柴陽陽 2015010082 生物信息學(xué)在食品檢測中的應(yīng)用(共9頁)

1、生物信息學(xué)在食品檢測(jin c)中的應(yīng)用摘要(zhiyo)：食品安全是世人(shrn)關(guān)注的熱點(diǎn)和敏感問題，關(guān)乎著人民群眾的人身財(cái)產(chǎn)安全。確保食品安全，加快食品安全檢測技術(shù)的發(fā)展勢在必行。本文就食品安全現(xiàn)狀、食品安全檢測技術(shù)以及前景展望進(jìn)行綜述，以期為食品安全技術(shù)的研究提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：食品安全；檢測技術(shù)；生物檢測Abstract:Food safety is connected with people，s health as a sensitive and burning issue of public concern.Therefore,it is both necessary an

2、d imperative to ensure food safety and accelerate the development of detection techniques.This article reviews the current status of food safety as well as the current detection techniques for food safety and their future development in order to provide references for studies on detection techniques

3、 for food safety.Key words:food safety；detection techniques；bioassay前言食品安全問題已經(jīng)是一個全球話題，近年來，國際上食品安全惡性事件不斷發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，食品安全問題主要包括以下幾個方面：化學(xué)性危害、生物毒素、微生物性危害、食品摻假和基因工程食品的安全性問題。根據(jù)世界衛(wèi)生組織和疾病控制中心的報告，歐洲的食品污染事件 40%發(fā)生在個體家庭里。而僅僅美國，每年就有 7600 萬人發(fā)生食源性疾病和5000 人死亡。在我國，微生物污染、農(nóng)藥殘留、江河湖泊和近海等水源的污染以及非法添加激素和藥物等是食品不安全的重要因素

4、。“菜籃子”的化學(xué)安全性問題以農(nóng)藥和獸藥殘留、環(huán)境污染物和真菌毒素等污染較為突出，蔬菜水果農(nóng)藥(如氯氰菊酯)殘留超標(biāo)、非法使用獸藥(如瘦肉精)引起的急性中毒等事件嚴(yán)重影響了我國食品業(yè)的發(fā)展。正文1生物信息學(xué)的定義 生物信息學(xué)(Bioinformatics)是一門新興的交叉學(xué)科。它是伴隨基因組研究而產(chǎn)生的，因此它的研究內(nèi)容就緊隨著基因組研究而發(fā)展。廣義地說，生物信息學(xué)從事對基因組研究相關(guān)生物信息的獲取、加工、儲存、分配、分析和解釋。這一定義包括了兩層含義，一是對大量數(shù)據(jù)的收集、整理與服務(wù)，也就是管好這些數(shù)據(jù)；另一個是從中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，也就是用好這些數(shù)據(jù)。 具體地說，生物信息學(xué)是把基因組DNA序列

5、信息分析作為源頭，找到基因組序列中代表蛋白質(zhì)和RNA基因的編碼區(qū)；同時，闡明(chnmng)基因組中大量存在的非編碼區(qū)的信息實(shí)質(zhì)，破譯隱藏在DNA序列中的遺傳語言規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，歸納、整理與基因組遺傳信息釋放及其調(diào)控相關(guān)的轉(zhuǎn)錄譜和蛋白質(zhì)譜的數(shù)據(jù)，從而認(rèn)識代謝、發(fā)育、分化、進(jìn)化的規(guī)律。生物信息學(xué)還利用基因組中編碼區(qū)的信息進(jìn)行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的模擬和蛋白質(zhì)功能的預(yù)測，并將此類信息與生物體和生命過程的生理生化信息相結(jié)合，闡明其分子機(jī)理，最終進(jìn)行蛋白質(zhì)、核酸的分子設(shè)計(jì)、藥物設(shè)計(jì)和個體化的醫(yī)療保健設(shè)計(jì)?；蚪M信息學(xué)、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算與模擬以及藥物設(shè)計(jì),這三者緊密地圍繞著遺傳信息傳遞的中心法則,因而必然有

6、機(jī)地連接在一起。2. 生物(shngw)信息學(xué)研究內(nèi)容生物信息學(xué)主要包括(boku)以下幾個主要研究領(lǐng)域：2.1序列比對 基本問題是比較兩個或兩個以上符號序列的相似性或不相似性。序列比對是生物信息學(xué)的基礎(chǔ)，非常重要。兩個序列的比對有較成熟的動態(tài)規(guī)劃算法，以及在此基礎(chǔ)上編寫的比對軟件包-BALST和FASTA。這些軟件在數(shù)據(jù)庫查詢和搜索中有重要的應(yīng)用。2.2結(jié)構(gòu)比對基本問題是比較兩個或兩個以上蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的相似性或不相似性。2.3蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(包括2級和3級結(jié)構(gòu)預(yù)測) 從方法上來看有演繹法和歸納法兩種途徑。前者主要是從一些基本原理或假設(shè)出發(fā)來預(yù)測和研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和折疊過程，分子力學(xué)和分

