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        食品分析現在和未來具有怎么樣的挑戰

        2021.10.27


        ——基本現狀

        隨著消費者對于食品成分和食品安全的日益關注,食品科學當中分析方法和技術的應用也在不斷的發展當中。如果要對消費者越來越高的要求給予滿意的答復,食品分析人員需要利用十分有效的技術方法來解決越來越復雜的問題。當前食品分析的復雜性很大程度是來自于全球化。食品運輸以及食品原料的全球化使得有害物質也隨之全球化,附加的難題是食品包含了許多經過加工處理的原料,這些原料往往從世界不同的地方運來,并且使用同樣的存儲室和生產線。因此,如今要確保食品的安全性、質量以及可溯源性,變得比以往任何時候都復雜和必需。

        和過去一樣,食品分析的第一要務依然是確保食品安全。為了實現這一目標,食品分析實驗室也逐漸以現代儀器分析方法取代經典的化學分析方法,來滿足當前全球化的食品安全需求。此外,新的歐盟法規(例如EC258/97或EN29000,以及隨后發布的版本)、美國的營養標簽與教育法案,以及蒙特利爾協議等對食品實驗室有著非常重要的影響。因此,食品化學家、監管機構、質量控制實驗室等都在尋找更有效、更清潔、更低成本的分析方法。要滿足以上需求就需要更精密的分析儀器,以及合適的分析方法來確保提供更高的靈敏度、精密度、專屬性和分析速度,從而保證更好的定性和定量分析結果。

        除了針對食品安全的分析之外,在大量的食品品質分析中,分析化學也發揮著重要的作用。例如,對于食品生產、加工、配制、使用當中,養分含量、有毒污染物的產生和天然毒素失活等對食品影響的鑒定;遵從食品和貿易相關法規,確保食品的安全性和可溯源性;檢測摻假物質;對食品化學成分的表征;對食物流變性、形態、結構或表面的研究;以及物理性能分析、物理化學性能分析、熱分析,或微生物分析以及感官評價等,這些性能將對食品的安全性、質量、食品加工和驗收等有著十分重要的影響。

        此外,目前食品科學當中有一種普遍趨勢,也就是將食品和健康關聯起來。如今食品不再僅僅是能量來源,它還是預防疾病的一種經濟方式,從這一趨勢中產生的大量機遇(例如,新的方法學、新產生的知識、新產品等)給人留下深刻的印象。它包括,例如,有可能對那些針對不同基因人群設計以改善他們的健康和生活質量的食品進行解釋。在這一領域的研究中引入一些先進的組學方法,例如食品組學,使得幾年前食品科學家們難以想象的事情現在變得可能。然而,要進行這些研究,研究人員需要對現代分析儀器十分熟悉,以便能夠充分發揮它們的潛力。通常,面對龐雜的研究課題,要合理的處理數據分析結果,多學科團隊的合作是十分必要的。

        因此,可以說食品分析是當前分析化學最重要的應用領域之一。在接下來的系列文章當中,我們將對21世紀初最先進的食品分析技術,以及它們的主要應用和局限性進行介紹,并對當前和未來食品分析面臨的挑戰進行探討。

        在這篇文章中,我們不會對大量應用于食品分析的技術進行論述。本文將主要聚焦于以下幾個主要的食品分析技術方法:(1)光譜學技術,如質譜、核磁共振、紅外、原子光譜、熒光法等;(2)生物技術,如聚合酶鏈反應(PCR)、免疫技術、生物傳感器等;(3)分離技術,如高效液相色譜、氣相色譜、毛細管電泳、超臨界流體色譜等;(4)樣品制備技術,如固相萃取、超臨界流體萃取、頂空法、流動注射分析、吹掃補集、加壓液體萃取、微波輔助萃取、自動熱解析法等;(5)電化學法;(6)聯用技術等。如果將上述各類技術的分支技術也考慮在內,那用于食品分析的技術就更多了。


