《某某公司生物传感器在食品分析中的应用.PDF》由会员分享，可在线阅读，更多相关《某某公司生物传感器在食品分析中的应用.PDF（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、食 品 安 呈 与 禧 测_ 一 j 薯 勘 llll：生物传感器在 食品分析中的应用 张焕新 徐春仲 f 江苏畜牧兽医职业技术学院食品科技 系，泰州 2 2 5 3 0 0)摘要：生物传感器技术具有专一、灵敏、响应快等特点，在食品检测领域有广阔的应用前景。对生 物传 感器在食 品分析检 测 中的应 用进行 综述，探 讨生物传 感器的发展 动向及应 用前 景。关键词：生物传感器；食品分析；应用 中图分类号：T S 2 0 7 3 文献标志码：B 文章编号：1 0 0 5 9 9 8 9(2 0 0 8)0 6 0 2 0 0 0 4 Th e a p p l ic a t i o n o f
2、b io s e n s o r i n f o o d a n a ly s i s ZHANG Hu a n-x i n，XU Ch u n-z h o n g (F o o d S c i e n c e D e p a r t me n t，J i a n g s u A n i ma l Hu s b a n d r y a n d V e t e r i n a r y C o e g e，T a iz h o u 2 2 5 3 0 0)Abs t r a c t：Be i n g e x p e r t，s e n s i t iv e a n d q u i c k r e
3、s p O n d i n g，b i o s e n s or i s wi d e l y a p p l i e d i n t h e f o o d a n a ly s i s Th i s p a p er s u m ma r i z e s t h e a p p l i c a t i o n i n f o o d a n a ly s i s a n d d i s c u s s e s t h e r e c e n t d e v e l o p me n t t r e n d a n d a p p l i c a t io n p r o s p e c t
4、 s Ke y wo r d s：b i o s en s o r；f o o d a n a l y s i s；a p p l ic a t i o n 近几年来，化学和生物检测新技术为生物学 的 研究 做 出 了巨大 的贡献。生物 传感 器是 一种 以生 物 活性单元f 如酶、抗体、核酸、细胞等1 作为敏感基 元，对被分析物具有高度选择性的现代化分析仪器。它通过各种物理、化学换能器捕捉 目标物与敏感基 元之间的反应，然后将反应的程度用离散或连续的 电信号表达出来，从而得出被分析物的浓度。由于其 具有分析简单、迅速、准确、灵敏度高、价廉、尤其 是它能对许多过去难于测定的成分进行检测，并能
5、现场在线检测等优点，因此生物传感器在食品成分 分析、食品保鲜期预测、食品卫生检验、食品生产过 中质量在线控制中等方面都展示出了十分广阔的应用 前景_ l l 类鲜度的测定。食品工业中，鱼类鲜度是一个重要质 量 指标，鱼死亡后，其 组织 中的三磷 酸腺苷 f A T P 1 很 快分解为次黄嘌呤核苷酸O M P)、次黄嘌呤f Hx 1、黄 嘌呤(x)和尿酸(u A)等。其中，I MP为鲜味的主要成 分，而 H X、X则导致异味的产生。一般情况下，H X R分解 为 H X，进而分解为 x是降解速度的决定 步骤。因此，HX和 x的积累量可作为鱼类鲜度 的 指标，采用酶生物传感器可以测定酶促反应中氧
6、气 的消耗量或过氧化氢的产生量，从而推算 出它们 的含 量。鲜度可用 K值表示：K()=肌苷+次黄嘌呤 f A T P+A D P+A M P+I M P+肌 苷+次黄嘌呤+尿酸)x l 0 0 食 品鲜度的测定 AMP 銮 嘉 誊 般 A都T P超,过A D P h，1 1 鱼鲜度测定 所以鲜度主要取决于 I MP 一肌苷一次黄嘌呤一尿酸 3 鱼鲜度传感器在 日本、加拿大等国广泛用于鱼 个步骤。K值可以简化为 k 值表示：收稿 E l 期：2 0 0 7 1 0 2 5 作者简介：张焕新(1 9 7 2-)，男，河南叶县人，博 士，讲 师，研 究方 向为食品科学。维普资讯 http:/ 毫