7、子動力學(xué)屬這一范疇；后者主要是從觀察和總結(jié)已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)規(guī)律出發(fā)來預(yù)測未知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，同源模建和指認(rèn)方法屬于這一范疇。雖然經(jīng)過30余年的努力，蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測研究現(xiàn)狀遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。2.4計(jì)算機(jī)輔助基因識別(僅指蛋白質(zhì)編碼基因) 基本問題是給定基因組序列后，正確識別基因的范圍和在基因組序列中的精確位置。這是最重要的課題之一。2.5非編碼區(qū)分析和DNA語言研究 在人類基因組中，編碼部分僅占總序列的3% 5%，其它通常(tngchng)稱為“垃圾(l j)”DNA，其實(shí)一點(diǎn)也不是垃圾，只是我們暫時還不知道其重要的功能。分析非編碼(bin m)區(qū)DNA序列需要大膽的想象和嶄新的研究思路和方

8、法。DNA序列作為一種遺傳語言，不僅體現(xiàn)在編碼序列之中，而且隱含在非編碼序列之中。2.6分子進(jìn)化和比較基因組學(xué) 早期的工作主要是利用不同物種中同一種基因序列的異同來研究生物的進(jìn)化，構(gòu)建進(jìn)化樹。既可以用DNA序列也可以用其編碼的氨基酸序列來做，甚至于可通過相關(guān)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)比對來研究分子進(jìn)化。近年來由于較多模式生物基因組測序任務(wù)的完成，為從整個基因組的角度來研究分子進(jìn)化提供了條件。3. 食品安全概念 食品安全是指對食品按其原定用途進(jìn)行生產(chǎn)和或食用時不會對消費(fèi)者造成損害的一種擔(dān)保年世界衛(wèi)生組織加強(qiáng)國家級食品安全性計(jì)劃指南。食品安全性強(qiáng)調(diào)食品中不應(yīng)含有可能損害或威脅人體健康的物質(zhì)或因素。食品不安全的因

9、素產(chǎn)生于人類食物鏈的每個環(huán)節(jié),從原料生產(chǎn)、加工、存儲、運(yùn)輸、銷售到最終消費(fèi)的整個過程，其中既有因農(nóng)業(yè)、工業(yè)發(fā)展帶來的各種污染，也有弄虛作假或?qū)κ称钒踩粤私獠粔虻热藶橐蛩亍?. 我國食品安全現(xiàn)狀 目前，食品安全問題主要包括以下幾個方面：化學(xué)性危害、生物毒素、微生物性危害、食品摻假和基因工程食品的安全性問題。根據(jù)世界衛(wèi)生組織和疾病控制中心的報告，歐洲的食品污染事件40% 發(fā)生在個體家庭里。而僅僅美國，每年就有7600萬人發(fā)生食源性疾病和5000人死亡。在我國，微生物污染、農(nóng)藥殘留、江河湖泊和近海等水源的污染以及非法添加激素和藥物等是食品不安全的重要因素?！安嘶@子”的化學(xué)安全性問題以農(nóng)藥和獸藥殘留

10、、環(huán)境污染物和真菌毒素等污染較為突出，蔬菜水果農(nóng)藥(如氯氰菊酯)殘留超標(biāo)、非法使用獸藥(如瘦肉精)引起的急性中毒等事件嚴(yán)重影響了我國食品業(yè)的發(fā)展。 食品是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，食品安全是關(guān)系到人類健康和國計(jì)民生的重大問題。1996年世界衛(wèi)生組織對食品安全的定義是：對食品按其原定用途進(jìn)行制作、食用時不會使消費(fèi)者健康受到損害的一種擔(dān)保。基于國際社會已經(jīng)基本形成4點(diǎn)共識,食品安全的概念也可以表述為：食品(食物)的種植、養(yǎng)殖、加工、包裝、貯藏、運(yùn)輸、銷售、消費(fèi)等活動符合國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)和要求，不存在可能損害或威脅人體健康的有毒有害物質(zhì)以導(dǎo)致消費(fèi)者病亡或者危及消費(fèi)者及其后代健康的隱患。食品安全是各國

