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1、生物技术与食品安全和品质控制12.2.生物传感器的分类生物传感器的分类 根据生物敏感材料可分为根据生物敏感材料可分为酶传感器、微酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、细胞传感器、组生物传感器、免疫传感器、细胞传感器、组织传感器和织传感器和DNADNA传感器。传感器。根据换能器的不同，可分为电化学传感根据换能器的不同，可分为电化学传感器、介体生物传感器、测光型生物传感器、器、介体生物传感器、测光型生物传感器、测热型生物传感器等。测热型生物传感器等。具体到某一种传感器的命名，一般是采具体到某一种传感器的命名，一般是采用用“功能功能+结构特征结构特征”的方法，例如，葡萄的方法，例如，葡萄糖氧化酶光纤传
2、感器等。糖氧化酶光纤传感器等。（二）生物传感器的工作原理（二）生物传感器的工作原理 通过生物的分子识别作用，生物传感器通过生物的分子识别作用，生物传感器中的生物敏感材料和生物样品中的待测物质中的生物敏感材料和生物样品中的待测物质特异性结合，并进行生物化学反应，产生离特异性结合，并进行生物化学反应，产生离子、质子和质量变化等信号，信号的大小在子、质子和质量变化等信号，信号的大小在一定条件下和样品中被测物质的量存在一定一定条件下和样品中被测物质的量存在一定的关系，这些信号经换能器转换成电信号，的关系，这些信号经换能器转换成电信号，电信号再经信号分析处理系统处理后输出，电信号再经信号分析处理系统处理
3、后输出，反映出样品中被测物质的量。反映出样品中被测物质的量。转换器转换器敏感元件敏感元件待测物待测物生物传感器的模型生物传感器的模型 1.分子识别（分子识别（molecular recognition）生物传感器中的分子识别生物传感器中的分子识别:指生物敏感材料中生指生物敏感材料中生物分子能选择性地和待测样品中的待测成分进行特物分子能选择性地和待测样品中的待测成分进行特异性（选择性）结合的性质。生物敏感材料包括酶、异性（选择性）结合的性质。生物敏感材料包括酶、抗原（体）等免疫物质、微生物细胞和抗原（体）等免疫物质、微生物细胞和DNA等。等。酶的分子识别酶的分子识别:指酶分子只能和特定的底物分子
4、指酶分子只能和特定的底物分子进行结合，而不能和其他分子结合的特性。酶分子进行结合，而不能和其他分子结合的特性。酶分子的识别能力主要是由酶的活性中心决定，其决定了的识别能力主要是由酶的活性中心决定，其决定了以酶为生物敏感材料的生物传感器的分子识别能力。以酶为生物敏感材料的生物传感器的分子识别能力。免免疫疫传传感感器器的的分分子子识识别别：由由传传感感器器上上的的生生物物敏敏感感材材料料抗抗原原或或抗抗体体物物质质的的分分子子识识别别能能力力决决定定，抗抗原原和和抗抗体体象象酶酶和和底底物物一一样样也也能能发发生生特特异异性性（选选择择性性）结合。结合。DNA传感器的分子识别：由传感器的分子识别：
5、由DNA分子中碱基对分子中碱基对的互补结合特性决定。的互补结合特性决定。2.生化反应中量的变化和信号的转换生化反应中量的变化和信号的转换 （1）热焓的变化及其转换）热焓的变化及其转换 （2）光效应及其转换）光效应及其转换 （3）颜色的变化及其转化）颜色的变化及其转化 （4）阻抗的变化及其转换）阻抗的变化及其转换 （5）生化反应中其他量的变化及其转）生化反应中其他量的变化及其转化化 （6）直接产生电信号）直接产生电信号 将化学变化转变成电信号将化学变化转变成电信号 酶传感器为例酶传感器为例,酶催化特定底物发生反应酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减从而使特定生成物的量有所增减.用
6、能把这类用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合酶耦合,即组成酶传感器即组成酶传感器.常用转换装置有氧电常用转换装置有氧电极、过氧化氢。极、过氧化氢。将热变化转换成电信号将热变化转换成电信号 固定化的生物材料与相应的被测物作用固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化时常伴有热的变化.例如大多数酶反应的热例如大多数酶反应的热焓变化量在焓变化量在25-100kJ/mol的范围的范围.这类生物这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器后
