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食品組學技術在食品安全風險控制中的應用

文檔作者：鄧美林1，夏永鵬2*，趙博1，屠大偉1，楊小珊1 文檔來源： 1.重慶市食品藥品檢驗檢測研究院 2.重慶市食品藥品監(jiān)督管理局，		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月07日
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Food and Fermentation Technology
第51 卷（第6 期） Vol.51，No.6
食品組學技術在食品安全風險控制中的應用
鄧美林1，夏永鵬2*，趙博1，屠大偉1，楊小珊1
（1.重慶市食品藥品檢驗檢測研究院，重慶401121；2.重慶市食品藥品監(jiān)督管理局，重慶400000）
摘要：在食品安全性被高度重視的今天，常規(guī)的食品分析檢測技術已經(jīng)不能滿足食品安全發(fā)展的需要，食品組學
極大地豐富了食品安全檢測技術。在食品真?zhèn)舞b別、產(chǎn)地溯源、產(chǎn)品質(zhì)量控制、食品微生物、轉基因成分、農(nóng)藥獸藥殘
留、過敏原和生物毒素檢測中成功應用了轉錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學等組學技術，這將為食品安全甚至整個
食品工業(yè)產(chǎn)生深遠影響，也為現(xiàn)行的食品安全風險評價體系提供一種新的思路和方法。
關鍵詞：食品組學；轉錄組學；蛋白質(zhì)組學；代謝組學；食品安全
中圖分類號：TS207.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-506X（2015）06-0095-0005
Application of Food Omics Technology in Risk Control About Food Safety
DENG Mei-lin1， XIA Yong-peng2*， ZHAO Bo1， TU Da-wei1， YANG Xiao-shan1
（1.Chongqing Institute for Food and Drug Control，Chongqing 401121，China；
2.Chongqing Food and Drug Administration，Chongqing 400000，China）
Abstract： Food safety has already attracted great attention today， the conventional food analysis and detection technology
has been unable to satisfy the needs of the development of food safety. Food omics have greatly enriched
food safety detection techniques. It has been successfully applied in the detection of food authenticity， origin， product
quality control， food microbiology， genetically modified ingredients， pesticide residues， allergens and biological
toxins. Which will have a profound impact on food safety and even the whole food industry， and provide a new
idea and method for the current food safety risk assessment system.
Key words： food omics； transcript omics； proteomics； metabonomics； food safety
