酶電極傳感器在食品安全檢測中的研究進(jìn)展

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(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

酶電極傳感器在食品安全檢測中的研究進(jìn)展

儲嫣紅,鄒彬*,陳學(xué)珊,夏姣姣,霍書豪

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

酶電極傳感器因選擇性好、靈敏度高、檢測速度快等特點(diǎn),在食品安全檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。本文綜述了酶電極傳感器的簡介、原理和分類及其在食品安全領(lǐng)域(包括食源性致病菌、生物毒素、藥物殘留、食品添加劑、過敏原等)的研究應(yīng)用進(jìn)展,并對酶電極傳感器的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

酶電極,食品安全,檢測,食源性致病菌,生物毒素

近年來食品安全問題倍受關(guān)注,食源性致病菌污染、食品藥物殘留、過量添加劑,生物毒素等問題引發(fā)了我們對食品安全問題的深刻思考[1-2]。傳統(tǒng)的食品安全檢測方法如氣相色譜法、液相色譜法[3-4]和質(zhì)譜法[5]耗時(shí)長,前處理步驟繁瑣,成本高,僅適合檢測少量樣品。隨著食品安全問題進(jìn)入繁發(fā)期,食品安全快速檢測的需求不斷加大。電極檢測技術(shù)因檢測速度快、易于自動(dòng)化等滿足大多數(shù)行業(yè)大規(guī)模檢測的要求。但是食品領(lǐng)域體系復(fù)雜,常規(guī)電極易受外界因素干擾,對特定物質(zhì)的檢測選擇性低[6-7]?？紤]到酶的特異性及電極的快速檢測,1962年Clark等首次提出將酶與電極結(jié)合的設(shè)想[8],5年后Updike研制了第一支酶電極對食品中葡萄糖含量進(jìn)行了精確測量[9]。酶電極對被測物有極好的選擇性、靈敏度高、能反復(fù)使用,成為當(dāng)前科學(xué)研究中普遍使用的檢測方法。張金玲等[10]采用固定化谷氨酸氧化酶電極測定醬油中L-谷氨酸鈉含量。反應(yīng)過程產(chǎn)生的過氧化氫在電極表面上發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,內(nèi)置電子元件將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號,即可準(zhǔn)確、快捷地實(shí)現(xiàn)L-谷氨酸鈉的定量。而且該方法既不需對醬油脫色亦不需進(jìn)行衍生化。酶膜安裝在儀器上之后,正常操作能重復(fù)測定1000次以上[10],酶電極快速檢測技術(shù)的逐步工業(yè)化應(yīng)用為食品安全檢測領(lǐng)域開啟了新的篇章。本文綜述了近五年來酶電極傳感器在食品中藥物殘留、生物毒素、食品添加劑、食源性致病菌、過敏原方面的研究進(jìn)展。

1 酶電極傳感器簡介

酶電極是指電極敏感膜表面覆蓋有一層很薄的含酶凝膠或懸浮液的離子選擇電極,克服了游離酶的不穩(wěn)定性,且能重復(fù)使用降低成本[11-12]。目前將酶固定于電極的方法有交聯(lián)法、吸附法、包埋法、共價(jià)鍵合法、層層自組裝技術(shù)。在實(shí)際操作中,往往采用以上幾種組合式的固定方法,使得酶的生物活性得到充分的發(fā)揮。Upadhyay[13]等運(yùn)用交聯(lián)法將乙酰膽堿酶和膽堿氧化酶固定于電極上檢測牛奶中的有機(jī)磷,結(jié)果顯示對氧磷,卡巴呋喃,二異丙基氟磷酸的檢測范圍可分別達(dá)到2.0×10-4,2.0×10-4～2.5×10-4和2.0×10-4～2.5×10-4mol/L。Karra[14]等設(shè)計(jì)了將酶聚合物膜介于電極和全氟磺酸膜之間的三明治酶電極模型,每個(gè)酶及其輔因子共價(jià)連接到負(fù)載殼聚糖和碳納米管的電極表面上,由于酶的充分利用,這種生物傳感器的電流增加高1000%。

