生物检测技术在食品检验中的应用分析
作者: 赵浩作者简介:赵浩(1987—),男,内蒙古通辽人,本科,工程师。研究方向:食品检测。
摘 要:本文通过对酶联免疫吸附技术、聚合酶链式反应技术、生物传感器技术和生物芯片技术等主流生物检测技术的原理和特点进行介绍,并结合这些技术在食品农药残留检测、食品中微生物检测、食品过敏原检测和食品营养物质检测方面的具体应用实例进行分析,揭示了生物检测技术凭借其高效、灵敏、特异、快速等优点在食品安全检测领域的广阔应用前景。研究表明,生物检测技术的应用极大地提高了食品安全检测的效率和准确性,为保障食品安全、维护消费者健康提供了有力的技术支撑。
关键词:生物检测技术;食品安全;酶联免疫吸附;聚合酶链式反应
Application Analysis of Biological Detection Technology in Food Inspection
ZHAO Hao
(Kailu Market Inspection and Testing Center, Tongliao 028400, China)
Abstract: This article introduces the principles and characteristics of mainstream biological detection technologies such as enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), polymerase chain reaction (PCR), biosensor technology, and biochip technology, and analyzes the specific application examples of these technologies in food pesticide residue detection, microbial detection in food, food allergen detection and food nutrient detection. It reveals the broad application prospects of biological detection technology in the field of food safety detection with its advantages of high efficiency, sensitivity, specificity, and speed. Research has shown that the application of biological detection technology has greatly improved the efficiency and accuracy of food safety testing, providing strong technical support for ensuring food safety and maintaining consumer health.
Keywords: biological detection technology; food safety; enzyme linked immunosorbent assay; polymerase chain reaction
食品安全问题一直以来都是全社会关注的焦点。随着经济的发展和生活水平的提高,人们对食品安全和质量的要求日益提升[1]。然而,食品可能受到各种有害物质的污染,如农药残留、微生物污染、过敏原和非法添加物等,严重威胁着消费者的身体健康。传统的食品检验方法,如化学分析法、物理分析法等,存在着操作复杂、耗时长、灵敏度不高等缺点,已经不能完全满足现代食品安全检测的需求。近年来,生物检测技术凭借其高效、灵敏、特异和快速等优点,在食品检验领域得到了广泛的应用和发展,并且在食品农药残留检测、微生物检测、过敏原检测、营养物质检测和食品添加剂检测等方面发挥着重要作用。
1 食品检验中的生物检测技术类型
1.1 酶联免疫吸附技术
酶联免疫吸附技术(Enzyme Linked Immunosorbent
Assay,ELISA)是一种基于抗原-抗体特异性结合反应和酶催化反应的高灵敏度、高特异性的生物检测技术[2]。其基本原理是将抗原或抗体固定在固相载体上,然后与酶标记的抗体或抗原进行特异性结合,通过酶促反应生成可测信号,根据信号强度来定量或定性分析待测物质。ELISA具有操作简便、灵敏度高、特异性强以及可实现自动化等优点,已广泛应用于食品中农药残留检测、微生物毒素检测、过敏原检测等。然而,ELISA也存在一些局限性,如抗原抗体的制备和纯化较为复杂,容易受到基质效应的干扰,某些小分子物质(如农药)与抗体结合力较弱,导致检测灵敏度降低。此外,ELISA检测通常需要专用的仪器设备和训练有素的操作人员,对实验室条件要求较高。尽管如此,ELISA凭借其独特的优势,仍然是当前食品检验领域最常用、最成熟的生物检测技术之一。
1.2 聚合酶链式反应技术
聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)技术是一种基于DNA分子扩增原理的高灵敏度、高特异性的核酸检测技术[3]。其基本原理是通过设计特异性引物,在聚合酶的作用下,对目标DNA片段进行循环扩增,每个循环包括变性、退火和延伸3个步骤,经过多个循环后,目标DNA片段被指数级扩增,从而实现对微量目标物的检测。PCR技术具有灵敏度高、特异性强、检测速度快以及可实现自动化等优点,已广泛应用于食品中病原微生物、转基因成分、食品掺假等方面的检测。然而,PCR技术也存在一些局限性,如容易受到样品中PCR抑制物质(如多糖、脂肪等)的干扰,导致假阴性结果;引物设计不当可能导致非特异性扩增,产生假阳性结果;PCR产物易受污染,需要严格的实验环境和操作规范。此外,PCR技术只能检测到目标物的核酸片段,无法直接反映其活性和毒性,因此在某些应用中需要与其他检测方法联用。
