生物传感器在食品安全检测中的应用
时间：2023-02-19 08:35:07 来源：千叶帆 本文已影响人
王婷婷
（衡水学院 生命科学学院，河北 衡水 053000）
随着人民生活水平稳步提高， 对食品安全问题的关注也越来越多。
传统的食品检测技术存在一些弊端，如检测结果不准确、前处理繁琐、仪器设备昂贵、检测周期长、对技术人员要求高等，已经不能适应现代社会的需求。
为快速、准确地现场检测食品安全，新型检测技术不断涌现， 其中生物传感器因其独特优势而备受关注。
生物传感器作为一种多学科交叉融合的新兴技术，汲取多种优势，广泛应用于食品中微生物、毒素、农兽药残留、添加剂含量、非法添加剂等关乎食品安全的指标检测。
现基于生物传感器的主要优势和特点，探讨其在食品安全检测中的应用， 为生物传感器的进一步研究和利用提供理论支持。
生物传感器以固定化酶、抗原抗体、细胞等生物敏感功能物质为识别元件，使样品与识别元件发生生化反应，所产生的生物化学信息通过适当的信号转换器转化为可检测的电信号、光信号等，再经过检测器进行信号放大、输出，最终实现农药残留检测。
生物传感器具有专一性好、选择性强、检测速度极快、灵敏度高、操作简便、成本低廉等显著优势，在食品安全检测领域备受关注。生物传感器不具有通用性，需要根据被检测物质的生物学特性反应，选择相应的识别元件、信号转换元件等。
按照识别元件的不同，生物传感器分为酶传感器、免疫传感器、细胞传感器、微生物传感器、DNA 传感器等。
按照信号转换器的不同，生物传感器分为电化学生物传感器、光生物传感器、热生物传感器、半导体生物传感器等。
2.1 微生物检测
食品中的致病微生物严重影响人体健康，常见的致病菌包括能引起中毒或疾病的沙门氏菌、 大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌和金黄色葡萄球菌等。
传统的菌落分离培养计数法检测周期长、 准确度低，无法适应现代市场检测需求。被微生物污染的食品最初在外观形态、气味、口感等方面没有太大变化，因此，在其流入市场前进行微生物及其分泌毒素快速准确检测显得尤为重要。
DNA 生物传感器不被颜色、 浊度干扰， 具有快速、敏感、高通量、可连续使用等优势，因此常用于检测食品微生物。
DNA 生物传感器基于DNA 识别技术， 通过特殊基因序列的DNA 探头快速鉴定食品中微生物的种类。
除直接进行DNA 检测的生物传感器外， 还有通过测定微生物代谢物的间接生物传感器。例如， 程欲晓利用大肠杆菌代谢产物β-D-半乳糖苷酶催化底物产生对氨基酚反应，根据对氨基酚在铂纳米颗粒修饰电极上的响应电流来确定大肠杆菌浓度。
2.2 毒素检测
食品中微生物产生的毒素种类很多，其中一些毒素含量很小就会发生中毒反应。
这些毒素毒性较大，一般具有致畸、致突变、致癌的“三致”作用。为防止毒素超标食品通过生产、运输、贮藏、销售等环节流入食物链，必须严格快速地对其检测。
黄曲霉毒素B1 被国际癌症研究所认定为Ⅰ类致癌物，误食后可引发恶性营养不良、急性肝炎、肝硬化、肝癌、雷氏症候群等诸多病症。陈璐研基于适配体技术开发一种荧光生物传感器，用于检测黄曲霉毒素B1， 实验条件优化后的检测范围可达5～100 ng/mL，检出限为1.6 ng/mL。
葡萄球菌肠毒素会使人经常发生食物中毒现象，它是由葡萄球菌分泌到细胞外的一种细菌外毒素。Homola J 等应用表面质粒共振生物传感器检测牛奶样品中的葡萄球菌肠毒素B，灵敏度可达0.5 ng/mL，且可以实现实时监控。