7、者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。的电桥输入到记录仪中。将光信号转变为电信号将光信号转变为电信号 过氧化氢酶过氧化氢酶,能催化过氧化氢能催化过氧化氢/鲁米诺体系鲁米诺体系发光发光,因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端或光敏二极管的前端,再和光电流测定装置相再和光电流测定装置相连连,即可测定过氧化氢含量。即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应还有很多细菌能与特定底物发生反应,产产生荧光生荧光.也可以用这种方法测定底物浓度。也可以用这种方法测定底物浓度。v上述三原理的生物传感器共同点：上述三原理的生物传感器共同点：都是将分子识别元
8、件中的生物敏感物质都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应与待测物发生化学反应,将反应后所产生的化将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量号进行测量,这种方式统称为这种方式统称为间接测量方式间接测量方式.直接产生电信号方式直接产生电信号方式v这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体或通过电子递体的作用的作用)在电极表面上发生在电极表面上发生.根据所得的电根据所得的电流量即可得底物浓度。流量即可得底物浓度。3.生物放大（生物放大（b
9、iological amplification）（1）酶催化放大）酶催化放大 酶是高效专一的催化剂，它可以在很短的时酶是高效专一的催化剂，它可以在很短的时间内催化大量底物的转化，通过测定酶所催化反间内催化大量底物的转化，通过测定酶所催化反应中底物的减少量或产物的增加量可以推测（判应中底物的减少量或产物的增加量可以推测（判断）反应中比底物减少量或产物增加量少得多的断）反应中比底物减少量或产物增加量少得多的酶量，或与酶相关联的其他物质的量，从而实现酶量，或与酶相关联的其他物质的量，从而实现生物放大作用。应用这一放大原理可以使检测方生物放大作用。应用这一放大原理可以使检测方法的灵敏度（最小检出量）比
10、常规检测方法提高法的灵敏度（最小检出量）比常规检测方法提高2个数量级。个数量级。（2）底物循环放大）底物循环放大 被测物被测物S1或或S2，在酶，在酶E1和酶和酶E2之间不断循环，之间不断循环，每循环一次，每循环一次，E1和和E2都要分别消耗各自的底物都要分别消耗各自的底物C1和和C2，产生对应的产物，产生对应的产物P1和和P2，而循环过程中被，而循环过程中被测物测物S1和和S2的浓度保持不变，通过分析的浓度保持不变，通过分析C1和和C2的的消耗量或消耗量或P1和和P2的增加量就可以测定待测物的增加量就可以测定待测物S1或或S2的量，实现放大效应。循环的次数越多酶消耗的量，实现放大效应。循环的
11、次数越多酶消耗的底物和产生的产物越多，放大效率也越高（图）的底物和产生的产物越多，放大效率也越高（图）。（3）酶级联放大）酶级联放大 生物体内的有些酶（通常为酶原）本身是没生物体内的有些酶（通常为酶原）本身是没有活性，在辅酶、另外一种酶或酶的变构效应物有活性，在辅酶、另外一种酶或酶的变构效应物等激活剂的作用下，酶等激活剂的作用下，酶E1i被激活为酶被激活为酶E1a，E1a激活激活E2i成成E2a，E2a又激活又激活E3i或或E3a，由于酶是，由于酶是催化剂可以连续使用，这样经过一系列的反应，催化剂可以连续使用，这样经过一系列的反应，一个分子的辅酶或变构效应物等激活剂就能够产一个分子的辅酶或变构
12、效应物等激活剂就能够产生成千上万分子的生成千上万分子的E3a，然后，然后E3a催化底物催化底物S3产产生产物生产物P3，通过测定底物的消耗量或产物的生成，通过测定底物的消耗量或产物的生成量就可以灵敏地测定辅酶或变构效应物等激活剂量就可以灵敏地测定辅酶或变构效应物等激活剂的量（图）。的量（图）。优点：效率极高，对提高生物传感器的灵敏度优点：效率极高，对提高生物传感器的灵敏度极为有效。极为有效。缺点：在生物传感器中的应用条件较为苛刻。缺点：在生物传感器中的应用条件较为苛刻。（4 4）脂质体技术）脂质体技术 脂质体：由类似于细胞膜的脂质膜构成的微球体，在脂质体：由类似于细胞膜的脂质膜构成的微球体，在