11、政府的主要政策目標(biāo)之一，我國政府也十分重視食品安全問題。從糧食的統(tǒng)購統(tǒng)銷，到食品衛(wèi)生法的頒布，充分體現(xiàn)了政府對食品安全的重視。經(jīng)過幾十年的努力，特別是1995年中華人民共和國食品衛(wèi)生法頒布以來，我國的食品安全衛(wèi)生狀況有了明顯的改善。根據(jù)國內(nèi)外的研究成果歸納起來，影響食品質(zhì)量安全的因素主要有：環(huán)境污染；農(nóng)業(yè)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的源頭污染；食品添加劑、防腐劑；微生物引起的食源性疾?。恍略?、新工藝帶來的食品安全性問題，如轉(zhuǎn)基因食品的安全性；市場和政府現(xiàn)有措施不完善，仍存在著假冒偽劣產(chǎn)品、食品標(biāo)簽濫用、違法生產(chǎn)經(jīng)營等；科技進(jìn)步對食品安全的控制帶來新的挑戰(zhàn)；境外食品安全問題的影響。5. 生物信息學(xué)在食品(s

12、hpn)領(lǐng)域的應(yīng)用 在食品安全檢測中的應(yīng)用食品在加工制作和存儲過程中各種細(xì)菌數(shù)量發(fā)生變化，傳統(tǒng)檢測方法是進(jìn)行生化鑒定，但所需時間較長，不能滿足檢驗(yàn)檢疫(jiny)部門的要求，運(yùn)用生物信息學(xué)方法獲得各種致病菌的核酸序列，并對這些序列進(jìn)行比對，篩選出用于檢測的引物和探針，進(jìn)而運(yùn)用 PCR 法、RT-PCR 法、熒光 RT-PCR 法、多重PCR和多重?zé)晒舛?PCR等技術(shù)，可快速準(zhǔn)確地檢測出細(xì)菌及病毒。此外，對電阻抗、放射測量、ELISA 法、生物傳感器、基芯片等技術(shù)也是未來食品病毒檢測的發(fā)展方向。5.1生物(shngw)信息學(xué)在食品細(xì)菌檢測中的應(yīng)用 食品在加工、制作、儲存過程中往往需要經(jīng)過加熱、

13、酸化、冷凍等處理方式，經(jīng)這些加工工藝處理后，食品中存在的致病性細(xì)菌數(shù)量大大減少，而且受到一定程度的損傷。因此,在進(jìn)行食品中致病菌檢測時首先要進(jìn)行前增菌和選擇性增菌。這一過程通常需要24 48h。這一步驟的目的是使得微量的、受損傷的致病菌得以修復(fù)并大量繁殖。傳統(tǒng)、經(jīng)典的微生物檢測方法是在增菌后使用固體選擇性培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，挑選典型菌落進(jìn)行生化鑒定。選擇性培養(yǎng)的過程需24 48h。整個檢測周期較長，即使是陰性樣品也需3 4d的時間。這種檢驗(yàn)方法很難滿足出入境檢疫檢疫部門快速通關(guān)的需要。近年來，隨著PCR技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外研究者已經(jīng)將這一技術(shù)引入食品致病菌檢測領(lǐng)域。使用PCR方法，可在前增菌和選

14、擇性增菌后，用特異性引物對增菌液中的致病菌進(jìn)行擴(kuò)增，從而檢測樣品中是否含有此種致病菌。從理論上講，這種方法的靈敏度高于經(jīng)典的培養(yǎng)法，而且，PCR方法可在幾小時內(nèi)出具檢測結(jié)果，省略了固體培養(yǎng)基的選擇性增菌和生化鑒定步驟，大大縮短了檢測周期。在檢測所需的試劑和人工費(fèi)用上，PCR方法也優(yōu)于培養(yǎng)法。此外，隨著先進(jìn)儀器設(shè)備在檢測機(jī)構(gòu)的普及和使用，基于PCR方法發(fā)展起來的實(shí)時熒光PCR技術(shù)和基因芯片檢測技術(shù)也將在食品致病菌檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。以上所用方法建立的前提是找到特異、靈敏的擴(kuò)增引物和探針。這就需要研究者運(yùn)用生物信息學(xué)方法獲得各種致病菌的核酸序列，對這些序列進(jìn)行比對，篩選出可用于檢測的引物和探針。

