生物技術(shù)在食品分析檢測(cè)上的應(yīng)用

生物技術(shù)在食品分析

檢測(cè)上的應(yīng)用第一節(jié)生物傳感器與食品安全檢測(cè)

1.生物傳感器的基本概念

生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合，對(duì)特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。

它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)與監(jiān)控方法，也是對(duì)食品質(zhì)量在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析的方法。２.生物傳感器工作原理

待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識(shí)別而發(fā)生生物學(xué)作用，產(chǎn)生的信息如光、熱、音等被相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾娦盘?hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測(cè)定其電流值或電壓值，從而換算出被測(cè)物質(zhì)的量或濃度。將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)

如酶?jìng)鞲衅?酶催化特定底物發(fā)生反應(yīng),從而使特定生成物的量有所增減。

用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置和固定化酶耦合,即組成酶?jìng)鞲衅?常用轉(zhuǎn)換裝置有氧電極、過(guò)氧化氫。將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

固定化的生物材料與相應(yīng)的被測(cè)物作用時(shí)常伴有熱的變化。

例如大多數(shù)酶反應(yīng)的熱焓變化量在25-100kJ/mol的范圍.這類生物傳感器的工作原理是把反應(yīng)的熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值的變化,后者通過(guò)有放大器的電橋輸入到記錄儀中。將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)

例如，過(guò)氧化氫酶，能催化過(guò)氧化氫/魯米諾體系發(fā)光，因此如設(shè)法將過(guò)氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端，再和光電流測(cè)定裝置相連，即可測(cè)定過(guò)氧化氫含量。還有很多細(xì)菌能與特定底物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生熒光，也可以用這種方法測(cè)定底物濃度。上述三類傳感器原理的共同點(diǎn)：

都是將分子識(shí)別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測(cè)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將反應(yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量，這種方式統(tǒng)稱為間接測(cè)量方式。直接產(chǎn)生電信號(hào)方式

這種方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的氧化直接(或通過(guò)電子遞體的作用)在電極表面上發(fā)生。根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。３.生物傳感器發(fā)展歷程開端于

20世紀(jì)

60年代。1962年克拉克等人報(bào)道了用葡萄糖氧化酶與氧電極組合檢測(cè)葡萄糖的結(jié)果

,可認(rèn)為是最早提出了生物傳感器(酶?jìng)鞲衅?的原理。1967年Updike等人實(shí)現(xiàn)了酶的固定化技術(shù)

,研制成功酶電極

,這被認(rèn)為是世界上第一個(gè)生物傳感器。

20世紀(jì)70年代中期后,生物傳感器技術(shù)的成功主要集中在對(duì)生物活性物質(zhì)的探索、活性物質(zhì)的固定化技術(shù)、生物電信息的轉(zhuǎn)換以及生物傳感器等研究

,并獲得了較快的進(jìn)展。1977年,鈐木周一等發(fā)表了關(guān)于對(duì)生化需氧量(BOD)進(jìn)行快速測(cè)定的微生物傳感器的報(bào)告

,

正式提出了對(duì)生物傳感器的命名。

生物傳感器分類根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式,可分為生物親合型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器;根據(jù)生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型生物傳感器、測(cè)聲型生物傳感器等根據(jù)生物傳感器中生物分子識(shí)別元件上的敏感材料可分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器。

每一類名稱又都包含許多種具體的生物傳感器例如，酶電極類:根據(jù)所用酶的不同就有幾十種，如葡萄糖電極、尿素電極、尿酸電極、膽固醇電極、乳酸電極、丙酮酸電極等等．葡萄糖電極也并非只有一種，有用pH電極或碘離子電極作為轉(zhuǎn)換器的電位型葡萄糖電極，有用氧電極或過(guò)氧化氫電極作為轉(zhuǎn)換器的電流型葡萄糖電極等．實(shí)際上還可再細(xì)分。

生物親合型傳感器被測(cè)物質(zhì)與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時(shí)引起敏感材料的分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等的變化。反應(yīng)式可表示為：

S（底物）+R（受體）=SR

代謝型傳感器底物（被測(cè)物）與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號(hào)轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，這類傳感器稱為代謝型傳感器，其反應(yīng)形式可表示為

S（底物）＋R（受體）=SR→P（生成物）

生物傳感器優(yōu)點(diǎn)：由于具有較高的選擇性，因此不需對(duì)被測(cè)組分進(jìn)行分離，即不用對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，使用方便，特別是便攜式的生物傳感器，非常有利干食品質(zhì)量安全的市場(chǎng)?？焖僭u(píng)價(jià)；可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的在線檢測(cè)，使食品加工過(guò)程的質(zhì)量控制變得簡(jiǎn)便；響應(yīng)速度快，樣品用量少；與其他大型分析儀器相比，生物傳感器的制作成本低，且可反復(fù)使用。手掌型葡萄糖(glucose)分析儀

