生物芯片技术在食品安全领域的应用
2015-01-27 19:24:43   来源：微迷   评论：0   点击：

随着经济社会的发展，食品安全问题越来越引起人们的关注。近些年来，食源性疾病接连不断地出现，比如我国三聚氰胺牛奶事件、美国毒鸡蛋事件等令人恐慌，食品加工新技术所带来的不确定性危害以及转基因食品的潜在危害等令人担忧。另外，由于环境日益恶化，大气、水质、土壤的污染直接导致农牧渔产品的污染，食品安全面临考验。国际贸易中关于食品卫生而引起的贸易纠纷也不断出现。这些都呼唤着新型、高效、准确、灵敏的食品安全检测分析技术，以保证食品安全。生物芯片技术是1990年代才发展起来的，是当今世界生物医学和纳米技术的前沿。它横跨生命科学、物理学、信息技术等多领域，综合了微电子技术、计算机科学、生命科学以及其他自然科学等众多方面。该技术是将样品分析过程中许多不连续的状态集中在一个芯片上完成，从而实现检测过程的自动化、微量化和规模化。生物芯片技术的引入为新一代的食品安全检测分析拓展了空间，在食品领域展现出广阔的应用与产业化前景。

1、食原性病原体的检测

凡是通过摄食而进入人体的病原体，使人患感染性或中毒性疾病，统称为食源性疾病。引起食源性疾病暴发的因素主要有微生物、化学物、动植物等多方面，它可以源自于食品的采获、加工、储藏和制作。食源性疾病是当今世界上最广泛的卫生问题之一，据世界卫生组织估计，在数以亿计的食源性疾病患者中，大约70%是由致病性微生物污染的食品和饮水所致。在水产品、奶制品、禽肉及其制品中，常见的病原微生物如霍乱弧菌、副溶血弧菌、单增李斯特菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌O157、炭疽杆菌、绿脓杆菌、结核杆菌、SARS病毒、禽流感病毒等均可导致严重的疾病，威胁人类健康。以美国为例，其每年的食源性疾病高达7.6×106 例。其他发达国家也不容乐观，每年也有近1/3的人群感染食源性疾病。而在亚太地区每年死于食物中毒的人超过7×105人。在我国，食源性疾病也已经成为头号食品安全问题。分析食品中食原性病原体的一个巨大挑战是要在很大的样品体积中检测很小量的病原体。传统方法对各种导致食品腐败的致病菌的检测，多采用细菌培养、生化鉴定、血清分型、PCR等方法，检测指标单一，花费时间长，有时不能确定是何种病原体造成的感染。PCR技术则存在样品易污染、伪阳性高的缺点，且无法满足多亚型或多病毒同时检测的要求。而生物芯片技术由于其具有高通量、高灵敏度和高特异性等优点，可以及时反映食品中微生物的污染情况，因而获得了人们的青睐。近年来，越来越多的研究者开始用生物芯片技术对食品中常见致病菌进行检测。

2、食品毒理学

食品毒理学是应用毒理学方法研究食品中可能存在或混入的有毒、有害物质对人体健康的潜在危害、严重程度、发生频率和毒性作用机制的科学，也是对毒性作用进行定性和定量评价的科学，包括急性食源性疾病以及具有长期效应的慢性食源性危害。传统的食品毒理学多采用动物实验模式来进行评估，通过动物实验来确定食品的潜在危害。这些方法需要大量的试剂、动物，耗时耗力且花费巨大。另外由于种属差异，动物模型得出的结果并不完全适合于人的状况。生物芯片技术的应用将改变传统的毒理学研究方式，节省大量的动物实验，促进食品毒理学的发展。生物芯片技术将食品毒物的毒性与基因表达特征联系起来，通过基因表达分析来确定药物毒性或不良反应效应，它可以在一个实验中同时对几千个基因的表达进行分析，为研究新型食品资源对人体免疫系统影响机理提供完整的技术资料，为研究食品或食品毒物分子对生物系统的作用提供全新的线索。通过对单个或混合型多个有害物质进行分析，确定该化学物质在低剂量条件下的毒性，并且分析、推断有害成分对不同生物的毒性，找出其所对应的基因表达规律，对照相应的基因表达谱，对有毒分子进行分类，进一步建立合适的生物模型系统，以达到通过基因表达变化来反映有害物质对人体毒性的目的。

3、食品营养学

营养学与分子生物学相结合，分子营养学应运而生，它进一步阐明各种营养素在生命体中的作用机制，以期制定更加合理化和个性化的营养标准。生物芯片技术的出现为分子营养学研究开辟了一条崭新的道路——利用基因芯片技术研究食品的营养成分，营养素与蛋白和基因表达的关系，借助基因组学技术确认一些与疾病发生有关的基因，从基因水平阐明各种营养成分对生命体的影响，揭示营养生理机制对生命机体影响的方式。近期以来，饮食和个体差异之间的关系对基因表达的影响是非常巨大的，同时也是一个还没有被开垦的领域，因此，营养学家将他们的研究领域从流行病学和生理学转向营养基因组学。营养基因组学主要是根据人类基因组以及决定营养物与机体之间相互作用的基因谱来研究；营养遗传学则是根据个体之间的遗传决定的代谢差异来研究。营养基因组学和营养遗传学旨在以个性化饮食来促进人类健康以及防止与营养相关的疾病。事实上，许多食品营养学研究已经开始应用生物芯片技术、生物信息学等来探讨营养物对基因表达的影响。这些新技术与营养基因组学的结合有助于饮食健康，它提供了新的知识来改善饮食结构、发现新的天然成分来防治重要的疾病(如癌症和糖尿病等)。