1.3 生物传感器技术
生物传感器技术是一种集生物识别元件和物理化学传感器为一体的高灵敏度、高选择性的生物检测技术。其基本原理是利用生物识别元件(如酶、抗体、核酸探针等)与待测物质发生特异性生物学反应,产生的物理化学信号被传感器转化为可测量的电信号,通过信号处理和数据分析实现对待测物质的定性或定量检测[4]。生物传感器技术具有灵敏度高、选择性强、响应速度快、操作简便和可实现在线实时检测等优点,已广泛应用于食品中农药残留、重金属、微生物毒素和过敏原等物质的检测。然而,生物传感器技术也存在一些局限性,如生物识别元件的制备和固定化过程较为复杂,稳定性和重现性有待提高;容易受到温度、pH值等因素的影响,导致检测性能下降;某些食品基质成分可能对传感器产生干扰,需要进行样品预处理。此外,生物传感器的商业化应用还面临成本较高、批量生产难度大等挑战。
1.4 生物芯片技术
生物芯片技术是一种集成了生物学、电子学、材料学等多学科前沿成果的高通量、微型化、自动化分析技术。其基本原理是在芯片表面固定大量的生物分子探针(如核酸、蛋白质、多肽等),通过探针与靶标分子(待测物)的特异性相互作用,实现对靶标分子的高通量、并行检测和分析。生物芯片技术的最大优势在于其高通量和微型化特性,可在单张芯片上同时分析成千上万个生物分子,大大提高了检测效率;同时,生物芯片所需样品量少,灵敏度高,可实现痕量物质检测。此外,生物芯片的分析过程可高度自动化,减少了人为操作误差,提高了检测的重现性和可靠性。然而,生物芯片技术也存在一些局限性,如芯片制备成本高,对实验环境和操作人员的要求高,数据分析和解释复杂等。此外,由于生物分子种类众多,不同类型分子的芯片制备和分析方法差异较大,标准化程度不高,在实际应用中还需要进一步优化和改进。
2 生物检测技术在食品检验中的具体应用
2.1 食品农药残留检测
生物检测技术在食品农药残留检测领域得到了广泛应用,极大地提高了农药残留检测的灵敏度、特异性和效率。酶联免疫吸附技术是应用最为成熟和广泛的生物检测技术之一,其利用农药残留物与特异性抗体的高亲和力结合,通过酶促反应将结合信号放大,从而实现对农药残留的高灵敏度检测。例如,文孟棠等[5]利用ELISA技术建立了蔬菜中拟除虫菊酯类农药检测的方法,实现了对拟除虫菊酯类农药的灵敏、准确检测。与此同时,生物传感器技术得到了快速发展,生物传感器通过将农药特异性抗体或酶固定在电极表面,农药残留物与之结合后引起电信号变化,从而实现对农药的快速、灵敏检测。例如,田川川等[6]基于核酸适配体开发了用于检测大米中丙溴磷残留的生物传感器,实现了对丙溴磷的特异性检测。此外,新兴的纳米材料如量子点、纳米金等,也为提高农药残留检测的灵敏度和选择性提供了新的途径。生物芯片技术凭借其高通量、微型化、自动化等特点,有望实现对多种农药残留的同时快速检测。随着生物检测技术的不断创新和完善,多种技术联用、微型化集成化等已成为发展趋势,必将为食品农药残留检测提供更加高效、灵敏、便捷的检测手段。
2.2 食品中的微生物检测
生物检测技术在食品微生物检测中得到了广泛应用,极大地提高了食源性致病菌的检测灵敏度、特异性和速度。①聚合酶链式反应技术是食品微生物检测中最常用的核酸扩增技术,其通过特异性引物将目标微生物的特征基因片段进行指数扩增,结合荧光探针或者琼脂糖凝胶电泳即可实现对目标微生物的定性或定量检测。例如,张娟等[7]利用扩增阻滞突变系统-聚合酶链式技术对牛奶中的金黄色葡萄球菌进行了快速、特异性检测,为控制乳制品中金黄色葡萄球菌污染提供了有效的检测手段。②生物传感器技术近年来在食品微生物检测领域也展现出独特的优势。例如,基于核酸适配体的生物传感器可实现对食品中沙门氏菌、大肠杆菌O157:H7等致病菌的快速、灵敏检测。此外,免疫磁性分离技术与核酸检测技术联用,可有效解决食品基质复杂、致病菌浓度低等问题,实现对致病菌的高灵敏度富集和检测。
2.3 食品过敏原检测
食品过敏原检测是食品安全监管的重要内容,而生物检测技术则在食品过敏原检测中扮演着至关重要的角色。酶联免疫吸附测定是目前应用最为广泛的过敏原检测方法之一,其原理是利用过敏原与特异性抗体的高亲和力,通过酶促反应将结合信号放大,从而实现对过敏原的高灵敏度、特异性检测。例如,利用ELISA技术可建立花生过敏原Ara h 1的检测方法,为防控花生及其制品中的过敏原提供有力工具。
PCR技术,尤其是多重PCR技术,可同时检测多种过敏原基因,是食品过敏原筛查的另一重要手段。例如,程芳[8]开发了一种复合PCR方法,可同时检测花生、大豆、小麦和芝麻等10种常见食品过敏原的特异性基因序列。该方法以过敏原特异性引物和探针为核心,通过优化PCR反应条件,在单次PCR反应中实现了多种过敏原DNA的同时扩增和检测,为食品中过敏原的快速筛查提供了有力工具。
核酸适配体生物传感器凭借其稳定的化学性质和类似抗体的特异性识别能力,可以克服加工因素的干扰,实现食品过敏原的灵敏检测。例如,王晶晶[9]基于核酸适配体开发的牛奶过敏原β-乳球蛋白的电化学生物传感器,实现了对超高温灭菌乳中β-乳球蛋白的特异性检测。此外,新兴的生物芯片技术也在食品过敏原多组分同时检测中展现出独特优势。基于过敏原特异性抗体或适配体芯片,可对多种食品中的主要过敏原进行高通量筛查。
2.4 食品营养物质检测
生物检测技术在食品营养物质检测中具有广泛的应用,为食品营养强化及膳食营养评估提供了重要的技术支持。酶联免疫吸附测定技术凭借其高灵敏度和特异性的优势,在食品蛋白质、维生素等营养物质定量检测中发挥着重要作用。例如,武传香等[10]利用竞争ELISA法建立了鸡蛋中维生素B1含量的检测方法,实现了对维生素B1的特异性、灵敏度检测。