张  斌
（蚌埠高等专科学校食品工程系，蚌埠  233000）

摘  要：生物传感器是一种新兴的生物技术产品，在分析领域中具有极大的潜力和应用前景。在食品工业生产中，各种营养成分、农药残留、重金属毒性等都能够通过生物传感器快速、准确的测定。
关键词：生物传感器；食品分析

生物传感器主要由生物识别元件和信号转换器两大部分组成。生物识别元件又称感受器，由具有分子识别能力的生物活性物质（如酶、微生物、动植物组织切片）构成。信号转换器（如热敏电阻、光纤等）是一个电化学、光学或热敏检测元件。当生物识别元件与待测物发生特异作用后，所得产物（或光、热等）通过信号转换器转变成可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。生物传感器有优异的选择性和较高的灵敏度，有可能不用试剂，在组分复杂的试样中快速和连续测定被分析物。因而在生物过程、食品工业等领域有广阔的应用前景。
1  畜产品新鲜度的测定
肉制品在贮存过程中，随时间的延长，细菌增殖，致使蛋白质分解成尸胺、腐胺。当这些胺达到检测限度时，肉食品的细菌总数已达107个/g，这正好是肉品鲜度的指标，用酶传感器进行检测，已证明最为简便有效。
畜肉产品在后熟过程中，由僵硬状变软，因酶的作用而生成氨基酸、肽等呈味成分。此时肉味最佳，然而后熟程序的判断仅靠专家评价则是不科学的手段，人为的影响因素很多。现已发现动物肉品成熟的生物化学变化，如牛肉，将其放在2℃条件下贮藏，第3d起ATP、ADP、AMP均未检出，但呈味成分IMP，随着贮藏日数增加而减少，黄嘌呤、次黄嘌呤则呈直线增加。因此，IMP、黄嘌呤、次黄嘌呤则为畜肉后熟程度的化学指标，也可作为肉品鲜度的指标，而这些指标的检测，采用多功能酶传感器已获得成功，该方法样品量少，分析时间短，再现性好。
酶胺也是肉鲜度的特异性指标，测定酪胺的酶传感器，在50～200μm范围内，含量范围与肉鲜度呈线性关系，该传感器包括一个单胺氧化酶、一胶原膜和一个氧电极，电极的响应时间为45min。
2  食品农药和抗生素残留量的分析
随着科学的发展，不断有新的农药和抗生素用于农业生产。它们在给人类带来富足的同时，也给人类健康带来了危害。所以对农药和抗生素残留量的测定，对食品安全有着重要的意义。
目前，测定农药残留量常用的方法是色谱法、色谱-质谱联用法以及波谱法，由于这些方法所需仪器复杂、价格昂贵、耗时久，而且有些农药具有热不稳定性、挥发性，要用液相色谱或毛细管电泳才能测定，因此它们都难以满足现场快速检测分析的需要。生物传感器的出现为此问题提供了一条可能的解决途径。
根据一些化合物能抑制特定的酶活性这一性质，近年来已经开发设计出一些电化学生物传感器，应用于农药测定。例如，对于有机磷农药和氨基甲酸脂类农药的检测，目前已经开发了一系列基于胆碱酯酶电化学生物传感器。其基本原理：
乙酰胆碱在乙酰胆碱酯酶的催化下可以分解为乙酸和胆碱：
CH3COO（CH2）2N+＋（CH3）3Cl-+H2O AchE CH3OOH+HO（CH2）2N++（CH3）3Cl-
在水溶液中，乙酸电离，从而使溶液的pH值发生变化：
CH3COOH   CH3COO-+H+
有机磷农药或氨基甲酸酯类农药可以有效的结合到乙酰胆碱酯酶的活性位点上，抑制酶的活性，减少pH值的变化。通过检测这种微小的变化，便可以测得溶液中的有机磷农药的含量。此种快速检测手段目前发展很快，不过其检测灵敏度在很大程度上受到胆碱酯酶类型和来源的影响。而且，高含量重金属离子、无机阴离子及一些有机物对传感器的响应有一定的干扰。
伴随着生物技术的不断进步，利用基因工程技术，人们已经成功制备和分离了能够特异性分解有机磷农药的有机磷水解酶。在此酶的作用下，有机磷农药可以发生如下反应：