doi：10.3969/j.issn.1674-506X.2015.06-021
收稿日期：2015-10-26
基金項目：重慶市科技攻關（應用技術研發(fā)類）項目（cstc2014yykfA110034）。
作者簡介：鄧美林（1982-），男，碩士研究生。研究方向：食品安全及營養(yǎng)。
* 通訊作者：夏永鵬（1957-），男，教授級高級工程師，博士生導師。研究方向：食品藥品安全。
食品是一種分子種類高度復雜的混合物，未發(fā)
現(xiàn)的分子進入食品，從食品毒理學的角度上都具有
潛在安全風險。目前針對食品安全主要是對目標物
質(zhì)通過設定限量或不得檢出進行控制，以特定的指
標以點帶面來反映食品的質(zhì)量安全整體狀況，針對
這些指標制定了相應的簡單、快速、有效檢測標準。
食品安全管理部門根據(jù)相應的產(chǎn)品標準進行食品
質(zhì)量抽查， 這種評價食品安全狀況的方法具有一定
成效。但近年來三聚氰胺、地溝油、吊白塊、蘇丹紅、
羅丹明、塑化劑、食用油摻假、真假燕窩等影響較大
的食品安全事件層出不窮， 這引起了人們對以既定
的指標來評價食品安全的反思， 這些事件基本是違
法添加所引起的， 這些都體現(xiàn)了不法企業(yè)人為地避
開常規(guī)抽檢設定的指標體系，無論添加的濃度多少，
2015 年第6 期
都不在抽檢指標范圍內(nèi)， 所檢出的產(chǎn)品也是合格產(chǎn)
品。
組學技術是人類基因組研究重點的轉移， 從系
統(tǒng)生物學角度可劃分為轉錄組學、蛋白質(zhì)組學和代
謝組學。大量的科學實驗證明，食品組學技術已經(jīng)從
生物醫(yī)學領域中成功應用到食品安全領域。是對現(xiàn)
行的食品潛在不安全措施落后于新物質(zhì)出現(xiàn)和應用
的有效解決辦法， 組學技術在食品科學領域提供了
新的技術和思路，表現(xiàn)出了廣闊應用前景。
1 食品組學研究內(nèi)容及在食品中應用方向
1.1 轉錄組學在食品檢測中的應用
轉錄組學是從RNA 水平研究基因表達的情況。
轉錄組即一個活細胞所能轉錄出來的所有RNA 的
總和，是研究細胞表型和功能的一個重要手段。隨著
后基因組學時代的來臨， 轉錄組學是率先發(fā)展起來
以及應用較廣泛的技術［1］，Velcuescu 等［2］首先對轉
錄組進行了定義， 生物體在特定條件下特定細胞和
組織內(nèi)所含的所有RNA 集合可以反映出基因結構
及表達情況， 并可以揭示某種生物學過程中的分子
機理［3］。目前研究轉錄組的方法主要有：基于雜交技
術的基因芯片， 基于序列分析的基因表達系列分析
SAGE（Serial Analysis of Gene Expression） 和大規(guī)
模平信信號測序系統(tǒng)MPSS（Massivelu Parallel Signature
Sequencin）。
食源性致病菌鑒定的傳統(tǒng)方法是使用培養(yǎng)基對
微生物進行增菌和選擇性培養(yǎng)， 再通過菌落形態(tài)觀
察、顯微鏡鏡檢、生化鑒定和血清分型等手段聯(lián)合使
用以達到鑒別的目的， 試驗周期至少需要24-48h，
且并非所有致病菌均可培養(yǎng)，基因芯片在肉制品、水
產(chǎn)品和奶制品中食品微生物高通量檢測得到應用。
Kupradit 等［4］以線粒體16S rRNA 和fimY、ipaH、prfA、
uspA 物種特異性基因構建基因芯片， 經(jīng)過預增菌、
DNA 提取、PCR 預擴增和基因芯片雜交分析， 用于
檢測新鮮肌肉中沙門氏菌屬、志賀氏菌屬、單增李斯
特氏菌和大腸桿菌。該方法的檢出限為105CFU/mL，通
過10 份實際樣品測試，所有樣品均檢出沙門氏菌和
大腸桿菌，單增李斯特氏菌和志賀氏菌各檢出一份。
祝儒剛等［5］采用多重PCR 結合基因芯片技術檢測
肉制品中大腸埃希氏菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球
菌、志賀氏菌和單增李斯特氏菌5 種食源性致病菌，
方法特異性強，靈敏度為2pgDNA，在肉及肉制品實
際測試中， 該方法與傳統(tǒng)培養(yǎng)基培養(yǎng)方法檢出目標
致病菌基本一致。Giana-nino 等［6］使用基因芯片技
術鑒定牛奶中14 種細菌， 通過多重PCR 反應結合
