组学技术在食品安全检测的运用

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摘要:食品安全是全球关注的热点,食品安全检测是保障食品安全的重要环节。随着消费者对食品安全要求的提高,传统检测技术已经无法满足食品安全检测多样性的需求。近年来以基因组学、蛋白组学、代谢组学为代表的组学技术迅速发展,为食品安全检测带来了新突破。本文对近年来蛋白组学、代谢组学和基因组学技术在食品安全检测方面的应用进行了综述,并对未来组学技术应用于食品安全检测的发展趋势进行了展望。

关键词:食品安全检测;蛋白组学;代谢组学;基因组学

1前言

民以食为天,食以安为先。食品安全关系人类健康,一直以来,都是全球关注的热点。随着社会经济的发展,一方面,随着生活水平不断提高,公众对食品安全越来越重视,要求也越来越高;另一方面食品工业快速发展,国际食品贸易日趋频繁,食品安全问题已呈现全球化模式。威胁食品安全的因素不仅仅有传统的化学危害物、食源性致病菌;采用劣质原料生产高货值食品、以次充好、以假乱真、产地造假、成分造假等等问题,是目前食品安全面临的新挑战。目前,已知危害物的检验技术已经比较成熟;未知、潜在的食品安全危害物侦别及成分鉴定、产地鉴定等,是食品安全检测技术面临的难题。食品安全检测迫切需要新的方法和手段来解决这些难题和挑战。组学是最近几十年发展起来的新学科,主要包括基因组学(Genomics)、蛋白组学(Proteinomics)、代谢组学(Metabolomics)、转录组学(Transcriptomics)、脂质组学(Lipidomics)、糖组学(Glycomics)等等。其中,基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学共同构成了“系统生物学”[1-2]。组学技术的基本思路是通过研究成千上万的DNA、RNA、蛋白质或者代谢物等物质,找出与某一生命过程相关的特征蛋白、DNA、RNA或者代谢物,进而对某一目标进行评估。组学技术依托高通量、高分辨率、高精度的现代化分析仪器,通过海量数据处理,进行信息提取和结果分析。近年来,组学技术与食品安全检测不断融合,在食品安全检测领域发挥着越来越重要的作用。

2与食品安全检测相关的组学技术

2.1蛋白组学。蛋白组学研究特定状态下蛋白整体水平的存在状态和活动规律,是从分子水平上来分析蛋白质的表达、修饰、功能等的一门学科。蛋白组学的研究对象涉及植物、动物、微生物等,其在药物开发、病理研究、食品安全等方向都有诸多应用。蛋白质可以作为食品组分的特征标记物,因此蛋白组学可以用于食品安全检测[3]。蛋白组学的研究手段主要有凝胶技术和质谱技术,质谱可以对肽段和蛋白进行表征和测序,是分析蛋白的重要技术。通过蛋白酶解后得到肽段的肽指纹图谱结合质谱技术,可以分析某一种或同类食物的蛋白质成分[4],经过比较和筛选,确定特征标志蛋白或者肽。基于对蛋白或者肽的分析,质谱技术可以获得食品组分的特定指纹信息,实现定性分析。一旦获得蛋白标志物或者肽标志物,即可用液相色谱-质谱的选择反应监测(SRM)或者多反应监测(MRM)模式对目标物进行快速、灵敏的定量分析检测。2.2代谢组学。代谢组学以生命体的代谢物为研究对象,主要研究分子量1000以下的小分子[5-6]。根据研究对象不同,代谢组学可以分为研究已知化合物的靶向代谢组学和分析未知化合物非靶向代谢组学。代谢组学作为新兴的研究技术已应用在食品安全、药物研发、疾病诊断、环境科学和植物育种等方面[7]。代谢组学的主要研究手段包括核磁共振技术(NMR)和质谱技术。质谱技术以高通量、高灵敏度著称,飞行时间质谱和高分辨质谱是代谢组学研究中经常用到的仪器;NMR技术具有非破坏性的优点,可以对研究对象内部化学变化和生化反应进行跟踪[8-9]。常见的代谢物主要有极性化合物(例如有机酸、氨基酸、糖、胺)、脂类、类萜和固醇。代谢组学分析得到的数据量巨大,需要借助化学计量学对数据进行分析处理,常用的分析方法包括主成分分析(PrincipalComponentsAnalysis,PCA)、判别分析(DiscriminantAanalysis,DA)、偏最小二乘法-判别分析(PartialLastSuares-DiscriminantAeqnalysis,PLS-DA)等方法[10]。2.3基因组学。基因组学的研究对象包括基因组的结构、功能、进化、定位、编辑等,以及他们对生物体的影响。基因组学通过使用高通量DNA测序和生物信息学来组装和分析整个基因组的功能和结构。近几十年来,多重聚合酶链式反应、基因测序、基因芯片等技术飞速发展,为基因组学在食品安全领域的应用打下了良好的基础。基于基因组学特异性强、灵敏度高和高通量的特点,其在病原微生物检测,物种鉴定和转基因食品检测方面有着很多应用[11-12]。

