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食品组学技术在食品安全风险控制中的应用

文档作者：邓美林1，夏永鹏2*，赵博1，屠大伟1，杨小珊1 文档来源： 1.重庆市食品药品检验检测研究院 2.重庆市食品药品监督管理局，		点击数：	更新时间： 2022年11月07日
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Food and Fermentation Technology
第51 卷（第6 期） Vol.51，No.6
食品组学技术在食品安全风险控制中的应用
邓美林1，夏永鹏2*，赵博1，屠大伟1，杨小珊1
（1.重庆市食品药品检验检测研究院，重庆401121；2.重庆市食品药品监督管理局，重庆400000）
摘要：在食品安全性被高度重视的今天，常规的食品分析检测技术已经不能满足食品安全发展的需要，食品组学
极大地丰富了食品安全检测技术。在食品真伪鉴别、产地溯源、产品质量控制、食品微生物、转基因成分、农药兽药残
留、过敏原和生物毒素检测中成功应用了转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术，这将为食品安全甚至整个
食品工业产生深远影响，也为现行的食品安全风险评价体系提供一种新的思路和方法。
关键词：食品组学；转录组学；蛋白质组学；代谢组学；食品安全
中图分类号：TS207.7 文献标识码：A 文章编号：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
基金项目：重庆市科技攻关（应用技术研发类）项目（cstc2014yykfA110034）。
作者简介：邓美林（1982-），男，硕士研究生。研究方向：食品安全及营养。
* 通讯作者：夏永鹏（1957-），男，教授级高级工程师，博士生导师。研究方向：食品药品安全。
食品是一种分子种类高度复杂的混合物，未发
现的分子进入食品，从食品毒理学的角度上都具有
潜在安全风险。目前针对食品安全主要是对目标物
质通过设定限量或不得检出进行控制，以特定的指
标以点带面来反映食品的质量安全整体状况，针对
这些指标制定了相应的简单、快速、有效检测标准。
食品安全管理部门根据相应的产品标准进行食品
质量抽查， 这种评价食品安全状况的方法具有一定
成效。但近年来三聚氰胺、地沟油、吊白块、苏丹红、
罗丹明、塑化剂、食用油掺假、真假燕窝等影响较大
的食品安全事件层出不穷， 这引起了人们对以既定
的指标来评价食品安全的反思， 这些事件基本是违
法添加所引起的， 这些都体现了不法企业人为地避
开常规抽检设定的指标体系，无论添加的浓度多少，
2015 年第6 期
都不在抽检指标范围内， 所检出的产品也是合格产
品。
组学技术是人类基因组研究重点的转移， 从系
统生物学角度可划分为转录组学、蛋白质组学和代
谢组学。大量的科学实验证明，食品组学技术已经从
生物医学领域中成功应用到食品安全领域。是对现
行的食品潜在不安全措施落后于新物质出现和应用
的有效解决办法， 组学技术在食品科学领域提供了
新的技术和思路，表现出了广阔应用前景。
1 食品组学研究内容及在食品中应用方向
1.1 转录组学在食品检测中的应用
转录组学是从RNA 水平研究基因表达的情况。
转录组即一个活细胞所能转录出来的所有RNA 的
总和，是研究细胞表型和功能的一个重要手段。随着
后基因组学时代的来临， 转录组学是率先发展起来
以及应用较广泛的技术［1］，Velcuescu 等［2］首先对转
录组进行了定义， 生物体在特定条件下特定细胞和
组织内所含的所有RNA 集合可以反映出基因结构