2 酶電極傳感器原理

酶電極浸泡在溶液中,待測物經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入酶的活性部位并進(jìn)行反應(yīng),生成或者消耗某種活性物質(zhì),通過電流型或者電位型傳感器測定活性物質(zhì)的濃度來測定反應(yīng)進(jìn)度。電流型傳感器是指酶促反應(yīng)所引起的物質(zhì)量的變化變成電流信號輸出,數(shù)值大小與底物濃度有關(guān)[15]。Hatad[16]等使用果糖基氨基酸氧化酶和氯化六氨合釕電子媒介結(jié)合成酶電極。該電流型酶電極產(chǎn)生的響應(yīng)電流與糖化白蛋白有明顯的相關(guān)性,該傳感器能在1 min內(nèi)測定蛋白酶消化樣品(1.3 μL)中糖化白蛋白的含量。靈敏度高穩(wěn)定性好,在37 ℃儲存3個(gè)月仍保持良好特性。電位型酶電極電勢的大小,不僅取決于電對本身的性質(zhì),還與反應(yīng)溫度、有關(guān)物質(zhì)濃度、壓力等有關(guān)。所以能斯特從理論上推導(dǎo)出電極電勢與濃度、溫度之間的關(guān)系。Hsu[17]等制作一種電位型尿素傳感器檢測尿素,傳感器基于脲酶/牛血清白蛋白/Pt電極。傳感器工作電極與參比電極間輸出的電位信號與被測物質(zhì)之間服從能斯特方程,結(jié)果顯示尿素的靈敏度高達(dá)15.2 mV/dec,該傳感器在尿素具有較高的選擇性,使用壽命能達(dá)到十周。

3 酶電極傳感器的分類

酶電極通常根據(jù)轉(zhuǎn)化器原理及酶催化反應(yīng)類型進(jìn)行分類。根據(jù)轉(zhuǎn)化器原理不同分為電化學(xué),光學(xué),熱學(xué),壓電,半導(dǎo)體,聲波酶傳感器,其中電化學(xué)酶電極生物傳感器的發(fā)展和應(yīng)用最為廣泛。Shervedani[18]等用伏安法和電化學(xué)阻抗法研究了一種雙孢菇漆酶電極應(yīng)用于檢測血漿和藥物樣品中的多巴胺。結(jié)果顯示檢測線性范圍分別為5.0×10-10～1.3×10-8mol/L和4.7×10-8～4.3×10-7mol/L,相關(guān)系數(shù)為0.999和0.989,檢出限為2.9×10-8mol/L。Ertek[19]等基于脫氫酶對修飾的石墨電極制作成了光電傳感器。當(dāng)用光纖電纜照射到傳感器表面,傳感器具有光電催化活動(dòng)信號,對葡萄糖的檢出限為5.0×10-5mol/L。該光電傳感器具有良好的選擇性、重復(fù)性和靈敏度。電流型相比電位型具有更簡單直觀的效果。

根據(jù)酶催化反應(yīng)類型不同可以將酶電極傳感分為:氧化還原酶電極,水解酶電極,異構(gòu)酶電極,轉(zhuǎn)移酶電極,連接酶電極和合成酶電極。其中氧化還原酶電極類是最常用的。Cui[20]等基于多壁碳納米管修飾的玻碳電極和黃嘌呤氧化酶,快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)嘌呤,在檢測過程中黃嘌呤氧化酶能催化次黃嘌呤或黃嘌呤生成尿酸,在黃嘌呤氧化酶的幫助下,此檢測系統(tǒng)可以提供更多關(guān)于嘌呤在細(xì)胞內(nèi)代謝的信息,在嘌呤細(xì)胞內(nèi)的精確檢測方面開辟了一條新的道路。Kang[21]等通過酰基輔酶A合成酶和氧化酶電極傳感器檢測非酯化脂肪酸,發(fā)現(xiàn)電極檢測信號與油脂濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

