生物傳感器在食品安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

◎ 梁寧俊

（海南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，海南 海口 570000）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)食品安全的問(wèn)題越來(lái)越重視，因此食品安全監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的食品安全監(jiān)測(cè)方法有很多，如化學(xué)方法、色譜法、生物監(jiān)測(cè)法等，這些方法雖然都在一定程度上保障了食品質(zhì)量，但是監(jiān)測(cè)過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，效果并不理想，經(jīng)檢測(cè)后的食品中仍然有很多對(duì)人體有害的物質(zhì)殘留，如肉類(lèi)中的細(xì)菌感染、乳制品中的化學(xué)毒素、瓜果蔬菜中的農(nóng)藥殘留等。因此，國(guó)家相關(guān)食品監(jiān)測(cè)部門(mén)制定了許多嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，希望對(duì)人們的健康提供更進(jìn)一步的保障。此外，各種各樣的監(jiān)測(cè)措施也隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷涌現(xiàn)出來(lái)，以滿(mǎn)足快速、高效監(jiān)測(cè)食品的需要，其中生物傳感器是重要的手段之一。自1967年S.J.烏普迪克等制出了第一個(gè)生物傳感器——葡萄糖傳感器開(kāi)始，發(fā)展到現(xiàn)在日漸成熟，已在食品安全檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。生物傳感器（biosensor），是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器，是由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)[2]。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。它以檢驗(yàn)迅速、準(zhǔn)確度高、抗干擾性強(qiáng)、成本低廉著稱(chēng)，除了在食品檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用外，近幾年在制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面也開(kāi)始有良好的發(fā)展前景。本文通過(guò)對(duì)生物傳感器的相關(guān)探討，分析其在食品安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，以期解決人類(lèi)的食品安全問(wèn)題，保證人類(lèi)飲食健康。

1 生物傳感器

生物傳感技術(shù)是現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的又一有力證明，在現(xiàn)代電子信息技術(shù)、食品檢測(cè)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，其與通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并稱(chēng)為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。生物傳感器是將生物感應(yīng)元件的敏感性、專(zhuān)一性與一個(gè)能夠產(chǎn)生和待測(cè)物濃度成比例的信號(hào)傳導(dǎo)器結(jié)合，利用各種生物材料或生物代謝產(chǎn)物如酶、抗體等做成的用于檢測(cè)、識(shí)別生物與食品的化學(xué)成分的傳感器[3]。其中，對(duì)食品安全的監(jiān)測(cè)是它最主要的應(yīng)用方向，它監(jiān)測(cè)食品的主要工作原理是通過(guò)分子識(shí)別元件對(duì)需要監(jiān)測(cè)的食品進(jìn)行特異性融合，在短暫的一段時(shí)間后，觀察是否會(huì)發(fā)生化學(xué)或物理變化，利用換能器把變化的情況轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟?lèi)可理解的數(shù)據(jù)，最后把這些數(shù)據(jù)通過(guò)光電路徑輸出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)食品是否安全的準(zhǔn)確分析和檢測(cè)。

生物傳感器是由兩個(gè)模塊構(gòu)成的，第一個(gè)模塊為識(shí)別模塊，它的功能是識(shí)別食品中的生物體分子、組織結(jié)構(gòu)或細(xì)胞構(gòu)成是否符合標(biāo)準(zhǔn)，檢查的具體部分為酶、微生物、抗原或抗體等；另一個(gè)模塊是轉(zhuǎn)換模塊，它的主要功能是當(dāng)生物體中的物質(zhì)不符合檢查標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)出現(xiàn)的物理信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后達(dá)到系統(tǒng)測(cè)量或控制的目的。

生物傳感器自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)歷了多次的改革、發(fā)展、創(chuàng)新，直到日漸成熟，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。①第一代生物傳感器是由固定了生物成分的非活性基質(zhì)膜和電化學(xué)電極組成。②第二代傳感器是在第一代的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，彌補(bǔ)了第一代傳感器中存在的不足，它不再需要非活性的基質(zhì)膜的參與，而是將生物成分直接吸附或共價(jià)結(jié)合到換能器表面，它的一大優(yōu)點(diǎn)是在檢測(cè)的過(guò)程中無(wú)其他輔助材料幫助完成檢測(cè)，節(jié)約了監(jiān)測(cè)成本。③第三代生物傳感器也就是人們現(xiàn)在常用的食品監(jiān)測(cè)方式，它將生物識(shí)別和信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理結(jié)合在一起，直接將生物活性成分固定在電子元件上，因而可以直接感知和放大檢測(cè)物的信息變化[4]。