7、z=：簟 辑 。|囊i k 1 f 1=(肌苷+次黄嘌呤1 f I MP+肌苷+次黄嘌呤)x l 0 0 基于此，K a r u b e 等翻 用催化这 3 个步骤的 3 种酶 5 一 核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黄嘌呤氧化酶固定在 C l a r k氧电极上，与阴离子交换树脂小型柱制成鱼鲜 度测定仪。当k 4 0，鱼不新鲜，不宜食用，这与嗅觉检验结果相一致。这种鲜度传感 器测 定时 间 只需要 2 0 m i n，在此 基 础上，以后 相 继 开发出多种鱼鲜度计。O k u ma 4 1 等报道的鱼鲜度计可 在 5 m i n内完成依次测定，在一个月内测定 2 0 0 个 以 上样品，酶电极在
8、4保存，至少可稳定 7个月。用 这种鱼鲜度计测定 1 3种鱼肉，并与液相层析和阳离 子交换柱层析相 比较，具有很好的相关性 r 分别为 0 9 8 9和 0 9 7 3)。取市场新鲜活青鱼，经处理，准备 了放置不同 时间的鱼肉样 品液，测定鱼 肉中次黄嘌呤和黄嘌呤 含量f 实质上为 H x、x和 U A的含量1。从实验结果发 现：随着鱼 肉腐败程度的增加，鱼 肉中 H x和 x的 含量增加。用酶电极来测定鱼肉中的次黄嘌呤和黄 嘌呤总量为指标判断鱼类新鲜度的初步范围为：新鲜鱼类：次黄嘌呤3 6 x 1 0-4 g 5 g 次新鲜鱼类：3 6 x l 0 4 g 5 次黄嘌呤 5 9 x 1 0-
9、4 g 5 g 可以设想，用次黄嘌呤和黄嘌呤总量为指标判 断鱼类新鲜度，用简便快速 的酶电极法来代替烦琐 的 r V B N法和细菌菌落总数法，将会给食品分析领 域带来新 的变革。1 2肉鲜度测定 肉类腐 败过程 中会产 生各 种胺类，故胺类 测定 也能反应肉类的新鲜程度。C h e mn i i u s 等l 引 用腐胺氧 化酶与过氧化氢电极构成多胺生物传感器，测定鱼 肉在贮藏过程中的鲜度，反应时间 4 0 S，测定腐胺线 性范围为 0 0 3 x 1 0-3 x 1 0-6 m o l L。K a r u b e 等用单胺氧 化酶胶原酶膜和氧电极组成的酶传感器测定猪肉的 新鲜度，响应时间为
10、 4 m i n，单胺测定的线性范围为 5 0 x 1 0-6 2 0 x 1 0 m o l L。1 9 9 2年，Y a n o等 6 1 开发 了用 酪胺传感器，结合流动注射分析，测定了肉、乳品及 肉制品中酪胺的含量，线性范围为 O x l O 4 I x l O 4 m。l L。K r e s s 7 等开发出一种超快速测定 肉类鲜度的 匕首 型生物传感器，其探头可现场刺人肉类食品表面 2 4 l l l m深处，通过测定葡萄糖浓度评价肉类的新鲜度，进一步完善，这种传感器可望用于市场快速评价肉 类食品的状况。此外，评价肉的老化程度和检测肉种 类的传感器也在开发中。1 3 乳鲜度测定 牛
11、乳鲜度传感器最早 由高桥福辛发明，实际上 是一个菌数测定仪。探头是一种燃烧电池，它包括一 食 品 安 呈 与 梅 测 个铂阴极和一个 A ，O，阳极，两极间用阳离子交换膜 隔开。被测定样品与阳极接触，样品中的细菌可在阳 极氧化，加入电子传递介质，如亚甲基蓝、二氯酚靛 酚等可加快电极反应速度，增大电流。电流值与样品 中的细菌浓度成 比例，菌数越多，表明牛乳越不新 鲜。牛乳放置过程中，受细菌作用而产生乳酸，因此 乳酸含量可表示牛乳的鲜度，此外也可从牛乳放置 过程脂解作用产生 的短链脂肪酸的含量来判断牛乳 及其制品的新鲜度，这类传感器也已开发出来。2 食 品中微生物及其毒素的检测 菌落平皿计数仍是现