4 酶電極傳感器在食品安全檢測中的研究應(yīng)用

4.1藥物殘留檢測

藥物殘留分為獸藥殘留和農(nóng)藥殘留。當(dāng)人類長期食用獸藥殘留超標(biāo)的肉類食品,體內(nèi)蓄積的藥物濃度達(dá)到一定量時(shí)會(huì)對人體產(chǎn)生多種急慢性中毒。農(nóng)藥在果蔬表面的殘留往往會(huì)干擾人體內(nèi)激素的平衡,引起免疫缺陷癥而致癌、致畸,致突變等[22]。農(nóng)藥化學(xué)結(jié)構(gòu)主要分為三類有機(jī)磷類、氨基甲酸酯類、有機(jī)氯類。

農(nóng)產(chǎn)品中有機(jī)磷農(nóng)藥高毒性和高殘留性直接危害著人類健康,建立快速靈敏的有機(jī)磷檢測方法是很有必要的。市場上常見的有機(jī)磷類農(nóng)藥有敵敵畏、敵百蟲、毒死蜱等。有機(jī)磷農(nóng)藥是一類乙酰膽堿酯酶抑制劑,易使乙酰膽堿酯酶不可逆磷?；姑甘セ盍?因此通過檢測乙酰膽堿酯酶活力即可間接推算有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度。Zheng[23]等利用納米銀的抗菌性和殼聚糖的生物相容性的特點(diǎn),采用乙酰膽堿酯酶納米銀電極檢測食品中的有機(jī)磷農(nóng)藥,測得對氧磷的檢出限僅為1.45×10-5mol/L,該方法安全、輕便、環(huán)保,在有機(jī)磷農(nóng)藥檢測應(yīng)用方面有很大的潛力。Miao[24]等采用金屬鉑/多壁碳納米管修飾的酶電極檢測食品樣品中的有機(jī)磷農(nóng)藥,對馬拉硫磷、甲基對硫磷和毒死蜱進(jìn)行檢測,檢出限分別為1.6×10-10,9.0×10-11,8.0×10-11mol/L,對農(nóng)藥毒氟磷的線性范圍為5.0×10-8～5.0×10-7mol/L,檢測限為2.97×10-8mol/L,該酶電極傳感器檢測現(xiàn)實(shí)樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留具有良好的適用性。Itoh[25]等基于乙酰膽堿酯酶和膽堿氧化酶,以絲網(wǎng)印刷電極為載體,用明膠包埋法制備了的電流型酶電極生物傳感器,該酶電極在pH6.8,37 ℃時(shí)對氯化乙酰膽堿有最大響應(yīng),其穩(wěn)定期可達(dá)30 d,測量的平均相對偏差為2.18%,測定時(shí)間可控制在10 min內(nèi),對敵百蟲的檢出限為1×10-10mol/L。陳文飛[26]等研制一種用于蔬菜中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留快速檢測的電化學(xué)酶傳感器,通過循環(huán)伏安法將電子媒介體硫堇電聚合在絲網(wǎng)印刷電極上,用殼聚糖凝膠將乙酰膽堿酯酶固定于聚硫堇電極表面,制成一種新型的有機(jī)磷農(nóng)藥生物傳感器。在有機(jī)磷農(nóng)藥辛硫磷濃度為0.01～500 μg/mL范圍內(nèi),辛硫磷對酶電極的抑制率(%)與辛硫磷的濃度(c)的對數(shù)呈良好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.9886,檢出限以抑制率10%的農(nóng)藥濃度計(jì)算為0.006 μg/mL。該傳感器成本低廉,使用方便,響應(yīng)快靈敏度高,可應(yīng)用于果蔬中有機(jī)磷農(nóng)藥的快速檢測。