13、微球体的内部包含有被酶、荧光素或电活性物质标记的抗微球体的内部包含有被酶、荧光素或电活性物质标记的抗原或抗体等标志物，微球体的外膜上结合有抗原（抗体），原或抗体等标志物，微球体的外膜上结合有抗原（抗体），当外膜上的抗原（抗体）与待测的抗体（抗原）发生反应，当外膜上的抗原（抗体）与待测的抗体（抗原）发生反应，并和补体结合时（或在表面活性剂的作用下），微球体破并和补体结合时（或在表面活性剂的作用下），微球体破裂，微球体内的标志物被释放。标志物的量大且容易测定，裂，微球体内的标志物被释放。标志物的量大且容易测定，通过测定标志物的释放量就可以测定出待测抗体（抗原）通过测定标志物的释放量就可以测定出待测
14、抗体（抗原）的量，从而实现生物放大（图）。的量，从而实现生物放大（图）。缺点：目前还存在着微球体内的标志物容易渗漏和脂缺点：目前还存在着微球体内的标志物容易渗漏和脂质体的稳定性较差等不足之处。质体的稳定性较差等不足之处。（四）生物传感器的特点（四）生物传感器的特点(1)(1)根据生物反应的特异性和多样性根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以制成理论上可以制成测定所有生物物质的传感器测定所有生物物质的传感器,因而因而测定范围广泛。测定范围广泛。(2)(2)一般不需进行样品的预处理一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备的优它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一异选择性把
15、样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂体，测定时一般不需另加其他试剂,使测定过程简使测定过程简便迅速便迅速,容易实现自动分析。容易实现自动分析。(3)(3)体积小、响应快、样品用量少体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续在位可以实现连续在位检测。检测。v(4)(4)通常其敏感材料是固定化生物元件通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使用可反复多次使用v(5)(5)准确度高准确度高,一般相对误差可达到一般相对误差可达到1%1%以内以内v(6)(6)可进行活体分析可进行活体分析v(7)(7)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪传感器连同测定仪的成本远低于大型的分
16、析仪,因而因而便于推广普及便于推广普及v(8)(8)有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。传感器综合作用才能获得的信息。二、生物传感器中生物敏感材料的固定化二、生物传感器中生物敏感材料的固定化和成膜技术和成膜技术（一）生物材料的固定化技术（一）生物材料的固定化技术 指通过物理或化学的方法将酶、微生物细胞和抗原抗体指通过物理或化学的方法将酶、微生物细胞和抗原抗体等生物材料限制在一定的区间内，使生物材料只能在特定的等生物
17、材料限制在一定的区间内，使生物材料只能在特定的区间进行生化反应，而反应的底物和产物可以自由扩散的技区间进行生化反应，而反应的底物和产物可以自由扩散的技术。术。生物材料常用的固定化方法包括：夹心法、吸附法、包生物材料常用的固定化方法包括：夹心法、吸附法、包埋法、交联法、共价结合法和微胶囊法等（图）埋法、交联法、共价结合法和微胶囊法等（图）。（二）成膜技术（二）成膜技术 1.1.半导体生物传感器中的成膜技术半导体生物传感器中的成膜技术 （1 1）紫外线照射法）紫外线照射法 （2 2）光平板印刷法）光平板印刷法 （3 3）喷射法）喷射法 2.L-B 2.L-B膜技术膜技术 三、生物传感器在食品安全和
18、品质控制中的应用三、生物传感器在食品安全和品质控制中的应用（一）农药和抗生素残留的分析（一）农药和抗生素残留的分析 1.1.农药残留的生物传感器检测农药残留的生物传感器检测 目前有机磷农药中的马拉松、甲基马拉松、目前有机磷农药中的马拉松、甲基马拉松、乙基马拉松、速效磷、久效磷和百治磷等，以及乙基马拉松、速效磷、久效磷和百治磷等，以及氨基甲酯类农药中的滴灭威、西维因、灭虫多和氨基甲酯类农药中的滴灭威、西维因、灭虫多和残杀威等农药在食品中残留量的生物传感器检测残杀威等农药在食品中残留量的生物传感器检测都有相应的研究报道。都有相应的研究报道。1996 1996年余孝颖等采用离子敏场效应管为基础年余孝
