基因芯片技术在食品检测中的应用

2021-11-28洪诗然

食品安全导刊 2021年30期

洪诗然，陈松

（湖南师范大学，湖南长沙 410081）

随着我国基因工程方面的技术不断进步完善，基因芯片技术在各个领域被研发并投入应用，它是一种集成半导体技术、信息化技术及尖端生物技术的新型检测手段，以检测基因功能及基因表现性征作为检测内容。目前在我国，该技术正处于研发完善阶段，且在禽畜肉类等食品加工产业中作为一项示范技术开始推广应用。

1 基因芯片技术用于食品检测的基本原理

1.1 基因芯片的分类

基因芯片技术会根据用途类型的不同而选择不同的芯片材质。由于它是以支持固相载体内植入的方式安装的，因此根据支持固相载体的特征不同采用不同的材料，以芯片材质可分为以玻璃、陶瓷、硅等制成的无机物芯片和以尼龙薄膜、纤维素膜、聚丙烯工业材料等制成的有机物芯片。基因芯片是通过探针读取载体的基因信息，根据读取感知的功能不同分为寡核苷酸芯片和cDNA芯片。根据芯片点阵合成技术不同还分为电定位芯片、原位合成芯片和微矩阵芯片3类。

1.2 基因芯片技术的基本原理

基因芯片是基于生物芯片技术基础上的一种电子化的检测装置，不同的基因自然拥有不同的基因功能和基因表性特征，因为它们的基因核酸分子杂交序列上存在较大出入，因此基因芯片可以用几种可检测出已知的核酸分子杂交衍生序列的探针，对载体进行基因表性检测[1]。利用点样技术将寡核苷酸或者cDNA按照预先设定好的核酸分子杂交衍生列进行高密度集成后固定在支持载体的表面，载体表面与探针进行杂交后，生物信号会被半导体传感器制成的特殊装置捕捉到，开展同步记录并将记录内容回传给计算机进行分析，最终得到载体样本的基因功能与基因表性特征，用这种基因功能与表性特征信息作为判定食品原材料与生产过程中是否存在致病因素的最终依据。

1.3 基因芯片检测的流程

1.3.1 载片制备与样本制配

将样本处理提纯后得到高纯度DNA，而后对检测基因表性特征的高密度寡核苷酸分子杂交序列进行标记，由于受限于检测精度问题，还需要用固相PCR方法对样品进行扩增，并预检测目标的基因信息转录集成在芯片载片的基因文库内。

1.3.2 分子杂交

被标记的样本分子杂交序列在探针处杂交前会呈双链的形式显现，应当经过高温变性后处理为单链DNA形式后，再与芯片上的探针进行杂交。

1.3.3 杂交信号检测

样品与探针进行充分的杂交后，半导体传感器会将这种杂交信息以特殊波长的电信号或者荧光信号的形式体现。根据传感器回传的信号强弱可以分析处探针与样本的反应程度。若探针与样本发生不完全杂交，此时回传的电信号或者荧光信号较弱；若探针与样本不发生杂交反应，将不会捕捉到任何特殊波长的电信号或荧光信号[2]。以荧光信号举例，一种高分辨率的荧光扫描仪可以通过计算机连接控制读取到回传荧光信号的差异，再经过计算机分析后就可以得出待检测样本的靶基因信息了。

2 基因芯片技术在食品检测中的具体应用路径

2.1 用于转基因食品的检测

随着基因工程技术的不断进步发展，越来越多的转基因食品技术相继问世。转基因食品是以在特定的生物本体内引介入外源的基因组的方式，使特定的生物物种获得相应的新基因表性的一种生物技术，经转基因技术处理后的物种作为新型种植育种，由这种育种所生产加工的食品就叫做转基因食品。转基因食品按转基因功能分为增产型、控熟型、加工型、高营养型和新品种型等几个类型转基因食品。出于对转基因技术发展过快所导致的不可预估结果的担忧，目前国际上普遍认为尚无证据表明转基因食品长期发展后的新物种对人们的健康完全无害。

转基因技术的多向性与不可预估性可能会导致转基因后的生物物种产生多种毒性物质的营养分子、溶血剂和未知神经毒素等，严重的甚至会因中毒而引起人体生理功能衰竭死亡，如目前已发现的一种转基因木薯发生了毒素蛋白过量繁殖的现象。转基因食品中含有的部分物质成分，很难确保转基因食物不会出现过敏或者抗生素抗性等危害性特征。因此国际上对转基因食品采取的监管检测制度十分严格，要求转基因食品必须以说明标签的形式加以体现。食品监督部门和食品加工单位需要可靠、经济且高效的转基因食品检测技术方法[3]。在新型技术的基因芯片法出现前，对转基因食品的基因芯片检测都是以PCR扩增法进行的，但这种方法每次只能对单独的一种转基因食品成分进行检测，若是同时存在多种待检测项目时，需要多次重复检测完成，检测的效率低下，还容易受到样本交叉污染问题影响检测准确度。而采用基因芯片检测法，可以在检测载片上制备多种检测片段，以不同的探针进行区分，一次可以对转基因食品中的多种成分进行检测。以农作植物来源的转基因食品为例，可以选择卡那霉素抗性基因、花椰菜花叶病毒、葡萄糖醛酸核苷酶等多种检测片段，在缓冲液中进行扩增和标记，以此检测待检农作物中是否含有转基因成分。这种多检测片段的基因芯片检测法，最多可以同时检测出玉米中Bt176、Bt11、GA21等7种转基因成分，且检测精度极高，最高可达0.1%含量的有效检测精度。

