生物技术在食品检测方面的应用

生物技术在食品检测方面的应用生物技术在食品检测方面的应用 摘摘 要要: 综述了 DNA 探针、PCR、生物芯片、胶体金免疫层析及 ELLSA 等生物技 术的基本原理及其在食品检测方面的 应用。 关键词关键词: 生物技术 DNA 探针 PCR 生物芯片 胶体金免疫层析 ELLSA 食品检测 食品安全及质量与人们生活健康息息相关, 也是影响食品工业发展及对外贸易 的重要因素。长期以来, 广泛应用的物理、化学、仪器等食品检测方法已不能 满足现代食品检测的需要。近些年发展的生物技术检测方法因其特异的生物识 别功能, 极高的选择性, 且精确、灵敏、快速、成本低廉, 在食品科学领域中 得到了广泛应用, 尤其是在检测致病性微生物、转基因食品等方面不可或缺。 就近几年食品检测中常用的几种生物技术, 诸如核酸杂交、PCR、生 物芯片等做以介绍。 1 1 DNADNA探针技术探针技术 111 基本原理 DNA 探针技术又名核酸分子杂交技术, 即两条不同来源的核酸链如果具有互补 的碱基序列, 就能够特异性地结合而成为分子杂交链。在已知的 DNA 或 RNA 片段上加上可识 别的标记(如 32 P 同位素标记, 生物素等), 制成 DNA 探针, 即可检测未知样品中是否具有与其 互补的序列 , 检测出样品中是否含有此种微生物。近年来 DNA 探针技术在食品 微生物检测中的应用十分广泛, 目前已可以用 DNA 探针检测食品中的大肠杆菌、 志贺氏菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、李斯特氏菌等。 112 DNA 探针技术在食品检测中的应用 DNA 探针用于食品中微生物检测的关键是 DNA 探针的构建。为保证检测结果的 高度特异性, 必须根据具体的检测目标, 构建不同的 DNA 探针。构建 DNA 探针是以待检微生 物中特异性保守基因序列为目标 DNA, 以该序列的互补 DNA 作为杂交探针, 对 一般微生物而言, 可以用决定该微生物特有的生理、生化特征的基因序列构建 特异性的 DNA 探针。 2 2 PCRPCR 及其改进技术在食品检测中的应用及其改进技术在食品检测中的应用 211 传统 PCR 技术 聚合酶链反应( polymerase cha in reation, PCR )是 1985 年诞生的一项体外 扩增 DNA 的方法 , 是在模板 DNA、引物和四种脱氧核糖核苷酸存在的条件下, 依赖于 DNA 聚合酶的酶促合成反应, 体外扩增特异 DNA 片段的技术。食品检测 中, PCR 主要用于病原微生物、转基因食品检测。PCR 方法对病原菌进行检测 早在 1992 年就有报道 , 然而从食品中检测病原微生物到近几年才比较广泛地 应用。目前, 利用传统 PCR 技术能够检测出的病原菌主要有单增李氏菌、肠出 血性大肠杆菌 0157、H7、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和性小肠耶尔森氏菌。 1996 年德国伯恩斯坦大学的 MeyerRolf 等论证了 PCR 检测转基因食品的可能性, 而后, 该技术被广泛应用于转基因食品的检测。在现有得到相关国家的安全评 价的商品化源基因食品中绝大多数含转录启动子 CaMV35 s、转录终止子 NOS 及 抗生素抗性基因 NPT, 这为建立相应的 PCR 筛选检测方法提供了便利。迄今为 止, 利用定性 PCR 检测技术可检测如大豆、玉米、番茄、油菜等多种转基因作 物。 传统 PCR 技术在实际应用中表现出一些缺陷,例如, 只能定性而不能定量地检测, 且在有死细菌存在的情况下容易产生假阳性、不能检测致毒微生物产生的毒素 等。因此各项新技术的出现以及与 PCR 技术的有机结合, 发展起来一系列改进 的 PCR 技术。 212 实时定量 PCR 技术 实时定量 PCR 技术是指在 PCR 反应体系中加入荧光基团, 利用荧光信号积累实 时检测整个 PCR 进程, 最后通过标准曲线对未知模板进行定量的方法。该方法 可以对 GMO 进行定量分析, 目前已被一些国家的政府实验室采用。近年来, 实 时定量 PCR 技术在食品检测中的应用研究越来越广泛。在食物加工过程中外源 DNA 污染的定量, 病原微生物的检测、掺假量的检测、转基因食品的检测方面 都具有重要的应用。