基因芯片技術在食品檢測中的應用研究進展

◎ 李 山，徐玲笑，方 芳

（衢州市食品藥品檢驗研究院，浙江 衢州 324002）

基因芯片技術又稱DNA 微陣列，是順應科學發展要求的產物，實際上基因芯片技術也是聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）的一種衍生技術，是一種可視化的檢測手段。隨著基因工程技術的不斷深入，基因芯片技術在各行各業得到了廣泛應用，目前主要應用于基因表達譜的研究分析，包括DNA 測序、疾病篩查、診斷，以及基因分型等臨床應用。基因芯片還被用于食品分析，針對食品標簽程序監控、食品過敏原標識含糊不清等問題，基因芯片能夠快速有效地識別豬肉、牛肉、山羊、綿羊等食物源。作為一種多學科交叉融合的新型技術，基因芯片技術檢測簡便、實用、快速，能同時檢測多項指標，在食品檢測應用中具有廣闊的前景。

1 基因芯片技術概況

1.1 基因芯片原理

基因芯片原理是通過已知序列的核酸探針與標記的序列雜交，將大量特定核苷酸序列的探針固定在基片材料表面，與樣品中帶有熒光或生物素標記的靶向核酸序列產生堿基互補配對（A-T/G-C)，特異性序列會被探針結合，通過酶-底物顯色反應，熒光信號掃描，最終確定生物信息。基因芯片包含大量的探針分子檢測單元，可實現對大量核酸等生物分子的高效、快速檢測和鑒別。可以說，基因芯片技術是一種高密度的雜交技術。

1.2 基因芯片類型

根據基因芯片的特點可分為多種類型：①以基質材料分，有尼龍膜、硅膠晶片、微型磁珠、玻璃片和塑料等。②以工作原理分，有雜交型、合成型、連接型和親和識別型等。③以雜交方式分，有斑點雜交、原位雜交和Southern 印跡雜交等。④以基因芯片用途分，有基因表達芯片和DNA 測序芯片。⑤以探針合成順序分，有原位合成和預先合成后上樣。

1.3 基因芯片檢測方法

基因芯片是利用微電子形態和計算機技術，構建成集成化、連續化的微型全分析系統。其檢測方法主要包括4 個步驟，詳見圖1。

圖1 基因芯片檢測方法流程圖

1.3.1 芯片制備

主要以基片為載體，采用原位合成和微矩陣的方法將基因片段作為探針按順序排列在載體上，制得芯片。

1.3.2 樣品制備

提取樣品中的DNA，經純化后所得產物需在260 nm和280 nm 波長測定光密度比值在1.8～2.0。符合要求的DNA，經多重PCR 擴增，制備出最佳樣品。

1.3.3 雜交反應

雜交反應一般包括去活化、雜交、清洗、酶孵育和顯色等步驟。需要控制好雜交溫度，保證序列結合效率。

1.3.4 芯片信號檢測

雜交后通過顯色反應，經熒光信號掃描，獲得生物信息。

2 基因芯片技術在食品檢測中的應用

2.1 動物肉源及過敏原鑒定

傳統肉類鑒定是基于蛋白質特性的檢測方法，但食品加工易使蛋白質變性、蛋白質空間結構上發生偏移，難以準確識別蛋白，形成假陽性誤判。現基因芯片技術已用于動物性肉源檢測，能單次反應確認樣本是否含有動物源成分，且操作簡便、準確性高。

為區分市面真假牦牛及犏牛肉，趙睿驍等[1]采用PCR-基因芯片技術鑒定牦牛及犏牛肉，將擴增產物與含有12 個探針的基因芯片雜交反應，研究結果準確，靈敏度為0.1 ng。除此之外，針對不同種屬動物，也能用可視化基因芯片將其快速、高效地區分開來，石豐運等[2]選擇16S rRNA 為靶向基因，設計4 條特異性探針，建立4 種動物源鑒定方法，其靈敏度均可達1 pg。針對過敏性源鑒定，金萍等[3]利用反向斑點雜交結合多重PCR，設計出包含魚、蝦、禽類和花生等易致敏成分的集成基因芯片，靈敏度可達到0.01%（質量分數）水平，且經過熒光PCR 驗證，結果一致性好。總之，基因芯片對于動物肉源和食品過敏原的鑒定，明顯優于傳統蛋白質檢測法，其判定結果靈敏度低、準確性高，可以為整治市場摻假食品、判定易致敏成分，提供堅實基礎。

