生物芯片在食品检测中的应用进展(下)-汶颢股份
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生物芯片在食品检测中的应用进展(下)

2.4  非法添加物及掺假的检测

在利益的驱使下,不良商家会向食品中添加非法添加物或掺假。他们的方式和手法日趋复杂,所用的物质五花八门。传统的检测方法明显跟不上造假手段的翻新。

可卡因是食品中严令禁止的,为了优化食品风味,火锅底料等食品中会添加微量的可卡因。Kawano等用膜蛋白通道结合DNA适配体检测可卡因,DNA适配体可以高选择性地确认可卡因分子,可以通过嵌入了生物纳米孔的微芯片在60s内检测出300ng/mL的可卡因。

肉制品的检验是世界各地食品检验机构的一项基本任务。到目前为止,肉制品安全检测最常用的两种方法是免疫吸附试验法和聚合酶链式反应法。这两种方法得到广泛认可,但是不适用于多种肉类样品的同时检测,要用来检测意外污染或蓄意掺假肉类产品需要很高的成本。Iwobi等使用两个商用动物芯片检测系统(CarnoCheck检测试剂盒与MEATspecies液晶阵列),该法灵敏度高、可重复利用、操作简便,可高效地同时检测出8~14种肉类制品中的动物种类。这两种芯片效果优良,可以实现在任何食品检测机构中的常规使用。Roy等用新型电化学生物传感器技术,通过DNA氧化还原的静电相互作用和分子非特异性地吸附在石墨烯生物芯片上,从而完成对肉种类的鉴定。这些石墨烯生物芯片成本低、快速高效,为肉类掺假造假的监管提供了技术支持。

2.5  转基因食品的检测


转基因食品图 


1994年美国第一个转基因番茄获得美国食品药品监督管理局批准进入市场以来,转基因产品在全球飞速发展。由于转基因食品安全问题争议很大,目前国际上没有正式的科学报告能够证实转基因食品是永久安全的,而国际上转基因产品的检测还没有统一的标准和方法。传统的转基因检测方法不能满足同时对多个目标进行检测,且准确性不高。此外,转基因食品中包含某些人们尚未完全认识清楚的成分。因此,开发高效、高通量的检测技术是势在必行的。

Cheng等用薄膜生物传感器芯片检测转基因大豆、水稻和玉米,选取9个外源DNA片段作为靶基因,设计并合成引物及探针,采用PCR技术扩增样品中的DNA目标序列,杂交PCR产物及生物芯片,芯片会直接显示杂交结果。该试验方法可以检测出常见的5种改性植物,高效、准确、易操作、高通量、实用且不用使用荧光扫描仪。Gryadunov等用基因芯片及PCR技术同时检测10种不同的转基因食品和饲料,该芯片可以检测植物的DNA,测定植物(大豆、玉米、土豆、水稻)类型,鉴定转基因成分(CaMV35S、FMV35S序列,水稻肌动蛋白为启动子;NOS、CaMV35S、OCS、豌豆rbcS1为终止子;Bar、GUS以及NPTII为标记基因)。因而该芯片可以应用于筛选转基因样品。

VonGotz等研究了DNA微阵列的发展趋势。在最近几年,多重PCR和微阵列技术的结合被用来定性评估转基因生物,如德国的DualChipA(R)GMO是唯一一个经多中心研究认可的转基因筛选系统,通过革新扩增技术,转基因的微阵列检测正在向定量方向发展。

2.6  食品过敏原的检测

食品过敏的发病率和流行情况日益增加,尤其是在发达国家,这给医学和食品工业造成了巨大的压力。加上人们现在生活习惯的改变,饮食面的快速拓宽,使得过敏症状多样、复杂和严重。在世界各地的过敏专家和商业公司,致力于开发新的测试方法,以提高诊断风险评估及过敏的早期预防性治疗。

