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摘要:食品安全是全球關注的熱點,食品安全檢測是保障食品安全的重要環(huán)節(jié)。隨著消費者對食品安全要求的提高,傳統(tǒng)檢測技術已經無法滿足食品安全檢測多樣性的需求。近年來以基因組學、蛋白組學、代謝組學為代表的組學技術迅速發(fā)展,為食品安全檢測帶來了新突破。本文對近年來蛋白組學、代謝組學和基因組學技術在食品安全檢測方面的應用進行了綜述,并對未來組學技術應用于食品安全檢測的發(fā)展趨勢進行了展望。

關鍵詞:食品安全檢測;蛋白組學;代謝組學;基因組學

1前言

民以食為天,食以安為先。食品安全關系人類健康,一直以來,都是全球關注的熱點。隨著社會經濟的發(fā)展,一方面,隨著生活水平不斷提高,公眾對食品安全越來越重視,要求也越來越高;另一方面食品工業(yè)快速發(fā)展,國際食品貿易日趨頻繁,食品安全問題已呈現(xiàn)全球化模式。威脅食品安全的因素不僅僅有傳統(tǒng)的化學危害物、食源性致病菌;采用劣質原料生產高貨值食品、以次充好、以假亂真、產地造假、成分造假等等問題,是目前食品安全面臨的新挑戰(zhàn)。目前,已知危害物的檢驗技術已經比較成熟;未知、潛在的食品安全危害物偵別及成分鑒定、產地鑒定等,是食品安全檢測技術面臨的難題。食品安全檢測迫切需要新的方法和手段來解決這些難題和挑戰(zhàn)。組學是最近幾十年發(fā)展起來的新學科,主要包括基因組學(Genomics)、蛋白組學(Proteinomics)、代謝組學(Metabolomics)、轉錄組學(Transcriptomics)、脂質組學(Lipidomics)、糖組學(Glycomics)等等。其中,基因組學、轉錄組學、蛋白組學和代謝組學共同構成了“系統(tǒng)生物學”[1-2]。組學技術的基本思路是通過研究成千上萬的DNA、RNA、蛋白質或者代謝物等物質,找出與某一生命過程相關的特征蛋白、DNA、RNA或者代謝物,進而對某一目標進行評估。組學技術依托高通量、高分辨率、高精度的現(xiàn)代化分析儀器,通過海量數據處理,進行信息提取和結果分析。近年來,組學技術與食品安全檢測不斷融合,在食品安全檢測領域發(fā)揮著越來越重要的作用。

2與食品安全檢測相關的組學技術

2.1蛋白組學。蛋白組學研究特定狀態(tài)下蛋白整體水平的存在狀態(tài)和活動規(guī)律,是從分子水平上來分析蛋白質的表達、修飾、功能等的一門學科。蛋白組學的研究對象涉及植物、動物、微生物等,其在藥物開發(fā)、病理研究、食品安全等方向都有諸多應用。蛋白質可以作為食品組分的特征標記物,因此蛋白組學可以用于食品安全檢測[3]。蛋白組學的研究手段主要有凝膠技術和質譜技術,質譜可以對肽段和蛋白進行表征和測序,是分析蛋白的重要技術。通過蛋白酶解后得到肽段的肽指紋圖譜結合質譜技術,可以分析某一種或同類食物的蛋白質成分[4],經過比較和篩選,確定特征標志蛋白或者肽。基于對蛋白或者肽的分析,質譜技術可以獲得食品組分的特定指紋信息,實現(xiàn)定性分析。一旦獲得蛋白標志物或者肽標志物,即可用液相色譜-質譜的選擇反應監(jiān)測(SRM)或者多反應監(jiān)測(MRM)模式對目標物進行快速、靈敏的定量分析檢測。2.2代謝組學。代謝組學以生命體的代謝物為研究對象,主要研究分子量1000以下的小分子[5-6]。根據研究對象不同,代謝組學可以分為研究已知化合物的靶向代謝組學和分析未知化合物非靶向代謝組學。代謝組學作為新興的研究技術已應用在食品安全、藥物研發(fā)、疾病診斷、環(huán)境科學和植物育種等方面[7]。代謝組學的主要研究手段包括核磁共振技術(NMR)和質譜技術。質譜技術以高通量、高靈敏度著稱,飛行時間質譜和高分辨質譜是代謝組學研究中經常用到的儀器;NMR技術具有非破壞性的優(yōu)點,可以對研究對象內部化學變化和生化反應進行跟蹤[8-9]。常見的代謝物主要有極性化合物(例如有機酸、氨基酸、糖、胺)、脂類、類萜和固醇。代謝組學分析得到的數據量巨大,需要借助化學計量學對數據進行分析處理,常用的分析方法包括主成分分析(PrincipalComponentsAnalysis,PCA)、判別分析(DiscriminantAanalysis,DA)、偏最小二乘法-判別分析(PartialLastSuares-DiscriminantAeqnalysis,PLS-DA)等方法[10]。2.3基因組學?；蚪M學的研究對象包括基因組的結構、功能、進化、定位、編輯等,以及他們對生物體的影響。基因組學通過使用高通量DNA測序和生物信息學來組裝和分析整個基因組的功能和結構。近幾十年來,多重聚合酶鏈式反應、基因測序、基因芯片等技術飛速發(fā)展,為基因組學在食品安全領域的應用打下了良好的基礎?；诨蚪M學特異性強、靈敏度高和高通量的特點,其在病原微生物檢測,物種鑒定和轉基因食品檢測方面有著很多應用[11-12]。

