脂肪酸分析傳感器的研究進(jìn)展

王曉潔，陳 華*，魏為力

（1.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶401331）

（2.重慶大學(xué)藥學(xué)院，重慶401331）

脂肪酸分析傳感器的研究進(jìn)展

王曉潔1，陳 華1*，魏為力2

（1.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶401331）

（2.重慶大學(xué)藥學(xué)院，重慶401331）

食用油在加工過程中，會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的反式不飽和脂肪酸，反式脂肪酸對(duì)人體的危害極大。近年來，食用油的安全問題得到越來越多國家的密切關(guān)注，食品安全問題越發(fā)尖銳和凸出。鑒于此，對(duì)食用油中脂肪酸的識(shí)別和含量檢測顯得至關(guān)重要。脂肪酸分析傳感器是利用脂肪酸的特定理化性質(zhì)而構(gòu)建的一種分析手段，文章總結(jié)了幾種不同類型的脂肪酸分析傳感器，綜述了每種分析手段的優(yōu)、缺點(diǎn)以及發(fā)展前景，為后續(xù)脂肪酸的檢測以及食用油煎炸手段的改進(jìn)提供參考。

脂肪酸；理化性質(zhì)；食品安全；傳感器

0 引言

脂肪酸在許多生命過程中扮演著重要的角色：參與細(xì)胞膜的合成，生命體能量的供給，基因表達(dá)的調(diào)控等。根據(jù)有無雙鍵，脂肪酸分為飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸；根據(jù)所含雙鍵的幾何構(gòu)型，不飽和脂肪酸可分為順式和反式不飽和脂肪酸；根據(jù)所含雙鍵的個(gè)數(shù)，不飽和脂肪酸又可分為單不飽和脂肪酸與多不飽和脂肪酸。單不飽和脂肪酸是碳鏈上只有一個(gè)雙鍵的脂肪酸，研究表明[1]，單不飽和脂肪酸可通過對(duì)血脂、內(nèi)皮、凝血和纖溶系統(tǒng)及LDL氧化敏感性的調(diào)節(jié)，對(duì)血脂產(chǎn)生正向調(diào)節(jié)的作用，進(jìn)而降低心血管疾病的發(fā)生率。而多不飽和脂肪酸(PUFAs)作為一種獨(dú)特的生物活性物質(zhì),對(duì)人體有重要的生理功能,ω-3和ω-6多不飽和脂肪酸都是合成類二十烷酸化合物的前體,它們在體內(nèi)的平衡對(duì)于穩(wěn)定細(xì)胞膜功能、調(diào)控基因表達(dá)、視覺神經(jīng)系統(tǒng)[2]、維持細(xì)胞因子和脂蛋白平衡、抗心血管病、膳食脂肪的數(shù)量和質(zhì)量以及內(nèi)源代謝對(duì)小孩子的健康成長、促進(jìn)生長發(fā)育[3]等方面起著重要作用,是目前營養(yǎng)生化研究的熱點(diǎn)之一。然而食用油在烹飪過程中會(huì)產(chǎn)生一系列的熱氧化反應(yīng)[4]，產(chǎn)生潛在的健康威脅，反式脂肪酸(Trans fatty acids,簡稱TFA)就是研究較為廣泛的一種有害物質(zhì)，它是不飽和脂肪酸的一種,是至少含有一個(gè)反式構(gòu)型雙鍵的不飽和脂肪酸的總稱。許多研究表明大量食用含TFA的食物會(huì)加速動(dòng)脈硬化,導(dǎo)致肥胖、心腦血管疾病、冠心病[5]、糖尿病、肥胖癥[6]、內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[7]、阿茲海默癥[8]、生長發(fā)育障礙[9]、必需脂肪酸吸收障礙等疾病。TFA已成為近年來一些相關(guān)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，國際組織及世界各國紛紛采取相關(guān)措施,降低或限制食品中的反式脂肪酸含量。因此在全民健康問題極為重視的環(huán)境下，對(duì)食物以及人體中脂肪酸的分析測定顯得至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的脂肪酸分析手段主要有[10-21]高效液相色譜（HPLC）、氣相色譜(GC)、質(zhì)譜（MS）、毛細(xì)管電泳法（CE）、固相微萃取(SPE)法、柱色譜法等，這些傳統(tǒng)的脂肪酸分析技術(shù)在脂肪、油類、奶酪、人體血液脂肪酸組成及含量的分析中發(fā)揮了重要的作用：化學(xué)離子化質(zhì)譜測定了整體胞間脂肪酸分子量的分布，氣相色譜應(yīng)用于非酯化脂肪酸的分離分析，直接注射法實(shí)現(xiàn)排泄物中短鏈脂肪酸的氣相分析，結(jié)合電化學(xué)檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)血漿中自由脂肪酸的高效液相色譜分析，高效液相色譜和氣相色譜測定脂肪和油中的脂肪酸含量，固相萃取、固相微萃取、攪拌棒吸附萃取技術(shù)實(shí)現(xiàn)啤酒中自由脂肪酸含量的分析比對(duì)。此外，對(duì)反式脂肪酸的分析也有許多的探索，同官方分析方法的數(shù)據(jù)比對(duì)，單毛細(xì)管柱的氣相色譜方法對(duì)反式脂肪酸含量的分析取得了相近的數(shù)據(jù)結(jié)果，毛細(xì)管區(qū)帶電泳（CZE）的應(yīng)用成為一種可替代的方法用于順反脂肪酸的快速定量分析，大大簡化了樣品制備過程。傳統(tǒng)的脂肪酸分析手段對(duì)脂肪酸的檢測研究發(fā)揮了重要的作用，推動(dòng)了食品安全的發(fā)展，且自身也得以優(yōu)化與完善。然而，這些檢測技術(shù)中都涉及到大型儀器的參與，在快速、易于攜帶、實(shí)時(shí)檢測等方面造成了較多的不便和阻礙。