氨基甲酸酯類農(nóng)藥最早在西非扁豆中發(fā)現(xiàn),有劇毒,但因其具有高效殺蟲、殺螨效果而大量合成用于農(nóng)作物病蟲防治,市場產(chǎn)品主要有西維因、克百威等。Zheng[27]等基于離子液體功能化的石墨烯-明膠修飾的酶電極檢測樣品中殘留的農(nóng)藥,測定西維因的檢測限為5.3×10-15mol/L,在4 ℃條件下保留15 d,保持了初始電流的95.2%,該傳感器具有高靈敏度,強(qiáng)穩(wěn)定性以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。丁硫克百威廣泛應(yīng)用于水稻生長的各個(gè)階段,其作用為控制害蟲生長,屬于氨基甲酸酯類農(nóng)藥。Nesakumar[28]等采用氧化鋅納米粉末修飾的酶電極檢測大米中的丁硫克百威,最適條件下,鉑/氧化鋅/乙酰膽堿酶/殼聚糖電極對丁硫克百威檢出限為2.4×10-10mol/L,該電極具有99.06%～100.96%恢復(fù)率,是分析大米樣品中農(nóng)藥殘留的良好工具。洪思遷[29]等設(shè)計(jì)農(nóng)藥污染檢測專用軟件,控制電化學(xué)工作站提取酶電極傳感器信號,利用克百威配制成不同濃度的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn),專用軟件的測量誤差在10%以內(nèi),單次檢測的假陰性概率小于11.1%。許紹鵬[30]等采用改進(jìn)的Hummers法制備了氧化石墨烯,用微波輔助絲素還原法制備了絲素還原石墨烯,然后用絲素同時(shí)原位還原的石墨烯-納米金復(fù)合水凝膠包埋酪氨酸酶制備了新型的有機(jī)相酶電極,在純氯仿中對克百威進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明,在有機(jī)相中,絲素水凝膠能較好的保持酪氨酸酶的生物活性,石墨烯和納米金促進(jìn)了電極界面上以及水凝膠內(nèi)部的電子傳遞,提高了酶電極的靈敏性。在沒有另外添加水或者緩沖液的情況下,在1.0×10-8～1.0×10-12mol/L范圍內(nèi),酪氨酸酶的抑制率與克百威濃度呈線性關(guān)系,檢測限為8.0×10-13mol/L。該有機(jī)相酶電極制備簡單,檢測快速,靈敏度高,適合于有機(jī)溶劑中微量農(nóng)藥的定量檢測。

莠去津是一種有機(jī)氯類除草劑,韓恩等[31]等基于莠去津?qū)野彼崦傅囊种谱饔?采用聚二烯丙基二甲基氯化銨功能化的碳納米管在玻碳電極表面固載酪氨酸酶,構(gòu)建了一種能夠快速檢測莠去津殘留的電化學(xué)生物傳感器。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了酶電極制作的厚度以及莠去津?qū)野彼崦傅囊种茣r(shí)間,結(jié)果表明,該電化學(xué)生物傳感器對莠去津檢測的線性范圍為4.64×10-8～3.70×10-6mol/L,檢測限低至1.8×10-8mol/L,該電化學(xué)檢測方法操作簡單、檢測速度快、靈敏度高,可用于實(shí)際樣品中莠去津殘留檢測。

傳統(tǒng)對藥物殘留的檢測主要方法是氣相色譜,質(zhì)譜和液相色譜及酶聯(lián)免疫實(shí)驗(yàn)等,檢測儀器高檔且樣品前處理復(fù)雜,酶聯(lián)免疫檢測技術(shù)雖然速度快但成本高,無法實(shí)現(xiàn)大量樣品的快速現(xiàn)場檢測,而酶電極傳感器具有靈敏、快速、特異性強(qiáng)、對樣品無需特殊處理的優(yōu)點(diǎn),隨著近年來研究者們的而不斷努力,酶電極的性能不斷得到優(yōu)化,因此近年來對于食品中藥物殘留有了較多的研究應(yīng)用。

