生物传感器在食品安全监测中的应用

◎ 梁宁俊

（海南师范大学生命科学学院，海南 海口 570000）

随着社会的不断发展，人们生活水平的不断提高，人们对食品安全的问题越来越重视，因此食品安全监测就显得尤为重要。传统的食品安全监测方法有很多，如化学方法、色谱法、生物监测法等，这些方法虽然都在一定程度上保障了食品质量，但是监测过程过于复杂，效果并不理想，经检测后的食品中仍然有很多对人体有害的物质残留，如肉类中的细菌感染、乳制品中的化学毒素、瓜果蔬菜中的农药残留等。因此，国家相关食品监测部门制定了许多严格的标准，希望对人们的健康提供更进一步的保障。此外，各种各样的监测措施也随着科学技术的进步不断涌现出来，以满足快速、高效监测食品的需要，其中生物传感器是重要的手段之一。自1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器——葡萄糖传感器开始，发展到现在日渐成熟，已在食品安全检测中得到了广泛应用[1]。生物传感器（biosensor），是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，是由固定化的生物敏感材料作识别元件与适当的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系统[2]。生物传感器具有接受器与转换器的功能。它以检验迅速、准确度高、抗干扰性强、成本低廉著称，除了在食品检测领域得到广泛应用外，近几年在制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面也开始有良好的发展前景。本文通过对生物传感器的相关探讨，分析其在食品安全监测中的应用，以期解决人类的食品安全问题，保证人类饮食健康。

1 生物传感器

生物传感技术是现代科技飞速发展的又一有力证明，在现代电子信息技术、食品检测科学和生物医学工程等领域都得到了广泛应用，其与通讯技术、计算机技术并称为现代信息产业的三大支柱。生物传感器是将生物感应元件的敏感性、专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合，利用各种生物材料或生物代谢产物如酶、抗体等做成的用于检测、识别生物与食品的化学成分的传感器[3]。其中，对食品安全的监测是它最主要的应用方向，它监测食品的主要工作原理是通过分子识别元件对需要监测的食品进行特异性融合，在短暂的一段时间后，观察是否会发生化学或物理变化，利用换能器把变化的情况转变为人类可理解的数据，最后把这些数据通过光电路径输出来，从而实现对食品是否安全的准确分析和检测。

生物传感器是由两个模块构成的，第一个模块为识别模块，它的功能是识别食品中的生物体分子、组织结构或细胞构成是否符合标准，检查的具体部分为酶、微生物、抗原或抗体等；另一个模块是转换模块，它的主要功能是当生物体中的物质不符合检查标准时，对出现的物理信号进行转换，最后达到系统测量或控制的目的。

生物传感器自20世纪70年代问世以来，已经经历了多次的改革、发展、创新，直到日渐成熟，在许多领域得到广泛应用。①第一代生物传感器是由固定了生物成分的非活性基质膜和电化学电极组成。②第二代传感器是在第一代的基础上发展而来的，弥补了第一代传感器中存在的不足，它不再需要非活性的基质膜的参与，而是将生物成分直接吸附或共价结合到换能器表面，它的一大优点是在检测的过程中无其他辅助材料帮助完成检测，节约了监测成本。③第三代生物传感器也就是人们现在常用的食品监测方式，它将生物识别和信号转换与处理结合在一起，直接将生物活性成分固定在电子元件上，因而可以直接感知和放大检测物的信息变化[4]。

生物传感器是根据人类的感官功能发明出来的，人类通过耳朵听到声音，而生物传感器是利用生物体中的敏感单元来确定食品中的成分，进而判断食品是否合格。生物传感器与传统的食品安全监测方法相比，具有操作简便、监测高效、成本低廉、选择性好等优点，具体优点如下。①针对性强：如果生物体中存在某些特定的物质，那么它就会发出信号，因此它的针对性强，在一般情况下，不会受到颜色、气味、污垢等客观因素的干扰[5]。②效率高：利用生物感应器监测食品是否安全，可以在极短的时间内看到监测结果，效率较高，且准确率较高。③成本低廉：传统的监测方法要利用大量的辅助剂才能够完成监测，成本较高，而利用生物传感器监测，可以重复使用催化剂，减少了对试剂的消耗，节约了监测成本，提高了经济效益。④易于操作：生物传感器的监测过程并不复杂，在计算机科学技术的帮助下即可完成，易于操作。

2 生物传感器在食品安全监测中的应用

食品安全问题越来越受到大众的重视，因此食品安全监测工作显得尤为重要。传统的监测方法操作过程过于复杂，受到很多条件限制，如特定的监测仪器以及严格的准备工作，这就使得食品安全监测必须在监测中心进行，不能实现现场监测。而利用生物传感器不仅实现了监测工作的自动化，还提升了监测的准确度。生物传感器在食品安全监测中的应用，主要用来监测食品中农药的残留、非法添加剂和食品添加剂的使用、微生物的类型、食品的新鲜程度等。

