孙登峰,王顾希,钱杉杉,乔倩,邹燕,侯晓妮
(中国测试技术研究院,四川成都610021)
食品安全检测技术与标准研究
孙登峰,王顾希,钱杉杉,乔倩,邹燕,侯晓妮
(中国测试技术研究院,四川成都610021)
该文针对保障国家食品安全的重要基础技术即食品安全检测技术与标准化问题,从食品主要危害因素及其检测方法标准化现状、常用检测技术、新检测技术3个方面进行探讨。研究表明:我国食品中限量的有害物质种类和数量基本能够覆盖国际食品法典委员会的限量要求,但支撑食品安全限量标准的标准检测方法尚不完善。建议利用电子信息技术研究建立客观准确的食品感官评价方法,通过差异化研究和高通量检测技术攻关建立可能违法添加的非食用物质检测技术,以生物技术和比色法为主建立适应“农场”和“餐桌”的快速食品安全检测技术。以期为开展食品安全检测技术研究,增强食品安全检测能力,应对食品安全挑战提供技术参考。
食品安全;检测技术;标准;高通量;非食用物质;快速
近年来,食品安全的新威胁不断涌现。食品生产、销售和消费方面的变化,环境变化,新出现的病原体,耐药性微生物——所有这些都给国家食品安全系统带来挑战。虽然我国在食品安全监测方面取得明显进步,但检测技术落后[4]、标准不完善[5-6]等问题仍然较为突出,不能很好地满足保障食品安全的需要。为了应对食品安全事故或事件给人类健康带来的严峻挑战,有效支撑国家食品安全监管体系建设,适应食品安全检验检测的技术需求,有必要针对食品安全检测技术与标准化问题,探讨食品安全主要危害因素及其检测方法标准化现状、常用检测技术及原理、新检测技术及进展、标准检测技术研究趋势等,以了解食品安全检测技术研究的重点需求,为开展食品安全检测技术研究,增强食品安全检测能力,应对食品安全挑战提供技术参考。
目前,食品中不安全因素主要包括微生物风险、化学品风险、滥用制假风险等。微生物风险主要由食品中细菌、病毒、寄生虫等引起。沙门氏菌、弯曲杆菌和肠出血性大肠杆菌属于最常见的食源性病原体,每年影响数百万人。李斯特菌被列入最严重的食源性感染。细菌感染有时会导致严重或致命后果。由于抗生素过量使用,食品中抗生素残留也被列入微生物风险范围内。化学品风险主要由自然产生的毒素、持久性有机污染物、重金属等引起。自然产生的毒素包括真菌毒素,海洋生物毒素,蘑菇毒素,黄曲霉毒素和赭曲霉毒素。毒素可导致中毒或危及生命,而长期接触霉素可能影响免疫系统和正常发育,或导致癌症。持久性有机污染物是能在环境和人体中积累的化合物,包括持久性有机氯农(兽)药、二噁英及其类似物、多溴联苯醚、多环芳烃、邻苯二甲酸酯类、全氟有机化合物等[7-9],具有高毒、持久、生物积累性、远距离迁移性。食品中的重金属污染主要来自空气、水和土壤污染,铅、镉和汞等重金属可导致神经系统及肾脏损害。滥用制假风险主要由滥用食品添加剂、非法添加非食用物质、假冒伪劣、以次充好等不法行为带来的食品安全问题,近年来发生的“红心鸭蛋”、“三聚氰胺奶粉”、“地沟油”、“福喜事件”等均属于此。此外,转基因食品备受关注,但其是否具有健康危害尚不明确。
截至2014年12月31日,我国现行有效的食品安全国家标准492项[10]。针对微生物、化学品、滥用制假等分别制定了食品添加剂使用标准[11]、真菌毒素限量[12]、污染物限量[13]和农药最大残留限量[14]食品安全国家标准。就检测方法而言,主要针对食品中微生物、理化指标、乳及乳制品开展了食品安全国家标准的清理制定工作。
在食品中微生物检验方法方面,我国制定了微生物学检验国家标准40项,已转化成食品安全国家标准GB 4789系列的23项,检验检测参数包括菌落总数、大肠菌群、沙门氏菌、志贺氏菌、副溶血性弧菌、空肠弯曲菌、金黄色葡萄球菌、β型溶血性链球菌、产气荚膜梭菌、蜡样芽胞杆菌、霉菌、酵母、单核细胞增生李斯特氏菌、致泻大肠埃希氏菌、双歧杆菌、乳酸菌、大肠埃希氏菌、粪大肠菌、阪崎肠杆菌等。
我国制定的食品理化指标检验系列国家标准205项,已转化成食品安全国家标准GB 5009系列的14项,检验检测参数包括水分、灰分、蛋白质、黄曲霉毒素M1和B1、咖啡因、游离绵酚、多氯联苯、丙烯酰胺、二噁英及其类似物、亚硝酸盐、硝酸盐、铅、硒、稀土元素。我国制定的婴幼儿食品及乳品检验检测标准39项,已转化成食品安全国家标准GB 5413系列的32项,检验检测参数包括脂肪、乳糖、蔗糖、不溶性膳食纤维、维生素A、B1、B2、B6、B12、C、D、E、K1、烟酸、烟酰胺、叶酸、泛酸、游离生物素、胆碱、钙、铁、锌、钠、钾、镁、铜、锰、磷、碘、氯、肌醇、牛磺酸、脂肪酸、溶解性、杂质度、脲酶、相对密度、酸度、β-胡萝卜素、反式脂肪酸、黄曲霉毒素M1、冰点、非脂乳固体。GB 29681~GB 29709共29项食品安全国家标准还规定了水产品、牛奶及动物性食品中药物残留测定方法。
