生物傳感器在食品安全監測中的應用

◎ 梁寧俊

（海南師范大學生命科學學院，海南 海口 570000）

隨著社會的不斷發展，人們生活水平的不斷提高，人們對食品安全的問題越來越重視，因此食品安全監測就顯得尤為重要。傳統的食品安全監測方法有很多，如化學方法、色譜法、生物監測法等，這些方法雖然都在一定程度上保障了食品質量，但是監測過程過于復雜，效果并不理想，經檢測后的食品中仍然有很多對人體有害的物質殘留，如肉類中的細菌感染、乳制品中的化學毒素、瓜果蔬菜中的農藥殘留等。因此，國家相關食品監測部門制定了許多嚴格的標準，希望對人們的健康提供更進一步的保障。此外，各種各樣的監測措施也隨著科學技術的進步不斷涌現出來，以滿足快速、高效監測食品的需要，其中生物傳感器是重要的手段之一。自1967年S.J.烏普迪克等制出了第一個生物傳感器——葡萄糖傳感器開始，發展到現在日漸成熟，已在食品安全檢測中得到了廣泛應用[1]。生物傳感器（biosensor），是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器，是由固定化的生物敏感材料作識別元件與適當的理化換能器及信號放大裝置構成的分析工具或系統[2]。生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。它以檢驗迅速、準確度高、抗干擾性強、成本低廉著稱，除了在食品檢測領域得到廣泛應用外，近幾年在制藥、化工、臨床檢驗、生物醫學、環境監測等方面也開始有良好的發展前景。本文通過對生物傳感器的相關探討，分析其在食品安全監測中的應用，以期解決人類的食品安全問題，保證人類飲食健康。

1 生物傳感器

生物傳感技術是現代科技飛速發展的又一有力證明，在現代電子信息技術、食品檢測科學和生物醫學工程等領域都得到了廣泛應用，其與通訊技術、計算機技術并稱為現代信息產業的三大支柱。生物傳感器是將生物感應元件的敏感性、專一性與一個能夠產生和待測物濃度成比例的信號傳導器結合，利用各種生物材料或生物代謝產物如酶、抗體等做成的用于檢測、識別生物與食品的化學成分的傳感器[3]。其中，對食品安全的監測是它最主要的應用方向，它監測食品的主要工作原理是通過分子識別元件對需要監測的食品進行特異性融合，在短暫的一段時間后，觀察是否會發生化學或物理變化，利用換能器把變化的情況轉變為人類可理解的數據，最后把這些數據通過光電路徑輸出來，從而實現對食品是否安全的準確分析和檢測。

生物傳感器是由兩個模塊構成的，第一個模塊為識別模塊，它的功能是識別食品中的生物體分子、組織結構或細胞構成是否符合標準，檢查的具體部分為酶、微生物、抗原或抗體等；另一個模塊是轉換模塊，它的主要功能是當生物體中的物質不符合檢查標準時，對出現的物理信號進行轉換，最后達到系統測量或控制的目的。

生物傳感器自20世紀70年代問世以來，已經經歷了多次的改革、發展、創新，直到日漸成熟，在許多領域得到廣泛應用。①第一代生物傳感器是由固定了生物成分的非活性基質膜和電化學電極組成。②第二代傳感器是在第一代的基礎上發展而來的，彌補了第一代傳感器中存在的不足，它不再需要非活性的基質膜的參與，而是將生物成分直接吸附或共價結合到換能器表面，它的一大優點是在檢測的過程中無其他輔助材料幫助完成檢測，節約了監測成本。③第三代生物傳感器也就是人們現在常用的食品監測方式，它將生物識別和信號轉換與處理結合在一起，直接將生物活性成分固定在電子元件上，因而可以直接感知和放大檢測物的信息變化[4]。