基因芯片技術，14 種細菌區(qū)分明顯， 并且表面中的
優(yōu)勢細菌為嗜熱鏈球菌、糞便球菌、乳酸乳球菌和乳
明串珠菌。食品摻假是食品安全中重要環(huán)節(jié)，Peter
等［7］利用基于cytb 基因芯片，對牛、豬、綿羊、山羊、
雞和火雞進行檢測， 在混合肉類產(chǎn)品中檢出限為
0.1%。Jenison 等［8］在硅表面利用高反射性能光學涂
層開發(fā)了一種可視化芯片技術， 通過人眼判斷芯片
雜交結果，國內(nèi)在可視化芯片技術也有報道，成曉維
等［9］以靶基因為單位，分別用不同的陽性對照核酸
對靶基因進行擴增后與芯片進行雜交， 然后加入顯
色液避光反應5-10min。用超純水沖洗芯片后，直接
讀取數(shù)據(jù)?？梢暬酒夹g作為一門新技術，在基層
實驗室推廣使用具有較大的應用前景。DNA 條形碼
（DNA barcode） 是指生物體內(nèi)能夠代表該物種的、
標準的、有足夠變異的、易擴增且相對較短的DNA
片段。DNA 條形碼已經(jīng)成為生態(tài)學研究的重要工
具，在食品領域的應用主要是用于物種鑒定。律迎春
等［10］應用DNA 條形碼技術鑒別海參，通過PCR 擴
增和測序，得到了海參7 個品種43 個個體的線粒體
COI 基因部分序列， 種間和種內(nèi)遺傳距離符合
Hebert 等推薦的10 倍種內(nèi)變異作為標記物種遺傳
分化的“標準序列閾值”，表明以海參線粒體COI 基
因作為品種鑒定的DNA 條形碼具備可行性和有效
性。辛一等［11］選取了大連、青島、威海、汕頭以及日本
宮城5 個皺紋盤鮑群體共16 個個體， 利用基于
COI、COII 和cytb 的分子標記證實鮑屬物種在種間
存在條形碼間隙， 能夠將涉及到鮑屬種類全部有效
鑒別。
1.2 蛋白質(zhì)組學在食品安全中的應用
蛋白質(zhì)組學（proteome）于1994 年在意大利的
一次科學會議上提出，蛋白質(zhì)組學（proteomics）是從
整體角度分析細胞內(nèi)動態(tài)變化的蛋白質(zhì)組成、表達
水平和修飾狀態(tài)。蛋白質(zhì)是食品的重要組成成分之
一，為人體提供所需的能量和必要的氨基酸，同時蛋
白質(zhì)也在生物體細胞和結構中發(fā)揮重要的功能作
用， 市場上有很多具有活性功能的蛋白質(zhì)或多肽產(chǎn)
品，如燕窩、鹿茸和蜂王漿等，這些高附加值的食品
成為摻假者重點關注的對象， 傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)檢測方
法無法分辨出是否為該產(chǎn)品的專屬蛋白。蛋白質(zhì)組
學技術作為前沿技術，在食品鑒偽、產(chǎn)地溯源、品質(zhì)
分析、農(nóng)藥獸藥殘留及過敏原檢測中得到越來越廣
泛的應用。
蛋白質(zhì)組學分為結構蛋白質(zhì)組學和功能蛋白質(zhì)
組學。結構蛋白質(zhì)組學主要是對蛋白質(zhì)氨基酸序列
96
第51 卷（總第190 期）
分析及空間結構的解析， 功能蛋白質(zhì)組學主要是對
蛋白質(zhì)功能模式研究。在食品領域的研究，主要為利
用差異蛋白質(zhì)組學技術對蛋白質(zhì)組分、糖基化、磷酸
化等翻譯后修飾的改變進行特征性描述。在食品品
質(zhì)、食品功能、食品鑒偽、食品營養(yǎng)等方面具有重要
應用［12］。蛋白質(zhì)組學研究的核心技術是蛋白質(zhì)組分
分離技術、蛋白質(zhì)組分鑒定技術以及利用蛋白質(zhì)信
息學進行蛋白質(zhì)結構、功能分析及預測。蛋白質(zhì)分離
技術主要有電泳技術、液相色譜、層析技術和超離技
術等，其中應用最多的是雙向凝膠電泳技術。蛋白質(zhì)
組分鑒定技術主要為質(zhì)譜技術和氨基酸序列分析技
術。分離技術與質(zhì)譜技術的聯(lián)用的生物質(zhì)譜是現(xiàn)在
分析蛋白質(zhì)組的重要手段， 主要利用機制輔助激光
解吸電離（MALDI）、電噴霧電離（ESI）、表面增強激
光解吸離子化（SELDI）、大氣壓電離（APCI）和快原
子轟擊（FAB）等軟電離質(zhì)譜技術對蛋白質(zhì)進行結構
分析，常用的質(zhì)譜儀有飛行時間質(zhì)譜（TOF）、四極桿
