基因芯片技术在食品检测中的应用研究进展

◎ 李 山，徐玲笑，方 芳

（衢州市食品药品检验研究院，浙江 衢州 324002）

基因芯片技术又称DNA 微阵列，是顺应科学发展要求的产物，实际上基因芯片技术也是聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）的一种衍生技术，是一种可视化的检测手段。随着基因工程技术的不断深入，基因芯片技术在各行各业得到了广泛应用，目前主要应用于基因表达谱的研究分析，包括DNA 测序、疾病筛查、诊断，以及基因分型等临床应用。基因芯片还被用于食品分析，针对食品标签程序监控、食品过敏原标识含糊不清等问题，基因芯片能够快速有效地识别猪肉、牛肉、山羊、绵羊等食物源。作为一种多学科交叉融合的新型技术，基因芯片技术检测简便、实用、快速，能同时检测多项指标，在食品检测应用中具有广阔的前景。

1 基因芯片技术概况

1.1 基因芯片原理

基因芯片原理是通过已知序列的核酸探针与标记的序列杂交，将大量特定核苷酸序列的探针固定在基片材料表面，与样品中带有荧光或生物素标记的靶向核酸序列产生碱基互补配对（A-T/G-C)，特异性序列会被探针结合，通过酶-底物显色反应，荧光信号扫描，最终确定生物信息。基因芯片包含大量的探针分子检测单元，可实现对大量核酸等生物分子的高效、快速检测和鉴别。可以说，基因芯片技术是一种高密度的杂交技术。

1.2 基因芯片类型

根据基因芯片的特点可分为多种类型：①以基质材料分，有尼龙膜、硅胶晶片、微型磁珠、玻璃片和塑料等。②以工作原理分，有杂交型、合成型、连接型和亲和识别型等。③以杂交方式分，有斑点杂交、原位杂交和Southern 印迹杂交等。④以基因芯片用途分，有基因表达芯片和DNA 测序芯片。⑤以探针合成顺序分，有原位合成和预先合成后上样。

1.3 基因芯片检测方法

基因芯片是利用微电子形态和计算机技术，构建成集成化、连续化的微型全分析系统。其检测方法主要包括4 个步骤，详见图1。

图1 基因芯片检测方法流程图

1.3.1 芯片制备

主要以基片为载体，采用原位合成和微矩阵的方法将基因片段作为探针按顺序排列在载体上，制得芯片。

1.3.2 样品制备

提取样品中的DNA，经纯化后所得产物需在260 nm和280 nm 波长测定光密度比值在1.8～2.0。符合要求的DNA，经多重PCR 扩增，制备出最佳样品。

1.3.3 杂交反应

杂交反应一般包括去活化、杂交、清洗、酶孵育和显色等步骤。需要控制好杂交温度，保证序列结合效率。

1.3.4 芯片信号检测

杂交后通过显色反应，经荧光信号扫描，获得生物信息。

2 基因芯片技术在食品检测中的应用

2.1 动物肉源及过敏原鉴定

传统肉类鉴定是基于蛋白质特性的检测方法，但食品加工易使蛋白质变性、蛋白质空间结构上发生偏移，难以准确识别蛋白，形成假阳性误判。现基因芯片技术已用于动物性肉源检测，能单次反应确认样本是否含有动物源成分，且操作简便、准确性高。

为区分市面真假牦牛及犏牛肉，赵睿骁等[1]采用PCR-基因芯片技术鉴定牦牛及犏牛肉，将扩增产物与含有12 个探针的基因芯片杂交反应，研究结果准确，灵敏度为0.1 ng。除此之外，针对不同种属动物，也能用可视化基因芯片将其快速、高效地区分开来，石丰运等[2]选择16S rRNA 为靶向基因，设计4 条特异性探针，建立4 种动物源鉴定方法，其灵敏度均可达1 pg。针对过敏性源鉴定，金萍等[3]利用反向斑点杂交结合多重PCR，设计出包含鱼、虾、禽类和花生等易致敏成分的集成基因芯片，灵敏度可达到0.01%（质量分数）水平，且经过荧光PCR 验证，结果一致性好。总之，基因芯片对于动物肉源和食品过敏原的鉴定，明显优于传统蛋白质检测法，其判定结果灵敏度低、准确性高，可以为整治市场掺假食品、判定易致敏成分，提供坚实基础。