及表达情况， 并可以揭示某种生物学过程中的分子
机理［3］。目前研究转录组的方法主要有：基于杂交技
术的基因芯片， 基于序列分析的基因表达系列分析
SAGE（Serial Analysis of Gene Expression） 和大规
模平信信号测序系统MPSS（Massivelu Parallel Signature
Sequencin）。
食源性致病菌鉴定的传统方法是使用培养基对
微生物进行增菌和选择性培养， 再通过菌落形态观
察、显微镜镜检、生化鉴定和血清分型等手段联合使
用以达到鉴别的目的， 试验周期至少需要24-48h，
且并非所有致病菌均可培养，基因芯片在肉制品、水
产品和奶制品中食品微生物高通量检测得到应用。
Kupradit 等［4］以线粒体16S rRNA 和fimY、ipaH、prfA、
uspA 物种特异性基因构建基因芯片， 经过预增菌、
DNA 提取、PCR 预扩增和基因芯片杂交分析， 用于
检测新鲜肌肉中沙门氏菌属、志贺氏菌属、单增李斯
特氏菌和大肠杆菌。该方法的检出限为105CFU/mL，通
过10 份实际样品测试，所有样品均检出沙门氏菌和
大肠杆菌，单增李斯特氏菌和志贺氏菌各检出一份。
祝儒刚等［5］采用多重PCR 结合基因芯片技术检测
肉制品中大肠埃希氏菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球
菌、志贺氏菌和单增李斯特氏菌5 种食源性致病菌，
方法特异性强，灵敏度为2pgDNA，在肉及肉制品实
际测试中， 该方法与传统培养基培养方法检出目标
致病菌基本一致。Giana-nino 等［6］使用基因芯片技
术鉴定牛奶中14 种细菌， 通过多重PCR 反应结合
基因芯片技术，14 种细菌区分明显， 并且表面中的
优势细菌为嗜热链球菌、粪便球菌、乳酸乳球菌和乳
明串珠菌。食品掺假是食品安全中重要环节，Peter
等［7］利用基于cytb 基因芯片，对牛、猪、绵羊、山羊、
鸡和火鸡进行检测， 在混合肉类产品中检出限为
0.1%。Jenison 等［8］在硅表面利用高反射性能光学涂
层开发了一种可视化芯片技术， 通过人眼判断芯片
杂交结果，国内在可视化芯片技术也有报道，成晓维
等［9］以靶基因为单位，分别用不同的阳性对照核酸
对靶基因进行扩增后与芯片进行杂交， 然后加入显
色液避光反应5-10min。用超纯水冲洗芯片后，直接
读取数据。可视化芯片技术作为一门新技术，在基层
实验室推广使用具有较大的应用前景。DNA 条形码
（DNA barcode） 是指生物体内能够代表该物种的、
标准的、有足够变异的、易扩增且相对较短的DNA
片段。DNA 条形码已经成为生态学研究的重要工
具，在食品领域的应用主要是用于物种鉴定。律迎春
等［10］应用DNA 条形码技术鉴别海参，通过PCR 扩
增和测序，得到了海参7 个品种43 个个体的线粒体
COI 基因部分序列， 种间和种内遗传距离符合
Hebert 等推荐的10 倍种内变异作为标记物种遗传
分化的“标准序列阈值”，表明以海参线粒体COI 基
因作为品种鉴定的DNA 条形码具备可行性和有效
性。辛一等［11］选取了大连、青岛、威海、汕头以及日本
宫城5 个皱纹盘鲍群体共16 个个体， 利用基于
COI、COII 和cytb 的分子标记证实鲍属物种在种间
存在条形码间隙， 能够将涉及到鲍属种类全部有效
鉴别。
1.2 蛋白质组学在食品安全中的应用
蛋白质组学（proteome）于1994 年在意大利的
一次科学会议上提出，蛋白质组学（proteomics）是从
整体角度分析细胞内动态变化的蛋白质组成、表达
水平和修饰状态。蛋白质是食品的重要组成成分之
一，为人体提供所需的能量和必要的氨基酸，同时蛋
白质也在生物体细胞和结构中发挥重要的功能作