生物傳感器是根據人類的感官功能發明出來的，人類通過耳朵聽到聲音，而生物傳感器是利用生物體中的敏感單元來確定食品中的成分，進而判斷食品是否合格。生物傳感器與傳統的食品安全監測方法相比，具有操作簡便、監測高效、成本低廉、選擇性好等優點，具體優點如下。①針對性強：如果生物體中存在某些特定的物質，那么它就會發出信號，因此它的針對性強，在一般情況下，不會受到顏色、氣味、污垢等客觀因素的干擾[5]。②效率高：利用生物感應器監測食品是否安全，可以在極短的時間內看到監測結果，效率較高，且準確率較高。③成本低廉：傳統的監測方法要利用大量的輔助劑才能夠完成監測，成本較高，而利用生物傳感器監測，可以重復使用催化劑，減少了對試劑的消耗，節約了監測成本，提高了經濟效益。④易于操作：生物傳感器的監測過程并不復雜，在計算機科學技術的幫助下即可完成，易于操作。

2 生物傳感器在食品安全監測中的應用

食品安全問題越來越受到大眾的重視，因此食品安全監測工作顯得尤為重要。傳統的監測方法操作過程過于復雜，受到很多條件限制，如特定的監測儀器以及嚴格的準備工作，這就使得食品安全監測必須在監測中心進行，不能實現現場監測。而利用生物傳感器不僅實現了監測工作的自動化，還提升了監測的準確度。生物傳感器在食品安全監測中的應用，主要用來監測食品中農藥的殘留、非法添加劑和食品添加劑的使用、微生物的類型、食品的新鮮程度等。

2.1 用于農藥的監測

農藥的發明，對現代社會中人類的飲食起到了十分重要的作用，它不僅保證了瓜果蔬菜等作物的良好生長，預防了病蟲害的發生，還增強了作物的口感，縮短了作物的生長周期，滿足了人們的日常生活需求。凡事有利就有弊，農藥的使用同時給人類的健康帶來了一定的威脅。殘留食品表面的農藥很難通過人們的日常清洗就去除掉，因此很多商家就打著綠色食品的旗號大肆蒙騙消費者，為商家牟取了大量的利潤。但是，很多食物都都需要使用農藥，只不過是多少的問題以及是否符合國家食品安全監測標準的問題。生物傳感器的問世為這一問題的解決提供了一個很好的解決方案，生物傳感器的監測程度更高，能更快速、高效地檢測出食品中農藥的殘留量。生物傳感器的種類有很多，針對農藥的監測，一般會選擇酶傳感器和免疫傳感器，這兩類傳感器能很快地檢測出農藥的殘留量是否符合標準，但是很難檢測出農藥的種類。因此，科學家應對生物傳感器進行進一步的研究，以期為食品安全提供更好的保障[6]。

2.2 用于非法添加劑的監測

非法添加劑指的是那些不能用于食品防護的添加劑，典型的有瘦肉精、三氯氰胺等。瘦肉精主要用于肉類食品中，通過萊克多巴胺和鹽酸克倫特羅等物質來對動物進行揠苗助長，并在這種不符合自然規律的生長中增加肉類中的瘦肉比例[7]。人類如果長期食用這種肉類，日積月累，會對身體健康造成極大的危害，甚至會引發死亡。盡管相關食品監測部門已經下令禁止在動物的生長過程中使用這種物質，但是許多不法商販為了獲得巨大的利潤，仍在肆無忌憚地使用。另外，三氯氰胺也是一種危害較大的物質，“三鹿奶粉”事件就是一個典型的由三氯氰胺造成的惡果，給千萬家庭造成了不可磨滅的傷害。現在，通過特定的適合監測非法添加劑的生物傳感器來監測食品安全，不僅能準確地檢測出這些物質，還能對其中的含量做出精準的估計，這就大大保障了食品的安全。