例如,2003 年, Sandberg 等用检测谷物基因来控制那些缺 乏麦麸的婴儿食物; 曹际娟等检测了肉骨粉中牛羊源成分; 2006 年, Muleg 等 检测葡萄中曲霉菌的污染程度; 潘良文等对转基因油菜中 Barnase 基因成功地 进行了测定。Alery 等也证实了该技术是估计食品中普通小麦量的理想技术。 213PCR2DGGE 技术 PCR2DGGE 技术是由 Sheffield 等 1989 年首次提出, 将变性梯度凝胶电泳 (DGGE )技术和 PCR 技术结合起来, 可分离长度相同但是碱基不同的 DNA 片段 混合物, 在变性条件适当的情况下能分辨一个碱基对, 具有特异性强、敏感性 高的特点。运用该技术, Ampe 等从面团中中鉴定乳杆菌和木薯淀粉发酵中的微 生物菌落。 214 巢式和半巢式 PCR 巢式 PCR( nested PCR ) 是在普通 PCR 基础上发展起来的一种 PCR 技术, 其 原理是设计两对引物, 其中 1 对引物在另 1 对引物扩增产物的片段上,通过 2 次 PCR 反应对某个基因进行检测。半巢式 PCR( sem i2nested PCR )的原理与 巢式 PCR 基本相同, 只是半巢式 PCR 只有 1 对半引物, 有 1 个引物被用于两次 PCR 反应中。这两种方法可以减少假阳性的出现, 同时可以使检测的下限下降 几个数量级。从理论上来说, 用巢式和半巢式 PCR 可以检测到低于 10- 11 g /LL 的 DNA 模板量, 且具有高度的特异性, 其结果一般不需要再用其他方法来 验证。另外, 多重 PCR 8, RAPD2PCR 21, PCR2ELISA 13等也在食品检测 中有广泛的应用。 3 3 生物芯片技术及其在食品检测中的作用生物芯片技术及其在食品检测中的作用 生物芯片是20世纪80年代末在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术, 它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化 学分析系统, 以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大 信息量的检测。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化, 其中基因芯 片和蛋白质芯片在食品检测中广泛应用, 分别从基因和蛋白水平实现对病原性 微生物及转基因食品等的检测。 311 基因芯片技术 基因芯片(DNA芯片、DNA微阵列) 是将各种基因寡核苷酸点样于芯片表面, 待检 样品DNA 经 PCR 扩增后, 制备荧光标记探针, 然后再与芯片上的寡核苷酸点杂交, 最后通 过扫描仪定量和分析荧光分布模式来确定检测样品是否存在特定基因。因基因 芯片技术能够及时、准确地检测出食品中的病原性微生物, 近年来受诸多研究 者青睐。 31111 基因芯片技术在食品卫生检测中的应用 Appelbaum在对几种细菌进行鉴别时, 兼顾了基因序列的保守性(含有细菌所共 有的16SrDNA保守序列)和各菌种间的差异性, 设计了一种鉴别诊断芯片不仅敏 感度高于传统方法, 而且操作简单, 重复性好。Boruck i等构建的混合基因组 微阵列, 可准确鉴别各种近缘单核增多李斯特菌分离物; Volokhov等通过单管 复合体扩增和基因芯片技术检测和鉴别6种李斯特菌。Call等通过分析E 1coli O157BH7的Shiga样毒素及溶血素A 发现基因芯片可准确检测各种E 1coli O157BH7 的分离物; Chandle 等确定免疫磁珠分离结合微阵列可检测生禽肉清 洗液中的E1coli O157BH7, 其检测限达10 CFU /mL; 空肠弯曲菌是食源性腹泻 的主要病因, 但其主要生物学特征尚不甚了解, Dorrell等通过比较11株空肠弯 曲菌的全基因组序列证实该菌荚膜决定Penner血清型, 为确定该菌致病性相关 指标指出进一步研究的方向。此外, Wilson等采用病原体诊断区基因扩增和20 个寡核普酸藻红素标记探针开发出一套多病原体识别( MPID)微阵列, 可准确识 别18种致病性病毒、原核生物和真核生物, 对炭疽杆菌的检测限低至 10。Chizhiko等采用寡核苷酸芯片研究大肠杆菌、志贺氏菌及沙门氏菌的抗原 决定簇和毒力因子与其致病性的关系, 发现细菌毒力因子可用于肠道致病菌的 分析检测。 