15、另外，運(yùn)用生物信息學(xué)方法，對各種致病菌的毒力基因和耐藥基因進(jìn)行研究，篩選保守的特異性的核酸序列作為引物，可對日常進(jìn)出口食品中分離得到的陽性菌株進(jìn)行毒力基因和耐藥基因的鑒定，為檢疫執(zhí)法(zhf)提供有說服力的技術(shù)指標(biāo)。同時，可對從不同國家和地區(qū)食品中分離出的致病菌毒株進(jìn)行核酸序列的分析和比較，進(jìn)行毒力基因和耐藥基因的研究，運(yùn)用生物信息學(xué)方法建立數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)信息資源的共享。利用這一數(shù)據(jù)庫，研究者可對分離的菌株進(jìn)行溯源，從而判定菌株污染來源和污染途徑,結(jié)合(jih)耐藥基因研究結(jié)果，可為控制和治療食源性疾病提供理論依據(jù)和對策。5.2生物(shngw)信息學(xué)在食品病毒檢測中的應(yīng)用 目前，已知能夠通過食品

16、傳播的病毒包括甲肝病毒、諾沃克樣病毒、戊肝病毒、輪狀病毒、星狀病毒和腸道病毒，其中最為重要的有甲肝病毒和諾沃克病毒。近年來國際上多次暴發(fā)甲肝病毒和諾沃克病毒中毒事件，引起了國際社會的廣泛關(guān)注。這些病毒有些可用細(xì)胞培養(yǎng)法進(jìn)行分離,有些目前還不能在體外繁殖，也無動物模型，不能用組織培養(yǎng)法或動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分離檢測。即使是那些能夠進(jìn)行培養(yǎng)的病毒，培養(yǎng)法由于其檢測周期長、檢測靈敏度差(病毒感染劑量低)，也不能用于食品中病毒的檢測。近年來，隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，特別是核酸技術(shù)的發(fā)展，PCR法、RT-PCR法、熒光RT-PCR法等技術(shù)已開始應(yīng)用于食品中病毒的檢測。這些方法通過對病毒目標(biāo)基因片段的擴(kuò)增來進(jìn)行檢

17、測，具有特異性強(qiáng)和靈敏度高的特點(diǎn)，能檢測到1040個拷貝的病毒核酸。使用這些方法進(jìn)行病毒檢測，需要找到可擴(kuò)增病毒核酸的引物及對擴(kuò)增產(chǎn)物特異性進(jìn)行驗(yàn)證的探針，引物和探針的可靠性是檢測成功的關(guān)鍵技術(shù)。因此，首先需在生物信息數(shù)據(jù)庫中查詢這一病毒的核酸序列,對于具有不同基因型的、核酸同源性差的病毒,例如:諾沃克樣病毒，要想設(shè)計(jì)出可同時擴(kuò)增不同基因型病毒的引物，需進(jìn)行大量的核酸序列比對，沒有生物信息學(xué)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)是不可能完成的。目前,國外研究者已經(jīng)使用多重PCR和多重?zé)晒舛縋CR技術(shù)同時進(jìn)行多種病毒的檢測。此外，基因芯片技術(shù)也是未來食品病毒檢測的發(fā)展方向。這些方法的建立和使用，無疑都需要運(yùn)用(ynyn

18、g)生物信息學(xué)技術(shù)進(jìn)行引物和探針的篩選。對于陽性的檢測產(chǎn)物進(jìn)行測序后，同樣需要使用生物信息學(xué)方法將測序的核酸序列與已經(jīng)公布的同種病毒序列進(jìn)行比對，這是對產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)的過程。同時，使用相應(yīng)的軟件可構(gòu)建遺傳進(jìn)化樹，鑒定檢測到的毒株的基因型。通過眾多研究者提供的信息的積累，可建立食源性病毒生物信息數(shù)據(jù)庫，從中發(fā)現(xiàn)病毒核酸和蛋白變化規(guī)律，預(yù)測病毒變異趨勢，為預(yù)防和治療食源性病毒性疾病提供指導(dǎo)。5.3在轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品(chnpn)檢測中的應(yīng)用 轉(zhuǎn)基因食品檢測是通過設(shè)計(jì)特異性的引物對食品樣品的 DNA 提取物進(jìn)行擴(kuò)增，從而(cng r)判斷樣品中是否含有外源性基因片段。通過對轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫信息的及時

19、更新，可準(zhǔn)確了解各國新出現(xiàn)和新批準(zhǔn)的轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品，便于查找其插入的外源基因片段，以便及時對檢驗(yàn)方法進(jìn)行修改。 目前由于某些通過食品傳播的病毒具有變異特性，以及檢測方法的不完善等因素影響，生物信息學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還比較有限，但隨著食品安全檢測數(shù)據(jù)庫的不斷完善，相信相關(guān)的生物信息學(xué)技術(shù)將在食品領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。 隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品的種類不斷增多。在轉(zhuǎn)基因食品檢測中，我們需經(jīng)常瀏覽一些轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫，及時了解各個國家新出現(xiàn)的、新批準(zhǔn)的是哪些轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品，插入的是哪些外源基因片段，以便及時對檢驗(yàn)方法進(jìn)行修改。因此，準(zhǔn)確和及時更新的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品生物信息數(shù)據(jù)庫是保證檢