生物傳感器是根據(jù)人類(lèi)的感官功能發(fā)明出來(lái)的，人類(lèi)通過(guò)耳朵聽(tīng)到聲音，而生物傳感器是利用生物體中的敏感單元來(lái)確定食品中的成分，進(jìn)而判斷食品是否合格。生物傳感器與傳統(tǒng)的食品安全監(jiān)測(cè)方法相比，具有操作簡(jiǎn)便、監(jiān)測(cè)高效、成本低廉、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，具體優(yōu)點(diǎn)如下。①針對(duì)性強(qiáng)：如果生物體中存在某些特定的物質(zhì)，那么它就會(huì)發(fā)出信號(hào)，因此它的針對(duì)性強(qiáng)，在一般情況下，不會(huì)受到顏色、氣味、污垢等客觀因素的干擾[5]。②效率高：利用生物感應(yīng)器監(jiān)測(cè)食品是否安全，可以在極短的時(shí)間內(nèi)看到監(jiān)測(cè)結(jié)果，效率較高，且準(zhǔn)確率較高。③成本低廉：傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法要利用大量的輔助劑才能夠完成監(jiān)測(cè)，成本較高，而利用生物傳感器監(jiān)測(cè)，可以重復(fù)使用催化劑，減少了對(duì)試劑的消耗，節(jié)約了監(jiān)測(cè)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。④易于操作：生物傳感器的監(jiān)測(cè)過(guò)程并不復(fù)雜，在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的幫助下即可完成，易于操作。

2 生物傳感器在食品安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

食品安全問(wèn)題越來(lái)越受到大眾的重視，因此食品安全監(jiān)測(cè)工作顯得尤為重要。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法操作過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，受到很多條件限制，如特定的監(jiān)測(cè)儀器以及嚴(yán)格的準(zhǔn)備工作，這就使得食品安全監(jiān)測(cè)必須在監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行，不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。而利用生物傳感器不僅實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)工作的自動(dòng)化，還提升了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。生物傳感器在食品安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)食品中農(nóng)藥的殘留、非法添加劑和食品添加劑的使用、微生物的類(lèi)型、食品的新鮮程度等。

2.1 用于農(nóng)藥的監(jiān)測(cè)

農(nóng)藥的發(fā)明，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)中人類(lèi)的飲食起到了十分重要的作用，它不僅保證了瓜果蔬菜等作物的良好生長(zhǎng)，預(yù)防了病蟲(chóng)害的發(fā)生，還增強(qiáng)了作物的口感，縮短了作物的生長(zhǎng)周期，滿(mǎn)足了人們的日常生活需求。凡事有利就有弊，農(nóng)藥的使用同時(shí)給人類(lèi)的健康帶來(lái)了一定的威脅。殘留食品表面的農(nóng)藥很難通過(guò)人們的日常清洗就去除掉，因此很多商家就打著綠色食品的旗號(hào)大肆蒙騙消費(fèi)者，為商家牟取了大量的利潤(rùn)。但是，很多食物都都需要使用農(nóng)藥，只不過(guò)是多少的問(wèn)題以及是否符合國(guó)家食品安全監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。生物傳感器的問(wèn)世為這一問(wèn)題的解決提供了一個(gè)很好的解決方案，生物傳感器的監(jiān)測(cè)程度更高，能更快速、高效地檢測(cè)出食品中農(nóng)藥的殘留量。生物傳感器的種類(lèi)有很多，針對(duì)農(nóng)藥的監(jiān)測(cè)，一般會(huì)選擇酶?jìng)鞲衅骱兔庖邆鞲衅鳎@兩類(lèi)傳感器能很快地檢測(cè)出農(nóng)藥的殘留量是否符合標(biāo)準(zhǔn)，但是很難檢測(cè)出農(nóng)藥的種類(lèi)。因此，科學(xué)家應(yīng)對(duì)生物傳感器進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以期為食品安全提供更好的保障[6]。

2.2 用于非法添加劑的監(jiān)測(cè)