针对滥用制假风险,国家卫生计生委办公厅于2014年9月18日发布了《食品中可能违法添加的非食用物质名单》征求意见稿[15]。该征求意见稿建议禁止食品非法添加染料类、富含氮化合物、邻苯二甲酸酯类物质、工业用或其他非食品级物质、杀虫剂、抗菌药物类等23类71种非食用物质,包括苏丹红、孔雀石绿、三聚氰胺、邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯、环丙沙星、四环素、吊白块、废弃动植物油脂、皮革水解蛋白等近年来引起食品安全事件的非食用物质。针对上述食品中可能违法添加的非食用物质,国家已经有相应标准检测方法的物质有33种,其余物质尚无标准检测方法。玫瑰红B、美术绿、三聚氰胺、邻苯二甲酸酯类化合物、镁盐、甲醛、抗菌药物类、吊白块、硼酸与硼砂、硫氰酸盐、β-内酰胺酶、过氧化苯甲酰等物质存在天然本底,需结合本底值判断是否人为添加。此外,在加工环节中易非法添加的10类物质(见表1)目前被认为通过检验难以判定,需通过对食品生产经营过程的监管确认是否违法添加。
表1 食品中通过检验难以判定的10类非食用物质
通过近年来的努力,我国针对食品中不安全因素的限量已经基本涵盖国际食品法典委员会(CAC)的限量。但是,在标准检测方法方面,还需要加大研究力度:1)当前微生物检验方法培养时间长、自动化程度低、效率极低,急需开发高效率微生物检验方法;2)尚有大量食品理化指标检测方法需要转化为食品安全国家标准,现有标准检测方法多为单参数检测方法,检测成本高、效率低,急需开发低成本高效率检测方法;3)由于非法添加的非食用物质与食用物质极为相似,或不易辨识是否为环境本底,尚有大量违法添加的非食用物质难以被有效鉴别和测定,是食品安全检测中的重大挑战。
食品是一个复杂的物质体系,除假冒食品外,食品中微生物、有害化学物质、非食用物质等有害物质往往以μg/kg、mg/kg和g/kg的微痕量浓度水平存在,且同一食品中可能含有多种有害物质。如何从复杂体系中分离出微痕量有害物质并使其足以被现有检测技术识别是食品安全分析的关键所在。针对食品中微痕量有害物质,就检测技术[16]而言,通常有包括化学方法如滴定法、分光光度法、色质联用法、光谱法、质谱法,和生物方法如微生物测定和计数法、酶法、免疫法、PCR法、生物芯片法等。以下简要介绍几种常用食品安全检测技术。
2.1 待测物富集技术
由于食品中有害物质通常为微痕量物质,通常需要通过富集待测物质才能被有效检测。主要有以下实现途径:1)以待测物为引物,在反应体系中反复复制待测物质,使其生长到足以被准确测定的量,之后通过测量技术进行测定。这种方式多用于生物分析技术,例如微生物检验技术[17]、PCR技术[18]、酶催化检测技术等。2)消解技术[19-20],将食品中有机物质转化为二氧化碳和水除去,而其中的无机元素或离子溶解在消解液中进而得以纯化和富集。主要有电热板消解、高压罐密闭消解和微波消解几种。最主要用于食品中重金属、稀土等金属元素分析。3)吹扫-捕集技术[21],利用载气尽量吹出样品中待测物,通过冷冻捕集或吸附捕集的方法富集被测物。主要用于食品中挥发性和半挥发性有机物的气相色谱分析。4)溶剂萃取法[22],利用化合物在两种互不相溶(或微溶)的溶剂中溶解度或分配系数的不同,使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中。经过反复多次萃取,将绝大部分的化合物提取出来。主要用于食品中半挥发或不挥发有害有机物的气相或液相色谱分析。5)固相萃取[23],是利用选择性吸附与选择性洗脱的液相色谱法分离原理使液体样品通过吸附剂,保留其中某一组分,再选用适当溶剂冲去杂质,然后用少量溶剂迅速洗脱,从而达到快速分离净化与浓缩的目的。主要用于食品中痕量残留有害有机物的气相或液相色谱分析。
2.2 专一性测定方法
