生物技術(shù)與食品安全檢測

關(guān)于生物技術(shù)與食品安全檢測第1頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)生物傳感器與食品安全檢測1生物傳感器的基本概念

生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合,對特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。

它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測與監(jiān)控方法,也是對食品質(zhì)量在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析的方法。第2頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月２生物傳感器工作原理待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識別而發(fā)生生物學(xué)作用，產(chǎn)生的信息如光、熱、音等被相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾娦盘?，再?jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測定其電流值或電壓值，從而換算出被測物質(zhì)的量或濃度。第3頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

２.1將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號如酶傳感器,酶催化特定底物發(fā)生反應(yīng),從而使特定生成物的量有所增減。用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號的裝置和固定化酶耦合,即組成酶傳感器,常用轉(zhuǎn)換裝置有氧電極、過氧化氫。第5頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號

固定化的生物材料與相應(yīng)的被測物作用時常伴有熱的變化。例如大多數(shù)酶反應(yīng)的熱焓變化量在25-100kJ/mol的范圍.這類生物傳感器的工作原理是把反應(yīng)的熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值的變化,后者通過有放大器的電橋輸入到記錄儀中。第6頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

２.３將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柪?，過氧化氫酶,能催化過氧化氫/魯米諾體系發(fā)光,因此如設(shè)法將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端,再和光電流測定裝置相連,即可測定過氧化氫含量.

還有很多細(xì)菌能與特定底物發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生熒光.也可以用這種方法測定底物濃度.第7頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月上述三類傳感器原理的共同點：都是將分子識別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將反應(yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化再通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)行測量,這種方式統(tǒng)稱為間接測量方式.第8頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

２.4直接產(chǎn)生電信號方式這種方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的氧化直接(或通過電子遞體的作用)在電極表面上發(fā)生。根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。第9頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月３生物傳感器發(fā)展歷程開端于

20世紀(jì)

60年代。1962年克拉克等人報道了用葡萄糖氧化酶與氧電極組合檢測葡萄糖的結(jié)果

,可認(rèn)為是最早提出了生物傳感器(酶傳感器)的原理。1967年Updike等人實現(xiàn)了酶的固定化技術(shù)

,研制成功酶電極

,這被認(rèn)為是世界上第一個生物傳感器。

第10頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月20世紀(jì)70年代中期后,生物傳感器技術(shù)的成功主要集中在對生物活性物質(zhì)的探索、活性物質(zhì)的固定化技術(shù)、生物電信息的轉(zhuǎn)換以及生物傳感器等研究

,并獲得了較快的進(jìn)展。1977年,鈐木周一等發(fā)表了關(guān)于對生化需氧量(BOD)進(jìn)行快速測定的微生物傳感器的報告

,

正式提出了對生物傳感器的命名。第11頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月４生物傳感器分類

4.1根據(jù)傳感器輸出信號的產(chǎn)生方式,可分為生物親合型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器;*4.2根據(jù)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等

4.3根據(jù)生物傳感器中生物分子識別元件上的敏感材料可分為酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器。第12頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月每一類名稱又都包含許多種具體的生物傳感器例如，酶電極類:根據(jù)所用酶的不同就有幾十種，如葡萄糖電極、尿素電極、尿酸電極、膽固醇電極、乳酸電極、丙酮酸電極等等．葡萄糖電極也并非只有一種，有用pH電極或碘離子電極作為轉(zhuǎn)換器的電位型葡萄糖電極，有用氧電極或過氧化氫電極作為轉(zhuǎn)換器的電流型葡萄糖電極等．實際上還可再細(xì)分。第13頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

生物親合型傳感器被測物質(zhì)與分子識別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時引起敏感材料的分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等的變化。反應(yīng)式可表示為：

S（底物）+R（受體）=SR第15頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

代謝型傳感器底物（被測物）與分子識別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?，這類傳感器稱為代謝型傳感器，其反應(yīng)形式可表示為

