組學(xué)技術(shù)在食品安全檢測(cè)的運(yùn)用

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摘要:食品安全是全球關(guān)注的熱點(diǎn),食品安全檢測(cè)是保障食品安全的重要環(huán)節(jié)。隨著消費(fèi)者對(duì)食品安全要求的提高,傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足食品安全檢測(cè)多樣性的需求。近年來(lái)以基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)為代表的組學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展,為食品安全檢測(cè)帶來(lái)了新突破。本文對(duì)近年來(lái)蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)和基因組學(xué)技術(shù)在食品安全檢測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述,并對(duì)未來(lái)組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于食品安全檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞:食品安全檢測(cè);蛋白組學(xué);代謝組學(xué);基因組學(xué)

1前言

民以食為天,食以安為先。食品安全關(guān)系人類健康,一直以來(lái),都是全球關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,一方面,隨著生活水平不斷提高,公眾對(duì)食品安全越來(lái)越重視,要求也越來(lái)越高;另一方面食品工業(yè)快速發(fā)展,國(guó)際食品貿(mào)易日趨頻繁,食品安全問(wèn)題已呈現(xiàn)全球化模式。威脅食品安全的因素不僅僅有傳統(tǒng)的化學(xué)危害物、食源性致病菌;采用劣質(zhì)原料生產(chǎn)高貨值食品、以次充好、以假亂真、產(chǎn)地造假、成分造假等等問(wèn)題,是目前食品安全面臨的新挑戰(zhàn)。目前,已知危害物的檢驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟;未知、潛在的食品安全危害物偵別及成分鑒定、產(chǎn)地鑒定等,是食品安全檢測(cè)技術(shù)面臨的難題。食品安全檢測(cè)迫切需要新的方法和手段來(lái)解決這些難題和挑戰(zhàn)。組學(xué)是最近幾十年發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科,主要包括基因組學(xué)(Genomics)、蛋白組學(xué)(Proteinomics)、代謝組學(xué)(Metabolomics)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)(Transcriptomics)、脂質(zhì)組學(xué)(Lipidomics)、糖組學(xué)(Glycomics)等等。其中,基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)共同構(gòu)成了“系統(tǒng)生物學(xué)”[1-2]。組學(xué)技術(shù)的基本思路是通過(guò)研究成千上萬(wàn)的DNA、RNA、蛋白質(zhì)或者代謝物等物質(zhì),找出與某一生命過(guò)程相關(guān)的特征蛋白、DNA、RNA或者代謝物,進(jìn)而對(duì)某一目標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。組學(xué)技術(shù)依托高通量、高分辨率、高精度的現(xiàn)代化分析儀器,通過(guò)海量數(shù)據(jù)處理,進(jìn)行信息提取和結(jié)果分析。近年來(lái),組學(xué)技術(shù)與食品安全檢測(cè)不斷融合,在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

2與食品安全檢測(cè)相關(guān)的組學(xué)技術(shù)

