陸春美,崔秀明,王承瀟,*
(1.昆明理工大學生命科學與技術學院,云南昆明650500;2.紅河衛生職業學院,云南紅河661100)
分子印跡固相萃取技術在肉類食品安全檢測中的應用進展
陸春美1,2,崔秀明1,王承瀟1,*
(1.昆明理工大學生命科學與技術學院,云南昆明650500;2.紅河衛生職業學院,云南紅河661100)
分子印跡固相萃取技術(MISPE)因具備選擇性和識別性好,分析準確度高等諸多優點而在肉類安全檢測技術方面表現出廣闊的潛在應用價值,本文就該技術在農藥殘留檢測,有害獸藥殘留,重金屬,有害微生物及毒素等方面的安全檢測中的應用研究情況進行了系統的綜述,與其他常規檢測手段做出對比,分析其優勢及存在問題,并對進一步的應用研究前景進行了展望,以期對肉類食品的安全檢測技術的發展具有更好的借鑒意義。
分子印跡固相萃取技術,肉類食品,安全檢測
隨著肉類食品安全事件發生率的日益上升,肉類安全質量已經成為影響消費者選購中至關重要的影響因素。而我國目前肉類食品安全形勢不容樂觀,來自生物性和化學性的污染較為嚴重[1],表現出含致病菌、禽流感、瘦肉精,藥物殘留量超標、有害重金屬超標等嚴峻的質量問題,為此,有關肉類食品安全質量檢測,目前主要從農藥殘留量、獸藥抗生素殘留量、重金屬殘留量、致病毒素等方面進行控制。近幾年來,隨著現代分析檢測技術在不斷發展更新,有關肉類食品安全檢測方面的技術也在不斷完善,當前主要有化學分析法、高效液相色譜法、凝膠色譜法、酶法、免疫法、傳感器法、生物檢測法、試劑盒等[2]。這些方法在檢測前大部分都需要對樣品進行預處理,通過去除干擾雜質,并對待測目的組分的痕跡量富聚后才能檢出。但與其他食品相比,肉類食品的樣品基體和組成相當復雜,被分析物處于衡量狀態,導致檢測結果易受到干擾,因而樣品前處理就成為肉類食品安全檢測分析的關鍵步驟。而傳統的樣品前處理技術如液液萃取、索氏提取、固相萃取,存在使用大量溶劑、處理時間長、操作繁瑣等缺點[2]。不利于肉類食品的安全檢測分析工作的高效率開展。為此,隨著分析技術的不斷完善,積極尋找和開發新型肉類食品安全檢測技術手段無疑具有重要意義。
分子印跡固相萃取技術(molecularly imprinted solid-phase extraction,MISPE)由于具有親和性高、選擇性好、對外界惡劣環境(高溫、高壓、強酸、強堿有機試劑等)耐受能力強、穩定性好、使用壽命長、應用范圍廣等特點而逐漸受到人們關注[3-4]。目前在肉類食品安全檢測技術方面表現出較大的優勢[5],得到了一定程度的研究和應用。本文擬對該領域的研究進展情況進行綜述,以期為下一步的相關研究工作提供參考。
1.1簡介
分子印跡技術(Molecularly Imprinting Technology,MIT)源于免疫學的發展,又稱為分子模板技術,是指制備對某一特定目標分子具有選擇性的聚合物技術,它可以用作固相萃取劑進行選擇性分離提取和富聚復雜樣品中的痕量目標分析物質,能克服樣品體系復雜和前處理繁瑣等問題,能適用于復雜樣品前處理與富聚過程[6-8]。
分子印跡固相萃取技術(molecularly imprinted solid-phase extraction MISEP)即分子印跡技術與固相萃取技術相結合,是將分子印跡聚合物(MIP)作為一種特效的固相萃取吸附材料填入固相萃取柱中使用。萃取過程主要經樣品預處理→加樣→淋洗→洗脫步驟,表現出節省溶劑、基質和干擾較少、分析準確度高等方面的優勢,適用于富聚痕量分析物[9]。目前已在肉類食品安全檢測技術中應用。
1.2農藥殘留檢測應用
肉類食品中的農藥殘留主要來自于飼料及周邊環境污染,如殺蟲劑、除草劑、嘧啶胺類殺菌劑、樂果、三嗪等,人體長時期攝入會造成較大傷害,因此,這些物質檢測控制顯得至關重要。當前,有關分子印跡固相萃取技術在農殘方面的應用也在日漸深入,有相關研究表明,以分子印跡聚合物裝填固相萃取柱進行分離純化,具有很好的去除基質干擾的效果。如Muldoon等[10]采用分子印跡聚合物萃取牛肝組織中的三嗪類農藥草脫凈,然后利用高效液相色譜法進行定量分析,改進了原有的高效液相色譜檢測法的準確度和精確度,檢出限達0.005mg/L,加標回收率達92.8%。隨著研究的不斷深入,用分子印跡聚合物裝填固相萃取柱在相關樣品的農藥殘留分析中的應用研究越來越多(表1)。