2.2 用于禽畜类病疫及致病性细菌检测

除了转基因食品外，基因芯片技术还可以被应用在禽畜类病疫及致病性细菌微生物检测上。传统的PCR扩增法只能对单一种类的细菌微生物进行扩增检测，但禽畜肉类食品中的病疫源复杂多样，例如巴氏杆菌和黄病毒科的各种致病病毒所导致的禽畜类病疫。传统的检测方法下很难应对如此种类复杂，待检工作量大的禽畜类食品检测工作，特别是对一些未知致病病毒与毒性微生物的检测收效甚微。新型的基因芯片检测技术利用rDNA生物基因的高保守性，将已知常见的几种致病病毒的差异序列作为检测靶基因，进行禽畜类的病疫检测，可以准确地发现感染病疫的禽畜肉制品。因此在我国食品安全管理工作中，被广泛应用于防止未经检疫合格的携带有口蹄疫、传染性肺炎、高致病性禽流感、鼠疫和猪瘟等多种禽畜类病疫的肉类食品非法流入市场方面上。此外还可以将致病性细菌在16S rDNA上的共同序列部分作以标记，以此标记作为样本感染致病性细菌微生物的感染特征，以这种感染特征生物杂交序列作为探针，利用碱基互补的生物学原理，识别到食品基因混合物中的特定感染基因，从而检测出食品在加工生产中携带致病性或毒性细菌的种类与含量。这种用于检测细菌病原菌的基因芯片检测技术识别敏感度非常高，最高可以精准识别出样本中每mol中数量为56的细菌菌落。此外，若是对基因芯片技术作以改进调整，该技术还可利用几种常见多发的毒性细菌的序列共性特点，用于对导致突发的急性食物中毒事故的毒性微生物进行快速识别诊断上，以便第一时间对食物中毒导致危重的病人实施医疗抢救。

3 基因芯片检测技术的优势

3.1 检测效率极快，精度极高

与传统的食品检测方法相比，基因芯片检测技术的检测效率拥有绝对的精度优势与效率优势。常规的食品检测方法中的细菌培养法，需要对食品样本中的菌落进行人工繁殖，只有送检样达到一定的种群密度时，才能对其进行生物鉴定和血清分型。而且不同的致病性细菌或者毒性微生物的活性会因培养环境的变化而变化，从而使检测结果发生偏差，且通常情况下这种鉴定方法取得检测结果需要数天乃至数周的时间，但基因芯片检测技术得到检测分析结果，需要探针与样本杂交过程完成，往往只需要6～12 h就能够得到较为精准的检测结果[4]。另一方面，它还能补充解决了PCR无法多项扩增的技术难题，使应用基因芯片的检测技术可以同时对一种待检食品样本进行多种检测项目的检测，效率较高，拥有比传统细菌培养法更高的检测准确度。

3.2 减低了食品检测的难度与工作量

传统的食品检测方法是以大量复杂的微生物实验进行检测的，在这样的检测技术下，检测难度主要来自于实验过程中的环境变量控制，如恒温控制、湿度控制、培养液营养控制等，在检测中也需要多次的实验观察才能最终得出检测结果。而应用了基因芯片检测技术的检测方法，只需要一次探针杂交就能轻松完成，探针杂交信息是由传感器同步回传的荧光信息或电信号作为检测反馈的，再经高分辨率的检测设备或控制系统进行分析，最后由计算机对检测分析结果进行可视化处理，得出精确的检测数据。与传统检测方法的实验记录相比，在检测结果读数上更加直观，使检测难度与工作量远低于传统检测技术[5]。

3.3 成本经济低廉

传统的食品检测需要大量的大型实验室仪器工具，用于进行微生物鉴定的检测设备造价成本不菲。而基因芯片只采用硅片、玻璃、陶瓷、工业塑料或尼龙材料等造价低廉的材质制成，且载片尺寸非常小，体积上远小于传统食品检测方法的大型仪器设备，并且可重复使用性极高。一种荧光信号式的基因芯片技术，仅需要一个预制好的小型芯片作为样本载体，一台高分辨率荧光检测设备用于技术检测，若是能在食品检测中广泛应用，一定可以大幅缩减食品检测的技术成本。