2.1蛋白組學(xué)。蛋白組學(xué)研究特定狀態(tài)下蛋白整體水平的存在狀態(tài)和活動(dòng)規(guī)律,是從分子水平上來(lái)分析蛋白質(zhì)的表達(dá)、修飾、功能等的一門學(xué)科。蛋白組學(xué)的研究對(duì)象涉及植物、動(dòng)物、微生物等,其在藥物開(kāi)發(fā)、病理研究、食品安全等方向都有諸多應(yīng)用。蛋白質(zhì)可以作為食品組分的特征標(biāo)記物,因此蛋白組學(xué)可以用于食品安全檢測(cè)[3]。蛋白組學(xué)的研究手段主要有凝膠技術(shù)和質(zhì)譜技術(shù),質(zhì)譜可以對(duì)肽段和蛋白進(jìn)行表征和測(cè)序,是分析蛋白的重要技術(shù)。通過(guò)蛋白酶解后得到肽段的肽指紋圖譜結(jié)合質(zhì)譜技術(shù),可以分析某一種或同類食物的蛋白質(zhì)成分[4],經(jīng)過(guò)比較和篩選,確定特征標(biāo)志蛋白或者肽?；趯?duì)蛋白或者肽的分析,質(zhì)譜技術(shù)可以獲得食品組分的特定指紋信息,實(shí)現(xiàn)定性分析。一旦獲得蛋白標(biāo)志物或者肽標(biāo)志物,即可用液相色譜-質(zhì)譜的選擇反應(yīng)監(jiān)測(cè)(SRM)或者多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)模式對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行快速、靈敏的定量分析檢測(cè)。2.2代謝組學(xué)。代謝組學(xué)以生命體的代謝物為研究對(duì)象,主要研究分子量1000以下的小分子[5-6]。根據(jù)研究對(duì)象不同,代謝組學(xué)可以分為研究已知化合物的靶向代謝組學(xué)和分析未知化合物非靶向代謝組學(xué)。代謝組學(xué)作為新興的研究技術(shù)已應(yīng)用在食品安全、藥物研發(fā)、疾病診斷、環(huán)境科學(xué)和植物育種等方面[7]。代謝組學(xué)的主要研究手段包括核磁共振技術(shù)(NMR)和質(zhì)譜技術(shù)。質(zhì)譜技術(shù)以高通量、高靈敏度著稱,飛行時(shí)間質(zhì)譜和高分辨質(zhì)譜是代謝組學(xué)研究中經(jīng)常用到的儀器;NMR技術(shù)具有非破壞性的優(yōu)點(diǎn),可以對(duì)研究對(duì)象內(nèi)部化學(xué)變化和生化反應(yīng)進(jìn)行跟蹤[8-9]。常見(jiàn)的代謝物主要有極性化合物(例如有機(jī)酸、氨基酸、糖、胺)、脂類、類萜和固醇。代謝組學(xué)分析得到的數(shù)據(jù)量巨大,需要借助化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,常用的分析方法包括主成分分析(PrincipalComponentsAnalysis,PCA)、判別分析(DiscriminantAanalysis,DA)、偏最小二乘法-判別分析(PartialLastSuares-DiscriminantAeqnalysis,PLS-DA)等方法[10]。2.3基因組學(xué)?；蚪M學(xué)的研究對(duì)象包括基因組的結(jié)構(gòu)、功能、進(jìn)化、定位、編輯等,以及他們對(duì)生物體的影響?；蚪M學(xué)通過(guò)使用高通量DNA測(cè)序和生物信息學(xué)來(lái)組裝和分析整個(gè)基因組的功能和結(jié)構(gòu)。近幾十年來(lái),多重聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、基因測(cè)序、基因芯片等技術(shù)飛速發(fā)展,為基因組學(xué)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)?；诨蚪M學(xué)特異性強(qiáng)、靈敏度高和高通量的特點(diǎn),其在病原微生物檢測(cè),物種鑒定和轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)方面有著很多應(yīng)用[11-12]。

