納米酶在食品安全快速檢測(cè)中的應(yīng)用及展望

黃宇琪 付亞娜 郭歌 王田林

摘 要：納米酶作為天然酶的潛在替代物，具有制備簡(jiǎn)單、無(wú)需純化、成本低及穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于生物傳感、環(huán)保、疾病診斷和治療等領(lǐng)域，在食品安全快速檢測(cè)方面也扮演了關(guān)鍵角色。本文系統(tǒng)地介紹了近年來(lái)納米酶在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，并分析了納米酶在食品檢測(cè)中面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：納米酶;食品安全;快速檢測(cè)

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

食品是人類(lèi)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，食品安全關(guān)系到人們的身體健康和生命安全。全球食品貿(mào)易的迅猛增長(zhǎng)使食品供應(yīng)鏈更加復(fù)雜，食品安全問(wèn)題成為人們共同關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。因此，各國(guó)政府都設(shè)立嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)食品中的風(fēng)險(xiǎn)因子。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是以大型檢測(cè)儀器為主，如高效液相色譜法、原子吸收/發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜等，這些方法具有檢測(cè)靈敏度高，特異性好的優(yōu)點(diǎn)，但其具有操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、檢測(cè)成本高等缺點(diǎn)，并不符合“快速檢測(cè)”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學(xué)反應(yīng)的一類(lèi)物質(zhì)，其主要成分為蛋白質(zhì)、RNA或兩者復(fù)合體，具有催化效率高、選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)。天然酶的結(jié)構(gòu)決定了其具有容易變性、制備困難、成本高及難以回收等缺點(diǎn)，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用，不適用大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。為了克服以上缺點(diǎn)，研究人員通過(guò)各種嘗試找到催化活性強(qiáng)且穩(wěn)定的天然酶替代物，近年來(lái)，具有類(lèi)酶活性的納米材料（簡(jiǎn)稱納米酶）引起了人們的關(guān)注。相較于天然酶，納米酶具有合成簡(jiǎn)單、成本可控、穩(wěn)定易儲(chǔ)存、催化性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，尤其是催化活性可調(diào)節(jié)、具有更大比表面積、對(duì)外部刺激響應(yīng)靈敏、便于修飾和與生物分子結(jié)合等特點(diǎn)，使其具有很大的開(kāi)發(fā)潛力。目前，已開(kāi)發(fā)的納米材料有如磁性納米顆粒、金納米顆粒、氧化石墨烯和金屬有機(jī)框架等具有多種氧化還原酶的活性，如氧化酶、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化酶等，這些特殊的性質(zhì)使納米酶在各種領(lǐng)域成為不可或缺的物質(zhì)[4]。以納米酶為主的生物傳感器是以其為基礎(chǔ)原件，通過(guò)催化底物顯色，利用目標(biāo)物與納米酶的相互作用或其對(duì)納米酶催化體系的調(diào)控作用實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的比色靈敏檢測(cè)。目前，納米酶?jìng)鞲衅饕蚓哂泻臅r(shí)短、價(jià)格低及結(jié)果易于觀察等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用快速檢測(cè)中。本文主要綜述了納米酶在影響食品安全的重金屬離子、毒素、細(xì)菌、農(nóng)獸藥等方面的檢測(cè)研究進(jìn)展（圖1），并進(jìn)一步分析了納米酶在食品安全檢測(cè)中存在的問(wèn)題以及未來(lái)的前景。

1 納米酶在檢測(cè)重金屬離子中的應(yīng)用

重金屬離子如汞（Hg2+）、鉛（Pb2+）、銅（Cu2+）等容易在水資源中富集，對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。因此對(duì)水資源中的重金屬離子的及時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義。MAO等[5]設(shè)計(jì)了紙芯片、芯吸墊和底座組成的裝置，在裝置上沉積了合成的DNA修飾金納米顆粒（DNA-AuNPs），Hg2+可以被DNA-AuNPs吸附，形成的DNA-AuNPs/Hg2+在雙氧水的協(xié)助下催化3，3'5，5'-四甲基聯(lián)苯胺（3，3'5，5'-tetramethylbenzidine，TMB）顯藍(lán)色，DNA-AuNPs類(lèi)酶催化活性隨著Hg2+濃度的增加而增大，進(jìn)而藍(lán)色越深。通過(guò)色度儀讀取顏色的灰度值與Hg2+濃度的線性關(guān)系，可得出Hg2+的線性范圍為50～2 000 nmol/L，檢測(cè)限為10 nmol/L。