近年來，傳感器檢測技術(shù)躍入大眾視野，它是一種檢測裝置，能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足目標(biāo)體系的定性或定量的分析。傳感器具有小型、便捷、省時(shí)、省力、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。將性能優(yōu)異的傳感器同脂肪酸的檢測相結(jié)合，使得脂肪酸的分析有了進(jìn)一步的突破。該文依次綜述了脂肪酸分析的熒光傳感器、比色傳感器、電化學(xué)傳感器以及其他類型的傳感器，為后續(xù)脂肪酸傳感分析技術(shù)的改進(jìn)提供參考。

1 根據(jù)熒光法而構(gòu)建的脂肪酸分析傳感器

血漿中非酯化脂肪酸含量的高低可作為人體2-型糖尿病以及肥胖癥相關(guān)疾病的評(píng)估指標(biāo)，Jesper等[22]用針刺指尖的方式，獲得非酯化的脂肪酸樣本，利用?；o酶a合成酶將其轉(zhuǎn)換成脂肪酸?；o酶a酯，繼而利用基于?；o酶a結(jié)合蛋白的熒光生物傳感器實(shí)現(xiàn)上述脂肪酸酯的定量分析。較之于以往的非酯化脂肪酸成分的分析，該分析體系中熒光生物傳感器的引入，分析體系的靈敏度、重現(xiàn)性以及抗干擾能力都大大提高。

Fujimoto等[23]利用點(diǎn)擊化學(xué)的方法合成出通用的熒光傳感器，含有環(huán)糊精分子的熒光傳感器作為客體結(jié)合位點(diǎn)通過芘發(fā)射轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)不飽和脂肪酸的分析。該熒光傳感體系對(duì)不飽和脂肪酸的分析有較好的選擇性，主要取決于不飽和脂肪酸中雙鍵的數(shù)量和幾何構(gòu)型。缺點(diǎn)是，該方法檢測不飽和脂肪酸時(shí)的靈敏度較低，但仍舊為開發(fā)出更有潛能的脂肪酸分析熒光傳感器奠定了基礎(chǔ)（圖1）。

Gong[24]運(yùn)用熒光傳感體系實(shí)現(xiàn)了水中中鏈脂肪酸的分析，雜交傳感材料對(duì)熒光發(fā)射強(qiáng)度有明顯地增強(qiáng)，在識(shí)別C8-C12中鏈脂肪酸時(shí)，具有較好的選擇性，并研究生理?xiàng)l件下中鏈脂肪酸檢測識(shí)別效果，仍取得了令人滿意的結(jié)果。此外，相關(guān)表征手段證明，雜交傳感材料在反應(yīng)后仍會(huì)保持完成的納米多孔結(jié)構(gòu)。

劉俊[25]用4-（9-吖啶酮）-甲基苯甲酰肼作為熒光衍生化試劑，同脂肪酸發(fā)生熒光衍生化反應(yīng)，然后用熒光檢測器對(duì)脂肪酸進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感體系在分析土壤中脂肪酸的成分中獲得了良好的線性范圍檢測限和精密度。