31112 基因芯片技术在转基因食品检测中的应用 目前国际上尚无科学报告证实转基因食品的永久安全性。因此, 对转基因食品 进行检测和标识势在必行。基因芯片可以检测出食品中是否含有转基因, 以及 含有何种转基因。缪海珍采用基因芯片(上海博星基因芯片有限公司制备)对大 豆、玉米、油菜、棉花等转基因农作物样品进行检测。该芯片中加了CaMV2P基 因, 可鉴定CaMV35S阳性是否是由于病毒污染样品所致, 从而对大豆、玉米、油 菜和棉花四大类农作物的转基因背景都有了了解, 因此该基因芯片检测范围广。 312 蛋白芯片及其应用 体久安全性术正蛋白质芯片与基因芯片原理相似, 不同的是前者是预先将大量 蛋白质、蛋白质检测试剂或检测探针以预先设计方式固定在玻片、硅片及纤维 膜等固定载体上。该方法可对各种蛋白质、抗体及配体进行检测, 弥补基因芯 片检测不足。具有多元样品同时检测、可直接测量非纯化分析物、样品用量少、 样品无需任何标记物、具有分辨和排除干扰信号能力、检测速度快、结果直观 等特点Rowe建立一种基于荧光免疫检测方法抗体芯片, 检测葡萄球菌内毒素、 耶尔森氏菌产生特异性抗原和一些细菌感染造成脓毒血症特异标志物, 并检测 了对含芽抱杆菌、噬菌体、葡萄球内毒素3大类型个样品。在转基因食品检测方 面, 由于外源基因最终是以蛋白质或多肽形式得以表达, 通过对蛋白质芯片设 计不同探针阵列、使用特定分析方法可使该技术在此方面具有较高应用价值, 是未来转基因食品安全检测的主要方向。 4 4 胶体金免疫层析技术在食品检测中的应用胶体金免疫层析技术在食品检测中的应用 胶体金免疫层析技术( immuno2chromatographicassay, ICA)在医学上应用较多, 在食品检测领域的应用在近几年才发展起来。该方法操作简单、检测时间短、 便于现场操作, 可以为现场执法带来科学依据。目前, 国内的研究主要集中在 食品安全问题领域, 此类检测通常需要进行定性分析或简单的半定量分析。 411 在食品中有害微生物检测中的应用 胶体金免疫层析技术可用于食品中有害微生物的检测。如食品中常见的致病菌 有大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、布氏杆菌、霍乱弧菌等。2006年, 王静等利用双抗体夹心法检测E. coliO157, 最低检出浓度为1105 CFU /mL, 仅耗时15 min。邵晨东等于2005年用该技术检测沙门氏菌O9抗原, 最小检出量 为4 105 CFU /条。 412 在检测食品中药物残留及有害物中的作用 食品中药物残留残留物多为小分子物质, 属于半抗原, 制备抗体时需要将其与 大分子蛋白(如人血清白蛋白、卵清白蛋白等)进行偶联, 制备人工抗原进行检 测。2006年, 张明等 采用SMZ2HSA(磺胺甲噁唑2人血清白蛋白) 免疫新西兰白 兔制得抗体, 用胶体金技术对磺胺类药物SMZ 残留进行检测, 表明该方法对SMZ 标准溶液的灵敏度达到50 ng/mL, 整个检测反应在5- 10 min 内完成。赵晓联 等于2005年采用竞争免疫层析技术检测食品中的黄曲霉毒素B1, 制得检测试纸 条, 其最低检测限为215 ng/mL。另外, 李余动等对检测氯霉 素残留的研究, 陈小旋对猪肉中盐酸克伦特罗残留的检测研究都采用了胶体金 免疫层析技术, 得到了能够快速方便的检测试纸条。 413 在检测食品中违禁药物的应用 任辉采用竞争免疫层析法检测食品中的吗啡, 最小检测质量为45 Lg /mL。方邢 有等于2005年同样采用竞争性免疫层析技术检测食品中的罂粟碱, 得到的试纸 条检出限为012 Lg /mL, 正确检出率约为97%。目前, 国内这一领域的研究仍处 于实验室阶段,尚无国产的成型产品。有待于尽快研制出多品种、高质量的免疫 层析产品, 不仅可避免国内资金的大 量外流, 并且对改善食品质量与安全, 提高我国国民健康水平, 将起到不容忽 视的作用。 5 5 小结小结 综上所述, 多项生物技术因其低成本、高效、高通量和高特异性等特点已经渗透着食品检 测 领域, 其优越性日趋明显, 成为未来食品安全检测中的生力军。但每种方法难免有其局限 性, 在应用中需依具体需要进行选择或搭配使用, 也期待各种方法的优化和新技术新方法 的问世, 从而为人们赖以生活的食品提供安全和营养的可靠保障。 参考文献参考文献 1 张奇