質(zhì)譜（Q）和離子阱質(zhì)譜（QTRAP），以及它們的聯(lián)用
如ESI-Q-TOF、MALDI-TOF-TOF 和Q-Orbitrap 等。
蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫及分析軟件的出現(xiàn)推動了蛋白質(zhì)信息
學發(fā)展， 蛋白質(zhì)信息學能夠對差異蛋白質(zhì)位點進行
快速結構、性質(zhì)、功能鑒定［13］，當離子化的肽段經(jīng)過
質(zhì)譜儀后， 因分子量的差異在通過飛行時間管時而
被分離，利用搜索軟件Paragon［14］、Mascot、PepSea 和
PeptideSearch 等在NCBI、EBI 或其它數(shù)據(jù)庫比較目
標峰與理論蛋白的相識度。研究蛋白質(zhì)組學主要的
方法有2-DE 結合質(zhì)譜鑒定法、多維色譜-質(zhì)譜聯(lián)用
蛋白質(zhì)鑒定法和同位素標記親和標簽法，其中2-DE
結合MS 的方法是最經(jīng)典也是應用范圍最廣的方
法。燕窩具有多種藥理作用的燕窩蛋白，摻假者主
要用豬皮、白木耳、銀耳、蛋清、淀粉、明膠、瓊脂和魚
鰾等偽制而成，烏日罕等［15］對印度尼西亞、馬來西亞
和泰國等國家的14 個燕窩樣品的可溶性蛋白質(zhì)雙
向電泳譜圖進行了分析， 分子量在28kDa 到57kDa
之間的2 個蛋白質(zhì)點群可作為燕窩與銀耳屬性區(qū)別
的特征蛋白群， 檢出下限為10%銀耳摻假燕窩。Liu
等［16］以燕窩唾液酸糖蛋白為抗原，制備了抗燕窩唾
液酸糖蛋白單克隆抗體，建立了免疫學方法，計算出
燕窩中唾液酸糖蛋白的量相對恒定值為464mg/g。
陳璐等［17］通過雙向電泳分析技術，得到了10 種不
同產(chǎn)地冬蟲夏草和12 種其它蟲草蛋白質(zhì)譜圖，結果
顯示蛋白質(zhì)在冬蟲夏草種內(nèi)表達穩(wěn)定， 選用冬蟲夏草
特征蛋白質(zhì)CSpro-2 和CSpro-8 作為特征蛋白質(zhì)用
于冬蟲夏草快速鑒別。廖國周等［18］利用三氯乙酸-
丙酮沉淀法提取宣威火腿中肌肉蛋白， 經(jīng)電泳后凝
膠用考馬斯亮藍染色， 用ImageMaster 2D Platinum
軟件分析蛋白質(zhì)點， 切取其中的蛋白點用MALDITOF/
TOF 分析后得到肽質(zhì)量指紋圖譜，用Mascot 軟
件分析， 建立了宣威火腿的蛋白質(zhì)組學研究方法。
Won 等［19］通過SDS-PAGE 及MALDI-TOF 分析Apis
cerana 和Apis mellifera 兩種蜂蜜中主要蛋白質(zhì)，發(fā)
現(xiàn)兩種蜂蜜都具有結構相似但分子量不同的MPJP1
（major royal jelly protein 1）蛋白，可用于鑒別兩種
蜂蜜的產(chǎn)地及蜂種。Wang 等［20］也利用MALDI-TOF
MS 和蛋白質(zhì)指紋技術鑒別不同地區(qū)蜂蜜產(chǎn)地。王麗
娜等［21］對水牛奶酪蛋白的肽段進行質(zhì)譜分析，并與
乳牛奶和山羊奶中酪蛋白進行氨基酸序列比對，通
過C18 色譜柱分離后用LTQ-Orbitrap 質(zhì)譜儀鑒定
分析，結果表明，不同種屬的奶酪蛋白的氨基酸序列
存在差異，在酪蛋白的氨基酸序列比對中，水牛奶與
山羊奶的差異比與乳牛奶差異大。Careri 等［22］對巧
克力果仁中過敏原Arah2 與Arah3/4 進行定量分
析，其檢測限分別達到5μg/g 和1μg/g。楊國武等［23］
對深圳市售的18 個雞蛋樣品進行蛋黃蛋白質(zhì)圖譜
分析比對，發(fā)現(xiàn)17 個蛋白點組成的3 個蛋白質(zhì)點群
為所有雞蛋共有的高豐度蛋白質(zhì)點， 建立了一個鑒
別真假雞蛋的蛋白質(zhì)模式圖譜。
1.3 代謝組學在食品安全中應用
代謝組學是通過考察生物體系受刺激或擾動
后，相對分子量小于1000 的小分子代謝產(chǎn)物的變化
或其隨時間的變化［24］，由倫敦大學Jeremy Nicholson
教授于1999 年首次提出。代謝組學基本原理是用誤
差盡可能小的方法處理和無偏檢測樣品中盡可能多
的化合物， 再利用多元統(tǒng)計分析等生物學方法處理