12、行的测定食 品中细菌总数 的标准方法，其繁琐操作 已不能适应现代食品行业 对微生物检测的要求。生物传感器以其快捷、灵敏的 特征在食 品有害微生物检测中显示 出了强大的生命 力。1 9 9 7年 Ma t s s u n a g e等开发了一种非染料偶合的 燃料 电池型微 生物 电极 系统，这 电极 系统基 于微 生 物在呼吸代谢过程 中可产生电子，直接在阳极上放 电，阳极上的放电产生的电流大小可反应测定液 中 微生物的浓度。检测范围 1 0 7 1 0 9 c f u m L。用该传感 器检测啤酒酵母和乳酸杆菌的浓度，检测范围较高，为 5 x 1 0 8 4 x 1 0 c f u m L。微
13、生物传感器用于检测微生物具有价廉耐用、方便快捷的优点，但 由于微生物在电极上直接或间 接放电的能力有限，尚存在灵敏度低的缺陷，此外由 于微生物往往含有多种酶，使选择不够理想。光纤传 感器、免疫传感器、核酸传感器的发展为微生物检 测开辟 了新的途径。有实验已成功表明，采用光纤 传感器与聚合酶链式反应生物放大作用偶合，可实 现对食品中李斯特菌单细胞基因的检测，而采用酶 免疫传感器电流型生物传感器可实现对存在于食 品 中少量的沙门氏菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等 检测。免疫 传感 器 也成 功地 测 定 了受 污 染食 品 中 的大肠杆菌，金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌。采 用光纤传感器与核酸放大系
14、统相偶连，可检查食品 中的少量病原菌踊。食品中有毒物质主要是生物毒素，尤以细菌毒 素和真菌毒素最为严重。采用微生物传感器对黄曲 霉毒素 B 和丝裂酶素的检出限分别为 0 8 x 1 0-3 m g m L 和 0 5 x 1 0 mg m L。黄麻毒素的传感器检测研究报道 较多，如压电传感器、光纤传感器和电化学免疫传 感器等。1 9 9 4 年，O g e r t 等网 报道用亲和纯化的羊抗 蓖麻抗体被动吸附剂压电石英 晶体微天平的金表面 上，可以定量检测出 0 5 g的毒素，1 m i n内可完 成。后来他又对此法进行改进，使其检测最低 限为 1 n g m L，线性范 围为 1-2 5 0
15、 n g m L。维普资讯 http:/ 食 品 安 坌 与 植 测-3 食品中残留农药检测 Z h u m a 1 采用电导型生物传感器对食品中有机磷 农药如甲基马拉松、乙基马拉松、敌百虫、二乙丙基 磷酸进行了测定，检 出下 限分别为 5 x l O 、1 x l 0 一、5 x l O、5 x l O 1 1 m o 1 L。F e ma n d o n 采用光寻址电位型 传感器测定 了有机磷和氨基甲酯类农药，生物敏感 材料采用鳗鱼乙酰胆碱酯酶，可检测出 1 0 m m o l L的 马拉松和恶虫威，对其他农药如久效鳞、百治磷、敌 敌畏、速灭磷、乙嗪农等检测浓度要高些。这种传感 器检测速度
16、快，几分钟内可同时检测 8 个样品，准确 性高，经复活剂处理后可反复使用。磺胺作为兽医用药可进入动物来源的食品，对 人体健康产生不 良的影响。S t e r n e s j o e s 采用免役传 感器测定 了牛奶中磺胺二甲嘧啶，检出限低于 l x l 0 mo 1 I J，平均相对标准差为 2，传感器表面经 N a O H 和 H C 1 处理后可重复使用。4 食 品基本成分的快速分 析 生物传感器可 以实现对大多数食品基本成分进 行快速分析，目前 已实验成功或应用的对象包括蛋 白质、氨基酸、糖类、有机酸、醇类、食品添加剂、维生素、矿物元素、胆 固醇等。1 9 9 3年，R u d a等 制
17、备了一个基于过氧化氢检测的电流型酶电极用于 测定蛋 白质。该传感器能在 0 1 4 m g范围内测定酪 蛋白，时间是 5-9 m i n。目前对氨基酸生物传感器的 研究主要集 中在谷氨酸、必需氨基酸和一些稀有氨 基酸上，G u ml l i 等通过聚合 1，2 一 二氨基苯制成的非 导电的聚合物膜 固化了 L 一 赖氨酸氧化酶，此酶电抗 干扰 能力 强，赖 氨酸的线性测定范 围为 1 0-3 1 0 4 m o l L。检测限为 2 x l O m o l L。P a s c o 等利用谷氨酸脱氢 酶的碳糊电极在流动注射体系中安培检测了谷氨酸，检测限为 0 3 m o l L。V o s s