2.1 用于农药的监测

农药的发明，对现代社会中人类的饮食起到了十分重要的作用，它不仅保证了瓜果蔬菜等作物的良好生长，预防了病虫害的发生，还增强了作物的口感，缩短了作物的生长周期，满足了人们的日常生活需求。凡事有利就有弊，农药的使用同时给人类的健康带来了一定的威胁。残留食品表面的农药很难通过人们的日常清洗就去除掉，因此很多商家就打着绿色食品的旗号大肆蒙骗消费者，为商家牟取了大量的利润。但是，很多食物都都需要使用农药，只不过是多少的问题以及是否符合国家食品安全监测标准的问题。生物传感器的问世为这一问题的解决提供了一个很好的解决方案，生物传感器的监测程度更高，能更快速、高效地检测出食品中农药的残留量。生物传感器的种类有很多，针对农药的监测，一般会选择酶传感器和免疫传感器，这两类传感器能很快地检测出农药的残留量是否符合标准，但是很难检测出农药的种类。因此，科学家应对生物传感器进行进一步的研究，以期为食品安全提供更好的保障[6]。

2.2 用于非法添加剂的监测

非法添加剂指的是那些不能用于食品防护的添加剂，典型的有瘦肉精、三氯氰胺等。瘦肉精主要用于肉类食品中，通过莱克多巴胺和盐酸克伦特罗等物质来对动物进行揠苗助长，并在这种不符合自然规律的生长中增加肉类中的瘦肉比例[7]。人类如果长期食用这种肉类，日积月累，会对身体健康造成极大的危害，甚至会引发死亡。尽管相关食品监测部门已经下令禁止在动物的生长过程中使用这种物质，但是许多不法商贩为了获得巨大的利润，仍在肆无忌惮地使用。另外，三氯氰胺也是一种危害较大的物质，“三鹿奶粉”事件就是一个典型的由三氯氰胺造成的恶果，给千万家庭造成了不可磨灭的伤害。现在，通过特定的适合监测非法添加剂的生物传感器来监测食品安全，不仅能准确地检测出这些物质，还能对其中的含量做出精准的估计，这就大大保障了食品的安全。

2.3 对食品添加剂的监测

食品添加剂不同于非法添加剂，它是被允许添加在食品中的，而非法添加剂是绝对不允许出现在食品中的。但是，食品添加剂也不是任意使用的，它有一定的添加标准，超出这个标准，也会给人类的身体健康造成一定的危害。但是，许多不良商家完全不考虑食品添加剂的使用量，大量使用食品添加剂，就为了使食品的色泽和味道能更加吸引消费者，增加自己的利益。所以，生物传感器成为人类食品安全的警报器，一旦通不过生物传感器的检测，就说明食品不合格，就可以告知人们不要购买，增强消费者的心理安全感，确保食品贸易健康发展。

2.4 用于微生物的监测

在对食品各方面的监测中，微生物的监测是最难的一个方面，传统的监测仪器很难监测到，但是利用生物传感器就很容易做到。近几年来，DNA微型传感器的研制成功，已经能快速判断出食品中微生物细菌的存在类型，避免出现大量的食物中毒事件，使食品企业免受大量的经济损失。它的优势是信息量大、操作简单、重复性好、准确率高，是鉴别微生物和转基因成分高效的方式之一。

2.5 用于监测食品的新鲜度

影响食品安全的因素除了本身的成分构成外，另一个重要的方面是食品的保质期，也就是食品的新鲜度。目前，生物传感器对食品新鲜度的监测成为生物传感器研究的一个新方向，人们希望能研究出一种模拟人类的视觉、听觉及触觉的仿生传感器。这种传感器能感受食品周围存在的各种分子，通过研究分子的组成，鉴定食品的新鲜度，如监测水产品的新鲜程度。有研究者把二茂铁作为黄嘌呤氧化酶与玻碳电极之间的电子传递体，通过检测鱼肉中次黄嘌呤含量所对应的氧化峰电流而间接检测鱼肉的新鲜度[8]。

3 结语

随着人们生活水平的提高，对食品的安全问题越来越重视，但是传统的食品安全监测方法日渐落后，并不能很好地保障人们的身体健康。为解决这一难题，生物传感器技术应运而生，它比传统的监测方法更准确、灵敏、快捷，但是此技术还没有得到广泛的普及和应用。为了扩大生物传感器的应用范围，破除存在的种种条件限制，在未来的一段时间内，相关专家会努力实现工程的多样化、产品的微型化、技术上的智能化与集成化，提高生物传感器的实用性，挖掘出生物传感器存在的巨大潜力，不仅在食品监测中得到应用，在其他领域也希望得到推广，以期生物传感器能为人们的身体健康提供保障。

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