表1 分子印跡固相萃取技術在農藥殘留方面的應用Table 1 Molecular imprinting technology application of solid-phase extraction in food pesticide residues
1.3肉類獸藥殘留檢測
肉類食品中的獸藥殘留是影響其適用安全的最主要因素之一,不僅會對人體產生“三致”等重大影響,還制約著我國肉類食品的國際貿易。近年來,分子印跡固相萃取技術因其自身選擇性和識別性好,分析準確度高等優勢而在肉類獸藥殘留中研究越來越深入。
1.3.1磺胺類獸藥磺胺類獸藥,如磺胺嘧啶,因在體內的作用和時間較長而殘留在肉類組織中。人長期攝入含獸藥的動物性食品后,藥物不斷在人體內蓄積,當積累到一定程度后,就會對人體產生毒性作用。如磺胺類藥物可引起腎損害,特別是乙酰化磺胺在尿中溶解度低,析出結晶后對腎臟損害更大。人長期攝入含獸藥的動物性食品后,藥物不斷在人體內蓄積,當積累到一定程度后,就會對人體產生毒性作用。如磺胺類藥物可引起腎損害,特別是乙酰化磺胺在尿中溶解度低,析出結晶后對腎臟損害更大。
蔡杰等[20]以磺胺類藥物(SFAs)為模板分子,甲基丙烯酸(MAA)為功能單體,以肉制品為研究對象,模擬研究磺胺類藥物的分子印跡聚合物。通過密度泛函理論的計算,分析反應介質對印跡聚合物制備過程的影響,并從分子水平上研究SFAs-MAA之間的結合作用,為制備合理的印跡聚合物提供參考。黃運紅等[21]制備了磺胺嘧啶的分子印跡柱,并優化了分子印跡柱的萃取條件,在最佳萃取條件下,對豬肉樣品中磺胺嘧啶進行分析檢測,加標回收率達75.6%以上,相對標準偏差小于6.1%。何東旭等[22]將表面分子印跡技術與在線固相萃取技術-高效液相色譜聯用,采用溶膠-凝膠制備了一種選擇性氨化硅膠試劑,對豬肉和魚肉樣品中3種磺胺類藥物表現出較好的吸附力和高選擇性。當上樣流速為4.0mL/min/保持12.5min時,3種磺胺類藥物的富聚倍數達到314~435倍,豬肉和魚肉樣品的加標回收率達70%以上。
1.3.2喹諾酮類獸藥當肉類中殘留大量喹諾酮類獸藥時,會隨著食入而進入人體,從而可影響大腦邊緣系統的功能。汪雪雁等[23]以α-甲基丙烯酸為功能單體,二甲基丙烯酸乙二醇酯為交聯劑,恩諾沙星為模板分子,制備了分子印跡聚合物,以該聚合物作為固相萃取材料,通過高效毛細管電泳分離方法,可對雞肉中恩諾沙星殘留做出準確和高效的檢測:檢出限可達92.02μg/kg,定量限可達336.04μg/kg,回收率在77%以上。劉芃巖等[24]同時以左氧氟沙星和環丙沙星為模板分子,α-甲基丙烯酸(MAA)為功能單體,三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TRIM)為交聯劑,合成了復合模板分子印跡聚合物建立了以此聚合物為分子印跡固相萃取(MISPE)富集凈化樣品,結合高效液相色譜-離子阱質譜(HPLC-ITMS)同時測定魚肉中10種氟喹諾酮類藥物殘留量的方法。采用2%醋酸乙腈提取樣品,提取液經正己烷脫脂后,過自制的復合模板分子印跡固相萃取柱凈化,以0.05%甲酸溶液和乙腈為流動相,梯度洗脫程序進行色譜分離,離子阱質譜進行定性和定量分析。方法的回收率為80.6%~104.6%,相對標準偏差小于8.6%(n=3),檢出限LOD為0.11025μg/kg,定量限(LOQ)為0.35084μg/kg,可以滿足水產品肉類食品中氟喹諾酮類藥物的確證和多殘留分析的要求。
1.3.3四環素類獸藥四環素類獸藥殘留到體內表現出肝毒性和腎毒性。馮俊鶴等[25]采用本體聚合法,用四環素作模板分子合成了四環素的分子印跡聚合物,經實驗證明,分子印跡固相萃取-高效液相色譜分析可以用于對豬肉樣品進行富聚、分離、檢測。高曉丹[26]通過分子印跡固相萃取技術檢測食品樣品中痕量四環素類抗生素的殘留,并與LC-MS/MS聯用,對魚肉、豬肉等樣品進行檢測,加樣回收率達95%以上。Hu等[27]以TC為模板,丙烯酰胺為功能單體通過三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯合成分子印跡聚合物,涂層SPME纖維,采用在線HPLC-熒光檢測雞肉中痕量TC、OTC、DC和CTC等四環素類抗生素,回收率均超過71.6%。與普通涂層相比可獲得更高的提取效率。
