料的传感器测定相对应的成分的含量。这种方法线性范围广且快速。Zawick等开发的酶电型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖。Pasco等制作了谷氨酸脱氢酶修饰的碳糊电极，并在流动注射体系中检测了谷氨酸的氧化电流，找出了电流随浓度的变化规律，检出限为0．3mol／ L。如Gajovic
等曾报道用苹果酸脱氢酶为敏感材料制作的clark型酶电极,测定L-苹果酸的线性范围为10-6～10-3mol／L，响应时间不足1min，其测定结果与标准方法相比相关性良好。
（2）食品添加剂分析中的应用
食品添加剂的种类很多,如甜味剂、酸味剂、防腐剂、抗氧化剂等。将生物传感器应用于食品添加剂的分析已有许多报道。亚硫酸盐通常用于食品工业,主要用作漂白剂和防腐剂。由于亚硫酸盐对人体有致敏性,易引发哮喘病,因此,对它在食品中的含量有严格的限定。王晓辉等将从酸性土壤中筛选的一株氧化硫硫杆菌制成夹层式微生物膜，并与极谱式氧电极装配成亚硫酸盐微生物传感器，用该传感器测定了食品中亚硫酸盐含量。确定了样品预处理方法和最佳测定条件，并与国标方法进行了对照。结果传感器的线性范围为0.5 ～35mg/L，相对标准偏差为1.7%，加标回收率在92% ～106%之间，该方法与国标法的测定结果差异无显著意义。用生物传感技术检测食品中的添加剂，比普通方法更简单。Mesarost等采用卟啉微电极，测定了一些食品中的亚硝酸盐，方法简便、快速，灵敏度高、精确性好，结果与传统方法测得结果具有可比性[天门冬酰苯丙氨酸甲酯俗称甜味素，是一种人工合成的低热能甜味剂，广泛用于食品工业。采用酶电极测定甜味素，线性范围为2．0x10-4～1．5xlO-3mol／ L。采用酶电极结合流动注射分析组成的生物传感系统，检测下限可达25x10-6～mol／L，每个样品测定仅需4min。它现已应用于饮料、布丁、果酱、巧克力等食品中甜味素的测定。
（3）食品中细菌、病原菌和病毒的检测
传统的传统的细菌学检验方法和血清学方法不仅操作繁琐、费时费力,而且检测的准确性不高,已越来越不能满足日益发展的社会需求。利用生物传感技术检测细菌和病毒，已经取得了很好的效果。长沙环境保护职业技术学院的袁河清等人利用压电体声波生物传感器对模拟样品中的结核杆菌减毒菌株H37Ra 进行快速检测，这个方法比压电免疫法和涂片镜检法灵敏，比平板计数法要快速。此外，采用光纤传感器与核酸放大系统相偶联，可检查食品中少量病原菌。免疫传感器也成功地测定了被污染食品中的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌。
（4）食品中农药残留的检测
食品中农药残留进入人体后,可积累或贮存在细胞,组织和器官内，引起急性或慢性中毒事件，危害人类的健康。近几年来, 生物传感器技术在食品中农药残留的分析检测中逐渐发展起来。与其他分析检测方法相比, 分析器件具有体积小、成本低、选择性及抗干扰能力强、响应快等优点, 也可同时检测多个样品, 灵敏度高, 因而生物传感技术在快速检测中得到了更广泛的研究和应用。Schvdge等利用生物传感器的方法检测即食食品中杀虫剂残留物(有机磷酸酯和氨基甲酸盐) ,并与杀虫剂的传统检测方法相对比,生物传感器测定法与传统方法的检测结果较吻合,但无须对检测样品进行提取或预浓缩等复杂的前处理,检测灵敏度高,操作简便快捷。该传感器对杀虫剂的检测浓度水平可低于5 mg/kg,完全满足欧盟关于即食食品中杀虫剂10 mg/kg最大检测限的规定。利用表面等离子共振生物传感技术检测食品中的农药残余是日渐成熟的一种方法，该方法的检测范围为0. 001 ～1. 0 mg·L - 1 ,因此,非常适合用于现场的农药残留检测。CHEGEL等提出利用SPR 生物传感器来检测抑制光合作用类农药,采用特定的蛋白质作为分子识别膜测定能够抑制光合作用农药,该方法检测范围为0. 1～100μg·L – 1。
（5）食品中毒素的测定
生物毒素是细菌的代谢产物，有很强的毒性。对食品中生物毒素的测定，也是生物传感器未来重点研究的内容。Frevert等采用荧光标记抗体生物传感器测定肉毒梭菌毒素,可测200ng的毒素。Ogert等人采用光纤生物传感器测定食品中的肉毒杆菌毒素，检出限达5ng／ ml，检测时间通常不超过1min[6]。ByeungSooCheun等将青蛙膀胱膜覆在电极之上制成传感器可测出水生动物和鱼肉中的毒素含量,与传统的小鼠生物分析相比,此方法检出限低，响应时间短，稳定性好，而且基本不受样品体积影响。此外，采用乙酰胆碱酯酶[10]、胆碱氧化酶和氧电极组成的生物传感器可用于海产品中沙蚕毒素的检测。应用生物传感器测定肠毒素B、细菌毒素也有相关报道。
（6）其他检验
生物传感器除了在以上所述几个方面得到广泛的应用外，在对食品鲜度的检验；食品滋味、气味及熟度分析；食品中的乙醇、乙醛以及激素、胆固醇、尿素的测定；食品中重金属的测定等方面也有大量的研究报道，篇幅所限，不做详尽论述。
3、展望
目前，生物传感技术在食品检验中成功应用的报道及文章不计其数，可见其在食品检验中有广泛的应用前景和市场潜力。但是，这类仪器在稳定性、重现性及使用寿命上等方面的缺陷也使其实现商品化的数量受到制约，商品化的生物传感器种类极为有限。生物传感技术的发展才刚刚起步，随着生物传感技术的不断改良进步，在不久的将来，它将逐步取代一些传统的、落后的分析仪器与检测方法，成为广泛普及的常规分析仪器，特别是在食品与农产品的在线或现场快速检测以及无损检测方面，它定会扮演不可替代的角色，其发展前途将不可估量。
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