用， 市场上有很多具有活性功能的蛋白质或多肽产
品，如燕窝、鹿茸和蜂王浆等，这些高附加值的食品
成为掺假者重点关注的对象， 传统的蛋白质检测方
法无法分辨出是否为该产品的专属蛋白。蛋白质组
学技术作为前沿技术，在食品鉴伪、产地溯源、品质
分析、农药兽药残留及过敏原检测中得到越来越广
泛的应用。
蛋白质组学分为结构蛋白质组学和功能蛋白质
组学。结构蛋白质组学主要是对蛋白质氨基酸序列
96
第51 卷（总第190 期）
分析及空间结构的解析， 功能蛋白质组学主要是对
蛋白质功能模式研究。在食品领域的研究，主要为利
用差异蛋白质组学技术对蛋白质组分、糖基化、磷酸
化等翻译后修饰的改变进行特征性描述。在食品品
质、食品功能、食品鉴伪、食品营养等方面具有重要
应用［12］。蛋白质组学研究的核心技术是蛋白质组分
分离技术、蛋白质组分鉴定技术以及利用蛋白质信
息学进行蛋白质结构、功能分析及预测。蛋白质分离
技术主要有电泳技术、液相色谱、层析技术和超离技
术等，其中应用最多的是双向凝胶电泳技术。蛋白质
组分鉴定技术主要为质谱技术和氨基酸序列分析技
术。分离技术与质谱技术的联用的生物质谱是现在
分析蛋白质组的重要手段， 主要利用机制辅助激光
解吸电离（MALDI）、电喷雾电离（ESI）、表面增强激
光解吸离子化（SELDI）、大气压电离（APCI）和快原
子轰击（FAB）等软电离质谱技术对蛋白质进行结构
分析，常用的质谱仪有飞行时间质谱（TOF）、四极杆
质谱（Q）和离子阱质谱（QTRAP），以及它们的联用
如ESI-Q-TOF、MALDI-TOF-TOF 和Q-Orbitrap 等。
蛋白质数据库及分析软件的出现推动了蛋白质信息
学发展， 蛋白质信息学能够对差异蛋白质位点进行
快速结构、性质、功能鉴定［13］，当离子化的肽段经过
质谱仪后， 因分子量的差异在通过飞行时间管时而
被分离，利用搜索软件Paragon［14］、Mascot、PepSea 和
PeptideSearch 等在NCBI、EBI 或其它数据库比较目
标峰与理论蛋白的相识度。研究蛋白质组学主要的
方法有2-DE 结合质谱鉴定法、多维色谱-质谱联用
蛋白质鉴定法和同位素标记亲和标签法，其中2-DE
结合MS 的方法是最经典也是应用范围最广的方
法。燕窝具有多种药理作用的燕窝蛋白，掺假者主
要用猪皮、白木耳、银耳、蛋清、淀粉、明胶、琼脂和鱼
鳔等伪制而成，乌日罕等［15］对印度尼西亚、马来西亚
和泰国等国家的14 个燕窝样品的可溶性蛋白质双
向电泳谱图进行了分析， 分子量在28kDa 到57kDa
之间的2 个蛋白质点群可作为燕窝与银耳属性区别
的特征蛋白群， 检出下限为10%银耳掺假燕窝。Liu
等［16］以燕窝唾液酸糖蛋白为抗原，制备了抗燕窝唾
液酸糖蛋白单克隆抗体，建立了免疫学方法，计算出
燕窝中唾液酸糖蛋白的量相对恒定值为464mg/g。
陈璐等［17］通过双向电泳分析技术，得到了10 种不
同产地冬虫夏草和12 种其它虫草蛋白质谱图，结果
显示蛋白质在冬虫夏草种内表达稳定， 选用冬虫夏草
特征蛋白质CSpro-2 和CSpro-8 作为特征蛋白质用
于冬虫夏草快速鉴别。廖国周等［18］利用三氯乙酸-
丙酮沉淀法提取宣威火腿中肌肉蛋白， 经电泳后凝
胶用考马斯亮蓝染色， 用ImageMaster 2D Platinum
软件分析蛋白质点， 切取其中的蛋白点用MALDITOF/
TOF 分析后得到肽质量指纹图谱，用Mascot 软
件分析， 建立了宣威火腿的蛋白质组学研究方法。
Won 等［19］通过SDS-PAGE 及MALDI-TOF 分析Apis
cerana 和Apis mellifera 两种蜂蜜中主要蛋白质，发
现两种蜂蜜都具有结构相似但分子量不同的MPJP1