數(shù)據(jù)，找出有意義的標志物并進行闡釋，或建立模型
用于判別或預測。根據(jù)應用分析手段不同代謝組學
分為核磁共振代謝組學和色譜-質(zhì)譜代謝組學，與
質(zhì)譜代謝組學相比， 核磁共振對所有化合物靈敏度
一樣，不會有離子化程度和基質(zhì)干擾等問題，但存在
靈敏度差，譜圖重疊嚴重等缺點，為了分析盡可能多
的代謝物， 經(jīng)常會使用GC-MS、LC-MS 和NMR 三
種手段互補分析，由于GC-MS 具有NIST 譜庫可進
行譜圖比對而作為代謝組學首選分析手段。代謝組
學既可對已知的化合物進行分析，又能對未知化合物
進行分析［25-27］，根據(jù)研究對象和目的不同，代謝組學
分析技術分為靶向代謝組學和非靶向代謝組學。非
靶向、高通量地定性定量分析樣品中盡可能多的小
分子物質(zhì)與目前單一目標檢測相區(qū)別。Feihn 等［28］認
鄧美林等：食品組學技術在食品安全風險控制中的應用97
2015 年第6 期
為，代謝組學技術與靶標分析技術（Target analysisi）
的區(qū)別是靶標分析技術限定于對一種或少數(shù)幾種目
標物進行分析檢測。與指紋圖譜技術的區(qū)別：指紋技
術不以分離、分析或測量具體組分為目的，而是單用
一種儀器獲得樣品全組分的圖譜，然后利用多元統(tǒng)
計分析對譜圖進行比較以找到能將樣品區(qū)分開來。
國內(nèi)外一些學者采用代謝組學技術對食品安全領域
中新的未知化合物監(jiān)測、摻假鑒別、有機農(nóng)作物鑒
別、農(nóng)藥殘留、毒素高通量檢測、轉基因食品安全性
評價、致病菌快速檢測和畜肉品種鑒別等問題進行
研究。Courant 等［29］利用LC-HRMS 分析小牛尿液代
謝物的改變，結合主成分分析(PCA)和正交偏最小二
乘法判別分析（OPLS-DA）進行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)兩個
潛在的生物標志物。Duan 等［30］利用LC-QTOF 研究
了因食用了含三聚氰胺奶粉導致腎結石的兒童尿
液，結合主成分分析和正交偏最小二乘法判別分析，
發(fā)現(xiàn)誘發(fā)兒童腎結石的生物標志物次黃嘌呤。核桃
油和橄欖油具有相似的化學成分，在歐洲，每年由核
桃油摻入橄欖油引起的經(jīng)濟損失在400 萬歐元。
Manina 等［31］根據(jù)假想的摻假方法來進行樣品制備，
在600MHz 核磁共振儀利用一維氫譜核磁共振
（1H-NMR）代謝組學技術建立了橄欖油中摻入核桃
油的鑒別方法，檢出限為10%核桃油加入量。Catchpole
等［32］等利用代謝組學評價常規(guī)土豆和轉基因土
豆代謝物的差異，采用GC-TOF-MS、流動注射電噴
霧串聯(lián)質(zhì)譜法（FIE-MS）、LC-MS 和親水作用色譜
串聯(lián)質(zhì)譜（HILIC-MS）分析，結果表明轉基因土豆與
常規(guī)土豆最主要差異來自于果糖，當將這些果寡糖
從數(shù)據(jù)中去除后，PCA 不能區(qū)分任何基因型。王世
成等［33］采用HPLC-MS 技術研究了注射氯霉素后牛
奶中內(nèi)源性代謝物隨時間變化情況，結果表明，注射
氯霉素后，牛奶的代謝指紋圖譜中8 個譜峰的變化
隨給藥及休藥時間呈現(xiàn)一定升降規(guī)律，采用偏最小
二乘判別分析法（PLS-DA）可將給藥組與空白組樣
品完全分開，組間差異貢獻較大的單羥基十八碳二
烯酸可作為注射氯霉素后奶牛體內(nèi)代謝內(nèi)源性生物
標志物。
2 小結
食品組學技術在食品領域已顯示了良好應用前
景，在我國，轉錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學在食
品領域的研究起步較晚，相關技術成果轉化到食品
安全檢測中較少，在食品摻假、產(chǎn)品溯源、食品原料
質(zhì)量控制、食源性致病菌、有毒化合物和過敏原檢測
等方面組學技術分析將是重要工具，也是現(xiàn)行的食
品安全評價制度有力的補充， 為開展食品安全風險
監(jiān)測和評估提供一種新的思路和方法。
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