18、等将 HP L C与生物传感器 结 合，能够 同时测定一些发酵食 品f 如 啤酒1，非 发 酵食品f 如果汁)中的9种 L氨基酸和 7 种 D 一 氨基 酸，检测限为 0 5 5 mg L。目前有些氨基酸传感器已 实现商品化，测定一个样品只需 1 m i n。传统测定糖 类的方法为滴定法，干扰多且操作繁琐。U p d i k e和 H i c k s 将 固定化 的葡萄糖氧化酶膜结合在氧电极上，做成 了第一支葡萄糖电极后，为葡萄糖简便快捷的 测定奠定 了基础。目前已开发 出多种商品化的糖电 极，如美 国 Y S I 公 司生产的糖测定仪，能在 1 m i n内 测定出样品中的葡萄糖含量。国内在
19、此领域 内也做 了不少的工作，如孙士青等将 固定化的葡萄糖氧化 酶膜结合在过氧化氢电极上，测定了酒、果蔬等食品 中的葡萄糖。方法专一性强、快速、测定成本低。此 法即将成为葡萄糖测定的目标方法。S z a b o 等报道了 _ (JE 尊 _ ji 用于测定发酵液中半乳糖 的生物传感器。为半乳糖 的在线检测奠定了基础，将不 同发酵液的测定结果 与 标 准 的紫 外方 法 相 比较，相 关 系数 为 0 9 9 1。P e d e s 等将 D 一 果糖脱氢酶介入到碳糊基体中，制成 了果糖生物传感器，测定的线性范围为 2 x l O 4-2 x l O m o l I J，检测限为 3 5 x 1
20、 0-5 m o J I J。乳酸、醋酸、草酸 等多种有机酸都可以利用生物传感器测定，并且生 物传感器测定的高特异性能实现对 L f+)乳酸的选择性 测定这是化学测定方法所不能达到的，测定过程只 需要 2-3 m i n，对 浑浊样 品也 适用。酿酒业 采用 比重 法测定酒精度的灵敏度低、误差大，而富士电极综合 研究所开发 了一种用于酒精度测定 的乙醇传感器，样品只需要 0 0 1 m L，测定时间仅为 2-3 m i n。生物 传感器也被用来测定 v 和 B族维生素。5 食 品添加剂 的检测 5 1亚 硫 酸 盐 通常用于食品工业，除具有漂白作用外，还有 防止食品氧化和微生物生长的作用。由于
21、亚硫酸盐 对人体有致敏性，引起哮喘，美国 F D A规定在某些 食品f 如新鲜蔬菜和水果)中不能超过 1 1 0 m o l L。K a w a m u r a 采用氧化二氧化硫的自养细菌和氧电极构 成的微生物传感器测定了醋、橘子汁、大豆蛋白、冻 虾和葫芦中的二氧化硫，测定下限为 0 1 n g g，一个 样 品测定需要 5 m i n 1 。5 2烟 酸 可作为肉类食品发色剂使用，维持 肉类新鲜颜 色。由于摄入过多的含烟酸的肉类产品，可导致充 血、面部潮红、瘙痒、头痛等中毒症状，在 日 本已禁 止使用。采用酶传感器测定烟酸，检出下限为 5 g g，3 m i n可完 成 一个 样 品 的测
22、试，与 H P L C(3 0 m i n)比，所需时间少，但结果接近。5 3甜 味 素 是人工合成低热能甜味剂，广泛用于食品行业。G u i b a n l t 等采用天冬氨酶结合氨电极测定了一些食品 中的甜 味素，测定 的线 性范 围为 0 4 0 8 m m o l L。Ma l e 等将酶电极与流动注射分析相结合，测定了饮 料、布丁和酱等食品中的甜味素。测定的线性范围 为 2 x l O 4-l x l 0 m o l L。检测 限为 2 x l O 4 m o l I J，方法 有 良好 的重现性。5 4 抗 氧化剂 食品抗氧化剂测定中已有不少报道。例如用菠 菜叶或牛蒡植物叶与氧电极
23、构成的植物组织 电极可 用于食品中的儿茶酚的测定，用牛蒡组织电极测定绿 茶中儿茶酚，测定范围可高至 1 5 0 0 m g L。E n d o等 用酶电极测定了脱氢抗坏血酸和 L 一 抗坏血酸，线性 范 围分别 为 2 0 1 0 0 mm o L和 2-2 0 m m o 儿。Ma t 维普资讯 http:/ 醚 攀=“_ s u m o t o 等l l7 _用带有一个旋转生物反应器和一个静止铂 环电流检测器组成的传感器测定了多种水果 中的抗 坏血酸，取得了较好的结果，生物传感器还用于食品 防腐剂如对羟基苯甲酸酯、涕必灵等；用于酸味剂如 磷酸、乳酸、乙酸；用于鲜味剂如 L 一 谷氨酸、肌苷