        圖1.樣品制備、生物技術、光譜技術和分離技術在食品分析當中的應用,根據2000-2011年間食品科技文摘中相應的引文數量分析。生物技術中的“others”包括:放射免疫法和酶法分析。光譜學技術中的“others”包括:拉曼光譜(402),電子自旋共振(366),介電光譜法(57),折光度法(54),旋光度法(38),化學發光法(15)和光聲量熱法(0)。

        為了總結食品分析當中大量被使用到的技術以及被解決的課題,表S-1(見附件)作為輔助信息,對2009-2011年間發布的針對不同食品分析的文章、綜述、文章章節進行了總結。同時,圖1和圖2,提供了2001-2011年間發表的關于食品分析的文章統計,其中的數據是通過食品科技文摘(FSTA)數據庫,以各類技術為關鍵詞搜索整理所得。如果我們將圖1和圖2的數據,與1990-2000年間發布的類似食品分析文章統計數據相比,能夠得到許多重要的結論。其中最重要的變化趨勢是,生物技術和樣品處理技術的應用明顯增多,而放射化學和熱分析技術的應用嚴重減少。光譜學技術、生物技術和樣品處理技術的應用和20世紀末相比,分別增加了2倍、3倍和4倍,熱分析和放射化學技術的應用則減少了一半。其他比較成熟的技術,如色譜技術的應用依然比較多,但如今,它的應用也不如以前(1990-2000年)廣泛,因為光譜學技術的應用越來越多,而且成為了目前食品分析中應用最廣泛的技術。實際上,對于食品組分進行定性和定量分析,以及進行食品特性的研究,都可以通過測量電磁輻射(可見光、紅外光、熒光、拉曼散射光等的吸收)與食品的相互作用來實現。得益于新型光譜儀器技術及多元化學計量學的發展,能夠對不同的紅外或熒光光譜表現出的細微差別進行評估,例如對食品光譜分析所展現出的細微差別,從而使得開發預測模型成為可能。


        圖2.電化學法、流變學、放射化學、熱分析技術在食品分析中的應用,根據2000-2011年間食品科技文摘中相應的引文數量分析。

        近年來,成像技術如共聚焦激光掃描顯微鏡,或高光譜成像耦合圖像分析技術已被成功地用于研究高度異質性食品。實際上,成像分析技術,例如數學形態學、或圖像紋理分析,使得對圖像中的結構進行定量分析,或展示不同的加工過程對于食品中蛋白質網絡微觀結構的影響成為可能。從另一方面來說,食品分析中光譜學技術應用的重要增長也許是由于NMR、紅外光譜等技術大量的最新應用,以NMR為例,由于對具有生物和代謝等特性的未知化合物的明確鑒定的需要,使得這類技術的應用數量接近于一些成熟的技術,如熒光、甚至質譜的應用數量。

        生物技術的大量應用并不奇怪,這些技術,以生物體及他們的產品如酶、抗體、DNA等為基礎,來實現鑒別和分析食品,它們在食品分析中的應用增長了3倍。其中PCR技術的應用占據了所有生物技術應用的60%,相當于之前生物技術在食品分析當中的所有應用的2倍。PCR技術的大量應用主要歸因于要采取不同的步驟,來克服影響DNA提取質量和數量的主要難題。目前,針對許多樣品的新儀器和新標準化協議,使得PCR成為世界范圍內一種廣泛應用的技術,可以在幾乎所有的食品分析實驗室中看到它。

        至于分離技術的分布和重要性,液相色譜(LC)和毛細管電泳(CE)的應用增長主要來自于技術本身的發展,如:在確保分辨率和分離效率的同時降低分析時間(UPLC、微流控芯片電泳技術、整體柱),新的分離機理(親水相互作用色譜等),將質譜作為LC或CE的檢測器。另一方面,氣相色譜(GC)的應用基本和過去持平,并在一些特定的應用領域展示了它的重要性。最后,聯用分離技術,如中心切割多維色譜法(LCxLC,GCxGC,LCxGC,LCxCE等),或全二維技術(LC×LC,GC×GC),它們可提供更多信息來支持破譯食物的復雜性,以及研究食品對于人類健康真實影響的理論。