2 根據(jù)比色法而構(gòu)建的脂肪酸分析傳感器

圖1 通過點(diǎn)擊化學(xué)合成二倍熒光傳感器的方法。底部展示的是包含有環(huán)糊精的熒光傳感器作為客體結(jié)合位點(diǎn)通過芘發(fā)射轉(zhuǎn)換檢測某種客體分子[23]Fig.1 The synthetic strategy for the duplex-based fluorescentsensorsby Click chemistry.The bottom section represents the fluorescentsensorwith cyclodextrinsas the guest-bindingmoiety detecting a guestmolecule by pyrene-emission switching[23]

比色法以生成有色化合物的顯色反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過比對(duì)或測量有色物質(zhì)溶液顏色深度來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物質(zhì)的定性和定量分析。基于比色法而構(gòu)建的脂肪酸分析傳感器具有可視化、分析速度快、選擇性好、靈敏度高以及高通量等優(yōu)點(diǎn)。

Cho等[26]的研究為實(shí)現(xiàn)脂肪酸的比色分析做出了重要的貢獻(xiàn)。其比色傳感體系中，主要原理是聚乙二炔脂質(zhì)體同不同類型的脂肪酸（飽和脂肪酸、順式不飽和脂肪酸、反式不飽和脂肪酸）混合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的熒光變化以及脂質(zhì)體自身的顏色變化，而這種顏色變化與脂肪酸、脂質(zhì)體二者的摩爾比存在一定的相關(guān)性。圖2展示了比色傳感單元聚乙二炔脂質(zhì)體的合成過程，圖2中展示了傳感單元中加入不同類型的脂肪酸后所產(chǎn)生的顏色變化，結(jié)果表明，傳感體系中不同類型脂肪酸的顏色對(duì)比明顯，操作簡便、顯色時(shí)間快，有望成為脂肪酸檢測的主要手段。

圖2 脂質(zhì)體3對(duì)不同類型脂肪酸的比色響應(yīng)[26]Fig.2 Colorimetric response of liposome 3 toward various fatty acids[26]

在谷物檢測方面，玉米以及大米中游離脂肪酸的含量是衡量谷物質(zhì)量好壞的重量指標(biāo)。孫永海[27-28]通過優(yōu)化顯色反應(yīng)條件，使得顏色傳感器方法對(duì)檢測玉米和大米陳化情況的正確率均高達(dá)96%以上，顏色傳感器用于分析玉米和大米中脂肪酸值時(shí)有實(shí)時(shí)、檢測速度快、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，從而在谷物檢測方面占據(jù)著重要的地位。

3 根據(jù)電化學(xué)法而構(gòu)建的脂肪酸分析傳感器

電化學(xué)傳感器是指感應(yīng)生物、化學(xué)量，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置，它一直是電分析科學(xué)中一個(gè)非?；钴S的研究前沿。利用電化學(xué)傳感器測量目標(biāo)體系中脂肪酸的含量是其重要的應(yīng)用之一。

Jin[29-30]利用圖3所示的電化學(xué)生物傳感模型用于厭氧消化過程中揮發(fā)性脂肪酸的檢測分析，主要基于一個(gè)微生物脫鹽池，主要包含有三部分：陽極室，中間室以及陰極室，通過合成沼渣計(jì)算電流密度和揮發(fā)性脂肪酸濃度之間的關(guān)系。較之于其他的揮發(fā)性脂肪酸檢測傳感器，該傳感器具有較大的檢測范圍，對(duì)厭氧消化過程中產(chǎn)生的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)體沒有響應(yīng)信號(hào)，在選擇性方面占有較大優(yōu)勢。將實(shí)際體系中厭氧消化過程中所獲得的數(shù)據(jù)同氣相色譜（GC）的數(shù)據(jù)對(duì)比，差異性較小。該電化學(xué)生物傳感器在揮發(fā)性脂肪酸檢測中的優(yōu)點(diǎn)是：無需外力和信號(hào)轉(zhuǎn)換器、選擇性高、線性范圍寬。缺點(diǎn)是：電極的使用會(huì)給體系引入有毒物質(zhì)。

圖3 電化學(xué)生物傳感原型以及示意圖[29]Fig.3 Electrochemicalbiosensor prototypeand schematic diagram[29]