试样从样品中提取后,试样中待测物质发生专属性反应,而其他物质不发生反应,从而检测反应产物的特征信号以达到测定待测物质的目的。常见的滴定法[24]、分光光度法[25-26]、酶法、酶联免疫法[27]等基本采用此技术路线(见图1)。如滴定法利用特征反应,并以指示剂指示滴定终点,以滴定用试剂的量计算待测物质量。分光光度法直接或通过特征反应形成在紫外、荧光等特定波长具有光谱吸收的反应产物,根据反应产物吸光度的强弱测定待测物,包括原子吸收分光光度法、原子荧光光度法、紫外分光光度法等。酶法利用酶的专一反应特性,通过酶的催化作用或待测物对酶的抑制作用,检测酶催化产物或酶活性,从而测定待测物。酶联免疫法采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶连接,然后通过酶与底物产生颜色反应,用于定量测定。测定的对象可以是抗体也可以是抗原。
图1 食品安全检测技术路线示意图
专一性分析方法通常具有速度快、成本低、简单易用等优点,但绝大多数专一性分析方法定量检出限较高,只能检测食品中微量有害物质,且受特异性反应限制,通常一次只能测定一个参数。
2.3 高通量测定方法
食品试样往往含有多种待分析组分,可通过特定的分离程序将各待测物质分离并分别测定(见图1),常用的有生物芯片法[28]、电感耦合等离子体吸收光谱或质谱联用法、离子色谱法[29]、气相色谱法[30]、液相色谱法[31]等。生物芯片技术是将大量生物信息密码(寡核苷酸、cDNA、基因组DNA、蛋白质等)有序地固化于支持物的表面,组成密集二维分子排列,然后与已标记的待测样品中靶分子杂交,通过特定的仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析,从而判断样品中靶分子的数量。在电感耦合等离子体质谱联用技术[32]中,样品由载气引入雾化系统进行雾化后,以气溶胶形式进入等离子体中心区,在高温和惰性气氛中被去溶剂化、汽化解离和电离,转化成带正电荷的正离子,经离子采集系统进入质谱仪,质谱仪根据质荷比进行分离,根据元素质谱峰强度测定样品中相应元素的含量。色谱技术的原理为当流动相中样品混合物经过固定相时,与固定相发生作用,由于各组分在性质和结构上的差异,与固定相相互作用的类型、强弱也有差异;因此,在同一推动力的作用下,不同组分在固定相滞留时间长短不同,从而按先后顺序从固定相中流出,从而实现对样品中多种待测组分的分离,进而通过氢火焰离子化检测器、紫外检测器、荧光检测器、质谱检测器等检测。
高通量测定方法往往自动化程度高,一次进样可以同时分析多种待测组分。其分离效果越好,检测器“广谱”性越好,可同时测定的组分数越多。但高通量检测方法通常需要使用现代分析仪器,对操作人员专业性要求较强,检测成本较高、更适合专业实验室使用。
随着食品安全检测需求不断变化,以及分析检测技术本身的不断发展,食品安全检测领域的待测物富集技术、专一性测定方法、高通量测定方法自身也在不断发展并取得显著的技术进步,不断发展出食品安全检测新技术。如加速溶剂萃取[22]、超临界萃取法[33]、固相微萃取[34]等待测物富集新技术,胶体金试纸条法[35]、二维气相色谱法[36]、串联质谱法[37]等食品安全检测技术,以及它们的联用新技术[38]。这些技术的发展使得食品安全检测更加高效和可靠。但是,食品风险因素复杂程度和分析检测需求的显著增加还需要更多成本低、效率高、适用性强的食品安全检测方法。
3.1 机器视觉、电子鼻和电子舌
色、香、味是食品品质的重要感官指标,需通过专门训练并具有丰富经验的人员对其加以评判,具有一定的主观性。因其更具客观性、科学性和可重复性,机器视觉技术、电子鼻技术和电子舌技术在食品领域得以应用和发展。它们的测量原理与生物体感官判断过程类似,首先通过物理器件(摄像头、传感器)采集食品相关信号,然后使用数据分析软件对采集到的数据进行分析,并通过识别程序对分析结果进行判断(见表2)。
表2 传统感官分析与现代技术感官分析类比
数字图像被作为信息分析的来源始于20世纪60年代,1964年Ledley[39]第一次公开发表了利用数字图像解析医学影像的文章。1986年Geladi[40]第一次发表了从数字图像中获取化学计量信息的文章。利用数字图像进行化学分析一直是一个较活跃的研究领域。在发表的大量文章中,获取数字图像的设备包括了手机、网络摄像头、平板扫描仪、全自动相机等,化学计量学模型包括多变量回归分析和标准曲线方法。如Botelho等[41]建立了用数字扫描图像测定软饮料中日落黄的方法。同时,研究者也在尝试使用数字图像分析的方法来评判食品的颜色。如Antonelli等[42]建立了利用小波变换分类算法与多变量图像分析相结合的方法评价食物颜色的方法。Mendoza等[43]建立了利用图像分析方法校准农产品颜色测量的方法。陈潇潇等[44]建立了基于光纤光谱仪测量茶叶表面颜色的方法。