        事實上,多維色譜已經成為一種分析復雜樣品的可選擇方法,在食品分析中有一種情況,即某類技術的改進,如新的色譜柱技術,似乎已經達到了它們的極限。然而,多維色譜峰容量的增加到目前要比經過各種改進的一維色譜高。多維色譜允許兩個或更多個獨立或幾乎獨立的分離步驟結合,顯著增強相應的一維色譜技術的分離能力,因而提高分離復雜樣品中化合物的能力。盡管兩種不同色譜分離技術的耦合并不是什么新技術,但是這一技術的發展拓展了綜合應用,在這些應用中,整個樣品可以從不同的獨立的維度進行分析,并減少了樣品制備的步驟。食品分析領域,有關這種綜合技術的應用每年都在增長,而且預計將持續保持增長狀態。

        對于食品分析當中樣品制備技術應用的顯著增長(4倍左右),我們需要給予特別的關注。樣品制備技術的改進目標在于減少實驗室溶劑的使用和有害物質的產生,減少勞動力和時間,降低每個樣品制備的成本,同時提高被分析物質的分離效率。目前,新型綠色制樣技術,如超臨界流體萃取(SFE)、亞臨界水萃取(SWE,也稱為加速溶劑萃取)將在食品科學中有更廣泛的應用,不僅僅是在食品分析當中,還有在食品功能成分的提取中。這些萃取技術基于壓力流體可提供更高的選擇性、更短的萃取時間、和對環境更友好的特性。關于這些技術的文章在2001-2011年10年間超過1500篇,而20世紀末時,關于這些技術的文章還只在300篇左右。舉一個有趣的例子,例如,加壓流體萃取(PLE),在以前還沒有這種技術,但現在卻是食品分析當中僅次于SFE的十分重要的“綠色”樣品制備技術。

        同時,相較于傳統萃取方式,不同的液相微萃取模式,如單液滴微萃取、分散液-液微萃取、中空纖維膜液相微萃取(HF-LPME)等操作更簡便、更有效、速度更快,并且有機溶劑的消耗量更低,所以在食品分析當中它們被越來越多地用于從不同的基質中提取有機或無機物質。當比較樣品制備和分離技術的數量和分布時,另一個比較重要的觀察結果是,在過去10年中,固相萃取(SPE)應用的增長在某種程度上和液相色譜的應用是相關聯的,對于液相色譜來說,在過去10年當中,新的分離機理、新應用和新方法已經建立。另外,比較有趣的發現還有,固相微萃取(SPME)的應用和其他發展比較成熟的技術,如頂空法的應用數量比較接近。在過去幾年中,SPME的快速增長主要由于其操作簡便、纖維和涂層應用范圍的日益廣泛,以及新發展起來模式,這些模式拓寬了SPME的應用范圍。

        食品分析中最主要的一個挑戰將是:改善我們對食物化合物在分子水平上的作用的有限認識(如它們與基因的相互作用,及其對蛋白質和代謝物的后續影響等),以便合理設計飲食來控制細胞功能,這對于我們的健康有著非同尋常的影響。在這種情況下,食品組學作為一門新興學科來研究食物和營養,主要通過應用先進的組學技術來改善消費者的健康和幸福感。因此,食品組學作為一門全面的學科,包含了食品、先進的分析技術(主要是組學工具)和生物信息學?;蚪M學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學的發展為我們現在利用食品組學來解決各種不同的問題帶來了極大的機遇。