19、颖等采用离子敏场效应管为基础传感器（换能器），将乙酰胆碱酯酶通过戊二醛传感器（换能器），将乙酰胆碱酯酶通过戊二醛共价交联固定于场效应管上，制备得到了乙酰胆共价交联固定于场效应管上，制备得到了乙酰胆碱酯酶场效应管传感器，用于分析敌敌畏等有机碱酯酶场效应管传感器，用于分析敌敌畏等有机磷农药的残留。磷农药的残留。原理：乙酰胆碱酯酶能催化乙酰胆碱水解成原理：乙酰胆碱酯酶能催化乙酰胆碱水解成胆碱和乙酸，当存在有机磷农药残留时，它们能胆碱和乙酸，当存在有机磷农药残留时，它们能够抑制够抑制乙酰胆碱酯酶乙酰胆碱酯酶的活性，从而使底物的分解的活性，从而使底物的分解减少，胆碱和乙酸的产生减少，其中乙酸的减少减少，
20、胆碱和乙酸的产生减少，其中乙酸的减少量可以通过离子场效应管来测定，且在一定条件量可以通过离子场效应管来测定，且在一定条件下，下，乙酸的减少量和有机磷农药的量之间存在一乙酸的减少量和有机磷农药的量之间存在一定的比例关系，定的比例关系，因此根据乙酸的减少量就可以计因此根据乙酸的减少量就可以计算出有机磷农药的残留。算出有机磷农药的残留。2.2.抗生素残留的分析抗生素残留的分析 青霉素和磺胺是兽药中常用的抗生素，其残青霉素和磺胺是兽药中常用的抗生素，其残留会污染动物性食品，从而对人类的健康造成危留会污染动物性食品，从而对人类的健康造成危害。害。Sternesioes Sternesioes等人采用免疫
21、传感器测定了牛奶等人采用免疫传感器测定了牛奶中硫胺二甲嘧啶的含量，灵敏度达到中硫胺二甲嘧啶的含量，灵敏度达到1ng1ngg g，传，传感器表面经感器表面经NaOHNaOH和和HClHCl处理后可以重复使用。处理后可以重复使用。Avon Avon等用抗体酶共轭物为敏感材料结合光度等用抗体酶共轭物为敏感材料结合光度分析法检测了牛奶中青霉素的含量。分析法检测了牛奶中青霉素的含量。（二）食品添加剂的分析（二）食品添加剂的分析 亚硫酸盐亚硫酸盐是常用的食品防腐剂和漂白剂，但是亚硫酸是常用的食品防腐剂和漂白剂，但是亚硫酸盐容易引起哮喘，美国盐容易引起哮喘，美国FDAFDA规定了其在新鲜水果和蔬菜等规定了其
22、在新鲜水果和蔬菜等食品中的含量不得超过食品中的含量不得超过110110-6-6molmolL L。天冬酰苯丙氨酸甲酯天冬酰苯丙氨酸甲酯，又称甜味素，是人工合成的低，又称甜味素，是人工合成的低热量甜味剂。热量甜味剂。烟碱酸烟碱酸属于属于B B族维生素，可以作为肉类食品的发色剂，族维生素，可以作为肉类食品的发色剂，但是人体摄入过量的烟碱酸会引起瘙痒和头痛等中毒症状，但是人体摄入过量的烟碱酸会引起瘙痒和头痛等中毒症状，在日本已禁止使用。在日本已禁止使用。其他食品添加剂，如防腐剂其他食品添加剂，如防腐剂苯甲酸钠、羟基苯甲酸钠、苯甲酸钠、羟基苯甲酸钠、过氧化氢，抗氧化剂抗坏血酸、脱氢抗坏血酸、儿茶酚、过
23、氧化氢，抗氧化剂抗坏血酸、脱氢抗坏血酸、儿茶酚、儿茶酚胺，发色剂亚硝酸，酸味剂磷酸和乳酸儿茶酚胺，发色剂亚硝酸，酸味剂磷酸和乳酸等都可以用等都可以用相应的生物传感器来检测它们在食品中的含量。相应的生物传感器来检测它们在食品中的含量。（三）污染微生物的检测（三）污染微生物的检测 污染食品的微生物可以分为腐败菌和病原菌。污染食品的微生物可以分为腐败菌和病原菌。腐败菌主要是通过对食品成分的分解和破坏，同腐败菌主要是通过对食品成分的分解和破坏，同时产生有毒有害物质从而对人体造成危害。腐败时产生有毒有害物质从而对人体造成危害。腐败菌本身通常不是致病菌。病原菌除了能破坏食品菌本身通常不是致病菌。病原菌除了
24、能破坏食品的组成成分外，其菌体本身也能使人致病。的组成成分外，其菌体本身也能使人致病。食品中污染微生物的检测方法通常是平板计食品中污染微生物的检测方法通常是平板计数法，其操作繁琐，检测时间长，特别是对于病数法，其操作繁琐，检测时间长，特别是对于病原菌的检测，有时长达原菌的检测，有时长达l-2l-2周才能出结果，因此各周才能出结果，因此各种快速检测方法不断涌现，生物传感器检测方法种快速检测方法不断涌现，生物传感器检测方法就是其中的一种。就是其中的一种。1.1.腐败菌的检测腐败菌的检测 酿酒酵母、乳酸菌和枯草芽孢杆菌等是常见的食品腐酿酒酵母、乳酸菌和枯草芽孢杆菌等是常见的食品腐败菌。败菌。2.2.