3組學(xué)技術(shù)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1食品中有害物質(zhì)檢測(cè)。食品中不含危害人類健康成分是食品安全的最基本要求。組學(xué)技術(shù)在檢測(cè)食品中有害物質(zhì)方面有著廣泛的應(yīng)用。隨著生活水平的提高,動(dòng)物源性食品的需求量快速增加。經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使下,為了規(guī)避食品安全法規(guī)中已有獸藥的使用限制,使用新獸藥的情況時(shí)有發(fā)生。傳統(tǒng)方法只針對(duì)目標(biāo)化合物進(jìn)行檢測(cè),對(duì)于非目標(biāo)化合物即新型獸藥的檢測(cè)無(wú)能為力。采用組學(xué)方法,尋找合適的生物標(biāo)志物,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)新型獸藥的使用情況。Courant等[13]采用液相色譜-高分辨質(zhì)譜和非靶向代謝組學(xué)技術(shù),建立了監(jiān)測(cè)小牛尿液中β2-受體激動(dòng)劑代謝物的方法,有望成為篩查各類β2-受體激動(dòng)劑獸藥的有效方法。Regal等[14]應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)結(jié)合高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜結(jié)合多元變量統(tǒng)計(jì)分析,找出了牛血清中外源性雌二醇和孕酮的生物標(biāo)志物,為檢測(cè)動(dòng)物養(yǎng)殖過(guò)程中的激素濫用提供了新方法。發(fā)酵食品中含有豐富的微生物和各種有益消化酶,具有獨(dú)特的風(fēng)味和較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,深受大眾喜愛(ài)。生物胺和亞硝酸鹽是食品發(fā)酵過(guò)程中常見(jiàn)的兩類有害物質(zhì)。生物胺包括芳香胺(酪胺、苯乙胺、多巴胺等)、脂肪胺(腐胺、精胺、亞精胺等)和雜環(huán)胺(組胺、色胺等),主要來(lái)源于發(fā)酵過(guò)程中的微生物降解。亞硝酸鹽是發(fā)酵食品中重要的危害物質(zhì);發(fā)酵過(guò)程中,微生物分泌硝酸鹽還原酶將硝酸鹽還原產(chǎn)生亞硝酸鹽。Meyer等[15]利用液相色譜法和主成分分析相結(jié)合的代謝組學(xué)方法,研究了發(fā)酵香腸中的生物胺和亞硝酸鹽含量。用該方法對(duì)101個(gè)樣品進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)其中NaNO2的濃度均低于20mg/kg,生物胺含量普遍很低,僅在一個(gè)樣品中發(fā)現(xiàn)尸胺和腐胺濃度達(dá)到了中毒水平。3.2組學(xué)技術(shù)在食源性致病菌檢測(cè)中的應(yīng)用。食源性致病菌是食品安全面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一,傳統(tǒng)檢測(cè)方法從細(xì)菌培養(yǎng)到細(xì)菌計(jì)數(shù),檢測(cè)一個(gè)樣品至少需要4~5d的時(shí)間,而組學(xué)技術(shù)可大大提高食源性致病菌檢測(cè)的效率。代謝組學(xué)在沙門氏菌和大腸桿菌的鑒定方面已經(jīng)取得一定成果[16-18]。Xu等[16]利用氣相色譜-質(zhì)譜法和一種多元算法進(jìn)行了鼠傷寒沙門氏菌污染豬肉和自然變質(zhì)豬肉中代謝物的分析,確定了17種代謝產(chǎn)物(包括各種類型的氨基酸和脂肪酸),以區(qū)分被致病微生物污染的豬肉。Cevallos等[18]建立了基于代謝組學(xué)檢測(cè)大腸桿菌O157∶H7、沙門氏菌的方法,根據(jù)對(duì)細(xì)菌代謝物的分析,此方法可以在18h內(nèi)快速檢測(cè)以上兩種病原體,在牛肉和雞肉中大腸桿菌O157∶H7、沙門氏菌檢測(cè)水平均可以達(dá)到7±2CFU/25g。Whiteside等[19]給出了大腸桿菌的在線基因組學(xué)預(yù)測(cè)平臺(tái)SuperPhy,該平臺(tái)整合了所有可以公開(kāi)獲得的大腸桿菌基因組分析工具和基因組序列數(shù)據(jù),可以用于臨床醫(yī)學(xué)、流行病學(xué)、生態(tài)學(xué)和進(jìn)化領(lǐng)域等領(lǐng)域,亦可應(yīng)用于食品安全檢測(cè)領(lǐng)域。祝儒剛等[20]運(yùn)用多重聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)結(jié)合基因芯片技術(shù),建立了一種檢測(cè)大腸埃希氏菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、志賀氏菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌5種食源性致病菌的方法,該方法快速、準(zhǔn)確、靈敏。全基因組測(cè)序(WholeGenomeSequencing,WGS)廣泛應(yīng)用于食源性致病菌特征分析,在確定污染事件根源、食品安全事件溯源、食品安全突發(fā)事件檢測(cè)和鑒定,以及毒力和致病性特征分析方面,WGS技術(shù)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[21-22]。3.3食品摻假及欺詐的研究。食品摻假、欺詐是世界性問(wèn)題[23]。據(jù)估算,全球食品行業(yè)每年由于食品摻假和欺詐帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)150億美元[24]。當(dāng)前,與食品摻假相關(guān)的議題包括產(chǎn)地、品種、生產(chǎn)方式、未宣布成分、物種替代等[25]。有關(guān)食物的完整、準(zhǔn)確和真實(shí)的信息不僅是消費(fèi)者的迫切需求,也是行業(yè)和政府的迫切需求。運(yùn)用組學(xué)技術(shù)對(duì)食品進(jìn)行檢測(cè),可以確保食品從農(nóng)場(chǎng)到餐桌的真實(shí)性。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法項(xiàng)目比,組學(xué)技術(shù)在檢測(cè)食品摻假和欺詐方面具有天然優(yōu)勢(shì)。