組學(xué)技術(shù)在食品安全檢測的運(yùn)用

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摘要:食品安全是全球關(guān)注的熱點(diǎn),食品安全檢測是保障食品安全的重要環(huán)節(jié)。隨著消費(fèi)者對食品安全要求的提高,傳統(tǒng)檢測技術(shù)已經(jīng)無法滿足食品安全檢測多樣性的需求。近年來以基因組學(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,為食品安全檢測帶來了新突破。本文對近年來蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)和基因組學(xué)技術(shù)在食品安全檢測方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述,并對未來組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于食品安全檢測的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞:食品安全檢測;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,都是全球關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,一方面,隨著生活水平不斷提高,公眾對食品安全越來越重視,要求也越來越高;另一方面食品工業(yè)快速發(fā)展,國際食品貿(mào)易日趨頻繁,食品安全問題已呈現(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,是食品安全檢測技術(shù)面臨的難題。食品安全檢測迫切需要新的方法和手段來解決這些難題和挑戰(zhàn)。組學(xué)是最近幾十年發(fā)展起來的新學(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)的基本思路是通過研究成千上萬的DNA、RNA、蛋白質(zhì)或者代謝物等物質(zhì),找出與某一生命過程相關(guān)的特征蛋白、DNA、RNA或者代謝物,進(jìn)而對某一目標(biāo)進(jìn)行評估。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,通過海量數(shù)據(jù)處理,進(jìn)行信息提取和結(jié)果分析。近年來,組學(xué)技術(shù)與食品安全檢測不斷融合,在食品安全檢測領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

2與食品安全檢測相關(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)和活動規(guī)律,是從分子水平上來分析蛋白質(zhì)的表達(dá)、修飾、功能等的一門學(xué)科。蛋白組學(xué)的研究對象涉及植物、動物、微生物等,其在藥物開發(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[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)譜可以對肽段和蛋白進(jìn)行表征和測序,是分析蛋白的重要技術(shù)。通過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)過比較和篩選,確定特征標(biāo)志蛋白或者肽。基于對蛋白或者肽的分析,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(SRM)或者多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式對目標(biāo)物進(jìn)行快速、靈敏的定量分析檢測。2.2代謝組學(xué)。代謝組學(xué)以生命體的代謝物為研究對象,主要研究分子量1000以下的小分子[5-6]。根據(jù)研究對象不同,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),可以對研究對象內(nèi)部化學(xué)變化和生化反應(yīng)進(jìn)行跟蹤[8-9]。常見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)計量學(xué)對數(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,以及他們對生物體的影響?；蚪M學(xué)通過使用高通量DNA測序和生物信息學(xué)來組裝和分析整個基因組的功能和結(jié)構(gòu)。近幾十年來,多重聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、基因測序、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)。基于基因組學(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,物種鑒定和轉(zhuǎn)基因食品檢測方面有著很多應(yīng)用[11-12]。

3組學(xué)技術(shù)在食品安全檢測中的應(yīng)用

3.1食品中有害物質(zhì)檢測。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有發(fā)生。傳統(tǒng)方法只針對目標(biāo)化合物進(jìn)行檢測,對于非目標(biāo)化合物即新型獸藥的檢測無能為力。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)測小牛尿液中β2-受體激動劑代謝物的方法,有望成為篩查各類β2-受體激動劑獸藥的有效方法。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,為檢測動物養(yǎng)殖過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)味和較高的營養(yǎng)價值,深受大眾喜愛。生物胺和亞硝酸鹽是食品發(fā)酵過程中常見的兩類有害物質(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),主要來源于發(fā)酵過程中的微生物降解。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101個樣品進(jìn)行檢測,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)檢測方法從細(xì)菌培養(yǎng)到細(xì)菌計數(shù),檢測一個樣品至少需要4~5d的時間,而組學(xué)技術(shù)可大大提高食源性致病菌檢測的效率。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)檢測大腸桿菌O157∶H7、沙門氏菌的方法,根據(jù)對細(xì)菌代謝物的分析,此方法可以在18h內(nèi)快速檢測以上兩種病原體,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)測平臺SuperPhy,該平臺整合了所有可以公開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)對食品進(jìn)行檢測,可以確保食品從農(nóng)場到餐桌的真實(shí)性。與傳統(tǒng)檢測方法項目比,組學(xué)技術(shù)在檢測食品摻假和欺詐方面具有天然優(yōu)勢。通過高通量的檢測模式,對樣品中的蛋白質(zhì)、代謝物或者DNA進(jìn)行檢測,通過對大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理、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)際樣品檢測中,從禽肉腸中檢出含量僅為0.8%的牛肉成分?；跉庀嗌V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。Caira等[29]應(yīng)用基質(zhì)輔助激光解吸電離-飛行時間質(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,其營養(yǎng)價值和價格也大不相同。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DNA來源進(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),通過對葡萄酒中揮發(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)別開來。代謝組學(xué)方法可以對咖啡質(zhì)量和來源進(jìn)行評價,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的咖啡造假手段,核磁共振技術(shù)可以檢測低至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個最常見的希臘橄欖油品種[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。轉(zhuǎn)基因技術(shù)通過生物工程技術(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個差異表達(dá)的蛋白質(zhì),其中42個在轉(zhuǎn)基因玉米中表達(dá)較高,106個在非轉(zhuǎn)基因玉米中表達(dá)更高。基于液相色譜-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PCR(real-timePloymeraseChainRactione,rtPCR)是歐盟法規(guī)規(guī)定的評估轉(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)和下一代基因測序技術(shù),可以同時檢測混合物中低至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,食品種類不斷豐富,消費(fèi)者對食品安全的要求不斷提高,這給食品安全檢測帶來更多、更新、更高的要求。組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于食品安全檢測,拓展了食品安全檢測的范圍、給食品安全檢測技術(shù)帶來了更大的發(fā)展。組學(xué)技術(shù)不僅可以檢測食品中的有害物質(zhì)、病原微生物,還可以對食品生產(chǎn)工藝、產(chǎn)地、成分、物種等進(jìn)行鑒別,從而滿足消費(fèi)者對食品安全的更高要求。相比傳統(tǒng)的食品安全檢測技術(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)嶒炇胰粘z測依舊任重而道遠(yuǎn)。未來的研究在樣本采集、生物標(biāo)志物的篩選、實(shí)驗重復(fù)性、實(shí)驗室間驗證、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,以盡早推動組學(xué)技術(shù)在食品安全檢測實(shí)驗室廣泛應(yīng)用。

作者:靜平 吳振興 厲艷 宓捷波 李宗瑞