25、病原菌的检测病原菌的检测 常见的污染食品的病原菌有沙门氏菌、大肠杆菌、金常见的污染食品的病原菌有沙门氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、李斯特氏菌、产气荚膜梭菌和蜡样芽孢杆黄色葡萄球菌、李斯特氏菌、产气荚膜梭菌和蜡样芽孢杆菌等。这些病原菌按常规的检测方法检测时间很长，而采菌等。这些病原菌按常规的检测方法检测时间很长，而采用生物传感器则能迅速地测定它们的数量。用生物传感器则能迅速地测定它们的数量。用来测定病原菌的生物传感器主要是光纤生物传感器、用来测定病原菌的生物传感器主要是光纤生物传感器、免疫生物传感器和免疫生物传感器和DNADNA生物传感器。生物传感器。目前，上述病原菌都可以用相应的生物传感器来
26、测定目前，上述病原菌都可以用相应的生物传感器来测定。（四）生物毒素的检测（四）生物毒素的检测 污染食品的生物毒素主要包括细菌毒素、真污染食品的生物毒素主要包括细菌毒素、真菌毒素、藻类毒素以及动植物毒素，其中以细菌菌毒素、藻类毒素以及动植物毒素，其中以细菌毒素和真菌毒素最为常见。毒素和真菌毒素最为常见。检测毒素的方法包括色谱法（气相色谱、液检测毒素的方法包括色谱法（气相色谱、液相色谱、薄层层析等）和生物学方法等，这些方相色谱、薄层层析等）和生物学方法等，这些方法检测时间长，对样品的前处理复杂繁琐。以免法检测时间长，对样品的前处理复杂繁琐。以免疫学方法和生物传感器检测方法为代表的各种快疫学方法和生
27、物传感器检测方法为代表的各种快速方法备受欢迎。速方法备受欢迎。1.1.细菌毒素的分析细菌毒素的分析 细菌毒素是由细菌分泌产生于细胞外或存在于细胞内细菌毒素是由细菌分泌产生于细胞外或存在于细胞内的致病性物质，有内毒素和外毒素之分。的致病性物质，有内毒素和外毒素之分。内毒素：革兰氏阴性细菌细胞壁的组成成分之一的脂内毒素：革兰氏阴性细菌细胞壁的组成成分之一的脂多糖，热稳定，抗原性差，不能转化为类毒素，毒性比较多糖，热稳定，抗原性差，不能转化为类毒素，毒性比较弱，毫克水平才能引起动物死亡。弱，毫克水平才能引起动物死亡。外毒素：细菌（主要是革兰氏阳性菌，也有少数革兰外毒素：细菌（主要是革兰氏阳性菌，也有
28、少数革兰氏阴性菌）分泌于胞外的一种蛋白质，热稳定性差，抗原氏阴性菌）分泌于胞外的一种蛋白质，热稳定性差，抗原性强，能转化成类毒素，毒性很强，微克水平就能引起动性强，能转化成类毒素，毒性很强，微克水平就能引起动物死亡。物死亡。目前研究报道主要集中在运用免疫生物传感器分析检目前研究报道主要集中在运用免疫生物传感器分析检测肉毒毒素和葡萄球菌肠毒素等细菌外毒素。运用生物传测肉毒毒素和葡萄球菌肠毒素等细菌外毒素。运用生物传感器能灵敏、准确、快速地检测到它们在火腿和奶油等食感器能灵敏、准确、快速地检测到它们在火腿和奶油等食品中的含量。品中的含量。2.2.真菌毒素的分析真菌毒素的分析 真菌毒素是真菌分泌产生
29、的有毒次生代谢产物。常见真菌毒素是真菌分泌产生的有毒次生代谢产物。常见的污染食品的真菌毒素主要有黄曲霉毒素、赭霉素、杂色的污染食品的真菌毒素主要有黄曲霉毒素、赭霉素、杂色曲霉素、曲霉素、T-2T-2毒素、腐马素、镰刀菌烯醇类毒素、展青霉素毒素、腐马素、镰刀菌烯醇类毒素、展青霉素和橘霉素等。和橘霉素等。检测食品中污染真菌毒素的方法主要有薄层层析法和检测食品中污染真菌毒素的方法主要有薄层层析法和液相色谱法等。近二十多年来免疫学方法在真菌毒素的检液相色谱法等。近二十多年来免疫学方法在真菌毒素的检测中得到了较好的应用，以此为基础的免疫生物传感器快测中得到了较好的应用，以此为基础的免疫生物传感器快速检测
30、真菌毒素的方法也有研究报道和应用，其中以免疫速检测真菌毒素的方法也有研究报道和应用，其中以免疫传感器用于检测黄曲霉毒素传感器用于检测黄曲霉毒素B B1 1和腐马素和腐马素B B1 1的研究报道最多。的研究报道最多。此外，也有运用微生物传感器和以纤毛虫为生物敏感材料此外，也有运用微生物传感器和以纤毛虫为生物敏感材料的传感器检测展青霉素、黄曲霉毒素的传感器检测展青霉素、黄曲霉毒素B B1 1和和T-2T-2毒素的研究报毒素的研究报道。道。3.3.其他生物毒素的检测其他生物毒素的检测 也有用于检测食品中污染的动植物毒素。也有用于检测食品中污染的动植物毒素。（五）食品新鲜度的分析（五）食品新鲜度的分析
31、 1.1.鱼鲜度传感器鱼鲜度传感器 鱼死亡后，鱼肉中鱼死亡后，鱼肉中ATPATP（三磷酸腺苷）在（三磷酸腺苷）在ATPATP酶的作酶的作用下分解成用下分解成ADPADP（二磷酸腺苷），（二磷酸腺苷），ADPADP在磷酸激酶的作用在磷酸激酶的作用下分解产生下分解产生AMPAMP（一磷酸腺苷），（一磷酸腺苷），AMPAMP在在AMPAMP脱氨酶的作脱氨酶的作用下转化为用下转化为IMPIMP（肌苷酸），（肌苷酸），IMPIMP在在5-5-核苷酸酶的作用核苷酸酶的作用下分解成下分解成HxRHxR（肌苷），（肌苷），HxRHxR在核苷磷酸化酶的作用下分在核苷磷酸化酶的作用下分解成解成HxHx（次黄嘌呤）