2.2 食源性微生物檢測

食源性致病菌是導致食品安全問題的重要來源，傳統的微生物檢測技術采用培養皿實驗，耗時較長，操作復雜。現階段，利用基因芯片技術可極大簡化傳統培養過程，被廣泛用于食源性微生物檢測。

大腸桿菌是食品中最為常見的污染源，為研究特異性探針的設計，劉瑩[4]選擇gyrb基因作為靶基因，能有效提高致瀉大腸桿菌檢測的準確性。楊丹妮等[5]通過酶聯作用優化提升檢測廣度和靈敏度，以堿性磷酸酶為底物顯色反應，結果表明能精準檢出單增李斯特菌、創傷弧菌和蠟樣芽孢桿菌。為進一步拓寬基因芯片檢測法在食品微生物檢測的廣度，SARENGAOWA等[6]從3 227 潛在探針中，篩選出141 個特異性探針，研究用于檢測果蔬食源性致病菌的基因芯片，其檢出限為3 logCFU·g-1，檢測時間僅24 h，有效提升了對果蔬的品質監控。隨著越來越多的學者致力于基因芯片在微生物上的應用，基因芯片技術日益完善，能精準、快速地檢測出多種食源性微生物。

2.3 轉基因食品檢測

目前，轉基因食品的安全性存在較大的爭議，還需要相關學者進一步深入研究。為了維護消費者的知情權，我國出臺了法律法規要求食品明確標識含轉基因成分。這就需要檢測機構建立一種快速、便捷、準確的轉基因檢測方法。基因芯片技術采用集成式大量探針分子檢測，能快速識別待測轉基因片段，準確判定是否為轉基因食品，保障轉基因食品安全性。

市面轉基因玉米種類較多，李永進等[7]將玉米醇溶蛋白基因和特異性探針序列固定于尼龍膜上，以堿性磷酸酶的顯色反應，能快速直觀測出9 種轉基因玉米，檢測限為0.5%。王忻等[8]充分驗證了基因芯片針對轉基因玉米檢測的可行性，以GB/T 33807—2017《玉米中轉基因成分的測定 基因芯片法》為主要依據，做玉米酒糟粕中轉基因成分能力比對驗證，其結果與中檢院評價結果完全一致。除轉基因玉米外，其他轉基因作物也能利用基因芯片快速檢測。例如，黃迎春等[9]利用包埋氨基的載玻片材料制作基因芯片，能對4 種轉基因水稻、木瓜、大豆和玉米進行檢測，檢測結果科學、準確。由此可見，在轉基因食品檢測中，基因芯片技術能實現快速、精準的檢測，節約檢測成本和時間成本。

3 展望

食品質量安全已經成為當前全社會關注的重要問題，傳統的食品檢測難以滿足日益增長的食品檢測需求，而基因芯片技術在食品安全檢測方面具有高通量、準確、快速的顯著優勢。然而，基因芯片技術仍處于初期階段，存在一定的局限性，如技術成本高、高特異性探針引物設計較為復雜、分析范圍狹窄，且當前基因芯片制造技術有待提升，導致難以制造出穩定的高密度探針陣列。

未來，如何進行探針和引物的設計消除探針雜交的不利影響，提高檢測的特異性，將是基因芯片應用技術研究的重點之一。此外，關于基因芯片設計的數據信息庫未能共享，限制了基因芯片技術在食品安全檢測中的應用，需要相關機構搭建完善的基因芯片設計資料庫和交流平臺。隨著基因芯片技術的深入，檢測標準將會越來越規范，并設計出高特異性的基因芯片，以快速滿足食品檢測需求，從而提升食品安全風險監控能力，確保食品安全。