S（底物）＋R（受體）=SR→P（生成物）

第16頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月生物傳感器優(yōu)點：由于具有較高的選擇性，因此不需對被測組分進(jìn)行分離，即不用對樣品進(jìn)行預(yù)處理。結(jié)構(gòu)簡單，體積小，使用方便，特別是便攜式的生物傳感器，非常有利干食品質(zhì)量的市場快速評價；第18頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月可以實現(xiàn)連續(xù)的在線檢測，使食品加工過程的質(zhì)量控制變得簡便；響應(yīng)速度快，樣品用量少；與其他大型分析儀器相比，生物傳感器的制作成本低，且可反復(fù)使用。第19頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月6生物傳感器組成部分一是生物分子識別元件(感受器),是具有分子識別能力的生物活性物質(zhì)(如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機(jī)物分子等);二是信號轉(zhuǎn)換器(換能器),主要有電化學(xué)電極(如電位、電流的測量)、光學(xué)檢測元件、熱敏電阻、場效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等，當(dāng)待測物與分子識別元件特異性結(jié)合后,所產(chǎn)生的復(fù)合物(或光、熱等)通過信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?、光信號?從而達(dá)到分析檢測的目的。第20頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）生物識別元件

它是酶、抗原(體)、細(xì)胞器、組織切片和微生物細(xì)胞等生物分子經(jīng)固定化后形成的一種膜結(jié)構(gòu)，對被測定的物質(zhì)有選擇性的分子識別能力.第21頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）換能器它能將識別元件上進(jìn)行的生化反應(yīng)中消耗或生成的化學(xué)物質(zhì)，或產(chǎn)生的光或熱等轉(zhuǎn)換為電信號，在一定條件下，產(chǎn)生的電信號強(qiáng)度和反應(yīng)中物質(zhì)的變化量或光、熱等的強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的比例關(guān)系。第22頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)Q能器(信號轉(zhuǎn)換器)將分子識別元件進(jìn)行識別時所產(chǎn)生的化學(xué)的或物理的變化轉(zhuǎn)換成可用信號．生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器已有許多種，其中到目前為止用得最多的且比較成熟的是電化學(xué)電極，用它組成的生物傳感器稱為電化學(xué)生物傳感器．第23頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）信號處理放大裝置

主要負(fù)責(zé)信號的分析處理和放大輸出。它能將換能器產(chǎn)生的電信號進(jìn)行處理、放大和輸出。第24頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月手掌型葡萄糖(glucose)分析儀第26頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.2傳感器類型

(1)酶傳感器(EnzymeSensor)第27頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月酶的活力單位（酶單位）標(biāo)準(zhǔn)酶單位國際生物化學(xué)協(xié)會酶委員會規(guī)定了酶單位的標(biāo)準(zhǔn)形式為：一個酶單位（U）是在特定的條件下lmin內(nèi)催化形成1μmol產(chǎn)物的酶量（或轉(zhuǎn)化1mo1底物的酶量）．特定條件一般是指選定的條件，如溫度為25℃，30℃，37℃，最適pH,底物為飽和溶液．第28頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

酶傳感器它將活性物質(zhì)酶覆蓋在電極表面,酶與被測的有機(jī)物或無機(jī)物反應(yīng),形成一種能被電極響應(yīng)的物質(zhì)。1967年Updick和Hicks將固定化的葡萄糖氧化酶膜結(jié)合在氧電極上,做成了第一支葡萄糖電極；此后,這類酶傳感器通常是通過檢測產(chǎn)物H2O2的濃度變化或氧的消耗量來檢測底物。第29頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖電極缺點:(1)溶解氧的變化可能引起電極響應(yīng)的波動;(2)由于氧的溶解度有限,當(dāng)溶解氧貧乏時,響應(yīng)電流明顯下降而影響檢測限;(3)傳感器響應(yīng)性能受溶液pH值和溫度影響較大第30頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月依據(jù)信號轉(zhuǎn)換器的類型,酶傳感器大致可分為酶電極(主要包括離子選擇電極、氣敏電極、氧化還原電極等電化學(xué)電極)、酶場效應(yīng)晶體管傳感器(FET-酶)和酶熱敏電阻傳感器等第31頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)組織傳感器(TissueSensor)組織傳感器是以動植物組織薄片中的生物催化層與基礎(chǔ)敏感膜電極結(jié)合而成,該催化層以酶為基礎(chǔ),基本原理與酶傳感器相同.與酶傳感器比較，組織傳感器具有如下優(yōu)點：1.酶活性較離析酶高.2.酶的穩(wěn)定性增大.3.材料易于獲得.第32頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月肝組織電極動物肝組織中含有豐富的H2O2酶，可與氧電極組成測定H2O2及其它過氧化物的組織電極．1981年Mascini等研究了數(shù)種哺乳動物和其它動物（鳥、魚、龜）的肝組織電極，翌年，報道了基于牛肝組織的H2O2電極．第33頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