32、，（次黄嘌呤），HxHx在黄嘌呤氧化酶的作用下分解在黄嘌呤氧化酶的作用下分解成尿酸。即：成尿酸。即：ATPADPAMPIMPHxRHxATPADPAMPIMPHxRHx尿酸尿酸 根据鱼死亡后，鱼肉中根据鱼死亡后，鱼肉中ATPATP分解代谢后各种代谢产物之分解代谢后各种代谢产物之间的比例关系，即间的比例关系，即K K值或值或K K1 1值也能很好地评判鱼的新鲜度。值也能很好地评判鱼的新鲜度。K K值：指上述值：指上述ATPATP代谢产物中，肌苷和次黄嘌呤占代谢产物中，肌苷和次黄嘌呤占ATPATP代代谢产物总量的百分数。即：谢产物总量的百分数。即：K K（%）=（HxR+HxHxR+Hx）（）（A
33、TP+ADP+AMP+IMP+HxR+HxATP+ADP+AMP+IMP+HxR+Hx）100100 鱼死亡后鱼死亡后ATPATP、ADPADP和和AMPAMP的代谢非常快，一般在很短的的代谢非常快，一般在很短的时间（时间（24h24h）内，它们在鱼肉中的含量就几乎为零，而一般）内，它们在鱼肉中的含量就几乎为零，而一般在市场上出售的鱼都是死亡在市场上出售的鱼都是死亡24h24h以后的鱼，以后的鱼，K K值可简化为值可简化为K K1 1值。值。即：即：K K1 1（%）=（HxR+HxHxR+Hx）（）（IMP+HxR+HxIMP+HxR+Hx）100100 目前日本等国已制订了根据目前日本等国
34、已制订了根据K K值或值或K Kl l值判断鱼新鲜度值判断鱼新鲜度的标准，也成功研制了测定的标准，也成功研制了测定K K值或值或K K1 1值的各种生物传感器。值的各种生物传感器。按照日本的标准，按照日本的标准，K K1 10.20.2时，鱼的品质极好，时，鱼的品质极好，K Kl l=0.2-=0.2-0.40.4时，鱼品质较好。时，鱼品质较好。（1 1）多电极传感器系统。主要由四根氧电极组成，）多电极传感器系统。主要由四根氧电极组成，其中一根作为参照，另外三根电极的表面分别固定有黄其中一根作为参照，另外三根电极的表面分别固定有黄嘌呤氧化酶膜，核苷磷酸化酶与黄嘌呤氧化酶膜，嘌呤氧化酶膜，核苷磷
35、酸化酶与黄嘌呤氧化酶膜，5-5-核苷酸酶、核苷磷酸化酶与黄嘌呤氧化酶膜，测定时将核苷酸酶、核苷磷酸化酶与黄嘌呤氧化酶膜，测定时将四根电极同时放入样品液中，上述三根酶电极产生的电四根电极同时放入样品液中，上述三根酶电极产生的电信号分别反应了样品液中信号分别反应了样品液中HxHx的浓度，（的浓度，（HxR+HxHxR+Hx）的浓度）的浓度和（和（IMP+HxR+HxIMP+HxR+Hx）的浓度，通过计算机处理很容易计算）的浓度，通过计算机处理很容易计算出出K K1 1的大小。的大小。运用该传感器，只需运用该传感器，只需20-50L20-50L样品液，样品液，8min8min就可以就可以测定测定K
36、K1 1值。值。（2 2）多多酶酶电电极极传传感感器器系系统统。首首先先将将5-5-核核苷苷酸酸酶酶、核核苷苷磷磷酸酸化化酶酶与与黄黄嘌嘌呤呤氧氧化化酶酶固固定定在在一一氧氧电电极极上上，形形成成多多酶酶电电极极。测测试试时时，样样品品液液先先经经过过一一离离子子交交换换柱柱，使使IMPIMP、HxRHxR和和HxHx分分开开，然然后后分分别别流流经经有有多多酶酶电电极极的的测测试试室室，根根据据样样品品中中不不同同组组分分流流经经测测试试室室时时电电信信号号的的响响应应情情况况，运运用用计计算算机机分析计算出分析计算出K K1 1值。值。除了测定除了测定K K1 1值，也有通过生物传感器测定
37、鱼肉中胺类值，也有通过生物传感器测定鱼肉中胺类物质的变化来反应鱼新鲜度的研究报道。另外，采用微生物质的变化来反应鱼新鲜度的研究报道。另外，采用微生物传感器测定鱼鲜度的研究也有报道。物传感器测定鱼鲜度的研究也有报道。2.2.肉鲜度传感器肉鲜度传感器 和和鱼鱼肉肉一一样样，其其他他肉肉类类也也可可以以通通过过生生物物传传感感器器来来测测定定其其鲜鲜度度。KurubeKurube等等人人将将单单胺胺氧氧化化酶酶固固定定于于氧氧电电极极上上组组成成了了测测定定猪猪肉肉鲜鲜度度的的酶酶传传感感器器，该该传传感感器器的的响响应应时时间间为为4min,4min,检检测测的的线线性性范范围围为为510510-