2.2 食源性微生物检测

食源性致病菌是导致食品安全问题的重要来源，传统的微生物检测技术采用培养皿实验，耗时较长，操作复杂。现阶段，利用基因芯片技术可极大简化传统培养过程，被广泛用于食源性微生物检测。

大肠杆菌是食品中最为常见的污染源，为研究特异性探针的设计，刘莹[4]选择gyrb基因作为靶基因，能有效提高致泻大肠杆菌检测的准确性。杨丹妮等[5]通过酶联作用优化提升检测广度和灵敏度，以碱性磷酸酶为底物显色反应，结果表明能精准检出单增李斯特菌、创伤弧菌和蜡样芽孢杆菌。为进一步拓宽基因芯片检测法在食品微生物检测的广度，SARENGAOWA等[6]从3 227 潜在探针中，筛选出141 个特异性探针，研究用于检测果蔬食源性致病菌的基因芯片，其检出限为3 logCFU·g-1，检测时间仅24 h，有效提升了对果蔬的品质监控。随着越来越多的学者致力于基因芯片在微生物上的应用，基因芯片技术日益完善，能精准、快速地检测出多种食源性微生物。

2.3 转基因食品检测

目前，转基因食品的安全性存在较大的争议，还需要相关学者进一步深入研究。为了维护消费者的知情权，我国出台了法律法规要求食品明确标识含转基因成分。这就需要检测机构建立一种快速、便捷、准确的转基因检测方法。基因芯片技术采用集成式大量探针分子检测，能快速识别待测转基因片段，准确判定是否为转基因食品，保障转基因食品安全性。

市面转基因玉米种类较多，李永进等[7]将玉米醇溶蛋白基因和特异性探针序列固定于尼龙膜上，以碱性磷酸酶的显色反应，能快速直观测出9 种转基因玉米，检测限为0.5%。王忻等[8]充分验证了基因芯片针对转基因玉米检测的可行性，以GB/T 33807—2017《玉米中转基因成分的测定 基因芯片法》为主要依据，做玉米酒糟粕中转基因成分能力比对验证，其结果与中检院评价结果完全一致。除转基因玉米外，其他转基因作物也能利用基因芯片快速检测。例如，黄迎春等[9]利用包埋氨基的载玻片材料制作基因芯片，能对4 种转基因水稻、木瓜、大豆和玉米进行检测，检测结果科学、准确。由此可见，在转基因食品检测中，基因芯片技术能实现快速、精准的检测，节约检测成本和时间成本。

3 展望

食品质量安全已经成为当前全社会关注的重要问题，传统的食品检测难以满足日益增长的食品检测需求，而基因芯片技术在食品安全检测方面具有高通量、准确、快速的显著优势。然而，基因芯片技术仍处于初期阶段，存在一定的局限性，如技术成本高、高特异性探针引物设计较为复杂、分析范围狭窄，且当前基因芯片制造技术有待提升，导致难以制造出稳定的高密度探针阵列。

未来，如何进行探针和引物的设计消除探针杂交的不利影响，提高检测的特异性，将是基因芯片应用技术研究的重点之一。此外，关于基因芯片设计的数据信息库未能共享，限制了基因芯片技术在食品安全检测中的应用，需要相关机构搭建完善的基因芯片设计资料库和交流平台。随着基因芯片技术的深入，检测标准将会越来越规范，并设计出高特异性的基因芯片，以快速满足食品检测需求，从而提升食品安全风险监控能力，确保食品安全。