Kretzschmar[31]采用了電活性的生物傳感膜用于厭氧消化過程中揮發(fā)性脂肪酸的分析，并對(duì)體系中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了多次摸索和優(yōu)化，促進(jìn)了電化學(xué)生物傳感體系在實(shí)際厭氧消化體系中的應(yīng)用。

由于人體中非酯化脂肪酸濃度的升高可作為早期疾病診斷的重要指標(biāo)，Veerapandian[32]研究了非酯化脂肪酸的分析方法。 將[Ru(bpy)3]2+-GO用于電化學(xué)傳感器構(gòu)建的電極材料，圖4展示了該傳感電極同非酯化脂肪酸的反應(yīng)示意圖。該體系在分析非酯化脂肪酸時(shí)，具有易開展、快速、環(huán)境友好以及實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)良特性。

圖4 [Ru(bpy)3]2+-GO電極檢測非酯化脂肪酸的反應(yīng)示意圖[32]Fig.4 Illustration of[Ru(bpy)3]2+-GO electrode and its reactionwith NEFA sample[32]

4 其他類型的脂肪酸分析傳感器

適量不飽和脂肪酸的攝入不僅有益于身體健康，還能改善身體機(jī)能，鑒于脂肪酸在食品領(lǐng)域的重要性，國內(nèi)外對(duì)脂肪酸運(yùn)用了許多現(xiàn)代分析技術(shù)。表1總結(jié)了其他幾種類型的脂肪酸分析方法：

表1 其他類型脂肪酸分析傳感器Tab.1 Variousofanalyticalsensors towards fatty acids

微生物傳感器在測定生牛乳中短鏈脂肪時(shí)并不需要特定、昂貴的試劑，測量容量大，該傳感器是一種經(jīng)濟(jì)又便捷的檢測手段。Michael等人采用酯加酶傳感器，綜合評(píng)估了必需脂肪酸檢測時(shí)的檢測限、線性范圍、靈敏度，并將測量結(jié)果同GC數(shù)據(jù)對(duì)比，取得了可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。傅里葉紅外光譜在脂肪酸分析中的應(yīng)用也較為廣泛，在油脂和奶油中脂肪酸的測定發(fā)揮了重要的作用。近年來隨之興起的電子鼻、電子舌技術(shù)等，模擬動(dòng)物的鼻子以及口腔，在準(zhǔn)確測定實(shí)際體系中脂肪酸的含量，都具有更強(qiáng)的說服力。

5 結(jié)論及展望

脂肪酸與人體健康息息相關(guān)，它通過調(diào)控基因的表達(dá)，引起代謝和細(xì)胞生長的變化，使得人們對(duì)有益脂肪酸 （DHA、EPA等）和有害脂肪酸（反式脂肪酸）越發(fā)的關(guān)注和重視。脂肪酸傳統(tǒng)分析法中大多需要大型儀器的參與，樣品預(yù)處理過程復(fù)雜、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，大大阻礙了脂肪酸檢測和分析的進(jìn)程，而傳感器憑借其小型、便利、實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測的不足，推動(dòng)脂肪酸檢測的發(fā)展。相信隨著脂肪酸研究的深入，還會(huì)有更多的技術(shù)用于脂肪酸分析中，有效促進(jìn)食用油中油質(zhì)安全以及人體健康的準(zhǔn)確評(píng)估。

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Progressof sensors for theanalysisof fatty acids

Wang Xiao-jie1,Chen Hua1*,WeiWei-li2
(1.SchoolofChemistry and ChemicalEngineering,Chongqing University,Chongqing 401331,China)
(2.Schoolof Pharmaceutical Sciencesand Innovative Drug Research Centre,Chongqing University,Chongqing 401331,China)

Edible oilwill produce harm ful trans-unsaturated fatty acids in the processof cooking,trans-fatty acids put great threats to the human body.Nowadays,more andmore countries pay attention to the safety of edible oil, besides,food safety problems becomemore acute and bulge.Given this,analysis of fatty acids in cooking oil is essential.The fatty acid analysis sensor is a kind of analyticalmethod based on the specific physical and chemical properties of fatty acids.The paper summarizes several different types of fatty acid analysis sensors,including the advantages and disadvantages of each analysis method and development prospects for subsequent fatty acid detection.

fatty acids;physicochemicalproperty;food safety;sensors

*通信聯(lián)系人，E-mail:chenhuacqu@aliyun.com