通過(guò)高通量的檢測(cè)模式,對(duì)樣品中的蛋白質(zhì)、代謝物或者DNA進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理、甄別食品特性,進(jìn)而可以確定食品產(chǎn)地、品種、成分、物種及生產(chǎn)方式等諸多與食品摻假相關(guān)的要素。運(yùn)用特征標(biāo)記肽段可以檢測(cè)馬肉、牛肉、羊肉和豬肉[26]。Montowska&Fornal[27]采用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜方法,選擇了20個(gè)熱穩(wěn)定肽段,可以有效區(qū)分豬肉、牛肉、雞肉、鴨肉、鵝肉,在實(shí)際樣品檢測(cè)中,從禽肉腸中檢出含量?jī)H為0.8%的牛肉成分。基于氣相色譜技術(shù),運(yùn)用代謝組學(xué)分析方法可以有效區(qū)別冷凍豬肉和新鮮豬肉[28]。乳品行業(yè)中,牛乳冒充羊乳,奶粉調(diào)制的復(fù)原乳冒充鮮奶,工業(yè)化生產(chǎn)的奶酪冒充手工奶酪的欺詐行為極其常見(jiàn)。Caira等[29]應(yīng)用基質(zhì)輔助激光解吸電離-飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)進(jìn)行分析,根據(jù)酪蛋白的特征肽可以有效鑒別水牛乳、牛乳、牛初乳和乳酪。一種結(jié)合肽和蛋白質(zhì)譜的方法可以有效檢測(cè)水牛乳、羊乳中的牛乳,判斷鮮牛奶中是否加入奶粉[30]。根據(jù)靶向DNA的高特異性,運(yùn)用基因組學(xué)的方法也可以準(zhǔn)確鑒別牛乳、水牛乳、羊乳等等,但是準(zhǔn)確定量還有一定的難度[31-32]。Majcher等[33]利用氣相色譜-質(zhì)譜結(jié)合代謝組方法以及化學(xué)計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)處理方法,可以準(zhǔn)確鑒別傳統(tǒng)手工藝制作的奧西佩克奶酪和工業(yè)化生產(chǎn)的奧西佩克奶酪。蜂蜜是很受消費(fèi)者歡迎的食品。不同種類花的蜂蜜不僅口感不同,其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和價(jià)格也大不相同。Jandric等[34]利用代謝組學(xué)方法,結(jié)合液相色譜-質(zhì)譜,傅里葉變換紅外光譜等手段,建立了鑒別三葉草、麥盧卡、拉塔、卡瑪西四種新西蘭蜂蜜的方法?；蚪M學(xué)方法也可以提取蜂蜜中的物種特異性信息,確定蜂蜜的植物學(xué)和昆蟲(chóng)學(xué)起源,從而鑒定蜂蜜真?zhèn)蝃35-36]。組學(xué)技術(shù)可以準(zhǔn)確鑒別葡萄酒真?zhèn)?、產(chǎn)地。采用基因組學(xué)技術(shù),對(duì)DNA來(lái)源進(jìn)行分析,可以鑒別葡萄酒真?zhèn)蝃37]。采用蛋白組學(xué)方法,MALDI-TOF-MS技術(shù)可以準(zhǔn)確鑒別33種克羅地亞白葡萄酒[38]。采用代謝組學(xué)技術(shù),通過(guò)對(duì)葡萄酒中揮發(fā)物的分析,即可判斷釀酒葡萄的品種和產(chǎn)地[39]。利用代謝組學(xué)方法還可以將有機(jī)種植的胡蘿卜[40]和大麥[41]與普通的胡蘿卜和大麥區(qū)別開(kāi)來(lái)。代謝組學(xué)方法可以對(duì)咖啡質(zhì)量和來(lái)源進(jìn)行評(píng)價(jià),阿拉卡比咖啡質(zhì)量要好于羅布斯塔咖啡,在阿拉卡比咖啡中摻入羅布斯塔咖啡也是常見(jiàn)的咖啡造假手段,核磁共振技術(shù)可以檢測(cè)低至2%的羅布斯塔咖啡[42]。使用單核苷酸多態(tài)性基因分型可以確定5個(gè)最常見(jiàn)的希臘橄欖油品種[43]。基因組學(xué)和代謝組學(xué)技術(shù)均可以檢測(cè)橄欖油中是否摻入玉米油、大豆油、葵花籽油、花生油等其他食用油。[44-45]3.4轉(zhuǎn)基因食品的檢測(cè)。轉(zhuǎn)基因技術(shù)通過(guò)生物工程技術(shù)將一種或幾種外源性基因轉(zhuǎn)移到某種特定的生物體內(nèi),使其表達(dá)出相應(yīng)產(chǎn)物,以轉(zhuǎn)基因生物為原料加工生產(chǎn)的食品就是轉(zhuǎn)基因食品。關(guān)于轉(zhuǎn)基因食品的安全性,目前仍存在爭(zhēng)議。Tan等[46]應(yīng)用蛋白組學(xué)技術(shù)研究了轉(zhuǎn)基因玉米和非轉(zhuǎn)基因玉米的蛋白質(zhì)組差異,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者之間存在148個(gè)差異表達(dá)的蛋白質(zhì),其中42個(gè)在轉(zhuǎn)基因玉米中表達(dá)較高,106個(gè)在非轉(zhuǎn)基因玉米中表達(dá)更高?；谝合嗌V-質(zhì)譜技術(shù)自上而下的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù),可以檢測(cè)抗草甘膦玉米(NK603)中117種蛋白質(zhì)表達(dá)變化[47]。轉(zhuǎn)基因玉米的代謝組學(xué)分析中[48],抗草甘膦玉米(NK603)的幾種胺類代謝物(例如:尸胺、腐胺、N-乙酰尸胺、N-乙酰腐胺)相比非轉(zhuǎn)基因玉米有顯著提高。Catchpole等[49]啟動(dòng)快速代謝組“指紋圖譜”,比較了轉(zhuǎn)基因土豆和非轉(zhuǎn)基因土豆的總代謝物,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因土豆與傳統(tǒng)品種差異不大。代謝組學(xué)技術(shù)也已應(yīng)用到對(duì)轉(zhuǎn)基因大米[50,51]、轉(zhuǎn)基因番茄[52]等轉(zhuǎn)基因食品的分析。實(shí)時(shí)PCR(real-timePloymeraseChainRactione,rtPCR)是歐盟法規(guī)規(guī)定的評(píng)估轉(zhuǎn)基因食品的唯一有效方法。微滴式數(shù)字PCR技術(shù)(dropletdigitalPCR,ddPCR)可以對(duì)食品中的植物源轉(zhuǎn)基因成分進(jìn)行分析[53]。Kosir等人結(jié)合基因步行(GeneWalking,GW)和下一代基因測(cè)序技術(shù),可以同時(shí)檢測(cè)混合物中低至1%的轉(zhuǎn)基因玉米(MON810、MON89034、MON88017)和棉籽(MON1595)[54]。