24、 酸以及色素、乳化剂等方面的测定。6在食品感官评定中的应用 食品的气味、滋味 目前多用化学分析方法以及 H P L C、G C、G C MS 测定，前者既费时又耗资，而后 者仪器昂贵、体积大，不能面向市场。故食品工业需 一种快速简便的仪器，以实现对食品气味和滋味的 快速评价。日本农林水产省研制出一种生物传感器。可对 肉汤的风味进行 品评。它采用酶柱氧 电极结合 流动注射分析系统测定香味，最后将多种风味进行 多元 回归分析，得到 的综合指标与用高压液相色谱 测定的结果很相近。利用动物味觉或嗅觉器官中化 学识别分子研制味觉传感器或研制仿生味觉传感器 已引起人们很大的兴趣。B e U i 等利用螃蟹
25、触角神经 末梢成功地测定了极低浓度的多种氨基酸。1 9 9 3年 B u s s o l a t i 以牛鼻中分离出一种气味结合蛋白作为敏感 材料，成功地对香味物质进行 了测定，若进一步完 善，可望快速、客观地评价香味物质。K i y o s h i 制成 了一种被称为“电子舌 的多通道味觉物质传感器，这种传感器 由几种脂肪膜组成，它可以把产味物质 的信息转换成不 同的电子信号，从而指示出不同的 味觉类型。如咸、酸、苦等。国内学者研制出仿生传 感器一味觉电化学传感器，可用于评价食用 白醋。在 这方 面，用 于食 品感 官评定 的电子鼻 和 电子舌 的开 发就是基于生物传感器的原理。7 生物传感
26、器的应用前景 生物传感器正朝着更快、更简单、样本量更少、样 品不需要处理和更高特异性及灵敏度方向不断发 展。从美 国 D e c k ma n公司发明离子选择电极装置以 来，其应用越来越广泛，很多全 自动生化分析仪也配 备 了这类装 置，如美 国 D a d e B e h i g 公 司生产 的 D i me n s i o n系列全 自动生化分析仪，利用生物膜技术 和 I MT装置，可在 5 0 s 内检测电解质f K+、N +、c 1 一、C a 、L i+)N葡萄糖、血尿素氮、肌酐等 9 项指标，仅 需 4 5 mL样本 量。这 些一 起在 急诊检 验 和小儿 检验 等方面发挥着重要作
27、用，此外，在继续开发新系列的 生物传感器和完善现有系列外，生物活性膜的固定 化技术和生物传感器 的固定化值得 已进一步研究。生物活性膜的固定是生物传感器制作 中心的必经步 骤，固定化生物活性膜即生物分子识别部件的质量，食 品 安 茔 与 桓 测 除与生物活性物质本身的性质有关外，活性物质的 固定化技术对活性物质的丢失和稳定起决定性影响。因此，在研究生物传感器稳定性时，活性物质固定化 技术 的研究 占重要地位。如果这个问题能够得到很 好地解决，那么新一代体积小、灵敏度高、稳定性 好、多功能、成本低的生物传感器将成批生产，而应 用于医疗、卫生、药品、环境、食品发酵工业的各个 领域。在不久的将来，模
28、拟生物体功能的嗅觉、听 觉、味觉、视觉、触觉等生物传感器将出现l l 8 l，有可 能超过人类五官的敏感能力，完善 目前机器人的视 觉、味觉、触觉和对 目的物进行操作的能力。参 考 文 献：1 许牡丹，张嫱 生物传感器在食品安全检测q-的应用 食 品研 究与开发 2 0 0 4 2 5 f 8 1：1 2 8 1 3 0 【2 S D H a e m me r l i，e t a 1 A n a l L e t t，1 9 9 0，2 3(4)：5 7 7 【3 K a r u b e I，M a t s u o k a H，S u z u k i S，e t a 1 J A g r i c
29、F o o d C h e mi s t r y，1 9 8 4，1 4(6)：2 1-2 4 【4 1 O k u m a H，T a k a h a s h i H，Y a z a w a S，e t a 1 A n a l C h i m A c t a，1 9 9 2 2 6 3(1 2)：9 3 9 8 C h e mn i t i t u s G C，S u z k i M，I s o b e k，e t o 1 A n a l C h i m A c t a，1 9 9 2，2 6 3(1)：9 3 1 0 0 6 Y a n o Y A n i ta S c i T e c h