1.3.4氯霉素類獸藥氯霉素因對人體造血系統產生較大毒副作用被立為食品動物禁用獸藥。Ge等[28]以氟笨尼考為模板分子,研究了固相在線萃取-流動進樣熒光傳感器,在線檢測肉類生物組織中的殘留量,最低檢測限可達3.4×10-7g/mL。Susan等[29]以氟苯尼考模板分子和4-乙烯基吡啶為功能單體制備了具有選擇性的MIPs,并用紅外光譜、掃描電子顯微鏡、熱重分析和差熱分析對其進行了表征,用分光光度法比較了得出MIPs固相萃取氟苯尼考比非印跡聚合物的吸附能力更強,兩者的最大靜態吸附量分別為4.32mg/g和2.88mg/g;在魚肉、雞肉和蜂蜜樣品中的檢測精度較高。
1.3.5大環內酯類獸藥大環內酯類,如紅霉素、泰樂菌素、替米考星等在動物體內的代謝時間較長,會對肉類食品的安全帶來隱患。分子印跡固相萃取(MISPE)法在動物肌肉樣品中富集和純化紅霉素表現出一定的優勢,如Zhang等[30]以紅霉素為模板,丙烯酰基-β-環糊精和甲基丙烯酸為雙功能單體合成多壁碳納米管-MIPs,通過透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡和傅立葉變換紅外光譜等方法表征,表明這種MIPs對紅霉素具有高選擇性;然后又將多壁碳納米管-MIPs作為固相萃取的吸附劑,測得的加標回收率為85.3%~95.8%。
1.3.6類固醇激素固醇類激素會對人體造激素紊亂等一系列副作用。Wang等[31]采用17-乙基雌二醇作為虛擬模板,在直徑300nm的硅球表面采用硅膠凝膠法制備了單分散分子印跡聚合物,并結合分散固相萃取技術檢測了雞肉中的3種雌性激素的殘留量,回收率達72.5%~95.2%,Hu等[32]設計出一種新型雌二醇固相微萃取纖維,固相微萃取纖維采用增強型多步共聚合方法制備,該涂層具有優良的特性,如高孔隙率,良好的熱穩定性和化學穩定性,它比一般的固相微萃取纖維和未加模板的聚合涂層纖維對雌二醇具有較強的親和力,適合于復雜樣品基質中雌激素的高效液相色譜法測定,通過對魚和蝦組織樣品分析表明此方法線性范圍為0.982~2.39μg/L,回收率分別在80.0%~83.6%和85.6%~94.1%。Jiang等[33]以3-氨丙基三甲氧硅烷為功能單體,正硅酸乙酯為交聯劑,己烯雌酚為模板,采用溶膠-凝膠-表面印跡技術制備出表面氨化的硅膠印跡材料,并用于魚類樣品中的痕量己烯雌酚檢測,檢出限達50mg/L,加標回收率在87%以上。
1.3.7β-腎上腺素受體激動劑β-腎上腺素受體激動劑類,如克倫特羅俗稱“瘦肉精”。有顯著的營養“再分配效應”——促進動物體蛋白質沉積、促進脂肪分解抑制脂肪沉積,曾被用作牛、羊、禽、豬等畜禽的促生長劑、飼料添加劑,對人體危害大。Wang等[34]以溶膠-凝膠法并結合表面分子印跡技術,合成了萊克多巴胺的分子印跡聚合物,表現出吸附力和選擇性均較高,在豬肉中的回收率達55.86%~67.28%。Crescenzi等[35]用溴布特羅為模板分子,合成了分子印跡聚合物,對牛肝臟組織中的鹽酸克倫特羅進行了分離富聚,并結合LC-MS/MS進行正確分析,達到90%以上回收率,檢出限低于0.1μg/kg。
以上研究表明,分子印跡聚合物固相萃取技術在肉類食品的獸藥殘留檢測中具有一定優勢,具備一定的開發應用前景。
1.4肉類食品的有害重金屬檢測
食品中的有害重金屬主要指鉛、砷、汞、鎘、錫等有毒重金屬。可通過各種途徑污染食品,沿食物鏈進入人體后,給人體健康帶來嚴重危害。有害重金屬在人體中累積達到一定程度,會造成慢性中毒,聚在肝、腎和內分泌腺中,它能降低生化過程的需氧量,從而發生內窒息。為此食品標準規定了動物肉類和家禽肉類中鉻等有害重金屬限量。