非法添加劑指的是那些不能用于食品防護(hù)的添加劑，典型的有瘦肉精、三氯氰胺等。瘦肉精主要用于肉類(lèi)食品中，通過(guò)萊克多巴胺和鹽酸克倫特羅等物質(zhì)來(lái)對(duì)動(dòng)物進(jìn)行揠苗助長(zhǎng)，并在這種不符合自然規(guī)律的生長(zhǎng)中增加肉類(lèi)中的瘦肉比例[7]。人類(lèi)如果長(zhǎng)期食用這種肉類(lèi)，日積月累，會(huì)對(duì)身體健康造成極大的危害，甚至?xí)l(fā)死亡。盡管相關(guān)食品監(jiān)測(cè)部門(mén)已經(jīng)下令禁止在動(dòng)物的生長(zhǎng)過(guò)程中使用這種物質(zhì)，但是許多不法商販為了獲得巨大的利潤(rùn)，仍在肆無(wú)忌憚地使用。另外，三氯氰胺也是一種危害較大的物質(zhì)，“三鹿奶粉”事件就是一個(gè)典型的由三氯氰胺造成的惡果，給千萬(wàn)家庭造成了不可磨滅的傷害?，F(xiàn)在，通過(guò)特定的適合監(jiān)測(cè)非法添加劑的生物傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)食品安全，不僅能準(zhǔn)確地檢測(cè)出這些物質(zhì)，還能對(duì)其中的含量做出精準(zhǔn)的估計(jì)，這就大大保障了食品的安全。

2.3 對(duì)食品添加劑的監(jiān)測(cè)

食品添加劑不同于非法添加劑，它是被允許添加在食品中的，而非法添加劑是絕對(duì)不允許出現(xiàn)在食品中的。但是，食品添加劑也不是任意使用的，它有一定的添加標(biāo)準(zhǔn)，超出這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)給人類(lèi)的身體健康造成一定的危害。但是，許多不良商家完全不考慮食品添加劑的使用量，大量使用食品添加劑，就為了使食品的色澤和味道能更加吸引消費(fèi)者，增加自己的利益。所以，生物傳感器成為人類(lèi)食品安全的警報(bào)器，一旦通不過(guò)生物傳感器的檢測(cè)，就說(shuō)明食品不合格，就可以告知人們不要購(gòu)買(mǎi)，增強(qiáng)消費(fèi)者的心理安全感，確保食品貿(mào)易健康發(fā)展。

2.4 用于微生物的監(jiān)測(cè)

在對(duì)食品各方面的監(jiān)測(cè)中，微生物的監(jiān)測(cè)是最難的一個(gè)方面，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀器很難監(jiān)測(cè)到，但是利用生物傳感器就很容易做到。近幾年來(lái)，DNA微型傳感器的研制成功，已經(jīng)能快速判斷出食品中微生物細(xì)菌的存在類(lèi)型，避免出現(xiàn)大量的食物中毒事件，使食品企業(yè)免受大量的經(jīng)濟(jì)損失。它的優(yōu)勢(shì)是信息量大、操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、準(zhǔn)確率高，是鑒別微生物和轉(zhuǎn)基因成分高效的方式之一。

2.5 用于監(jiān)測(cè)食品的新鮮度

影響食品安全的因素除了本身的成分構(gòu)成外，另一個(gè)重要的方面是食品的保質(zhì)期，也就是食品的新鮮度。目前，生物傳感器對(duì)食品新鮮度的監(jiān)測(cè)成為生物傳感器研究的一個(gè)新方向，人們希望能研究出一種模擬人類(lèi)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)的仿生傳感器。這種傳感器能感受食品周?chē)嬖诘母鞣N分子，通過(guò)研究分子的組成，鑒定食品的新鮮度，如監(jiān)測(cè)水產(chǎn)品的新鮮程度。有研究者把二茂鐵作為黃嘌呤氧化酶與玻碳電極之間的電子傳遞體，通過(guò)檢測(cè)魚(yú)肉中次黃嘌呤含量所對(duì)應(yīng)的氧化峰電流而間接檢測(cè)魚(yú)肉的新鮮度[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著人們生活水平的提高，對(duì)食品的安全問(wèn)題越來(lái)越重視，但是傳統(tǒng)的食品安全監(jiān)測(cè)方法日漸落后，并不能很好地保障人們的身體健康。為解決這一難題，生物傳感器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法更準(zhǔn)確、靈敏、快捷，但是此技術(shù)還沒(méi)有得到廣泛的普及和應(yīng)用。為了擴(kuò)大生物傳感器的應(yīng)用范圍，破除存在的種種條件限制，在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，相關(guān)專(zhuān)家會(huì)努力實(shí)現(xiàn)工程的多樣化、產(chǎn)品的微型化、技術(shù)上的智能化與集成化，提高生物傳感器的實(shí)用性，挖掘出生物傳感器存在的巨大潛力，不僅在食品監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用，在其他領(lǐng)域也希望得到推廣，以期生物傳感器能為人們的身體健康提供保障。

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