38、6-6-1010-1010-6-6mo1mo1L L。KressKress等等人人研研制制开开发发出出一一种种测测定定肉肉鲜鲜度度的的匕匕首首式式生生物物传传感感器器，测测定定时时将将传传感感器器的的探探头头插插入入肉肉表表面面2-4cm2-4cm深深度度，通通过过测测定定葡葡萄萄糖糖的的浓度来评价肉的鲜度。浓度来评价肉的鲜度。3.3.牛乳鲜度传感器牛乳鲜度传感器 主要通过测定牛乳中的微生物数量，牛乳的乳酸增加主要通过测定牛乳中的微生物数量，牛乳的乳酸增加量，或牛乳中的脂肪分解成的短脂肪酸的量等来评价牛乳量，或牛乳中的脂肪分解成的短脂肪酸的量等来评价牛乳的鲜度。的鲜度。第二节第二节 免疫学技术
39、与食品安全检测免疫学技术与食品安全检测（一）抗原（一）抗原（antigen）指进入动物体内能刺激动物的免疫系统发生免疫指进入动物体内能刺激动物的免疫系统发生免疫应答，从而引起动物产生抗体或形成致敏淋巴细胞，应答，从而引起动物产生抗体或形成致敏淋巴细胞，并能和抗体或致敏淋巴细胞发生特异性反应的物质。并能和抗体或致敏淋巴细胞发生特异性反应的物质。1.1.抗原的分类和基本属性抗原的分类和基本属性 半抗原半抗原（haptenhapten）:不能刺激动物产生抗体，只不能刺激动物产生抗体，只能和对应的抗体进行特异性结合，即只有免疫反应性，能和对应的抗体进行特异性结合，即只有免疫反应性，无免疫原性的抗原。无
40、免疫原性的抗原。一、抗原与抗体一、抗原与抗体一、抗原与抗体一、抗原与抗体 完全抗原完全抗原（complete antigencomplete antigen）：既具有免疫）：既具有免疫原性又具有免疫反应性的抗原。原性又具有免疫反应性的抗原。超级抗原超级抗原（superantigensuperantigen）：有些物质，例如）：有些物质，例如某些细菌毒素，具有非常强的免疫刺激能力，通常某些细菌毒素，具有非常强的免疫刺激能力，通常可达到一般抗原刺激能力的可达到一般抗原刺激能力的20002000倍，只需极低的浓倍，只需极低的浓度就可以诱发极大的免疫反应。度就可以诱发极大的免疫反应。免疫原性免疫原性（
41、immunogenicityimmunogenicity）:指抗原进入体指抗原进入体内刺激免疫系统产生抗体或形成致敏淋巴细胞的特内刺激免疫系统产生抗体或形成致敏淋巴细胞的特性。性。免疫反应性免疫反应性（immunoreactivityimmunoreactivity）:指抗原能指抗原能和对应的抗体或致敏淋巴细胞发生特异性反应的特和对应的抗体或致敏淋巴细胞发生特异性反应的特性。性。2.2.抗原决定簇抗原决定簇（antigenic determinantantigenic determinant）或称为抗原表位，是位于抗原物质分子表面或称为抗原表位，是位于抗原物质分子表面或者其他部位的具有一定组成
42、和结构的特殊化学或者其他部位的具有一定组成和结构的特殊化学基团，能与免疫系统中淋巴细胞上的受体及相应基团，能与免疫系统中淋巴细胞上的受体及相应的抗体分子结合，是免疫原引起机体特异性免疫的抗体分子结合，是免疫原引起机体特异性免疫应答和免疫原与抗体特异性反应的基本构成单位。应答和免疫原与抗体特异性反应的基本构成单位。在蛋白质抗原中，在蛋白质抗原中，3-83-8个氨基酸残基可以构成个氨基酸残基可以构成一个抗原决定簇，在多糖抗原中一个抗原决定簇，在多糖抗原中3-63-6个呋喃环可以个呋喃环可以组成一个抗原决定簇。组成一个抗原决定簇。从结构上抗原决定簇可以分成顺序决定簇和从结构上抗原决定簇可以分成顺序决
43、定簇和构象决定簇。构象决定簇。顺序决定簇顺序决定簇（sequential determinantsequential determinant）：又）：又称为连续决定簇，氨基酸的排列顺序决定着这类称为连续决定簇，氨基酸的排列顺序决定着这类决定簇的功能基团。决定簇的功能基团。构象决定簇（构象决定簇（conformational conformational determinantdeterminant）：又称为不连续决定簇，是依赖于）：又称为不连续决定簇，是依赖于蛋白质天然空间构象的决定簇，这类决定簇通常蛋白质天然空间构象的决定簇，这类决定簇通常由不连续的氨基酸顺序片段经肽链的折叠卷曲而由不连续的
44、氨基酸顺序片段经肽链的折叠卷曲而成，一般位于蛋白质的表面。成，一般位于蛋白质的表面。研究抗原的决定簇不仅可以揭示抗原与抗体研究抗原的决定簇不仅可以揭示抗原与抗体结合的本质，有助于更好地了解免疫学中的核心结合的本质，有助于更好地了解免疫学中的核心问题免疫识别和应答的机制，而且可以人工合问题免疫识别和应答的机制，而且可以人工合成某些抗原决定簇，这对于研制疫苗和特异性诊成某些抗原决定簇，这对于研制疫苗和特异性诊断试剂，以及药物合成和抗病毒感染等方面都有断试剂，以及药物合成和抗病毒感染等方面都有很大的益处。很大的益处。3.3.抗原的分类抗原的分类 根根据据来来源源抗抗原原可可分分为为天天然然抗抗原原、