3组学技术在食品安全检测中的应用

3.1食品中有害物质检测。食品中不含危害人类健康成分是食品安全的最基本要求。组学技术在检测食品中有害物质方面有着广泛的应用。随着生活水平的提高,动物源性食品的需求量快速增加。经济利益驱使下,为了规避食品安全法规中已有兽药的使用限制,使用新兽药的情况时有发生。传统方法只针对目标化合物进行检测,对于非目标化合物即新型兽药的检测无能为力。采用组学方法,寻找合适的生物标志物,可以及时发现新型兽药的使用情况。Courant等[13]采用液相色谱-高分辨质谱和非靶向代谢组学技术,建立了监测小牛尿液中β2-受体激动剂代谢物的方法,有望成为筛查各类β2-受体激动剂兽药的有效方法。Regal等[14]应用代谢组学技术结合高效液相色谱-高分辨质谱结合多元变量统计分析,找出了牛血清中外源性雌二醇和孕酮的生物标志物,为检测动物养殖过程中的激素滥用提供了新方法。发酵食品中含有丰富的微生物和各种有益消化酶,具有独特的风味和较高的营养价值,深受大众喜爱。生物胺和亚硝酸盐是食品发酵过程中常见的两类有害物质。生物胺包括芳香胺(酪胺、苯乙胺、多巴胺等)、脂肪胺(腐胺、精胺、亚精胺等)和杂环胺(组胺、色胺等),主要来源于发酵过程中的微生物降解。亚硝酸盐是发酵食品中重要的危害物质;发酵过程中,微生物分泌硝酸盐还原酶将硝酸盐还原产生亚硝酸盐。Meyer等[15]利用液相色谱法和主成分分析相结合的代谢组学方法,研究了发酵香肠中的生物胺和亚硝酸盐含量。用该方法对101个样品进行检测,发现其中NaNO2的浓度均低于20mg/kg,生物胺含量普遍很低,仅在一个样品中发现尸胺和腐胺浓度达到了中毒水平。3.2组学技术在食源性致病菌检测中的应用。食源性致病菌是食品安全面临的最严峻挑战之一,传统检测方法从细菌培养到细菌计数,检测一个样品至少需要4~5d的时间,而组学技术可大大提高食源性致病菌检测的效率。代谢组学在沙门氏菌和大肠杆菌的鉴定方面已经取得一定成果[16-18]。Xu等[16]利用气相色谱-质谱法和一种多元算法进行了鼠伤寒沙门氏菌污染猪肉和自然变质猪肉中代谢物的分析,确定了17种代谢产物(包括各种类型的氨基酸和脂肪酸),以区分被致病微生物污染的猪肉。Cevallos等[18]建立了基于代谢组学检测大肠杆菌O157∶H7、沙门氏菌的方法,根据对细菌代谢物的分析,此方法可以在18h内快速检测以上两种病原体,在牛肉和鸡肉中大肠杆菌O157∶H7、沙门氏菌检测水平均可以达到7±2CFU/25g。Whiteside等[19]给出了大肠杆菌的在线基因组学预测平台SuperPhy,该平台整合了所有可以公开获得的大肠杆菌基因组分析工具和基因组序列数据,可以用于临床医学、流行病学、生态学和进化领域等领域,亦可应用于食品安全检测领域。祝儒刚等[20]运用多重聚合酶链式反应结合基因芯片技术,建立了一种检测大肠埃希氏菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、志贺氏菌和单核细胞增生李斯特菌5种食源性致病菌的方法,该方法快速、准确、灵敏。全基因组测序(WholeGenomeSequencing,WGS)广泛应用于食源性致病菌特征分析,在确定污染事件根源、食品安全事件溯源、食品安全突发事件检测和鉴定,以及毒力和致病性特征分析方面,WGS技术发挥着越来越重要的作用[21-22]。3.3食品掺假及欺诈的研究。食品掺假、欺诈是世界性问题[23]。据估算,全球食品行业每年由于食品掺假和欺诈带来的经济损失高达150亿美元[24]。当前,与食品掺假相关的议题包括产地、品种、生产方式、未宣布成分、物种替代等[25]。有关食物的完整、准确和真实的信息不仅是消费者的迫切需求,也是行业和政府的迫切需求。运用组学技术对食品进行检测,可以确保食品从农场到餐桌的真实性。与传统检测方法项目比,组学技术在检测食品掺假和欺诈方面具有天然优势。通过高通量的检测模式,对样品中的蛋白质、代谢物或者DNA进行检测,通过对大量数据的统计处理、甄别食品特性,进而可以确定食品产地、品种、成分、物种及生产方式等诸多与食品掺假相关的要素。运用特征标记肽段可以检测马肉、牛肉、羊肉和猪肉[26]。Montowska&Fornal[27]采用液相色谱-串联质谱方法,选择了20个热稳定肽段,可以有效区分猪肉、牛肉、鸡肉、鸭肉、鹅肉,在实际样品检测中,从禽肉肠中检出含量仅为0.8%的牛肉成分。基于气相色谱技术,运用代谢组学分析方法可以有效区别冷冻猪肉和新鲜猪肉[28]。