食品加工过程中微生物毒素的实时监测技术开发

食品加工行业发展，丰富了食品种类，满足了人们多样化的需求。但是食品安全问题中微生物毒素污染最为突出。微生物毒素是微生物代谢过程产生的有毒次级代谢产物，种类繁多。有黄曲霉毒素、赭曲霉毒素、真菌毒素、肉毒杆菌毒素、金黄色葡萄球菌肠毒素、细菌毒素，毒性非常强，极少量即可对人体造成伤害，引发急性中毒、慢性疾病甚至癌症。食品加工的每个环节都可能产生污染物并污染食品。传统的检测方法具有一定准确性和可靠性。但是检测周期长，操作繁琐，需要专业的人员和设备，无法实现实时监测。而实时监测技术能够持续快速地完成检测并及时发现问题，对食品安全具有重要意义。因此开发高效、准确、便捷的实时监测技术成为食品科学领域的重要研究热点和需求。

一、生物传感器技术

1.1 免疫传感器

食品是人类生存和发展的物质基础，它与人们的身体健康息息相关，甚至关系到经济的发展和社会的稳定。近年来，我国经济的快速发展使人们的总体收入水平不断提高，人们对食品的安全问题日益关注。随着我国市场经济的快速发展，近年来食品安全问题不断被披露，不仅严重危害人们的身体健康，也引起了相关部门的高度重视。因此，对于食品安全问题需要从严把控，不断降低其带来的风险，提高食品生产和加工的规范性，进而提高食品的质量。

免疫传感器是利用抗原－抗体特异性结合原理制成的生物传感器，其工作原理是：将特异性的抗体固定在传感器的敏感膜上，当样品中微生物毒素与抗体结合时，会引起传感器的物理或化学信号发生改变，通过检测这种信号变化，从而对微生物毒素进行定量分析。如在黄曲霉毒素B1的检测中，将抗黄曲霉毒素B1的抗体固定在金电极表面，当样品中黄曲霉毒素B1与抗体结合后，会改变电极表面的电荷分布，通过电化学方法检测电流或电位的变化，即可实现对黄曲霉毒素B1的快速检测。免疫传感器具有灵敏度高、特异性好的特点，可以精确识别目标微生物毒素，不会被其他物质干扰。但是它也有缺点，抗体的制作比较麻烦，花费大，而且抗体不够稳定，储存和使用时会受温度、湿度等因素影响而失效，进而影响传感器的检测效果。

1.2 酶传感器

酶传感器依靠酶与底物之间存在的特定催化反应来检测微生物毒素，它的原理是把特定的酶固定到传感器上，微生物毒素充当酶的底物或者抑制剂同酶产生反应，致使酶的活性出现变动，从而引发传感器发出的信号发生改变。以葡萄球菌肠毒素检测为例，可将能催化特定底物产生颜色变化的酶固定在光传感器上。葡萄球菌肠毒素会抑制该酶活性，通过检测光信号的变化来体现葡萄球菌肠毒素的浓度，酶传感器具有响应速度较快、检测成本较低的优点。但酶的活性易受pH值、温度等因素影响，这对检测环境的稳定性提出了较高要求，而且酶的选择范围较窄，部分结构相近的物质可能干扰检测结果。

1.3 细胞传感器

细胞传感器是用细胞作为敏感元件，依靠微生物毒素对细胞的生理功能产生影响来检测。当细胞处于含微生物毒素的环境中，微生物毒素会与细胞表面受体结合或者进入细胞内部，影响细胞正常的代谢、增殖、分化等功能，导致细胞的形态、活性、膜电位等发生改变，通过检测这些变化来判断是否有微生物毒素以及毒素的浓度。例如，使用神经细胞作为敏感元件检测肉毒杆菌毒素，肉毒杆菌毒素会抑制神经细胞的乙酰胆碱释放，通过检测细胞的电生理信号变化来定量肉毒杆菌毒素。细胞传感器可以反映微生物毒素对生物体的综合毒性效应，检测结果更有生物学意义。但是细胞的培养和维护比较困难，对实验环境的要求很高，细胞的个体差异会导致检测结果的重现性较差。

二、光谱分析技术

2.1 荧光光谱技术

荧光光谱技术检测微生物毒素的原理是：部分微生物毒素与某种荧光标记物结合后，在一定波长的光照射下会发出荧光，通过检测荧光强度、波长等参数，来完成对微生物毒素的定性、定量分析。比如，在检测脱氧雪腐镰刀菌烯醇的时，可以使用荧光标记的抗体与脱氧雪腐镰刀菌烯醇特异性结合，当在合适的激发光下，标记物就会发出荧光，荧光的强度与脱氧雪腐镰刀菌烯醇的浓度成正比。荧光光谱技术具有灵敏度高、检测速度快、操作简单等优点，可以实现对微量微生物毒素的快速检测，但是选择性较差，样品中其他荧光物质会对检测造成干扰，需要复杂的样品预处理才能消除干扰。