30、 n o l，1 9 9 2，6 3(9)：9 7 0 7 K r e s s R E，C o s t a E，S o l l a i s J E，e t a 1 F o o d C o n t r o l，1 9 9 3，2 1(4)：7 2 7 7 3 1 8 唐春 林，车振 明 食品微 生物快速检 测技 术研 究进展 食 品 工程，2 0 0 6 f 1)：5 2 5 5 9 O g e r t R A，B r o w m J R，S i n g n B R，e t a 1 L e t t A p p l Mi c o b i o，1 9 9 4，1 9(6)：4 8 9-4 9 2 1
31、 O D z y a d m i c h S V，S o l d a t k i n A P，S h u l g e A A，e t a 1 Z h u ma l-A n a l i t i c h s k o i K h i m i i，1 9 9 4，4 9(9)：8 7 4 8 7 8 1 1 F e r n a n d o J C J A g r i c F o o d C h e m i s t r y，1 9 9 3，4(3)：5 1 1-5 1 6 1 2 S t e r n e s j o e s A，Me l l g r e n C，B j o e r c k L B i o
32、 c h e m，1 9 9 5，2 2 6 (1)：1 7 5 1 8 1 1 3 R u d a G L，C o u l e t P R A n a l L e t t e r s，1 9 9 3，2 6(7)：1 3 2 1 1 3 2 5 1 4 K a w a m u r a Y，S a t o u T，K u b o N，e t a 1 J J a p a n S o c F o o d S c i T e e h，1 9 9 2，3 9(3)：2 3 3 2 3 8 f 1 5 A B A S S A K，H A R T J P，C O WE L L D D e v e l o
33、p me n t o f a n a mp e r o me t r i e s u l fi t e b i o s e n s o r b a s e d o n s u l f i t e o x i d a s e w i t h c y t o c h r o me，a s e l e c t r o n a e e e p t o r，a n d s c r e e n p r i n t e d t r a n s d u c e r J S e n s A c t u a t o r s B，2 0 0 0，6 2 f 2 1：1 4 8 一 l 53 【1 6 E n d o
34、 H，Ma t s u r a g a C，H o s h i M，e t a 1 D e t e r mi n a t i o n 0 f d e h y d r o a s c o r b i c a i c d B y a n e n z y n l e s e n s 0 r s y s t e m w i t h a p a r a l l e l fl o w c e l 1 Bi o s e n s o r s B i o e l e e t i o n，1 9 9 4，9(7)：5 0 1 5 0 7 1 7 Ma t s u m o t o K，B a e z a B J J，M o t t o l a h A A n a 1 B i o c h e m B i o t e c h n o l，1 9 9 5，5 0(3)：2 6 5 2 8 4 f l 8 黄赣辉，邓少平，顾振字 P V C薄膜味觉传感器阵列对调 味品和软饮料 的识别 食品科 学，2 0 0 6，2 7(1 0)：8 4 8 8 维普资讯 http:/