分子印跡固相萃取技術目前已在肉類食品有害重金屬分析檢測方面得到了一定程度的研究和應用。Fang等[36]用表面印跡技術合成了新的離子印跡硫醇功能基硅膠凝膠吸附劑,用于選擇性在線固相萃取Cd(II),可達最大靜態吸附容量為284μmol/g,在Pb(II)存在下,Cd(II)最大選擇性系數大于220。用0.1mol/L HCI能定量從微柱上洗脫Cd(II)。以8.8mL/min流量負載樣品45s,富集倍數達56,檢出限(3s)是0.07μg/L。在線測定8μg/L Cd(II)的RSD(n=11)是0.9%,線性范圍是0.3~64μg/L,在分析肉類組織標準物質時,測定值與標準值一致,加標回收率是97%~101%。Ezzatolla等[37]采用分子印跡固相萃取技術,建立了一種快速檢測魚肉中二價汞離子的方法。該研究小組以功能性聚乙酰胺修飾四氧化三鐵納米粒,成功制備了一種磁性分子印跡吸附材料。該材料對魚肉中的二價汞離子表現出了高度的選擇性和吸附性,且具有較高的精密度(RSD=1.47)和檢測限(LOD=0.03mg/mL)。上述研究結果表明,和其他檢測手段如雙硫腙比色法、原子吸收分光光度法相比,分子印跡技術因其可靠的機械穩定性、識別能力、易解析和再生性能,在肉類重金屬含量檢測中展現出廣闊的運用前景。
1.5有害微生物毒素檢測
微生物性毒素也是影響肉類食品安全的重要因素,在各種肉類食品安全事件中發生率居高,肉類中主要是食源性致病菌如肉毒梭菌、李斯特氏菌、大腸桿菌、沙門氏菌等引起的肉類食品中毒。肉類食品中致病性微生物的檢測技術主要有傳統檢測法、免疫學法、基因芯片技術、核酸探針、生物傳感器、PCR等,隨著研究的深入,分子印跡技術也被引用到這方面的檢測,如Order[38]建立的免疫印跡技術檢測金黃色葡萄球菌的腸毒素,通過電泳使分子量大于腸毒素的葡萄球菌蛋白A與腸毒素分開,從而免除了葡萄球菌蛋白A的影響。
2.1存在的問題
分子印跡固相萃取技術因自身的優勢而在肉類食品安全檢測中有著越來越廣泛的應用前景,但就目前來說,分子印跡固相技術萃取技術從制備到應用,還存在著如下問題:
從分子印跡聚合物材料的制備來看,目前已有研究制備的分子印跡聚合物還存在兩方面的問題:其一,在制備分子印跡聚合物的過程中需要使用大量的交聯劑(常規方法為模板∶單體∶交聯劑=1∶4∶20)而導致印跡容量低和功能單體單一;其二,用傳統的方法制備出的分子印跡聚合物存在結合位點的不均勻性及不規則等問題,導致在樣品處理時同時存在特異性和非特異性萃取,影響檢測效果。
從萃取技術本身來看還存在三方面的問題:其一,模板滲漏,需尋找結構相似的分子模板替代模板聚合法克服。其二,分子印跡在水相萃取中結果不理想,表現在分子印跡聚合物在水相中難以識別目標檢測物和分散不均衡。其三,該技術目前對大分子目標物的識別選擇性較差,檢測效果不理想。之前有關分子印跡聚合物的固相萃取技術研究主要針對的目標物主要是親脂性的小分子物質,但關于肉類中有害治病菌的檢測方面多接觸的是多肽、蛋白質、甚至整個細胞等的大分子物質,大分子物質本身因存在結構復雜、與功能單體有多個結合位點、傳質差、不易洗脫,且易變性失活,改變空間結構等問題而導致了分子印跡固相萃取在這方面的應用面臨較大困難。
2.2解決途徑
為彌補上述分子印跡聚合物材料的不足,當前的熱點研究方向主要集中于研究如何使印跡容量低且增加功能單體,如何減少非特異性吸附位點,合成表面大小均一的球狀分子印跡聚合物。如韓曉霞等[39]以對硝基酚(p-NP)為模板分子,4-乙烯基吡啶為功能單體,乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)為交聯劑,偶氮二異丁腈(AIBN)為引發劑,乙腈為制孔劑,采用本體聚合和沉淀聚合兩種方式合成了對硝基酚分子印跡聚合物,并通過優化條件制備出大小均勻分散的聚合物微球,平均微粒為0.33μm,通過實驗證明具備較好的吸附能力,并通過靜態吸附實驗及底物選擇識別實驗對合成的聚合物吸附性進行考察,結果表明,與本體分子印跡聚合物相比,沉淀分子印跡聚合物表現出更強的吸附容量及更強的底物識別結合力。為下一步改進分鐘印跡聚合物材料提供了借鑒和思考。