Wang等用光学薄膜芯片多重检测食品中8个过敏原(芹菜、杏仁、燕麦、芝麻、芥末、羽扇豆、核桃、榛子),PCR扩增之后,用生物芯片检测,30min即可得出结果。光学薄膜芯片可检测PCR目标片段的存在生物,芯片表层光干涉图样改变引起肉眼可见的颜色变化。这是一种能特异、高通量检测食品样品中过敏原的检测方法。

Harwanegg等采用复用芯片免疫检测分析了牛奶和鸡蛋中的过敏原。Pasquariello等用复用芯片免疫分析检验致敏性的苹果,该研究针对10种传统的苹果品种和两种在意大利南部广泛种植的品种进行研究。选取过敏体质者血清作为探针,IgE、IgG和IgG4抑制试验在复用基因芯片上进行反应,即可得到过敏成分。该技术可以快速检测致敏性食物。

3  生物芯片在食品毒理学研究中的应用

食品毒理学的研究可以检验和评价食品安全水平,并为此提供了依据。传统的食品毒理学必须通过动物实验来完成,不仅费时费力,对动物不仁道,而且人体与动物有很大的差异,结果不精确。生物芯片解决了该伦理问题,它从分子和细胞(体外)进行研究,可以显著减少对动物和人类志愿者的测试数目。

Prot等分析了在含有或不含对乙酰氨基酚的微流控生物芯片内培养的肝癌细胞的转录组、蛋白质组学和代谢组学图谱。不含对乙酰氨基酚时,自适应细胞对微流控环境有所反应,即抗氧化应激反应和细胞保护途径的诱导。当有对乙酰氨基酚存在时,则会出现钙稳态的波动、脂质过氧化以及细胞死亡。代谢组学、转录组和蛋白质组学概况的整合使得对乙酰氨基酚损伤通道的重建更加完整。这是全球第一个微流控生物芯片评估毒性的例子,该试验也表明生物芯片对于毒理学方面应用的潜力。

4  生物芯片在食品与健康研究中的应用

利用生物芯片技术研究营养素与蛋白质和基因表达的关系,可以为揭示抗病和预防机理提供理论依据。如营养与高血压、糖尿病和免疫系统的分子水平研究等。Lin等用微流控生物芯片系统对甘油三酯和甲醇进行精准测量,该项技术可以用于医学快速诊断和食品安全领域。孙丽等通过采用DNA甲基化芯片技术,检测出高脂饮食可升高动脉粥样硬化小鼠基因组DNA甲基化水平,此技术可从小鼠延伸至研究食品营养与人类健康。

5  生物芯片的展望

生物芯片在潜移默化中为人类生活带来了一场革命,相比传统生物技术,生物芯片有显著优势,但由于人才、经济以及技术水平等方面的制约,使得生物芯片系统未能广泛普及。这促使以全新的思维方式对生物芯片进行创新和改善,可视芯片技术就是一项突破,一方面它不需要价格高昂的荧光扫描设备,另一方面使用快速、便捷,这也是目前生物芯片的发展方向。马锐等选用金标银染可视化基因芯片分析猪腹泻病毒。李永进等将碱性磷酸酶与底物之间的酶学显色反应引入检测体系使芯片可视化,检测了9种转基因玉米及棉花、大豆等材料。可视化生物芯片还可应用于基因突变的检测、工具酶功能鉴定等领域,具有广泛的发展市场。

根据李丫丫等对欧洲专利局PATSTAT数据库中生物芯片相关专利数据的统计分析,中国生物芯片技术引入相较美、日、韩、德、法略晚,目前正处于成长期且芯片技术轨道趋于稳定,技术主导设计目前还没有形成,预计形成时期将在2022年以后。由于中国芯片技术的创新研发能力较弱,从别国借鉴消化水平不高,此外政府投资力度不大,专项资金短缺,故与发达国家存在一定的差距。生物芯片在中国有着广阔的发展市场和潜在的应用前景,相信随着中国学者和世界各国学者的共同努力,生物芯片必将在更多的领域发挥出其更大的优势。

 

作者:苗小草陈万义张娟游春苹

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