3組學技術在食品安全檢測中的應用

3.1食品中有害物質檢測。食品中不含危害人類健康成分是食品安全的最基本要求。組學技術在檢測食品中有害物質方面有著廣泛的應用。隨著生活水平的提高,動物源性食品的需求量快速增加。經濟利益驅使下,為了規(guī)避食品安全法規(guī)中已有獸藥的使用限制,使用新獸藥的情況時有發(fā)生。傳統(tǒng)方法只針對目標化合物進行檢測,對于非目標化合物即新型獸藥的檢測無能為力。采用組學方法,尋找合適的生物標志物,可以及時發(fā)現(xiàn)新型獸藥的使用情況。Courant等[13]采用液相色譜-高分辨質譜和非靶向代謝組學技術,建立了監(jiān)測小牛尿液中β2-受體激動劑代謝物的方法,有望成為篩查各類β2-受體激動劑獸藥的有效方法。Regal等[14]應用代謝組學技術結合高效液相色譜-高分辨質譜結合多元變量統(tǒng)計分析,找出了牛血清中外源性雌二醇和孕酮的生物標志物,為檢測動物養(yǎng)殖過程中的激素濫用提供了新方法。發(fā)酵食品中含有豐富的微生物和各種有益消化酶,具有獨特的風味和較高的營養(yǎng)價值,深受大眾喜愛。生物胺和亞硝酸鹽是食品發(fā)酵過程中常見的兩類有害物質。生物胺包括芳香胺(酪胺、苯乙胺、多巴胺等)、脂肪胺(腐胺、精胺、亞精胺等)和雜環(huán)胺(組胺、色胺等),主要來源于發(fā)酵過程中的微生物降解。亞硝酸鹽是發(fā)酵食品中重要的危害物質;發(fā)酵過程中,微生物分泌硝酸鹽還原酶將硝酸鹽還原產生亞硝酸鹽。Meyer等[15]利用液相色譜法和主成分分析相結合的代謝組學方法,研究了發(fā)酵香腸中的生物胺和亞硝酸鹽含量。用該方法對101個樣品進行檢測,發(fā)現(xiàn)其中NaNO2的濃度均低于20mg/kg,生物胺含量普遍很低,僅在一個樣品中發(fā)現(xiàn)尸胺和腐胺濃度達到了中毒水平。3.2組學技術在食源性致病菌檢測中的應用。食源性致病菌是食品安全面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一,傳統(tǒng)檢測方法從細菌培養(yǎng)到細菌計數,檢測一個樣品至少需要4~5d的時間,而組學技術可大大提高食源性致病菌檢測的效率。代謝組學在沙門氏菌和大腸桿菌的鑒定方面已經取得一定成果[16-18]。Xu等[16]利用氣相色譜-質譜法和一種多元算法進行了鼠傷寒沙門氏菌污染豬肉和自然變質豬肉中代謝物的分析,確定了17種代謝產物(包括各種類型的氨基酸和脂肪酸),以區(qū)分被致病微生物污染的豬肉。Cevallos等[18]建立了基于代謝組學檢測大腸桿菌O157∶H7、沙門氏菌的方法,根據對細菌代謝物的分析,此方法可以在18h內快速檢測以上兩種病原體,在牛肉和雞肉中大腸桿菌O157∶H7、沙門氏菌檢測水平均可以達到7±2CFU/25g。Whiteside等[19]給出了大腸桿菌的在線基因組學預測平臺SuperPhy,該平臺整合了所有可以公開獲得的大腸桿菌基因組分析工具和基因組序列數據,可以用于臨床醫(yī)學、流行病學、生態(tài)學和進化領域等領域,亦可應用于食品安全檢測領域。