2.2 拉曼光谱技术

拉曼光谱技术是基于拉曼散射效应，当光照射到样品中的微生物毒素分子时，分子会发生拉曼散射，产生与分子结构特征相关的拉曼光谱，通过对拉曼光谱的峰位、强度、形状等信息进行分析，可以对微生物毒素进行识别和定量分析。以检测赭曲霉毒素A为例，利用表面增强拉曼光谱技术，将赭曲霉毒素A吸附在具有增强效应的纳米材料表面，可以极大提高拉曼信号强度，实现对低浓度赭曲霉毒素A的检测。拉曼光谱技术具有无损检测、无需样品预处理、可以同时检测多种物质等优点，但是拉曼信号较弱，需要采用表面增强等技术来提高检测灵敏度，而且仪器设备成本高，限制了其应用。

2.3 近红外光谱技术

近红外光谱技术是利用有机物分子在近红外区域780～2526nm的吸收特性来检测微生物毒素，微生物毒素分子中的含氢基团（如C-H、N-H、O-H等），在近红外光照射下会发生振动跃迁，产生一定的吸收光谱，通过建立近红外光谱和微生物毒素浓度之间的数学模型，可以实现对微生物毒素的定量分析。例如，在玉米中伏马菌素的检测中，通过采集玉米样品的近红外光谱，利用化学计量学方法建立光谱与伏马菌素含量的校正模型，进而快速预测玉米中伏马菌素的含量。近红外光谱技术具有快速、无损、多组分同时检测等优点，适用于在线检测，但是该技术对样品的均匀性要求较高，而且模型的创建需要大量标准样品以及繁杂的数据处理，模型的普遍性和稳定性仍需改进。

三、分子生物学技术

3.1 PCR技术

PCR技术是体外扩增特定DNA片段的技术，在微生物毒素检测中主要用来检测产毒微生物的特定基因。原理是：针对产毒微生物毒素合成相关的基因设计特异性引物，在PCR反应体系中，高温变性、低温退火、适温延伸等步骤，使引物与模板DNA特异性结合并扩增，经过多轮循环后，将微量目标基因扩增至可检测水平。比如，检测食品中黄曲霉产毒菌株，以黄曲霉毒素合成基因簇中的基因作为靶基因，用PCR扩增该基因片段，如果扩增结果为阳性，说明样品中有产毒黄曲霉。实时荧光定量PCR技术还可以在PCR过程中实时检测荧光信号，从而对产毒微生物进行定量检测。PCR技术具有灵敏度高、特异性好、检测速度快等特点。可以快速准确地检测到极少量的产毒微生物，但是该技术对实验环境和操作人员的要求比较高，容易导致假阳性或假阴性结果的发生，并且只能检测已经发现并确定的某些基因序列的产毒微生物，对新的产毒微生物和未知基因序列的产毒微生物无法进行有效检测。

3.2 基因芯片技术

基因芯片技术是将大量基因探针固定在固体支撑物上，比如，玻璃片或者硅片之类的表面，形成密集的基因阵列。检测微生物毒素时，先提取样品中产生毒素微生物的DNA或RNA并进行标记，再与基因芯片上的探针杂交，最后观察杂交信号的强弱和分布情况，即可确定样品中含有的产生毒素的微生物种类及其数量。比如，可创建一种带有各种常见产毒真菌毒素合成基因探针的基因芯片，实现对食品中多种真菌毒素污染状况的一次性快速筛查。基因芯片技术具有高通量、可并行检测的优点，能在一次实验里同时检测多种产毒微生物及其毒素相关的基因。但该技术制作成本较高，需使用专用芯片扫描仪等设备，而且数据分析较为复杂，依靠生物信息学技术支持。

四、结论

综上所述，食品加工过程中微生物毒素的实时监测技术对于食品安全有着不可替代的作用。生物传感器技术中免疫传感器、酶传感器、细胞传感器由于其不同的检测原理在灵敏度、特异性、反应生物学综合效应等方面有优势，但同时也存在抗体稳定性差、酶活性易受环境影响、细胞培养难等问题。光谱分析技术中荧光光谱、拉曼光谱、近红外光谱技术具有快速、无损等优点，但在选择性、信号强度、模型通用性等方面存在不足。分子生物学技术中的PCR技术和基因芯片技术，能够准确检测产毒微生物基因，实现高通量筛查，但对实验条件和技术要求极高。未来食品加工过程微生物毒素实时监测技术的发展，应主要从提高检测技术灵敏度、特异性、稳定性出发，降低检测成本，简化检测过程，加强不同技术间的交叉应用。开发出更加便携、智能化的检测设备和系统，从而更好地满足食品加工行业对微生物毒素实时、精准监测的需求，保障食品安全。

本文来源于网络，版权归原作者所有，仅供学习参考，如有侵权请联系删除！