4、转基因食品的检测

转基因食品GMF(genetically modified foods)是利用基因技术，将某些生物的基因进行修饰和改造，以期使其在一些特性如形状、营养品质、消费品质等方面发生期望的转变。以转基因生物为直接食品或为原料加工生产的食品就是转基因食品。随着基因工程技术在食品方面应用的扩大，越来越多的转基因食品出现在人们面前。由于转基因食品不同于相同生物来源之传统食品，其遗传性状的改变，将可能影响细胞内蛋白质的组成，使其浓度发生变化及生成新的代谢物，因而可能导致有毒物质产生或引起人的过敏症状，造成难以想象的后果。人们有理由知道所消费的食品是否转基因食品，因此，我国和欧盟国家规定对转基因食品必须进行标识，对进口转基因食品必须进行检测。传统的转基因食品检测技术主要有:PCR检测法; Southern，Northern，Western杂交法;酶联免疫吸附法;化学组织检测法等。但这些检测方法只可1个或几个基因进行检测。随着转基因技术的发展应用，转基因元件数量和种类不断增多，这些方法在检测容量上难以满足检测需要。而基因芯片技术的发展为转基因食品的高通量检测提供了强有力的技术支持。在对PCR反应和扩增产物与芯片杂交条件进行优化的同时，比较了芯片检测的特异性和重复性，对检测的灵敏度进行测试。结果表明，基因芯片方法具有较好的特异性和重复性，由于采用了多重PCR技术，一次可同时检测多个基因，提高了检测的灵敏度和效率。

5、 农药残留的检测

农药残留是当今食品安全问题的一个主要问题，它牵涉到2 个方面:一是制定食品中农药的最高残留限量标准（MRL）；二是检测农药残留的检测技术。经过多年的发展，西方国家一般都有比较完善的农药残留限量标准和相应检验方法标准。到目前为止，联合国粮农组织和世界卫生组织已经颁布了200多种农药3000多项MRL值标准，国际食品法典委员会( CAC)有2522项MRL标准，欧盟多达28689项，美国有7400项，德国有3400项，日本则有近10000项，而我国颁布的国家标准中规定的农药MRL标准仅有386项．就检测方法而言，德国DFG方法可检测325 种农药，美国FDA方法可检测360种农药，加拿大多残留分析方法可检测251种农药，而我国最新研制的仪器只能检测180种农药。与发达国家相比，我国在关于农药残留限量标准的制定和检测技术严重滞后。根据“十五”重大科技专项——“食品安全关键技术”，我国也开展了一些科研项目，开发我国迫切需要控制的食源性危害的监测与溯源技术。2005年，北京国家工程研究中心开发出能够监测肉类中兽药残留的生物芯片系统。该生物芯片可以在2 h内检测出肉类中的兽药残留，快速准确地完成肉类中兽药残留的检测工作。同时，该生物芯片检测灵敏度超过了我国及欧盟等国家和地区对最高残留检测限量的要求。

生物芯片技术已经显示出巨大的发展潜力，正在实现商品化，许多国家已经相继开展了生物芯片的研制工作，尤其世界大型制药公司，都已建立或正在建立自己的芯片设备和技术研发。然而，作为一种高新技术，生物芯片技术仍有许多问题亟待解决，这些问题的存在严重地限制了生物芯片技术的应用。首先，作为生物芯片最关键部分的基因芯片需要大量已知的准确DNA，cDNA片段信息，没有这些信息，就不可能使芯片技术实现大规模、集成化，以获取生物整体信息，但是，现在还不能公开取得序列经证实准确的基因序列。其次，因为众多的实验室用不同的实验平台不断产生巨大的实验数据，为了比较这些数据，芯片实验需要相应的重现性、可信度、标准化，但是，生物芯片标准化还处在初级阶段。最后，当下的生物芯片技术多采用荧光检测方法，需要昂贵的光学仪器检测系统，价格因素极大地限制了该技术的应用。另外使用荧光法进行检测，虽然重现性较好，但其灵敏度不高是一个严重的问题。这在一定程度上限制了生物芯片技术在食品卫生检测中的应用。

因此，生物芯片技术主要向以下几个方向发展。

1) 微型化。由于半导体技术的进步，32纳米制程技术已经于2007年面市。这将有助于制造更高密度的基因芯片，完成高通量的基因筛选。

2) 集成化。为了提高分析和检测的效率，需要对生物芯片的分析全过程实现集成，即制造微型全分析系统或微芯片实验室，在芯片上实现生化检测的全部功能，并与计算机系统相连接，以实现取样、检测、结果分析一体化。

3) 信息化。基因芯片可以检测巨大的信息量和采集到大量数据，如何从如此众多错综复杂的数据中提取真正有用的信息和解析是一个相当艰巨的工作。这只能依靠生物信息技术、数据挖掘和连接数据库的智能网络系统来解决。

4) 产业化。对于充分发挥基因芯片的作用，产业化是最好途径。现在已经有很多公司推出不同种类的低成本基因芯片。在我国，将生物芯片技术应用于食品安全管理方面也取得了很大进展。据报道，国家食品药品监督管理局已经审定通过“体外诊断用蛋白质微阵列芯片”、“生物芯片用醛基基片”、“体外诊断用 DNA微阵列芯片”和“激光共聚焦扫描仪”等4项生物芯片行业标准，并于2011年6月1日生效并实施。总之，生物芯片技术的发展前景是光明的，随着技术的不断进步，其自身的缺陷也会被逐渐克服，芯片载体微阵列的巨大潜力，将会使这种技术不断完善，并取代传统生物技术。