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文檔簡介
生物技術(shù)在食品分析
檢測上的應(yīng)用第一節(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。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。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。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。將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?/p>
例如,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。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。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。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。
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。
生物傳感器分類根據(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;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。
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。
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
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)
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)量安全的市場??焖僭u價;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。手掌型葡萄糖(glucose)分析儀
6.2傳感器類型
(1)酶傳感器(EnzymeSensor)
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。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.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。
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。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.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?;诓煌愋偷男盘栟D(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,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。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。
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(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:
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?,Karube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。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。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。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。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。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。4.污染微生物的檢測
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)量發(fā)酵罐主機(jī)計算機(jī)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。現(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)備異常現(xiàn)象通過葡萄糖分析得到及時預(yù)報。
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乳酸傳感器在發(fā)酵上的應(yīng)用
乳酸測定是生物傳感器出現(xiàn)后新增加的控制參數(shù)。實踐中發(fā)現(xiàn)它的控制是獲得發(fā)酵高產(chǎn)的關(guān)鍵。乳酸是需氧發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)化過程中的中間產(chǎn)物,是過程控制的敏感參數(shù),與生物素的加入量、補(bǔ)糖、活菌數(shù)、菌活力、空氣補(bǔ)給等控制直接相關(guān)。
發(fā)酵旺盛期,乳酸必然產(chǎn)生,適度的乳酸濃度是高產(chǎn)罐的重要指示。此時單純地通過通風(fēng)是達(dá)不到乳酸下降的目的,反而引起能源的浪費(fèi)及減產(chǎn)。發(fā)酵后期、放罐前應(yīng)控制乳酸下降,才能達(dá)到高產(chǎn)。乳酸傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀①是體育上耐力項目科學(xué)訓(xùn)練的常用設(shè)備②已在抗疲勞保健食品檢測中普及應(yīng)用,許多省級衛(wèi)生防疫站成功地用這項新技術(shù)實現(xiàn)了在同一小實驗動物體內(nèi)多次采血檢測,簡化了分析化驗工作量③是發(fā)酵控制的有效新指標(biāo)④是新型可降解塑料聚L-乳酸前體生產(chǎn)過程控制的主控參數(shù)水質(zhì)分析:一個典型應(yīng)用是測定生化需氧量(BOD),傳統(tǒng)方法測BO
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