將該方法用于實(shí)際水樣的檢測(cè)，回收率達(dá)到85.7%～105.6%。該方法具有成本低，操作簡(jiǎn)便快捷的特點(diǎn)，在實(shí)際樣品應(yīng)用中具有很大潛力。XIANG等[6]將鉑納米顆粒負(fù)載在二氧化硅納米顆粒的表面上來(lái)合成基于二氧化硅的納米酶，并且所合成的納米酶表現(xiàn)出優(yōu)異的過(guò)氧化物酶活性。合成二氧化硅的納米酶可以特異性地還原Hg2+到Hg，其自身的催化能力也隨之降低。隨著Hg2+增加，TMB顏色逐漸褪去，其檢測(cè)限低至60 fmol/L，線性范圍為

5 pmol/L～5000 nmol/L。

2 納米酶在檢測(cè)生物毒素中的應(yīng)用

生物毒素是由各種生物產(chǎn)生的對(duì)其他生物體具有毒害作用的化學(xué)物質(zhì)。生物毒素在食品中的含量雖低，但其危害大、毒性強(qiáng)。因此，利用納米酶的特性研發(fā)快速檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物毒素的及時(shí)檢測(cè)不僅是保障食品安全重要手段，更是對(duì)化學(xué)生態(tài)學(xué)、化學(xué)生物、醫(yī)學(xué)及藥學(xué)等諸多生命科學(xué)領(lǐng)域的研究有著十分重要的意義。赭曲霉毒素A（Ochratoxin A，OTA）主要是曲霉和青霉菌的次級(jí)代謝物，廣泛存在于小麥、玉米、葡萄酒、干果等食物中。OTA可誘導(dǎo)產(chǎn)生肝毒性、腎毒性、致畸性、致癌性等，因此需開(kāi)發(fā)快檢技術(shù)檢測(cè)食物中OTA的殘留量。TIAN等[7]基于二氧化錳納米片層（MnO2 NS）的類(lèi)酶活性開(kāi)發(fā)一種新型的基于級(jí)聯(lián)反應(yīng)的比色適配體傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)OTA的高靈敏檢測(cè)。通過(guò)生物素-鏈霉抗生物素蛋白反應(yīng)將生物素標(biāo)記的OTA適配體固定在鏈霉抗生物素蛋白磁珠上。由于OTA與其適配體結(jié)合，適配體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致堿性磷酸酶標(biāo)記的寡核苷酸釋放，該寡核苷酸與適配體部分互補(bǔ)。通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)將抗壞血酸-2-磷酸酶轉(zhuǎn)化為強(qiáng)還原性抗壞血酸，生成的抗壞血酸將MnO2 NS還原為Mn2+離子，從而破壞了MnO2 NS的氧化酶模擬活性，因此不能催化TMB顯藍(lán)色，隨著OTA含量的增加，TMB的顏色會(huì)從藍(lán)色到無(wú)色。利用紫外分光光度計(jì)測(cè)量TMB的吸光度值與OTA濃度在1.25～250 nmol/L范圍內(nèi)存在良好的線性關(guān)系，且OTA檢測(cè)限可低至0.069 nmol/L。該方法基于MnO2 NS類(lèi)酶活性，通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)擴(kuò)大檢測(cè)信號(hào)，大大提高了靈敏度，可為食品中的OTA提供新的技術(shù)手段。常見(jiàn)毒素黃曲霉毒素已被世界衛(wèi)生組織癌癥研究所列為天然致癌物，他們廣泛存在于各種堅(jiān)果中，利用納米酶也可測(cè)定食品中的黃曲霉毒素B1。