其中X表示O或S，R代表烷氧基（C1―C4），R’为烷氧基苯基，Z表示苯氧基。
此反应的产物可进一步电离出H+，从而可以利用对H+敏感的检测器得到相应的输出信号。它相对于传统的基于胆碱酯酶的生物传感器的优势有如下3点：①选择性好，只对有机磷农药有响应，因此能有效的区分有机磷农药与氨基甲酸酯类农药；②传感器探头的再生过程简单，再生周期也大为缩短；③检测过程中不需要加入其他辅助试剂。
Mulchandani等研制的一系列基于此酶的生物传感器，包括电位型、电流型及光纤型生物传感器，在食品农药残留量检测中具有良好的检测效果。
3  食品添加剂的分析
食品添加剂的种类很多，如甜味剂、酸味剂、抗氧化剂等。将生物传感器用于食品添加剂的分析较为快速、准确。
亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，Smith等采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料，制成了电流型二氧化硫酶电极，可用于水果干、酒、醋、果汁等食品中亚硫酸盐的测定，测定的线性范围为0～0.6mmol/L。苯甲酸盐是食品工业中常用的另一种防腐剂，可用于软饮料、酱油和醋等的食品中，通常采用GC法测定，因此需要专有设备。Nission用NADPH作为电子传递体，根据苯甲酸盐氧化过程中由于氧的消失从而导致电流信号的变化制成了苯甲酸盐酶电极，测定的结果与GC的分析结果相吻合。
另外还有用生物传感器测定防腐剂如过氧化氢，酸味剂如磷酸、乳酸、L-谷氨酸以及色素、乳化剂等。
4  食品中重金属的测定
由于铅、汞等重金属离子可以在生物体体内不断的沉积和富集，它们的污染对食品的品质和人类的健康都造成了极大的威胁。
检测重金属离子的生物传感器主要基于重金属离子可以造成氧化酶和脱氢酶失活的原理，因此，如果选择合适的酶并将其固定于亲和性膜上，结合Clark氧电极，通过计算氧的消耗速率就可以推知重金属的污染程度。Hipert和Reinhold以谷光甘肽作为水溶液中检测重金属离子的生物传感器的生物识别元件。这些肽/蛋白通过硫醇盐选择性地与重金属连接。如果生物识别元件被固定在合适的信号转换器表面，由连接金属离子影响而在固定化肽/蛋白层中产生的变化（氢离子释放、质量及光学特征变化），可被转换器（氢离子敏感型场效应管、质量敏感型光装置）转换成电信号。实验证明，谷光甘肽适合作重金属生物传感器的生物识别元件。
5  含糖量的测定
现在测葡萄糖（G）的生物传感器已广泛应用于医疗、食品及发酵工业中，在食品工业中，生物传感器不仅能测定食品及原料的含糖量，更重要的是能对多种食品工业过程进行监测。生物传感器对食品中的果糖、蔗糖、麦芽糖等有较好的测定效果。
6  小结
生物传感器作为一门实用性很强的高新技术，之所以备受人们的青睐，主要是在各个现代科学和技术领域里它有潜在的应用前景。但迄今为止，除少数的生物传感器应用于实际测定外，生物传感器还存在着急需解决的问题，如一些生物识别元件长期稳定性、可靠性、一致性等方面还不理想，批量生产尚待建立，多数仍处于研究阶段。然而，作为一门新技术，它有着极强的生命力，随着科技的发展生物传感器在各个方面将会占据主导地位。◇

参考文献
［1］ 罗颖华，等. 厦门大学学报，1991，30（1）：64.
［2］ 陈欢林. 环境生物技术与工程.化学工业出版社，2003，8.
［3］ 中国仪器仪表学会，中国化学会.第七届全国化学传感器学术交流论文集，上海，1997.
［4］ Mascini M.Report on Biosensor Technology in Europe. Florence,Italy,1992.
［5］ 吴礼荣，朱长乐. 生物传感器研究进展，1995，12.