6.2傳感器類型

(1)酶?jìng)鞲衅?EnzymeSensor)

酶?jìng)鞲衅魉鼘⒒钚晕镔|(zhì)酶覆蓋在電極表面,酶與被測(cè)的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物反應(yīng),形成一種能被電極響應(yīng)的物質(zhì)。1967年Updick和Hicks將固定化的葡萄糖氧化酶膜結(jié)合在氧電極上,做成了第一支葡萄糖電極；此后,這類酶?jìng)鞲衅魍ǔＪ峭ㄟ^(guò)檢測(cè)產(chǎn)物H2O2的濃度變化或氧的消耗量來(lái)檢測(cè)底物。組織傳感器(TissueSensor)組織傳感器是以動(dòng)植物組織薄片中的生物催化層與基礎(chǔ)敏感膜電極結(jié)合而成,該催化層以酶為基礎(chǔ),基本原理與酶?jìng)鞲衅飨嗤?與酶?jìng)鞲衅鞅容^，組織傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.酶活性較離析酶高.2.酶的穩(wěn)定性增大.3.材料易于獲得.肝組織電極

動(dòng)物肝組織中含有豐富的H2O2酶，可與氧電極組成測(cè)定H2O2及其它過(guò)氧化物的組織電極．1981年Mascini等研究了數(shù)種哺乳動(dòng)物和其它動(dòng)物（鳥、魚、龜）的肝組織電極。

微生物傳感器微生物傳感器分為兩類：一類是利用微生物在同化底物時(shí)消耗氧的呼吸作用；另一類是利用不同的微生物含有不同的酶。裝置：由適合的微生物電極與氧電極組成。原理：利用微生物的同化作用耗氧,通過(guò)測(cè)量氧電極電流的變化量來(lái)測(cè)量氧氣的減少量,從而達(dá)到測(cè)量底物濃度的目的.例如,熒光假單胞菌,能同化葡萄糖；蕓苔絲孢酵母可同化乙醇,因此可分別用來(lái)制備葡萄糖和乙醇傳感器，這兩種細(xì)菌在同化底物時(shí),均消耗溶液中的氧,因此可用氧電極來(lái)測(cè)定?；诓煌愋偷男盘?hào)轉(zhuǎn)換器,常見的微生物傳感器有電化學(xué)型、光學(xué)型、熱敏電阻型、壓電高頻阻抗型和燃料電池型，核酸傳感器依據(jù)生物體內(nèi)核苷酸順序相對(duì)穩(wěn)定,核苷酸堿基順序互補(bǔ)的原理而設(shè)計(jì)出核酸探針傳感器,即基因傳感器?；騻鞲衅饕话阌?0~30個(gè)核苷酸的單鏈核酸分子,能夠?qū)Ｒ坏嘏c特定靶序列進(jìn)行雜交從而檢測(cè)出特定的目標(biāo)核酸分子。這種傳感器可用于檢測(cè)食品中的病原體,為食品中病原體的鑒定提供了新的手段。

生物傳感器的應(yīng)用在食品分析中的應(yīng)用在發(fā)酵工程中的應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在軍事上的應(yīng)用在食品分析的應(yīng)用食品成分分析食品添加劑的分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素的檢驗(yàn)食品鮮度的檢測(cè)（一）食品鮮度的測(cè)定1、魚鮮度傳感器魚鮮度傳感器在日本、拿大等國(guó)廣泛用于魚類鮮度的測(cè)定。魚死后體內(nèi)ATP經(jīng)酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黃嘌呤和尿酸、鮮度可用K值表示：

由于大多數(shù)魚死后5～20h，ATP，ADP

和AMP已分解盡，超過(guò)24h，鮮度主要取決于IMP-肌苷-次黃嘌呤-尿酸?；诖?，Karube等催化將這3個(gè)步驟的三種酶（5’－核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黃嘌呤氧化酶）固定在氧電極上，制成魚鮮度測(cè)定儀。K=肌苷+次黃嘌呤/(ATP+ADP+AMP+IMP+肌苷+次黃嘌呤+尿酸)當(dāng)K＜20時(shí)，魚極新鮮，可供生食。K在20～40之問為新鮮，必須熟食。K大于40，不新鮮，不宜食用，這與嗅覺檢驗(yàn)結(jié)果相一致。2.肉鮮度傳感器