4.2生物毒素的檢測

生物毒素是由各種生物(動(dòng)物、植物、微生物)產(chǎn)生的有毒物質(zhì),為天然毒素。常見的生物毒素如植物棉籽油中的棉酚,動(dòng)物河豚中的神經(jīng)性毒素,微生物中毒性比氰化鉀強(qiáng)一萬倍的肉毒桿菌內(nèi)毒素。生物毒素嚴(yán)重威脅著人類的健康安全,基于酶電極傳感器的新型分析技術(shù)極大地提高了分析的靈敏度和準(zhǔn)確度,在生物毒素檢測中發(fā)揮著越來越重要的作用[32-33]。

大田軟海綿酸是一種公認(rèn)的促癌劑,也是腹瀉性貝類毒素的主要成分之一。孫海燕[34]等基于大田軟海綿酸抑制蛋白質(zhì)磷酸酶2A酶活性的原理,構(gòu)建了固定化磷酸酶2A生物傳感器,進(jìn)一步對育溫時(shí)間、pH和溫度等影響電流響應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并以構(gòu)建的傳感器對大田軟海綿酸進(jìn)行了檢測,大田軟海綿酸的檢測限為1.25×10-8mol/L,在4 ℃放置7 d后,其響應(yīng)電流為初始電流的87%,與HPLC方法相比,實(shí)際樣品測定時(shí)具有良好的準(zhǔn)確性與一致性。

組胺、腐胺和尸胺是生物體死亡一段時(shí)間后,由微生物分解產(chǎn)生的劇毒物質(zhì),人體攝入后會(huì)嚴(yán)重危害身體健康。Leonardo[35]等采用基于二胺氧化酶與磁珠聯(lián)合的酶電極傳感器檢測組胺、腐胺和尸胺,制作的酶電極具有兩個(gè)數(shù)量級的線性范圍(1.0×10-5～1.0×10-3mol/L)、重現(xiàn)性好(變異性低于10%)、高重復(fù)性(多達(dá)8個(gè)連續(xù)測量)的優(yōu)點(diǎn)。對組胺,腐胺和尸胺的檢出限均在μmol/L范圍之內(nèi),為食品工業(yè)高通量精準(zhǔn)分析生物胺奠定了基礎(chǔ)。Young[36]等發(fā)明了用輔酶吡咯喹啉醌修飾電極的安培傳感器檢測組胺,該方法在電極表面形成一層薄膜,具有良好的穩(wěn)定性,保質(zhì)期超過一個(gè)月,無信號丟失。在最適條件下,線性響應(yīng)范圍為3.60×10-4～1.53×10-3mol/L,檢出限為3.42×10-4mol/L。這種方法實(shí)用的線性范圍在檢測食品腐敗方面很有用途。

黃曲霉毒素易藏在淀粉含量高的發(fā)霉的食物里,比如大米、堅(jiān)果、花生、玉米等,黃曲霉素的毒性極強(qiáng),具有很強(qiáng)的致癌性。Uludag[37]等采用一種黃曲霉毒素酶新型傳感器測定麥穗樣品的黃曲霉毒素,結(jié)果表明黃曲霉毒素檢測限低至6.03×10-9mol/L(94%回收率)。該新型生物傳感器具有快速、靈敏、全自動(dòng)化、小型化等優(yōu)點(diǎn),有望對食品工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)影響。Chen[38]等采用一種簡單快速、高靈敏電化學(xué)生物傳感器檢測雜色曲霉素,傳感器運(yùn)用一種從假蜜環(huán)菌中獲取的名為黃曲霉毒素氧化酶的新酶,酶物理吸附固定化于殼聚糖單壁碳納米管修飾的金電極上,酶電極對雜色曲霉素有明顯的電催化響應(yīng),檢測線性范圍為10～1480 ng/mL,檢出限為3 ng/mL。

Radulescu[39]等基于重組PP1α的高靈敏傳感器檢測水產(chǎn)品中微囊藻毒素,傳感器通過將一種新型重組酶夾帶在聚乙烯醇中,并連接在鈷-酞菁修飾的絲網(wǎng)印刷電極上。結(jié)果顯示微囊藻毒素檢測限為9×10-4mol/L,傳感器表現(xiàn)出較好的分析性能。