        例如:(1)利用營養基因組學方法來理解生物化學、分子和細胞機理,它們是某種生物活性食物成分產生有益或有害影響的基礎;(2)利用營養遺傳學方法來理解對于特定的膳食結構,不同個體間不同響應的基因差異;(3)了解從上述階段到疾病發生所涉及到的基因特征,也就是尋找可能的生物標記物;(4)確定生物活性食物成分對于關鍵的分子途徑的影響;(5)建立腸道微生物基因譜全面的作用和功能,這項工作將開啟令人印象深刻的研究領域;(6)了解食源性致病菌的應激適應模式,以確保食品衛生、加工和保存;(7)研究食物微生物作為傳遞系統的用途,包括基因失活和基因缺失的影響;(8)開展對轉基因改性作物非計劃性能的調查研究;(9)在理想情況下,將食品安全、質量和可溯源性作為一個整體進行綜合評估;(10)理解具有農業利益和經濟相關性的生物學過程的分子基礎,例如,農作物和它的致病微生物之間的相互作用,以及果實成熟階段發生的物理化學變化;(11)通過一個全面的方法來充分理解采后現象,這種方法可以將基因和環境的反應聯系起來,以及可以鑒定基礎性的生物網絡。在這一方面,可以預期新組學技術結合系統生物學,就像食品組學所提議的,可將采后研究引入一個新的時代。

        眾所周知,遺傳基因對人體健康有著重要的影響。然而,飲食、生活方式和環境對表觀基因組、腸道微生物有著重要的影響,并影響轉錄組、蛋白質組、直至代謝組。當遺傳基因的影響與營養/生活/環境不能得到適當的平衡,人體健康就會受到影響。食品組學是檢測由食物成分引起的不同表達水平發生變化的重要工具。


        圖3.食品組學研究所使用的分析方法和預期的研究結果

        食品組學研究食物成分對于特定生物系統(細胞、組織、器官或生物體)影響的理想方法如圖3所示。根據這一食品組學研究方法,食物成分的影響結果可通過基因組學/轉錄組學/蛋白質組學和代謝組學得到,從而了解食物在分子水平上的生物活性和其對人類健康的影響。

        食品組學的關注點與醫學和生物科學相一致,通過充足的食物攝入量和所謂的保健食品的開發來預防疾病。從這方面來說,我們對許多物質對于人體健康影響的論斷或許太早,對于其他對健康有影響的因素也是如此,它們的具體影響依然在研究當中。因此,食品組學方法可以幫助我們克服這些限制。為了實現這個目標,我們需要開展更多的研究來發現一種核苷酸的多態性,來識別相關的復雜疾病的基因,擴展對新食品的研究,提供更充分的證據來獲得公眾的認可。此外,盡管通過全面的食品組學方法可以得到有意義的成果,但實際上目前并沒有提出并結合三種表達水平(轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學)的研究論文發表。



        圖4展示了關于膳食多酚針對HT29大腸癌細胞化學預防效應的全球性食品組學研究結果。該圖呈現了HT29大腸癌細胞內主要的生物過程所涉及的基因、蛋白質和代謝產物,這些物質通過轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等分析方法得到了鑒定,此外,迷迭香多酚治療可以改變HT29大腸癌細胞內這些主要的生物過程。

        為了充分證明它的價值,食品組學依然需要通過藥物影響(例如通過所謂的個性化營養)被轉化為方法或途徑。在這一方面,當面對這樣復雜的系統,數據的解釋和整合并不簡單,而且被認為是主要的瓶頸之一。在最近的一項工作中,食品組學方法被用來研究飲食中的多酚類物質對兩個人的白血病細胞株的的影響,結果發現,一個人展示了藥物敏感表型(k562),另一個則顯示出耐藥表型(k562/r)。研究中采用了基于非定標分析方法的全轉錄組芯片質譜聯用技術(通過毛細管電泳飛行時間質譜CE TOFMS和高效液相色譜飛行時間質譜UPLC TOFMS)來進行轉錄組學和代謝組學分析。

        人們使用IPA軟件進行功能化的富集分析,對于轉錄組和代謝組模式的可靠的解釋而言,我們可以把這種分析看成是一個在此之前的步驟。這些被研究的膳食多酚改變了1%的基因表達,這些基因被兩種白血病細胞系里的轉錄微陣列所覆蓋??傮w來說,許多基因的編碼第二時期相關解毒酶和抗氧化蛋白的轉錄誘導模式是不同的,而且在兩個白血病細胞系所觀察到的代謝模式是不同的,這表明膳食多酚可以對不同表型的白血病細胞產生一種差異性化學預防效果。