祝儒剛等[20]運用多重聚合酶鏈式反應結合基因芯片技術,建立了一種檢測大腸埃希氏菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、志賀氏菌和單核細胞增生李斯特菌5種食源性致病菌的方法,該方法快速、準確、靈敏。全基因組測序(WholeGenomeSequencing,WGS)廣泛應用于食源性致病菌特征分析,在確定污染事件根源、食品安全事件溯源、食品安全突發(fā)事件檢測和鑒定,以及毒力和致病性特征分析方面,WGS技術發(fā)揮著越來越重要的作用[21-22]。3.3食品摻假及欺詐的研究。食品摻假、欺詐是世界性問題[23]。據估算,全球食品行業(yè)每年由于食品摻假和欺詐帶來的經濟損失高達150億美元[24]。當前,與食品摻假相關的議題包括產地、品種、生產方式、未宣布成分、物種替代等[25]。有關食物的完整、準確和真實的信息不僅是消費者的迫切需求,也是行業(yè)和政府的迫切需求。運用組學技術對食品進行檢測,可以確保食品從農場到餐桌的真實性。與傳統(tǒng)檢測方法項目比,組學技術在檢測食品摻假和欺詐方面具有天然優(yōu)勢。通過高通量的檢測模式,對樣品中的蛋白質、代謝物或者DNA進行檢測,通過對大量數據的統(tǒng)計處理、甄別食品特性,進而可以確定食品產地、品種、成分、物種及生產方式等諸多與食品摻假相關的要素。運用特征標記肽段可以檢測馬肉、牛肉、羊肉和豬肉[26]。Montowska&Fornal[27]采用液相色譜-串聯(lián)質譜方法,選擇了20個熱穩(wěn)定肽段,可以有效區(qū)分豬肉、牛肉、雞肉、鴨肉、鵝肉,在實際樣品檢測中,從禽肉腸中檢出含量僅為0.8%的牛肉成分?；跉庀嗌V技術,運用代謝組學分析方法可以有效區(qū)別冷凍豬肉和新鮮豬肉[28]。乳品行業(yè)中,牛乳冒充羊乳,奶粉調制的復原乳冒充鮮奶,工業(yè)化生產的奶酪冒充手工奶酪的欺詐行為極其常見。Caira等[29]應用基質輔助激光解吸電離-飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS)進行分析,根據酪蛋白的特征肽可以有效鑒別水牛乳、牛乳、牛初乳和乳酪。一種結合肽和蛋白質譜的方法可以有效檢測水牛乳、羊乳中的牛乳,判斷鮮牛奶中是否加入奶粉[30]。根據靶向DNA的高特異性,運用基因組學的方法也可以準確鑒別牛乳、水牛乳、羊乳等等,但是準確定量還有一定的難度[31-32]。Majcher等[33]利用氣相色譜-質譜結合代謝組方法以及化學計量學數據處理方法,可以準確鑒別傳統(tǒng)手工藝制作的奧西佩克奶酪和工業(yè)化生產的奧西佩克奶酪。蜂蜜是很受消費者歡迎的食品。不同種類花的蜂蜜不僅口感不同,其營養(yǎng)價值和價格也大不相同。Jandric等[34]利用代謝組學方法,結合液相色譜-質譜,傅里葉變換紅外光譜等手段,建立了鑒別三葉草、麥盧卡、拉塔、卡瑪西四種新西蘭蜂蜜的方法?；蚪M學方法也可以提取蜂蜜中的物種特異性信息,確定蜂蜜的植物學和昆蟲學起源,從而鑒定蜂蜜真?zhèn)蝃35-36]。組學技術可以準確鑒別葡萄酒真?zhèn)?、產地。采用基因組學技術,對DNA來源進行分析,可以鑒別葡萄酒真?zhèn)蝃37]。采用蛋白組學方法,MALDI-TOF-MS技術可以準確鑒別33種克羅地亞白葡萄酒[38]。