肉類在腐敗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種胺類，故胺類測(cè)定也能反映肉類的新鮮程度。用腐胺氧化酶與過(guò)氧化氫電極構(gòu)成多胺生物傳感器，測(cè)定肉在貯藏過(guò)程中的鮮度，反應(yīng)時(shí)間40s，測(cè)定腐胺線性范圍為0.03～3×10-4mol／L。用單胺氧化酶膜和氧電極組成的酶?jìng)鞲衅鳒y(cè)定可以豬肉新鮮度，響應(yīng)時(shí)間為4min，單胺測(cè)定線性范圍為50～20×10-4mol／L。3.食品添加劑的分析過(guò)量的食品添加劑通常會(huì)對(duì)人體造成危害，因此對(duì)食品中添加劑含量進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)是非常必要的。亞硫酸鹽是常用的食品防腐劑和漂白劑，但是亞硫酸鹽容易引起哮喘，因此美國(guó)FDA規(guī)定了其在新鮮水果和蔬菜等食品中的含量不得超過(guò)1×10-6mol/L。Groom等人將亞硫酸氧化酶固定于玻璃電極上，制成了測(cè)定亞硫酸鹽的生物傳感器，其靈敏度（檢出下限）達(dá)到5nmol/L，線形范圍為0-5mmol/L，電極在3mol/L的硫酸鹽溶液中4oC保存2個(gè)月活性不變。天冬酰苯丙氨酸甲酯，又稱甜味素，是人工合成的低熱量甜味劑。Guilbault等將天冬氨酸酶固定于氨電極上，制成生物傳感器，其檢測(cè)線性范圍為0.4-0.8mmol/L。4.污染微生物的檢測(cè)

Matssunage等人開發(fā)出一種基于微生物在代謝過(guò)程中能產(chǎn)生電子，電子直接在陽(yáng)極上放電產(chǎn)生電流，通過(guò)測(cè)定電流大小從而測(cè)定微生物濃度的傳感器。用該傳感器能很好地檢測(cè)釀酒酵母和乳酸菌等微生物的數(shù)量發(fā)酵罐主機(jī)計(jì)算機(jī)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用

-為發(fā)酵自動(dòng)控制提供了新的基礎(chǔ)平臺(tái)發(fā)酵中葡萄糖測(cè)定

過(guò)去用操作繁瑣時(shí)間長(zhǎng)的還原糖方法只能近似地估計(jì)葡萄糖的變化?，F(xiàn)在提供了快速而準(zhǔn)確的固定化酶的測(cè)定方法，發(fā)酵中可根據(jù)糖消耗確定微生物的生長(zhǎng)速率，觀察是否染菌，隨時(shí)與產(chǎn)物的產(chǎn)生一起估算轉(zhuǎn)化率，確定補(bǔ)料效果和及時(shí)判斷發(fā)酵結(jié)束的時(shí)間。發(fā)酵過(guò)程或設(shè)備異?，F(xiàn)象通過(guò)葡萄糖分析得到及時(shí)預(yù)報(bào)。

谷氨酸發(fā)酵液的分析在谷氨酸發(fā)酵中，隨時(shí)跟蹤目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)生?？焖佾@得主控參數(shù)的變化信息，使時(shí)間縮短了幾十倍。在發(fā)酵前期及時(shí)知道產(chǎn)酸出現(xiàn)時(shí)間在發(fā)酵中期可根據(jù)谷氨酸產(chǎn)生速率，預(yù)知最終的產(chǎn)量，并獲得補(bǔ)氨是否均勻的信息在發(fā)酵后期，可根據(jù)谷氨酸產(chǎn)生速率變慢情況確定放罐時(shí)間和今后配料的調(diào)整在我國(guó)發(fā)酵工廠普及應(yīng)用的谷氨酸-葡萄糖雙功能分析儀工廠發(fā)酵車間化驗(yàn)員正在分析樣品乳酸傳感器在發(fā)酵上的應(yīng)用

乳酸測(cè)定是生物傳感器出現(xiàn)后新增加的控制參數(shù)。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)它的控制是獲得發(fā)酵高產(chǎn)的關(guān)鍵。乳酸是需氧發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)化過(guò)程中的中間產(chǎn)物，是過(guò)程控制的敏感參數(shù)，與生物素的加入量、補(bǔ)糖、活菌數(shù)、菌活力、空氣補(bǔ)給等控制直接相關(guān)。

發(fā)酵旺盛期，乳酸必然產(chǎn)生，適度的乳酸濃度是高產(chǎn)罐的重要指示。此時(shí)單純地通過(guò)通風(fēng)是達(dá)不到乳酸下降的目的，反而引起能源的浪費(fèi)及減產(chǎn)。發(fā)酵后期、放罐前應(yīng)控制乳酸下降，才能達(dá)到高產(chǎn)。乳酸傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀①是體育上耐力項(xiàng)目科學(xué)訓(xùn)練的常用設(shè)備②已在抗疲勞保健食品檢測(cè)中普及應(yīng)用，許多省級(jí)衛(wèi)生防疫站成功地用這項(xiàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在同一小實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)多次采血檢測(cè)，簡(jiǎn)化了分析化驗(yàn)工作量③是發(fā)酵控制的有效新指標(biāo)④是新型可降解塑料聚L-乳酸前體生產(chǎn)過(guò)程控制的主控參數(shù)水質(zhì)分析：一個(gè)典型應(yīng)用是測(cè)定生化需氧量（BOD），傳統(tǒng)方法測(cè)BO