2.3 农药残留检测
为预防病虫害和保证产量，农作物生产过程中常超标使用农药，造成环境污染，危害人民身体健康。为预防农药残留超标的食品流入市场和流向餐桌，必须对其进行检测，以控制农药施用量。
目前， 基于酶抑制的生物传感器常被用于检测食品中的农药残留， 一般使用乙酰胆碱酯酶作为敏感元件， 根据酶抑制率测定有机磷农药和氨基甲酸酯类农药的含量。
近年来，纳米材料因具有表面活性位点多、比表面积大、吸附性强的独特优势，被广泛引入生物传感器领域。
关桦楠研制的高效农药残留物检测酶纳米生物传感器， 对8 种农药具有良好响应和较低检出限。
2.4 兽药残留检测
近年来，我国畜牧养殖业发展迅猛，兽药使用日益广泛。不合规、长时间滥用兽药会产生耐药菌株，使人体因积蓄残留药物而中毒。
同时，残留的药物会抑制肠道有益菌群生长繁殖，致使肠道菌群失衡。
当前兽药残留检测研究材料主要集中于食用动物及其内脏、蛋、奶产品等。吴贝娜构建一种基于介孔ZSM-5 纳米材料的电化学发光传感器， 用于阿奇霉素的检测。此方法灵敏度高，检测线性范围宽，重复性和稳定性较好。高杨等构建一种选择性检测盐酸金霉素的分子印迹电化学传感器，在牛奶和鸡肉样品中对盐酸金霉素显示出良好的选择性，但对干扰物氯霉素和青霉素没有响应。
2.5 添加剂含量检测
食品添加剂的种类很多，如发色剂、甜味素、防腐剂、漂白剂、抗氧化剂、酸味剂、色素、乳化剂等。
食品添加剂若超标使用， 会对人体健康造成不同程度的危害。
亚硝酸盐常在肉类、蔬菜腌制时作为发色剂限量使用。硝酸盐属于致癌物，长期超标食用有致癌风险。关桦楠等构建辣根过氧化物酶脂质体电化学生物传感器，用于检测亚硝酸盐，检出限达20.8 μmol/L，回收率范围在92%～105%，显示出良好的灵敏度、准确度、重现性。
亚硫酸盐具有还原性，常作为漂白剂、防腐剂、抗氧化剂用于食品中。
然而亚硫酸盐对人体有致敏性，在食品中有严格规定的限量。段冲构建基于苯并吡喃腈的荧光传感器，用于检测食品中的亚硫酸盐，检出限约为0.002 mg/L，远低于亚硫酸盐的限定值。
2.6 非法添加剂检测
非法添加剂不同于一般食品添加剂，是绝对不允许出现在食品中的。但一些不法商贩为谋求利益和降低成本，依然会不计后果地使用。
最常见的非法添加剂有瘦肉精、三聚氰胺等。
瘦肉精是一类结构类似的β-激动剂化合物，可提高瘦肉增长，抑制脂肪合成。
其代表物质为沙丁胺醇、盐酸克仑特罗。长期食用含有瘦肉精的食品，会发生中毒现象。刘艳构建以醌类衍生物为探针的免标型电化学免疫传感器， 使食品中的沙丁胺醇检出限达0.24 nmol/L。
三聚氰胺是一种含氮杂环有机物，会造成食品蛋白质含量提升的假象。
三聚氰胺不能被人体代谢，极易堆积引发结石。
焦焕军研发出一种光电化学传感器，增强巯基乙酸修饰的CdS 荧光强度，来检测奶制品中的三聚氰胺。
试验表明， 这种检测方法简单、灵敏，检测限达到1.0×10-9mol/L，远低于我国婴儿奶粉中三聚氰胺的限定值。
与传统检测技术相比， 生物传感器更加准确、灵敏、快捷，有着非常大的优势。
随着新技术、新材料的不断出现，生物传感器在未来食品安全检测中将越来越重要。
现阶段生物传感器有一定的局限性，一些传感器仍处于实验室研发阶段，未能大批量生产。
生物传感器的巨大潜力有待挖掘， 应努力实现其多样化、微型化、智能化、集成化，应用于包括食品安全检测在内的更多领域。
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