針對萃取技術本身存在的模板滲漏問題,有些科學家采用虛擬印跡法,就是不直接用待分離的物質作模板分子,而用與此空間結構、大小、官能基團類似的分子作模板分子,從而避免分子滲透,如文獻[40]所述,但只能在少數分析物上實驗成功,還需研究從根本上解決模板分子殘留及滲漏的問題。面臨該技術在水相中應用效果不好的問題,下一步需研究如何避開水相萃取,研究以水為基質的樣品在用分子印跡聚合物材料萃取之前的預處理方法,使材料周圍形成有機相的微環境,優化檢測方法。或是研究如何對分子印跡聚合物進行親水性改性、采用不受水干擾的金屬螯合力和疏水力等印跡來改善分印跡聚合物對水相目標檢測物的識別問題。為解決該技術在大分子物質檢測方面的缺陷,今后的工作需加強研究適合蛋白質等大分子物質的聚合條件和方法,若能進一步改進分子印跡條件,開發出具備預定構效、特異識別,能廣泛適用的新型分子印跡聚合物,將能為復雜樣品的前處理手段提供很好的技術平臺,有望能實現肉類食品安全指標檢測控制中更多復雜目標物的高選擇性、高靈敏度的快速檢測定性。
系統綜述了當前分子印跡固相萃取技術在肉類食品安全檢測中的應用研究進展情況,綜合以上分析來看,該技術在肉類食品安全控制檢測方面應用前景較好,在肉類食品中藥物殘留檢測應用方面的研究已日益成熟,在肉類食品有害毒素的研究方面也在逐步深入開展,若能盡快克服以上問題,分子印跡固相萃取技術在肉類食品安全檢測工作的使用性會大大提升。基于現階段分子印跡固相萃取技術的良好發展,相信隨著生物學材料化學等學科的不斷進步,該技術在肉類食品中的應用也會實現商業化和簡便化。
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Application of molecularly imprinted solid-phase extraction technology in meat security detection
LU Chun-mei1,2,CUI Xiu-ming1,WANG Cheng-xiao1,*
(1.Faculty of Life Science and Technology,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.Honghe Health Professional College,Honghe 661100,China)
Molecular imprinted solid phase extraction(MISPE)shows great advantage in meat safety detection technology for its good selectivity,recognition,and the accuracy of analysis etc.In this article,the application of molecularly imprinted solid-phase extraction technology in pesticide residue,veterinary drug residue,heavy metal residue in meat security detection had been systematically reviewed by comparing with commonly used methods.Furthermore,the problem that had brought from the technology were analyzed and prospected to provide a reference for the development of meat food safety testing technology.
molecularly imprinted solid-phase extraction;meat;security detection
TS201.6
A
1002-0306(2015)10-0374-06
10.13386/j.issn1002-0306.2015.10.071
2014-08-15
陸春美(1985-),女,在讀碩士研究生,中級職稱,研究方向:肉類食品標準研究。
王承瀟(1985-),男,博士,講師,研究方向:中藥材及食品安全質量控制研究。
云南省科技惠民計劃項目(2014RE023)。