若向溶液中通以氮氣，以降低氧的溶解度，減少空氣平衡溶液中氧的殘余電流（約10μA）至十分之幾微安，檢測下限可降低至1X10-5mol／L，相關(guān)系數(shù)R=0.997(n＝9)第34頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

植物組織膜電極結(jié)構(gòu)圖解

b一果皮,c-中果皮,d-內(nèi)果皮1-中果皮組織薄片2-固定化骨架3-透氣健,4-墊圈5-內(nèi)電解質(zhì)6-復(fù)合PH電極7-塑料電極體二氧化碳?xì)饷綦姌O結(jié)構(gòu)第35頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)微生物傳感器微生物傳感器分為兩類：一類是利用微生物在同化底物時消耗氧的呼吸作用；另一類是利用不同的微生物含有不同的酶。第36頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月裝置：由適合的微生物電極與氧電極組成。原理：利用微生物的同化作用耗氧,通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量,從而達(dá)到測量底物濃度的目的.第37頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月例如,熒光假單胞菌,能同化葡萄糖；蕓苔絲孢酵母可同化乙醇,因此可分別用來制備葡萄糖和乙醇傳感器，這兩種細(xì)菌在同化底物時,均消耗溶液中的氧,因此可用氧電極來測定基于不同類型的信號轉(zhuǎn)換器,常見的微生物傳感器有電化學(xué)型、光學(xué)型、熱敏電阻型、壓電高頻阻抗型和燃料電池型，第38頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

(4)核酸傳感器依據(jù)生物體內(nèi)核苷酸順序相對穩(wěn)定,核苷酸堿基順序互補(bǔ)的原理而設(shè)計出核酸探針傳感器,即基因傳感器?；騻鞲衅饕话阌?0~30個核苷酸的單鏈核酸分子,能夠?qū)Ｒ坏嘏c特定靶序列進(jìn)行雜交從而檢測出特定的目標(biāo)核酸分子。根據(jù)換能器種類不同可分為電化學(xué)型、光學(xué)型、壓電免疫傳感器及表面等離子體共振型基因傳感器，這種傳感器可用于檢測食品中的病原體,為食品中病原體的鑒定提供了新的手段。第40頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月7生物傳感器的應(yīng)用在食品分析中的應(yīng)用在發(fā)酵工程中的應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在軍事上的應(yīng)用第41頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月

7.1在食品分析的應(yīng)用食品成分分析食品添加劑的分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素的檢驗食品鮮度的檢測第42頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）食品鮮度的測定1、魚鮮度傳感器魚鮮度傳感器在日本、拿大等國廣泛用于魚類鮮度的測定。魚死后體內(nèi)ATP經(jīng)酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黃嘌呤和尿酸、鮮度可用K值表示：第46頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月K=肌苷+次黃嘌呤/(ATP+ADP+AMP+IMP+肌苷+次黃嘌呤+尿酸)當(dāng)K＜20時，魚極新鮮，可供生食。K在20～40之問為新鮮，必須熟食。K大于40，不新鮮，不宜食用，這與嗅覺檢驗結(jié)果相一致。第47頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月由于大多數(shù)魚死后5～20h，ATP，ADP

和AMP已分解盡，超過24h，鮮度主要取決于IMP-肌苷-次黃嘌呤-尿酸?；诖耍琄arube等催化將這3個步驟的三種酶（5’－核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黃嘌呤氧化酶）固定在氧電極上，制成魚鮮度測定儀。第48頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2.肉鮮度傳感器