45、人人工工抗抗原原和和合成抗原等三类。合成抗原等三类。天天然然抗抗原原：是是天天然然的的生生物物、细细胞胞及及天天然然产产物物，主主要要来来自自动动物物、植植物物和和微微生生物物，例例如如血血细细胞胞、细细菌菌和和病病毒毒、蛋蛋白白质质、多多糖糖、脂脂类类和和核核酸酸等等都都可可以以是天然抗原。是天然抗原。人人工工抗抗原原：指指人人工工化化学学改改造造后后的的抗抗原原，例例如如半抗原经化学改造后就是人工抗原。半抗原经化学改造后就是人工抗原。合合成成抗抗原原：指指化化学学合合成成的的具具有有抗抗原原性性质质的的分分子，主要是氨基酸的聚合物。子，主要是氨基酸的聚合物。4.4.抗原的制备抗原的制备 （
46、1 1）抗原的准备。）抗原的准备。对微生物细胞等颗粒状抗对微生物细胞等颗粒状抗原，只需对微生物进行扩大培养，然后收集菌体原，只需对微生物进行扩大培养，然后收集菌体即可。对蛋白质、多糖、即可。对蛋白质、多糖、DNADNA和脂类等可溶性胶体和脂类等可溶性胶体抗原，应根据其在生物细胞中的部位进行处理。抗原，应根据其在生物细胞中的部位进行处理。存在于细胞内的物质首先应破细胞壁，使它们释存在于细胞内的物质首先应破细胞壁，使它们释放出来，然后收集含有这些物质的溶液，再采用放出来，然后收集含有这些物质的溶液，再采用各种分离、提取和纯化方法进行分离和提取。对各种分离、提取和纯化方法进行分离和提取。对于分泌于细
47、胞外的这些高分子物质则只需收集胞于分泌于细胞外的这些高分子物质则只需收集胞外液，然后再进行分离纯化即可。外液，然后再进行分离纯化即可。（2 2）半抗原的改造。）半抗原的改造。通常是将牛血清白蛋白通常是将牛血清白蛋白（BSABSA）、卵清白蛋白（）、卵清白蛋白（OVOV）或人工合成的多聚氨）或人工合成的多聚氨基酸等连接在半抗原分子上，增加其相对分子质基酸等连接在半抗原分子上，增加其相对分子质量，从而使其转化成完全抗原（例子见书）。量，从而使其转化成完全抗原（例子见书）。将各种半抗原转化成完全抗原的具体操作方将各种半抗原转化成完全抗原的具体操作方式和注意事项各不相同，但是有一点必须注意，式和注意事
48、项各不相同，但是有一点必须注意，即在操作过程中应尽可能保持半抗原结构的即在操作过程中应尽可能保持半抗原结构的“完完整性整性”，不能过度破坏其结构，以保持半抗原的，不能过度破坏其结构，以保持半抗原的“原始性原始性”。（二）抗体（二）抗体（amtibody,Ab）1.1.抗体的定义、分布和分类抗体的定义、分布和分类 由抗原刺激动物的免疫系统后，由免疫系统分由抗原刺激动物的免疫系统后，由免疫系统分泌的能和相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白泌的能和相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白（immunoglobinimmunoglobin，IgIg）。）。抗体主要存在于动物血清中，也存在于动物的抗体主要存在于
49、动物血清中，也存在于动物的其他体液和体外分泌液，例如乳汁和细胞分泌液中。其他体液和体外分泌液，例如乳汁和细胞分泌液中。另外，抗体还存在于某些细胞中。另外，抗体还存在于某些细胞中。根据根据IgIg的理化特性和与抗原结合方式的不同，的理化特性和与抗原结合方式的不同，IgIg可以分为类和亚类。可以分为类和亚类。2.2.抗体的结构抗体的结构 一个抗体分子通常包括两个完全相同的轻链一个抗体分子通常包括两个完全相同的轻链分子（分子（1ight chain1ight chain）和两个完全相同的重链）和两个完全相同的重链（heavy chainheavy chain）分子，轻链分子大约由）分子，轻链分子大约
50、由210210个氨个氨基酸残基组成，相对分子质量约为基酸残基组成，相对分子质量约为2.3102.3104 4；重；重链分子大约由链分子大约由450450个氨基酸残基组成，相对分子个氨基酸残基组成，相对分子质量约为质量约为5.0105.0104 4。这。这4 4条链在氢键和二硫键（条链在氢键和二硫键（S-S-S S）作用下连在一起，形成）作用下连在一起，形成“Y”“Y”字形结构。字形结构。在在“Y”“Y”字形的两个支角上，重链和轻链的字形的两个支角上，重链和轻链的N N端区域在一起形成抗原的识别位点。有一段大约端区域在一起形成抗原的识别位点。有一段大约110110个氨基酸残基的区域随抗体结合特异