20、驗(yàn)結(jié)果可靠的基礎(chǔ)。同時，對新增加的外源基因片段的檢測，同樣需要使用生物信息學(xué)技術(shù)進(jìn)行引物的設(shè)計(jì)和篩選。6. 展望生物信息學(xué)是一門綜合性的新興學(xué)科，它是分子生物學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多門類學(xué)科的相關(guān)技術(shù)相結(jié)合形成的應(yīng)用科學(xué)。雖然，目前食品安全檢測領(lǐng)域所使用的生物信息學(xué)技術(shù)還十分有限，但隨著越來越多分子生物學(xué)技術(shù)在食品檢測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，與核酸和蛋白相關(guān)的生物信息學(xué)技術(shù)也將在食品檢測領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。參考文獻(xiàn)1 SATIN M. Food alert!: The ultimate sourcebook for food safetyM.New York: Checkmark Books,

21、2008.2 WHO. Food safety and foodborne illnessS. 2010.3 陳君石. 食品(shpn)安全現(xiàn)狀與形式J. 四川食品與發(fā)酵, 2002(3): 1-2.4 王昕. 高效液相色譜(s p)研究進(jìn)展J. 光明中醫(yī), 2011, 26(1): 56-58.5 陳智理, 楊昌鵬, 郭靜婕. 色譜技術(shù)(jsh)在食品安全檢測中的應(yīng)用研究J. 化工技術(shù)與開發(fā), 2011, 40(7): 24-26.6 LEHOTAY S J. Application of gas chromatography in food analysisJ.Trends in Anal

22、ytical Chemistry, 2002, 21(9/10): 686-697.7 OLIVEIRA R V, PIETRO A C, CASS Q B. Quantification of cephalexin as residue levels in bovine milk by high-performance liquid chromatog-raphy with on-line sample cleanupJ. Talanta, 2007, 71(3): 1233-1238.8 王會峰, 馮書惠, 賈斌. 香菇(xingg)中 40種農(nóng)藥殘留量的氣相色譜法測定J.食品科學(xué), 20

23、10, 31(20): 335-341.9 SHARIATIS, YAMINIY, ESRAFILIA. Carrier mediated hollow fiberliq uid p hase micr oextr actio n com bined wit h HPL C-UV forpreconcentration and determination of some tetracycline antibioticsJ. JChromatography B, 2009, 877(4): 393-400.10 夏靜, 張敬軒, 李揮, 等. 高效液相色譜法同時檢測醬油中 7 種防腐劑J. 食品

24、科學(xué), 2011, 32(14): 219-222.11 李垚辛, 董全. 有機(jī)磷農(nóng)藥殘留(cnli)檢測技術(shù)的研究進(jìn)展J. 中國食物與營養(yǎng), 2010(4):12-15.12 汪瑗, 朱若華, 陳惠. 薄層色譜分析法及其進(jìn)展J. 大學(xué)化學(xué), 2006,21(3): 34-40.13 TUZIMSKI T, SOCZEWINSKI E. Correlation of retention parametersof pesticides in normal and reversed-phase systems and their utilizationfor the separation of a

25、 mixture of 14 triazines and urea herbicides bymeans of two-dimensional thin-layer chromatographyJ. J Chromatog-raphy A, 2002, 961(2): 277-283.14 梁洪軍, 高志賢. 薄層色譜掃描測定糧食、蔬菜中有機(jī)氯農(nóng)藥殘留量的方法研究J. 解放軍預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志, 1994, 12(4): 283-285.15 王迪, 楊曙明. 免疫親和色譜及其在獸藥殘留檢測中的應(yīng)用J.中國獸藥雜志, 2006, 40(3): 33-27.16 HAMMOCKBD, GEES J,

26、HARRISON R O, et al. Immunochemical methods for environmental analysisJ. American Chemical Society,1990(11): 112-139.17 史愛敏, 朱拓, 顧恩東,等. 胭脂紅熒光光譜機(jī)理研究J. 光譜學(xué)與光譜分析, 2009, 29(1): 192-195.18 蔣興東, 陳玉飛, 涂健, 等. 免疫親和色譜在動物源性食品獸藥殘留分析(fnx)檢測中的應(yīng)用J. 家禽科學(xué), 2007(12): 35-38.19 MORETTI V M, Van de WATER C, HAAGSMA N. Automated high-performance liquid chromatographi