纳米酶在食品安全快速检测中的应用及展望

黄宇琪 付亚娜 郭歌 王田林

摘 要：纳米酶作为天然酶的潜在替代物，具有制备简单、无需纯化、成本低及稳定性好等优势，已广泛应用于生物传感、环保、疾病诊断和治疗等领域，在食品安全快速检测方面也扮演了关键角色。本文系统地介绍了近年来纳米酶在食品安全检测领域的最新研究进展，并分析了纳米酶在食品检测中面临的挑战。

关键词：纳米酶;食品安全;快速检测

Application and Prospect of Nanoenzymes in Rapid Detection of Food Safety

HUANG Yuqi， FU Yana， GUO Ge， WANG Tianlin

（College of Food Science and Technology， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： As a potential substitute for natural enzymes， nano-enzymes have the advantages of simple preparation， no purification， low cost and good stability. They have been widely used in biosensors， environmental protection， disease diagnosis and treatment. Among them， they also play keys role in the rapid detection of food safety. This paper systematically introduces the latest research progress of nano-enzymes in the field of food safety detection in recent years， and analyzes the challenges faced by nano-enzymes in food detection.

Keywords： nano-enzymes; food safety; rapid detection

食品是人类赖以生存和发展的物质基础，食品安全关系到人们的身体健康和生命安全。全球食品贸易的迅猛增长使食品供应链更加复杂，食品安全问题成为人们共同关注的焦点问题。因此，各国政府都设立严格的标准检测食品中的风险因子。传统的检测方法是以大型检测仪器为主，如高效液相色谱法、原子吸收/发射光谱法、电感耦合等离子体质谱等，这些方法具有检测灵敏度高，特异性好的优点，但其具有操作复杂、耗时长、检测成本高等缺点，并不符合“快速检测”的要求[1-3]。

天然酶是自然界中廣泛存在的用于催化特定化学反应的一类物质，其主要成分为蛋白质、RNA或两者复合体，具有催化效率高、选择性强等特点。天然酶的结构决定了其具有容易变性、制备困难、成本高及难以回收等缺点，限制了其在实际中的应用，不适用大规模工业生产。为了克服以上缺点，研究人员通过各种尝试找到催化活性强且稳定的天然酶替代物，近年来，具有类酶活性的纳米材料（简称纳米酶）引起了人们的关注。相较于天然酶，纳米酶具有合成简单、成本可控、稳定易储存、催化性能强等优势，尤其是催化活性可调节、具有更大比表面积、对外部刺激响应灵敏、便于修饰和与生物分子结合等特点，使其具有很大的开发潜力。目前，已开发的纳米材料有如磁性纳米颗粒、金纳米颗粒、氧化石墨烯和金属有机框架等具有多种氧化还原酶的活性，如氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶等，这些特殊的性质使纳米酶在各种领域成为不可或缺的物质[4]。以纳米酶为主的生物传感器是以其为基础原件，通过催化底物显色，利用目标物与纳米酶的相互作用或其对纳米酶催化体系的调控作用实现对目标物的比色灵敏检测。目前，纳米酶传感器因具有耗时短、价格低及结果易于观察等优势广泛应用快速检测中。本文主要综述了纳米酶在影响食品安全的重金属离子、毒素、细菌、农兽药等方面的检测研究进展（图1），并进一步分析了纳米酶在食品安全检测中存在的问题以及未来的前景。

1 纳米酶在检测重金属离子中的应用

重金属离子如汞（Hg2+）、铅（Pb2+）、铜（Cu2+）等容易在水资源中富集，对人体健康产生威胁。因此对水资源中的重金属离子的及时监测具有重要意义。MAO等[5]设计了纸芯片、芯吸垫和底座组成的装置，在装置上沉积了合成的DNA修饰金纳米颗粒（DNA-AuNPs），Hg2+可以被DNA-AuNPs吸附，形成的DNA-AuNPs/Hg2+在双氧水的协助下催化3，3'5，5'-四甲基联苯胺（3，3'5，5'-tetramethylbenzidine，TMB）显蓝色，DNA-AuNPs类酶催化活性随着Hg2+浓度的增加而增大，进而蓝色越深。通过色度仪读取颜色的灰度值与Hg2+浓度的线性关系，可得出Hg2+的线性范围为50～2 000 nmol/L，检测限为10 nmol/L。