        關于轉錄因子分析的IPA預測,強調了膳食多酚對于Myc基因轉錄因子功能的抑制,這也許可以揭示在白血病細胞中被觀察到的膳食提取物的抗增殖效應。代謝分析表明膳食多酚對兩種白血病細胞系細胞內代謝水平有著不同的影響。通過使用IPA軟件將關于標準代謝途徑的數據集進行重疊整理,以實現對由轉錄組學和代謝組學平臺獲得的數據的整合。這一方法對被膳食多酚調解的代謝路徑中幾種不同表達水平的基因進行鑒定,從而為這些化合物的影響效果提供更多的證據。

        盡管食品組學有著巨大的潛力,但也存在著方法難題。事實上,食品組學方法并不簡單,需要知識結構有著高度互補性的工作在不同領域的研究人員,特別是分析化學、生物/醫學、生物信息學和統計學。

        此外,食品組學工具需要克服許多極限,來優化食品分析。對于轉錄組學,高背景噪音淹沒了微弱信號,以及DNA芯片當中雜交探針的效率和選擇性都需要改進。新的改進包括建立常規的數據分析方法,增加測序的通量和讀長。同時也期待這些分析技術所需的費用在未來會持續下降,允許新的應用以及在食品組學研究中大量應用。

        在蛋白質組學當中,質譜或者質譜與二維電泳、液相色譜、毛細管電泳聯用已成為最常用的方法。如果要使蛋白質研究成為常規分析,則需要開發相關的改進技術或替代技術(如蛋白質微陣列),包括改進肽的分辨率,以實現覆蓋更多的蛋白質。除了日常復雜的樣品處理與分離技術,質譜對于蛋白質組學研究依然十分重要。在這種情況下,傳統的質譜儀器正在逐漸讓位于更加復雜和集成的質譜儀器,它們大多數是與一種或更多的儀器組合使用。因為可以從食品組學當中少量的蛋白質組學研究進行推斷,我們期待技術的創新可以推動蛋白質組學分析及食品組學的標準化。

        人們期待著代謝組學的巨大進步,利用幾乎不需要進行樣品制備的新型質譜接口,以及利用MALDI成像質譜(MALDI-MSI)能夠分析組織及單細胞水平的蛋白質的代謝產物,獲得特定分子空間分布的信息。樣品制備方法以及分析平臺的改進(包括更高靈敏度的NMR系統與在線質譜聯用的可能性),將增強食品代謝組學研究的關聯性。

        多維分析技術,如GC×GC或LC×LC,也是分離技術的革命性突破,預計在不久的將來,這一技術在食品組學研究中的應用會增加。與傳統的分離技術相比,它們不僅增強了分辨率,而且使峰值數大幅增加,并且增強了分離效果和靈敏度。另外,毛細管電泳技術以及毛細管質譜聯用技術(CE-MS)都是代謝組學研究的理想工具,因為它們不需要大量的樣品制備,應用范圍廣,效率高,分辨率高,以及樣品消耗量低。此外,CE MS能夠分離強極性及帶電荷的代謝物質,而這些物質很難被LC或GC分離。代謝組學面臨著許多挑戰需要解決,如代謝物數據庫的發展和增長,到目前為止,所有的代謝產物中僅有一小部分被鑒別,并收錄在代謝物質數據庫中,大多數自然產生的代謝物質還仍然是未知的。

        除此之外,身體處于正常狀態和病理狀態的代謝物的范圍,需要代謝組學領域做出一致的假設,對樣品狀態和目標代謝物要有統一的標準,以便在新食品組學領域全面認識它的潛力。食品組學與系統生物學結合的挑戰,不僅來自于技術水平,如前文提到的,組學研究工具已經取得了巨大的發展和進步,并被期望能有再進一步的巨大發展;還來自于生物信息學方面,它需要進一步的發展,以使系統生物學能在新食品組學研究中發揮所有的潛力。在這一方面,我們還需要做大量的工作,來將我們了解的許多細胞過程知識和它們在不同的分子水平如何發生聯系起來。

        注:文章譯自美國分析化學雜志。


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