肉類在腐敗過程中會產(chǎn)生各種胺類，故胺類測定也能反映肉類的新鮮程度。用腐胺氧化酶與過氧化氫電極構(gòu)成多胺生物傳感器，測定肉在貯藏過程中的鮮度，反應(yīng)時間40s，測定腐胺線性范圍為0.03～3×10-4mol／L。用單胺氧化酶膜和氧電極組成的酶傳感器測定可以豬肉新鮮度，響應(yīng)時間為4min，單胺測定線性范圍為50～20×10-4mol／L。第49頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3.食品添加劑的分析過量的食品添加劑通常會對人體造成危害，因此對食品中添加劑含量進(jìn)行分析和監(jiān)測是非常必要的。亞硫酸鹽是常用的食品防腐劑和漂白劑，但是亞硫酸鹽容易引起哮喘，因此美國FDA規(guī)定了其在新鮮水果和蔬菜等食品中的含量不得超過1×10-6mol/L。第50頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月Groom等人將亞硫酸氧化酶固定于玻璃電極上，制成了測定亞硫酸鹽的生物傳感器，其靈敏度（檢出下限）達(dá)到5nmol/L，線形范圍為0-5mmol/L，電極在3mol/L的硫酸鹽溶液中4oC保存2個月活性不變。第51頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月天冬酰苯丙氨酸甲酯，又稱甜味素，是人工合成的低熱量甜味劑。Guilbault等將天冬氨酸酶固定于氨電極上，制成生物傳感器，其檢測線性范圍為0.4-0.8mmol/L。第52頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月4.污染微生物的檢測

1）腐敗菌的檢測Matssunage等人開發(fā)出一種基于微生物在代謝過程中能產(chǎn)生電子，電子直接在陽極上放電產(chǎn)生電流，通過測定電流大小從而測定微生物濃度的傳感器。用該傳感器能很好地檢測釀酒酵母和乳酸菌等微生物的數(shù)量第53頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2

病原菌的檢測

常見的污染食品的病原菌有沙門氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、李斯特氏菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌和蠟樣芽孢桿菌等。采用生物傳感器則能迅速地測定它們的數(shù)量。用來測定病原菌的生物傳感器主要是光纖生物傳感器、免疫生物傳感器和DNA生物傳感器。第54頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)酵罐主機(jī)計算機(jī)7.2在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用

-為發(fā)酵自動控制提供了新的基礎(chǔ)平臺第55頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月1)、發(fā)酵中葡萄糖測定過去用操作繁瑣時間長的還原糖方法只能近似地估計葡萄糖的變化?，F(xiàn)在提供了快速而準(zhǔn)確的固定化酶的測定方法，發(fā)酵中可根據(jù)糖消耗確定微生物的生長速率，觀察是否染菌，隨時與產(chǎn)物的產(chǎn)生一起估算轉(zhuǎn)化率，確定補(bǔ)料效果和及時判斷發(fā)酵結(jié)束的時間。發(fā)酵過程或設(shè)備異?，F(xiàn)象通過葡萄糖分析得到及時預(yù)報。

第56頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月2)、谷氨酸發(fā)酵液的分析在谷氨酸發(fā)酵中，隨時跟蹤目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)生?？焖佾@得主控參數(shù)的變化信息，使時間縮短了幾十倍。在發(fā)酵前期及時知道產(chǎn)酸出現(xiàn)時間在發(fā)酵中期可根據(jù)谷氨酸產(chǎn)生速率，預(yù)知最終的產(chǎn)量，并獲得補(bǔ)氨是否均勻的信息在發(fā)酵后期，可根據(jù)谷氨酸產(chǎn)生速率變慢情況確定放罐時間和今后配料的調(diào)整第57頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月在我國發(fā)酵工廠普及應(yīng)用的谷氨酸-葡萄糖雙功能分析儀工廠發(fā)酵車間化驗員正在分析樣品第58頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月3、乳酸傳感器在發(fā)酵上的應(yīng)用