将该方法用于实际水样的检测，回收率达到85.7%～105.6%。该方法具有成本低，操作简便快捷的特点，在实际样品应用中具有很大潜力。XIANG等[6]将铂纳米颗粒负载在二氧化硅纳米颗粒的表面上来合成基于二氧化硅的纳米酶，并且所合成的纳米酶表现出优异的过氧化物酶活性。合成二氧化硅的纳米酶可以特异性地还原Hg2+到Hg，其自身的催化能力也随之降低。随着Hg2+增加，TMB颜色逐渐褪去，其检测限低至60 fmol/L，线性范围为

5 pmol/L～5000 nmol/L。

2 纳米酶在检测生物毒素中的应用

生物毒素是由各种生物产生的对其他生物体具有毒害作用的化学物质。生物毒素在食品中的含量虽低，但其危害大、毒性强。因此，利用纳米酶的特性研发快速检测方法，实现对生物毒素的及时检测不仅是保障食品安全重要手段，更是对化学生态学、化学生物、医学及药学等诸多生命科学领域的研究有着十分重要的意义。赭曲霉毒素A（Ochratoxin A，OTA）主要是曲霉和青霉菌的次级代谢物，广泛存在于小麦、玉米、葡萄酒、干果等食物中。OTA可诱导产生肝毒性、肾毒性、致畸性、致癌性等，因此需开发快检技术检测食物中OTA的残留量。TIAN等[7]基于二氧化锰纳米片层（MnO2 NS）的类酶活性开发一种新型的基于级联反应的比色适配体传感器，实现对OTA的高灵敏检测。通过生物素-链霉抗生物素蛋白反应将生物素标记的OTA适配体固定在链霉抗生物素蛋白磁珠上。由于OTA与其适配体结合，适配体的结构转换导致碱性磷酸酶标记的寡核苷酸释放，该寡核苷酸与适配体部分互补。通过级联反应将抗坏血酸-2-磷酸酶转化为强还原性抗坏血酸，生成的抗坏血酸将MnO2 NS还原为Mn2+离子，从而破坏了MnO2 NS的氧化酶模拟活性，因此不能催化TMB显蓝色，随着OTA含量的增加，TMB的颜色会从蓝色到无色。利用紫外分光光度计测量TMB的吸光度值与OTA浓度在1.25～250 nmol/L范围内存在良好的线性关系，且OTA检测限可低至0.069 nmol/L。该方法基于MnO2 NS类酶活性，通过级联反应扩大检测信号，大大提高了灵敏度，可为食品中的OTA提供新的技术手段。常见毒素黄曲霉毒素已被世界卫生组织癌症研究所列为天然致癌物，他们广泛存在于各种坚果中，利用纳米酶也可测定食品中的黄曲霉毒素B1。

3 纳米酶在检测农兽药中的应用

农药残留是农作物质量检测的重要指标，含有过量农药残留的食物被人误食后引起胃肠道疾病或出现神经系统紊乱等症状，嚴重者会威胁生命。近年来，由于纳米材料独特的催化性能和优势，纳米酶在食品中农药残留检测中的应用越来越广泛。HUANG等[8]构建了一种基于纳米酶的比色纸基传感器用于有机磷农药（Organophosphorus Pesticides，OPS）的检测，合成的γ-MnOOH具有类氧化酶的活性，能催化TMB显现蓝色;乙酰胆碱酯酶可以催化相应的底物生成硫胆碱。硫胆碱拥有较强的还原性可将γ-MnOOH还原成Mn2+，抑制了其催化TMB。基于OPS抑制乙酰胆碱酯酶的活性，该方法成功检测了氧化乐果和敌敌畏两种农药，检测限分别为0.35 ng/mL和0.14 ng/mL，利用该方法成功实现了大白菜中有机磷农药的检测。白秋月等[9]以碳酸锰、脲、柠檬酸、双氧水为原料，采用微波加热法合成具有纳米模拟酶催化活性的锰掺杂碳点（Mn-CDs）。Mn-CDs可催化TMB产生蓝色的ox-TMB。乙酰胆碱酯酶（AChE）催化底物乙酰硫代胆碱（ATCh）生成的硫代胆碱（TCh），还原所生成的ox-TMB使溶液蓝色褪去。有机磷类农药能有效抑制AChE的活性，使TCh的生成量减少，溶液的蓝色变深。根据吸光度的变化可以定量检测有机磷农药含量，由溶液颜色的深浅构建毒死蜱的可视化半定量检测方法。检测的线性范围是0～3.5 μg/mL，检测限为0.013 μg/mL。将该检测方法用于苹果实际样品中毒死蜱的测定，回收率为95.2%～102.8%，表明该方法有望应用于实际样品中有机磷的高灵敏测定。