4結(jié)論

隨著食品工業(yè)的進(jìn)步和消費(fèi)的不斷升級(jí),食品種類不斷豐富,消費(fèi)者對(duì)食品安全的要求不斷提高,這給食品安全檢測(cè)帶來(lái)更多、更新、更高的要求。組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于食品安全檢測(cè),拓展了食品安全檢測(cè)的范圍、給食品安全檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)了更大的發(fā)展。組學(xué)技術(shù)不僅可以檢測(cè)食品中的有害物質(zhì)、病原微生物,還可以對(duì)食品生產(chǎn)工藝、產(chǎn)地、成分、物種等進(jìn)行鑒別,從而滿足消費(fèi)者對(duì)食品安全的更高要求。相比傳統(tǒng)的食品安全檢測(cè)技術(shù),蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)和基因組學(xué)技術(shù)具有高靈敏度、高通量等特點(diǎn);但是組學(xué)技術(shù)從研究階段到真正走向?qū)嶒?yàn)室日常檢測(cè)依舊任重而道遠(yuǎn)。未來(lái)的研究在樣本采集、生物標(biāo)志物的篩選、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性、實(shí)驗(yàn)室間驗(yàn)證、方法耐用性、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的應(yīng)用等方面均需要完善進(jìn)步,以盡早推動(dòng)組學(xué)技術(shù)在食品安全檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室廣泛應(yīng)用。

作者:靜平 吳振興 厲艷 宓捷波 李宗瑞