乳品行业中,牛乳冒充羊乳,奶粉调制的复原乳冒充鲜奶,工业化生产的奶酪冒充手工奶酪的欺诈行为极其常见。Caira等[29]应用基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)进行分析,根据酪蛋白的特征肽可以有效鉴别水牛乳、牛乳、牛初乳和乳酪。一种结合肽和蛋白质谱的方法可以有效检测水牛乳、羊乳中的牛乳,判断鲜牛奶中是否加入奶粉[30]。根据靶向DNA的高特异性,运用基因组学的方法也可以准确鉴别牛乳、水牛乳、羊乳等等,但是准确定量还有一定的难度[31-32]。Majcher等[33]利用气相色谱-质谱结合代谢组方法以及化学计量学数据处理方法,可以准确鉴别传统手工艺制作的奥西佩克奶酪和工业化生产的奥西佩克奶酪。蜂蜜是很受消费者欢迎的食品。不同种类花的蜂蜜不仅口感不同,其营养价值和价格也大不相同。Jandric等[34]利用代谢组学方法,结合液相色谱-质谱,傅里叶变换红外光谱等手段,建立了鉴别三叶草、麦卢卡、拉塔、卡玛西四种新西兰蜂蜜的方法。基因组学方法也可以提取蜂蜜中的物种特异性信息,确定蜂蜜的植物学和昆虫学起源,从而鉴定蜂蜜真伪[35-36]。组学技术可以准确鉴别葡萄酒真伪、产地。采用基因组学技术,对DNA来源进行分析,可以鉴别葡萄酒真伪[37]。采用蛋白组学方法,MALDI-TOF-MS技术可以准确鉴别33种克罗地亚白葡萄酒[38]。采用代谢组学技术,通过对葡萄酒中挥发物的分析,即可判断酿酒葡萄的品种和产地[39]。利用代谢组学方法还可以将有机种植的胡萝卜[40]和大麦[41]与普通的胡萝卜和大麦区别开来。代谢组学方法可以对咖啡质量和来源进行评价,阿拉卡比咖啡质量要好于罗布斯塔咖啡,在阿拉卡比咖啡中掺入罗布斯塔咖啡也是常见的咖啡造假手段,核磁共振技术可以检测低至2%的罗布斯塔咖啡[42]。使用单核苷酸多态性基因分型可以确定5个最常见的希腊橄榄油品种[43]。基因组学和代谢组学技术均可以检测橄榄油中是否掺入玉米油、大豆油、葵花籽油、花生油等其他食用油。[44-45]3.4转基因食品的检测。转基因技术通过生物工程技术将一种或几种外源性基因转移到某种特定的生物体内,使其表达出相应产物,以转基因生物为原料加工生产的食品就是转基因食品。关于转基因食品的安全性,目前仍存在争议。Tan等[46]应用蛋白组学技术研究了转基因玉米和非转基因玉米的蛋白质组差异,结果发现两者之间存在148个差异表达的蛋白质,其中42个在转基因玉米中表达较高,106个在非转基因玉米中表达更高。基于液相色谱-质谱技术自上而下的蛋白质组学技术,可以检测抗草甘膦玉米(NK603)中117种蛋白质表达变化[47]。转基因玉米的代谢组学分析中[48],抗草甘膦玉米(NK603)的几种胺类代谢物(例如:尸胺、腐胺、N-乙酰尸胺、N-乙酰腐胺)相比非转基因玉米有显著提高。Catchpole等[49]启动快速代谢组“指纹图谱”,比较了转基因土豆和非转基因土豆的总代谢物,发现转基因土豆与传统品种差异不大。代谢组学技术也已应用到对转基因大米[50,51]、转基因番茄[52]等转基因食品的分析。实时PCR(real-timePloymeraseChainRactione,rtPCR)是欧盟法规规定的评估转基因食品的唯一有效方法。微滴式数字PCR技术(dropletdigitalPCR,ddPCR)可以对食品中的植物源转基因成分进行分析[53]。Kosir等人结合基因步行(GeneWalking,GW)和下一代基因测序技术,可以同时检测混合物中低至1%的转基因玉米(MON810、MON89034、MON88017)和棉籽(MON1595)[54]。

4结论

随着食品工业的进步和消费的不断升级,食品种类不断丰富,消费者对食品安全的要求不断提高,这给食品安全检测带来更多、更新、更高的要求。组学技术应用于食品安全检测,拓展了食品安全检测的范围、给食品安全检测技术带来了更大的发展。组学技术不仅可以检测食品中的有害物质、病原微生物,还可以对食品生产工艺、产地、成分、物种等进行鉴别,从而满足消费者对食品安全的更高要求。相比传统的食品安全检测技术,蛋白组学、代谢组学和基因组学技术具有高灵敏度、高通量等特点;但是组学技术从研究阶段到真正走向实验室日常检测依旧任重而道远。未来的研究在样本采集、生物标志物的筛选、实验重复性、实验室间验证、方法耐用性、标准物质的应用等方面均需要完善进步,以尽早推动组学技术在食品安全检测实验室广泛应用。

作者:静平 吴振兴 厉艳 宓捷波 李宗瑞