4 纳米酶在检测细菌中的应用

近年来，由于食源性疾病的高发病率，食源性细菌已成为对全球公共卫生的主要威胁。其中，单增李斯特菌、大肠杆菌O157：H7、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌等是常见的人体易感染细菌。近年来，基于纳米酶的生物传感器已被应用于这些主要的食源性致病菌的检测。ZHU等[10]首先合成了正八面体结构的Mn3O4纳米颗粒具有很强的类酶活性，能催化TMB显现蓝色，当金黄色葡萄球菌的适配体SA31吸附在纳米颗粒表明时会抑制其类酶活性，进而阻止催化TMB显色，而金黄色葡萄球菌与其适配体SA31结合后使适配体脱离纳米颗粒表面，此时颗粒的类酶活性恢复。该方法具有快速，特异性好的优点，并已成功应用于牛奶和猪肉样品中的金黄色葡萄球菌检测。

5 结语

纳米酶作为潜在的天然酶替代品引起了广泛的兴趣。目前，纳米酶在生物传感、环境保护、抗菌目的、癌症治疗和细胞保护等方面发挥着巨大的优势。在食品安全快速检测方面同样取得了一定的成绩，纳米酶的比色传感器已经达到食品中风险因子的特异性检测的要求，但这些检测系统仍存在一些需要解决的问题。①目前对食品中风险因子检测的研究主要集中在液体样品上，如牛奶、果汁饮料等，而对固体食品样品的关注较少，需要投入更多的努力来探索这一领域。②与高效液相色谱、气相色谱和离子色谱等色谱分析技术相比，基于纳米酶的检测平台只能检测单一目标物质，无法实现复杂体系中多种物质的检测。③与其他检测方法相比，纳米酶检测在实验室中的应用与实际应用之间仍存在一定的差距。基于纳米酶的检测条、微流控芯片和试剂盒的开发和商业应用应是未来研究的重点。

参考文献

[1]王琦，岳宁，李晓慧，等.QuEChERS技术结合超高效液相-串联质谱同时测定薄皮甜瓜中7种葫芦素[J].食品科学，2022，43（4）：44-49.

[2]杨静.电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）与石墨炉原子吸收光谱法测定饮用水中重金属元素的比较[J].中国无机分析化学，2015，5（4）：16-19.

[3]刘嘉乐，谢秋红，李正刚，等.微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定启脾丸中重金属及有害元素含量[J].现代食品，2021（24）：181-184.

[4]戈明亮，李越颖，梁国栋.纳米酶在传感检测中的应用研究进展[J].材料导报，2021，35（19）：19195-19203.

[5]MAO M X， ZHENG R， PENG C F， et al. DNA-gold Nanozyme-modified paper device for enhanced colorimetric detection of mercury ions[J]. Biosensors， 2020，10（12）：211.

[6]XIANG K， CHEN G， NIE A X， et al. Silica-based nanoenzymes for rapid and ultrasensitive detection of mercury ions[J].Sensors and Actuators B： Chemical，2021，330：129304.

[7]TIAN F， ZHOU J， JIAO B， et al. A nanozyme-based cascade colorimetric aptasensor for amplified detection of ochratoxin A[J]. Nanoscale，2019，11（19）：9547-9555.

[8]HUANG L， SUN D W， PU H， et al. A colorimetric paper sensor based on the domino reaction of acetylcholinesterase and degradable γ-MnOOH nanozyme for sensitive detection of organophosphorus pesticides[J].Sensors and Actuators B： Chemical，2019，290：573-580.

[9]白秋月，杨春亮，林丽云，等.锰掺杂的碳点作为纳米模拟酶用于比色检测毒死蜱[J].热带作物学报，2019，40（6）：1195-1204.

[10]ZHU S， TANG Y， SHI B， et al. Oligonucleotide-mediated the oxidase-mimicking activity of Mn3O4 nanoparticles as a novel colorimetric aptasensor for ultrasensitive and selective detection of Staphylococcus aureus in food[J].Sensors and Actuators B： Chemical，2021，349：130809.