电子鼻是特定电化学传感器阵列和与之相适应的模式识别系统组成的测量系统,可以识别简单或复合的气味[45]。目前,关于电子鼻的研究和报道主要停留在对食品中挥发性成分化学特性检测层面,通过它的化学传感器获得挥发性物质组成和含量信息,和食品的香味品质本身关系不大。如通过检测某些致病微生物代谢产生的特征挥发性气体的组成和含量变化,从而鉴别食品中的细菌[46]或食品的新鲜程度。目前真正意义上的商用电子鼻几乎没有[47]。但它给客观评价食品的香气成分提供了有益尝试和重要的方法参考。
与电子鼻类似,目前电子舌主要分析食品的化学特性而非感官特性[48],利用电化学传感器阵列对食品进行检测,并通过计算机软件分析,预测不挥发物质的组成或含量。如利用电子鼻预测肉中硝酸盐及亚硝酸盐含量[49],牛奶的新鲜程度[50]等。
3.2 色谱-飞行时间质谱联用技术
飞行时间质谱的主要原理是凭借在恒定磁场中,质荷比不同但动能相同的离子在经过相同距离时所用的时间不同,从而对物质进行分析的一种质谱分析方法。当其与色谱联用后,色谱的分离能力与飞行时间质谱的高分辨率得以结合,辅以数据库技术或者其他分析技术便有可能实现对未知化合物的结构鉴定。该技术常被用来排查食品中的未知有害化学物质。
本课题组[51]曾利用高效液相色谱-飞行时间质谱联用技术对某品牌黑糯米壮阳保健酒进行全扫描质谱分析,通过可疑分子离子提供的准确分子量检索自建的有毒有害化学物质数据库,进而通过提高碎裂电压的方式获得可疑物质的碎裂方式,从而实现未知有害物的结构鉴定,发现该品牌保健酒中添加有伐地那非化学药物。此外,王自[52],陈晓虎[53]等分别应用液相色谱四极杆串联飞行时间质谱法测定了中成药、保健食品中十余种非法添加的催眠类药物。Cheng等[54]利用液相色谱四极杆串联飞行时间质谱法鉴别了5种明胶。
3.3 现代光谱检测技术
现代近红外光谱技术[55]是近红外光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测试技术的有机结合。它采用已知化学特性的样品集的近红外光谱通过化学计量学方法建立预测模型(红外光谱与样品化学特性之间的关系),并通过验证模型不断改进。采集待测试样的近红外光谱,经过预测模型反演,得到待测样品的化学特性。具有无损、快速、多组分同时测定等技术优势。现已广泛应用于食品中化合物含量[56]、掺假鉴伪[57]、产地溯源[58]等检测。
太赫兹(THz)光谱技术具有高信噪比和动态范围宽等诸多特点,能够同时获得样品在THz波段(远红外与微波之间)的时域信息与频域信息,以及对应的物质物理结构和化学成分等重要信息,在食品安全检测领域具有独特的优势[59]。目前太赫兹(THz)光谱技术在食品领域尚处于研究阶段,主要集中在添加物质本身的光谱分析[60-61]以及食品中掺杂物质测定研究[62]。随着太赫兹光谱技术研究不断深入和完善,其在食品安全检测领域应用将更加广泛。
色谱、质谱等技术通常需要从食品中分离出目标分析物,不易发现食品中目标分析物以外的有害物质。而现代光谱技术多为无损和样品整体分析技术,食品中化合物及其含量的变化容易引起谱图的变化,有利于食品质量的控制。但正因为此,现代光谱技术的检出限较高,很多微痕量有毒有害物质难以被检出。
当前我国食品中限量的有害物质种类和数量基本能够覆盖国际食品法典委员会的限量要求,较为全面。但是,支撑食品安全限量标准的标准检测方法尚不完善:检测方法以产品检验为主,不能支撑“从农场到餐桌”的全链条;产品检验中,感官评审尚处于主观经验评审阶段,部分可能添加的非食用物质的标准检测方法尚属空白;食品安全检验检测成本高、效率低的问题较为突出。鉴于此,提出以下建议:
1)攻关机器视觉技术以增强其鲁棒性,加强食品感官与化学特性相关性研究建立电子鼻气味评价方法和电子舌味道评价方法,辅以现代光谱技术研究,建立客观科学的食品感官评价方法并开展标准化研究,克服食品感官评审的主观随意性。
2)加强对可能违法添加的非食用物质检测技术的攻关。通过加强非食用物质与相应食用物质的对比研究,破译非食用物质的本质特征,攻关建立非食用油脂、违禁工业用品等的标准检测技术。同时,加强食品中有毒有害物质的高通量检测技术研究,增强对未知有毒有害物质的检测鉴定能力。