采用代謝組學技術,通過對葡萄酒中揮發(fā)物的分析,即可判斷釀酒葡萄的品種和產地[39]。利用代謝組學方法還可以將有機種植的胡蘿卜[40]和大麥[41]與普通的胡蘿卜和大麥區(qū)別開來。代謝組學方法可以對咖啡質量和來源進行評價,阿拉卡比咖啡質量要好于羅布斯塔咖啡,在阿拉卡比咖啡中摻入羅布斯塔咖啡也是常見的咖啡造假手段,核磁共振技術可以檢測低至2%的羅布斯塔咖啡[42]。使用單核苷酸多態(tài)性基因分型可以確定5個最常見的希臘橄欖油品種[43]?；蚪M學和代謝組學技術均可以檢測橄欖油中是否摻入玉米油、大豆油、葵花籽油、花生油等其他食用油。[44-45]3.4轉基因食品的檢測。轉基因技術通過生物工程技術將一種或幾種外源性基因轉移到某種特定的生物體內,使其表達出相應產物,以轉基因生物為原料加工生產的食品就是轉基因食品。關于轉基因食品的安全性,目前仍存在爭議。Tan等[46]應用蛋白組學技術研究了轉基因玉米和非轉基因玉米的蛋白質組差異,結果發(fā)現(xiàn)兩者之間存在148個差異表達的蛋白質,其中42個在轉基因玉米中表達較高,106個在非轉基因玉米中表達更高?；谝合嗌V-質譜技術自上而下的蛋白質組學技術,可以檢測抗草甘膦玉米(NK603)中117種蛋白質表達變化[47]。轉基因玉米的代謝組學分析中[48],抗草甘膦玉米(NK603)的幾種胺類代謝物(例如:尸胺、腐胺、N-乙酰尸胺、N-乙酰腐胺)相比非轉基因玉米有顯著提高。Catchpole等[49]啟動快速代謝組“指紋圖譜”,比較了轉基因土豆和非轉基因土豆的總代謝物,發(fā)現(xiàn)轉基因土豆與傳統(tǒng)品種差異不大。代謝組學技術也已應用到對轉基因大米[50,51]、轉基因番茄[52]等轉基因食品的分析。實時PCR(real-timePloymeraseChainRactione,rtPCR)是歐盟法規(guī)規(guī)定的評估轉基因食品的唯一有效方法。微滴式數字PCR技術(dropletdigitalPCR,ddPCR)可以對食品中的植物源轉基因成分進行分析[53]。Kosir等人結合基因步行(GeneWalking,GW)和下一代基因測序技術,可以同時檢測混合物中低至1%的轉基因玉米(MON810、MON89034、MON88017)和棉籽(MON1595)[54]。

4結論

隨著食品工業(yè)的進步和消費的不斷升級,食品種類不斷豐富,消費者對食品安全的要求不斷提高,這給食品安全檢測帶來更多、更新、更高的要求。組學技術應用于食品安全檢測,拓展了食品安全檢測的范圍、給食品安全檢測技術帶來了更大的發(fā)展。組學技術不僅可以檢測食品中的有害物質、病原微生物,還可以對食品生產工藝、產地、成分、物種等進行鑒別,從而滿足消費者對食品安全的更高要求。相比傳統(tǒng)的食品安全檢測技術,蛋白組學、代謝組學和基因組學技術具有高靈敏度、高通量等特點;但是組學技術從研究階段到真正走向實驗室日常檢測依舊任重而道遠。未來的研究在樣本采集、生物標志物的篩選、實驗重復性、實驗室間驗證、方法耐用性、標準物質的應用等方面均需要完善進步,以盡早推動組學技術在食品安全檢測實驗室廣泛應用。

作者:靜平 吳振興 厲艷 宓捷波 李宗瑞