β-咔唑是單胺氧化酶的抑制劑,自然存在于植物(駱駝蓬)、真菌(哈爾滿)及煙草中,過度使用來源不同的β-咔唑可能導(dǎo)致不可預(yù)知的神經(jīng)功能障礙。Radulescu[40]等開發(fā)了一種基于抑制單胺氧化酶的β-咔唑快速分析方法。將酶固定在含銅的普魯士藍(lán)穩(wěn)定膜修飾的絲網(wǎng)印刷電極上,使用芐胺作為酶促反應(yīng)的底物,以電流分析法測量過氧化氫。結(jié)果顯示β-咔唑的檢出限分別為哈爾滿堿5.0×10-6mol/L及駱駝蓬堿2.5×10-6mol/L,此傳感器滿足食品分析的需求。毒素對人體及食品生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的危害性很大,因此加強(qiáng)對其檢測至關(guān)重要。隨著酶電極傳感器的發(fā)展,有望在毒素檢測方面也得到廣泛應(yīng)用。

4.3食品添加劑的檢測

食品添加劑是為改善食品色、香、味以及為防腐、保鮮等加入食品中的化學(xué)物質(zhì)。食品添加劑按照來源分有天然食品添加劑和人工化學(xué)合成品。常用的食品添加劑有抗氧化劑、抗生素等。非法或過量使用食品添加劑,將嚴(yán)重危害人類的健康[41]。

抗氧化劑被廣泛應(yīng)用于食品、制藥及商業(yè)產(chǎn)品中,在食品中過量使用合成的抗氧化劑會(huì)產(chǎn)生毒性作用。天然成分兒茶酚可以促進(jìn)新陳代謝,減緩衰老。但兒茶酚與營養(yǎng)鐵素結(jié)合力強(qiáng),過量攝入會(huì)減少其被吸收。Sadeghi[42]等基于 Fe3O4/聚苯胺/漆酶/殼聚糖生物復(fù)合材料修飾的玻碳電極測定茶葉中的兒茶酚。線性濃度范圍5.0×10-7～8.0×10-5mol/L,檢測限為4.0×10-7mol/L。在pH5,40 ℃條件下,該酶電極表現(xiàn)出最佳響應(yīng)時(shí)間8 s。Wang[43]等采用漆酶電極檢測兒茶酚,檢出限更低至2.9×10-7mol/L,這種漆酶電極傳感器具有良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和一定的選擇性。丁基化羥基苯甲醚和沒食子酸丙酯作為油溶性抗氧化劑能使油脂自動(dòng)氧化的連鎖反應(yīng)切斷,防止油脂繼續(xù)氧化,因自身具有毒性,最大使用量不能超過0.2 g/kg。Long[44]基于將辣根過氧化物酶固定于金鉑納米管/金石墨烯的酶生物傳感器上測定兩種抗氧化劑的含量,丁基化羥基苯甲醚和沒食子酸丙酯的線性范圍分別為1.66×10-5～2.77×10-4mol/L和4.71×10-7～4.71×10-4mol/L,檢出限分別為2.55×10-7mol/L和1.13×10-7mol/L,該方法具有良好的靈敏度,穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