3)为了适应“农场”和“餐桌”对快速检测技术的需求,必须加快建立针对性强、方便适用、成本低、速度快的检测方法。以生物技术或比色技术为主的食品安全快速检测技术已经为此提供了较好的研究基础,应当在加快快速检测技术创新性研究的同时,注重检测技术的标准化及检测产品的研发应用。
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Review on testing technologies and standards for food safety
SUN Dengfeng,WANG Guxi,QIAN Shanshan,QIAO Qian,ZOU Yan,HOU Xiaoni
(National Institute of Measurement and Testing Technology,Chengdu 610021,China)
This article reviewed the testing technology and standards for food safety,for instance,current harmful factors and their standard testing methods,primary testing technology and new testing technology.Although the limited substances in China are commensurate with those limited by Codex Alimentarius Commission,the standard testing technology is still incomplete.Hence,it is suggested that impersonal organoleptic quality testing methods be established through digital image analysis,electronic noses and electronic tongues,and non-food substances testing technology be set up by means of differentiation research and high throughput detection technology,creating relevant technology based on biotechnology and colorimetry to fit with the inspection demands of“farms”and“dinner tables”.The purpose of this article is to provide a technical reference for studying and enhancing food safety testing technology,and coping with the challenges in food safety.
food safety;testing technology;standard;high throughput;non-food substance;fast
A文章编号:1674-5124(2015)08-0001-07
10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.001
0 引言
世界卫生组织(WHO)报道[1]:每年约200万人的死亡与不安全食品有关,含有有害细菌、病毒、寄生虫或化学物质的食品可导致从腹泻到癌症等200多种疾病。食源性疾病给健康造成了重大危害,食品安全受到广泛关注。食品安全检测作为保障食品安全的重要手段,受到国家高度重视。《国家食品安全监管体系“十二五”规划》[2]明确要求食品污染物和有害因素监测要覆盖全部县级行政区域,监测网点扩大到2870个。2015年中央一号文件《关于加大改革创新力度加快农业现代化建设的若干意见》[3]也从加强县乡农产品质量和食品安全监管能力建设等7个方面要求提升农产品质量和食品安全水平。
2015-01-16;
2015-03-25
四川省科技厅科技支撑计划项目(2013NZ0040)四川省科技厅重点研发项目(2015G20084)
孙登峰(1979-),男,重庆市人,副研究员,主要从事化学分析测试技术与标准研究。