3 納米酶在檢測(cè)農(nóng)獸藥中的應(yīng)用

農(nóng)藥殘留是農(nóng)作物質(zhì)量檢測(cè)的重要指標(biāo)，含有過(guò)量農(nóng)藥殘留的食物被人誤食后引起胃腸道疾病或出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)紊亂等癥狀，嚴(yán)重者會(huì)威脅生命。近年來(lái)，由于納米材料獨(dú)特的催化性能和優(yōu)勢(shì)，納米酶在食品中農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。HUANG等[8]構(gòu)建了一種基于納米酶的比色紙基傳感器用于有機(jī)磷農(nóng)藥（Organophosphorus Pesticides，OPS）的檢測(cè)，合成的γ-MnOOH具有類(lèi)氧化酶的活性，能催化TMB顯現(xiàn)藍(lán)色;乙酰膽堿酯酶可以催化相應(yīng)的底物生成硫膽堿。硫膽堿擁有較強(qiáng)的還原性可將γ-MnOOH還原成Mn2+，抑制了其催化TMB?；贠PS抑制乙酰膽堿酯酶的活性，該方法成功檢測(cè)了氧化樂(lè)果和敵敵畏兩種農(nóng)藥，檢測(cè)限分別為0.35 ng/mL和0.14 ng/mL，利用該方法成功實(shí)現(xiàn)了大白菜中有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)。白秋月等[9]以碳酸錳、脲、檸檬酸、雙氧水為原料，采用微波加熱法合成具有納米模擬酶催化活性的錳摻雜碳點(diǎn)（Mn-CDs）。Mn-CDs可催化TMB產(chǎn)生藍(lán)色的ox-TMB。乙酰膽堿酯酶（AChE）催化底物乙酰硫代膽堿（ATCh）生成的硫代膽堿（TCh），還原所生成的ox-TMB使溶液藍(lán)色褪去。有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥能有效抑制AChE的活性，使TCh的生成量減少，溶液的藍(lán)色變深。根據(jù)吸光度的變化可以定量檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥含量，由溶液顏色的深淺構(gòu)建毒死蜱的可視化半定量檢測(cè)方法。檢測(cè)的線性范圍是0～3.5 μg/mL，檢測(cè)限為0.013 μg/mL。將該檢測(cè)方法用于蘋(píng)果實(shí)際樣品中毒死蜱的測(cè)定，回收率為95.2%～102.8%，表明該方法有望應(yīng)用于實(shí)際樣品中有機(jī)磷的高靈敏測(cè)定。

4 納米酶在檢測(cè)細(xì)菌中的應(yīng)用

近年來(lái)，由于食源性疾病的高發(fā)病率，食源性細(xì)菌已成為對(duì)全球公共衛(wèi)生的主要威脅。其中，單增李斯特菌、大腸桿菌O157：H7、金黃色葡萄球菌和沙門(mén)氏菌等是常見(jiàn)的人體易感染細(xì)菌。近年來(lái)，基于納米酶的生物傳感器已被應(yīng)用于這些主要的食源性致病菌的檢測(cè)。ZHU等[10]首先合成了正八面體結(jié)構(gòu)的Mn3O4納米顆粒具有很強(qiáng)的類(lèi)酶活性，能催化TMB顯現(xiàn)藍(lán)色，當(dāng)金黃色葡萄球菌的適配體SA31吸附在納米顆粒表明時(shí)會(huì)抑制其類(lèi)酶活性，進(jìn)而阻止催化TMB顯色，而金黃色葡萄球菌與其適配體SA31結(jié)合后使適配體脫離納米顆粒表面，此時(shí)顆粒的類(lèi)酶活性恢復(fù)。該方法具有快速，特異性好的優(yōu)點(diǎn)，并已成功應(yīng)用于牛奶和豬肉樣品中的金黃色葡萄球菌檢測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

納米酶作為潛在的天然酶替代品引起了廣泛的興趣。目前，納米酶在生物傳感、環(huán)境保護(hù)、抗菌目的、癌癥治療和細(xì)胞保護(hù)等方面發(fā)揮著巨大的優(yōu)勢(shì)。在食品安全快速檢測(cè)方面同樣取得了一定的成績(jī)，納米酶的比色傳感器已經(jīng)達(dá)到食品中風(fēng)險(xiǎn)因子的特異性檢測(cè)的要求，但這些檢測(cè)系統(tǒng)仍存在一些需要解決的問(wèn)題。①目前對(duì)食品中風(fēng)險(xiǎn)因子檢測(cè)的研究主要集中在液體樣品上，如牛奶、果汁飲料等，而對(duì)固體食品樣品的關(guān)注較少，需要投入更多的努力來(lái)探索這一領(lǐng)域。②與高效液相色譜、氣相色譜和離子色譜等色譜分析技術(shù)相比，基于納米酶的檢測(cè)平臺(tái)只能檢測(cè)單一目標(biāo)物質(zhì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜體系中多種物質(zhì)的檢測(cè)。③與其他檢測(cè)方法相比，納米酶檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用與實(shí)際應(yīng)用之間仍存在一定的差距?；诩{米酶的檢測(cè)條、微流控芯片和試劑盒的開(kāi)發(fā)和商業(yè)應(yīng)用應(yīng)是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

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