2.3 對食品添加劑的監測

食品添加劑不同于非法添加劑，它是被允許添加在食品中的，而非法添加劑是絕對不允許出現在食品中的。但是，食品添加劑也不是任意使用的，它有一定的添加標準，超出這個標準，也會給人類的身體健康造成一定的危害。但是，許多不良商家完全不考慮食品添加劑的使用量，大量使用食品添加劑，就為了使食品的色澤和味道能更加吸引消費者，增加自己的利益。所以，生物傳感器成為人類食品安全的警報器，一旦通不過生物傳感器的檢測，就說明食品不合格，就可以告知人們不要購買，增強消費者的心理安全感，確保食品貿易健康發展。

2.4 用于微生物的監測

在對食品各方面的監測中，微生物的監測是最難的一個方面，傳統的監測儀器很難監測到，但是利用生物傳感器就很容易做到。近幾年來，DNA微型傳感器的研制成功，已經能快速判斷出食品中微生物細菌的存在類型，避免出現大量的食物中毒事件，使食品企業免受大量的經濟損失。它的優勢是信息量大、操作簡單、重復性好、準確率高，是鑒別微生物和轉基因成分高效的方式之一。

2.5 用于監測食品的新鮮度

影響食品安全的因素除了本身的成分構成外，另一個重要的方面是食品的保質期，也就是食品的新鮮度。目前，生物傳感器對食品新鮮度的監測成為生物傳感器研究的一個新方向，人們希望能研究出一種模擬人類的視覺、聽覺及觸覺的仿生傳感器。這種傳感器能感受食品周圍存在的各種分子，通過研究分子的組成，鑒定食品的新鮮度，如監測水產品的新鮮程度。有研究者把二茂鐵作為黃嘌呤氧化酶與玻碳電極之間的電子傳遞體，通過檢測魚肉中次黃嘌呤含量所對應的氧化峰電流而間接檢測魚肉的新鮮度[8]。

3 結語

隨著人們生活水平的提高，對食品的安全問題越來越重視，但是傳統的食品安全監測方法日漸落后，并不能很好地保障人們的身體健康。為解決這一難題，生物傳感器技術應運而生，它比傳統的監測方法更準確、靈敏、快捷，但是此技術還沒有得到廣泛的普及和應用。為了擴大生物傳感器的應用范圍，破除存在的種種條件限制，在未來的一段時間內，相關專家會努力實現工程的多樣化、產品的微型化、技術上的智能化與集成化，提高生物傳感器的實用性，挖掘出生物傳感器存在的巨大潛力，不僅在食品監測中得到應用，在其他領域也希望得到推廣，以期生物傳感器能為人們的身體健康提供保障。

[1]隋佳辰，于寒松，代佳宇，等.生物傳感器檢測食品中重金屬砷的研究進展[J].食品科學，2016，37（7）：233-238.

[2]費永樂，王麗然，李書國.基于納米技術的血紅蛋白生物傳感器快速測定油炸食品的丙烯酰胺[J].現代食品科技，2015，79（2）：268-273.

[3]王 瑋，滕 爽，朱業培，等.動物過敏原牛血清白蛋白表面等離子共振傳感器檢測方法的建立[J].南京農業大學學報，2017，40（4）：739-743.

[4]馬真真，余會成，吳朝陽，等.基于立方體納米氧化亞銅修飾的安培型葡萄糖生物傳感器的制備及性能研究[J].分析化學，2016，44（5）：822-827.

[5]張宏偉，鄭雅文，王 捷，等.微生物燃料電池生物傳感器在環境監測中的應用及其研究進展[J].天津工業大學學報，2015，37（1）：44-49.

[6]余明博，陳 斌，李 卓.微納米流控芯片傳感器研究及其在環境檢測中的應用[J].化工進展，2015，34（S1）：182-186.

[7]徐筑君，徐穎超，常曉杰，等.以表面處理大腸桿菌為模型的電化學微生物傳感器在毒性檢測領域的應用[J].環境化學，2015，25（5）：897-903.

[8]余江淵，朱志剛，陳 誠，等.基于螺旋型鉑銥合金電極的植入式葡萄糖生物傳感器[J].傳感技術學報，2016，29（1）：9-14.