抗生素是由細(xì)菌、霉菌或其它微生物所產(chǎn)生的具有抗病原體的一類物質(zhì)。市場常見的為四環(huán)素類,氨基糖苷類,β-內(nèi)酰胺類(青霉素),大環(huán)內(nèi)酯類(紅霉素)等。食品中濫用抗生素會(huì)降低人自身的抵抗力,定量分析檢測抗生素在食品產(chǎn)品中的需求很大,使得各界研究者們不斷對其進(jìn)行探索。Taghdisi[45]等采用一種新型高靈敏的核酸外切酶I電化學(xué)傳感器檢測四環(huán)素類抗生素,在牛奶和血清樣品中的檢出限分別為7.4×10-10和7.1×10-10mol/L?？敲顾厥且环N氨基糖苷類抗生素。對多數(shù)腸桿菌科細(xì)菌如大腸埃希菌等均有良好抗菌作用。Song[46]等制備了一種新型辣根過氧化物酶傳感器用于牛奶中卡那霉素檢測。在最佳條件下,卡那霉素濃度范圍為1.72×10-11～2.57×10-7mol/L,檢測限為8.58×10-12mol/L。該傳感器可應(yīng)用于牛奶中卡那霉素的測定,具有較強(qiáng)的特異性、靈敏度和選擇性。孔維琴[47]等以新亞甲藍(lán)作為氧化還原探針,將青霉素水解反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可檢測的電流信號,制備了β-內(nèi)酰胺酶電極,并用于磷酸緩沖溶液和牛奶樣品中青霉素的檢測。在牛奶中線性范圍為7.19×10-7～3.60×10-5mol/L(r=0.9943)。嚴(yán)校平[48]等制備了電聚合硫堇膜修飾青霉素酶電極,研究了青霉素G鈉在該電極上的電化學(xué)行為,并對電極的制作條件及檢測條件進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明在戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.47%,牛血清蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.57%,固定化時(shí)間為2.44 h,用酶量為50 μL條件下制備的酶電極響應(yīng)性能達(dá)到最佳。該電極對青霉素G鈉的線性范圍為2.24×10-7～2.81×10-6mol/L。

合理使用添加劑,對豐富食品生產(chǎn)和促進(jìn)人體健康有好處,但畢竟不是天然成分,如果使用不當(dāng),或者混入一些有害成分,就可能對人體健康帶來危害。酶電極傳感器可以實(shí)現(xiàn)對食品添加劑的高靈敏低成本檢測,為人類的健康帶來福祉。

4.4食源性病源菌

農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)物質(zhì)豐富,極易被微生物污染,食品中的病原微生物是影響食品安全的主要因素之一,傳統(tǒng)檢測食源性病原菌的方法繁瑣及周期較長,快速、簡便、特異的檢測方法成為眾多科學(xué)家的研究目標(biāo)。肉類、蛋類、禽類、海產(chǎn)品、乳制品、蔬菜等都已被證實(shí)是李斯特菌的感染源,李斯特菌中毒嚴(yán)重的可引起血液和腦組織感染。Chen[49]等采用脲酶生物傳感器實(shí)現(xiàn)了對牛奶中李斯特菌的快速檢測,該生物傳感器在純培養(yǎng)和加生菜樣本條件下對李斯特菌檢測限低至300 CFU/mL。沙門氏菌是食物和農(nóng)業(yè)感染中最嚴(yán)重的病原體之一。Wang[50]等基于堿性磷酸酶電化學(xué)的方法對沙門氏菌快速靈敏檢測,堿性磷酸酶催化L-抗壞血酸-2-磷酸酯生成L-抗壞血酸,同時(shí)三磷化氫促進(jìn)L-抗壞血酸再生,形成氧化還原循環(huán)放大傳感器信號。磷酸鹽緩沖水和農(nóng)業(yè)用水中沙門氏菌的檢測限分別為7.6×102和6.0×102CFU/m。當(dāng)農(nóng)業(yè)用水預(yù)富集4 h時(shí),檢測限約為10 CFU/mL。一些藍(lán)藻產(chǎn)生的蛋白酶抑制劑會(huì)造成水污染,為了人類消費(fèi)的水源和福祉,?lcer[51]等運(yùn)用一種快速和靈敏的核酸生物傳感器測定飲用水中的藍(lán)藻,生物芯片具有兩組金電極陣列,抗生物素蛋白與酶修飾金納米粒子,檢測限為6×10-12mol/L。傳統(tǒng)的病源菌檢測是采用微生物培養(yǎng)、平皿計(jì)數(shù),檢測效率低、速度慢,而酶電極傳感器檢測快速、可靠、簡便且成本低,在食源性病原菌檢測方面有很大的運(yùn)用空間。

4.5食物過敏原檢測

過敏原是指能夠使人發(fā)生過敏的抗原。它的特點(diǎn)是接觸過敏原一段時(shí)間后使得機(jī)體致敏。出現(xiàn)過敏反應(yīng)的患者往往表現(xiàn)為皮膚過敏、呼吸道過敏或消化道過敏,更有甚者表現(xiàn)為全身性過敏甚至死亡。進(jìn)入21世紀(jì)以來,過敏性疾病發(fā)病率明顯上升,已成為影響人類健康最常見的全球性疾病之一[52-53]。Sun等[54]利用辣根過氧化物酶檢測花生中的過敏原,檢出限低至1.3×10-17mol/L。Ruiz等[55]發(fā)明電化學(xué)磁珠免疫傳感器平臺對牛奶過敏原β-乳球蛋白進(jìn)行測定,辣根過氧化物酶標(biāo)記抗體,抗體修飾固定在一次性碳絲網(wǎng)印刷電極表面的磁珠,在-0.20 V電位下測量,再加入對苯二酚作為電子傳遞介質(zhì)和過氧化氫作為酶底物。該傳感器的線性范圍為2.8～100 ng/mL。磁體免疫傳感器平臺已成功應(yīng)用于在不同類型的牛奶中β-乳球蛋白的檢測。Amaya[56]等利用電化學(xué)法測定無麩質(zhì)食品中敏感面筋,采用鏈霉親和素-過氧化物酶標(biāo)記磁珠上的適體,計(jì)時(shí)電流法測量測量酶活,活性與測試溶液中的目標(biāo)濃度成反比關(guān)系,結(jié)果顯示,當(dāng)適體對目標(biāo)具有最高的親和力時(shí),該傳感器的檢出限低至約0.5 mg/L并且具有優(yōu)異的分析性能。

5 展望

隨著食品安全隱患和食品安全問題日趨嚴(yán)重,雖然酶電極傳感器已廣泛應(yīng)用于食品成分檢測,突破了傳統(tǒng)檢測方法耗時(shí)長、成本高、不能批量處理等諸多限制。但如何通過酶電極生物傳感器對特定的污染源進(jìn)行快速檢測成為目前食品安全檢測技術(shù)研究的主要問題,也是阻撓酶電極在食品領(lǐng)域工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素,因此需要進(jìn)一步提高酶電極對底物識別特異性,優(yōu)化酶電極的使用穩(wěn)定性,克服目前酶電極受環(huán)境影響后失活快等問題。另外,酶電極制作過程需要進(jìn)一步簡化以利于機(jī)械化生產(chǎn),在復(fù)雜的理化過程制備中電極的復(fù)現(xiàn)性差,在保證酶電極靈敏度及使用壽命的基礎(chǔ)上,酶電極制備工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化簡化。希望經(jīng)過研究者多年來的不懈努力,酶電極在食品安全領(lǐng)域的檢測范圍將越來越廣,靈敏度也越來越高。

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Researchprogressinelectrochemicalenymzeelectrodesensorindetectionoffoodsafety

CHUYan-hong,ZOUBin*,CHENXue-shan,XIAJiao-jiao,HUOShu-hao

(School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

Enzyme electrode has better selectivity,higher sensitivity and faster detection speed. Therefore,they are applied widely in the field of food safety. This paper reviewed the introduction,principle and classification of the enzyme electrode and its research progress,which included food-borne pathogens,biological toxins,drug residues,food additives,allergen,etc. in the field of food safety. The future development of enzyme electrode is prospected.

enzyme electrode;food safety;detection;food-borne pathogens;biological toxins

2017-03-10

儲嫣紅(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：食品生物技術(shù),E-mail:370866359@163.com。

*通訊作者:鄒彬(1986-),男,博士，副教授，研究方向：食品安全檢測，E-mail:binzou2009@ujs.edu.cn。

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(21406093)；江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(BK20140529)；國家博士后一等資助(2014M550271)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(14KJB530001)；江蘇大學(xué)高級人才科研啟動(dòng)基金(14jdg014)。

TS201.1

:A

:1002-0306(2017)17-0335-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.065