（major royal jelly protein 1）蛋白，可用于鉴别两种
蜂蜜的产地及蜂种。Wang 等［20］也利用MALDI-TOF
MS 和蛋白质指纹技术鉴别不同地区蜂蜜产地。王丽
娜等［21］对水牛奶酪蛋白的肽段进行质谱分析，并与
乳牛奶和山羊奶中酪蛋白进行氨基酸序列比对，通
过C18 色谱柱分离后用LTQ-Orbitrap 质谱仪鉴定
分析，结果表明，不同种属的奶酪蛋白的氨基酸序列
存在差异，在酪蛋白的氨基酸序列比对中，水牛奶与
山羊奶的差异比与乳牛奶差异大。Careri 等［22］对巧
克力果仁中过敏原Arah2 与Arah3/4 进行定量分
析，其检测限分别达到5μg/g 和1μg/g。杨国武等［23］
对深圳市售的18 个鸡蛋样品进行蛋黄蛋白质图谱
分析比对，发现17 个蛋白点组成的3 个蛋白质点群
为所有鸡蛋共有的高丰度蛋白质点， 建立了一个鉴
别真假鸡蛋的蛋白质模式图谱。
1.3 代谢组学在食品安全中应用
代谢组学是通过考察生物体系受刺激或扰动
后，相对分子量小于1000 的小分子代谢产物的变化
或其随时间的变化［24］，由伦敦大学Jeremy Nicholson
教授于1999 年首次提出。代谢组学基本原理是用误
差尽可能小的方法处理和无偏检测样品中尽可能多
的化合物， 再利用多元统计分析等生物学方法处理
数据，找出有意义的标志物并进行阐释，或建立模型
用于判别或预测。根据应用分析手段不同代谢组学
分为核磁共振代谢组学和色谱-质谱代谢组学，与
质谱代谢组学相比， 核磁共振对所有化合物灵敏度
一样，不会有离子化程度和基质干扰等问题，但存在
灵敏度差，谱图重叠严重等缺点，为了分析尽可能多
的代谢物， 经常会使用GC-MS、LC-MS 和NMR 三
种手段互补分析，由于GC-MS 具有NIST 谱库可进
行谱图比对而作为代谢组学首选分析手段。代谢组
学既可对已知的化合物进行分析，又能对未知化合物
进行分析［25-27］，根据研究对象和目的不同，代谢组学
分析技术分为靶向代谢组学和非靶向代谢组学。非
靶向、高通量地定性定量分析样品中尽可能多的小
分子物质与目前单一目标检测相区别。Feihn 等［28］认
邓美林等：食品组学技术在食品安全风险控制中的应用97
2015 年第6 期
为，代谢组学技术与靶标分析技术（Target analysisi）
的区别是靶标分析技术限定于对一种或少数几种目
标物进行分析检测。与指纹图谱技术的区别：指纹技
术不以分离、分析或测量具体组分为目的，而是单用
一种仪器获得样品全组分的图谱，然后利用多元统
计分析对谱图进行比较以找到能将样品区分开来。
国内外一些学者采用代谢组学技术对食品安全领域
中新的未知化合物监测、掺假鉴别、有机农作物鉴
别、农药残留、毒素高通量检测、转基因食品安全性
评价、致病菌快速检测和畜肉品种鉴别等问题进行
研究。Courant 等［29］利用LC-HRMS 分析小牛尿液代
谢物的改变，结合主成分分析(PCA)和正交偏最小二
乘法判别分析（OPLS-DA）进行数据分析，发现两个
潜在的生物标志物。Duan 等［30］利用LC-QTOF 研究
了因食用了含三聚氰胺奶粉导致肾结石的儿童尿
液，结合主成分分析和正交偏最小二乘法判别分析，
发现诱发儿童肾结石的生物标志物次黄嘌呤。核桃
油和橄榄油具有相似的化学成分，在欧洲，每年由核
桃油掺入橄榄油引起的经济损失在400 万欧元。
Manina 等［31］根据假想的掺假方法来进行样品制备，
在600MHz 核磁共振仪利用一维氢谱核磁共振
（1H-NMR）代谢组学技术建立了橄榄油中掺入核桃
油的鉴别方法，检出限为10%核桃油加入量。Catchpole
等［32］等利用代谢组学评价常规土豆和转基因土
豆代谢物的差异，采用GC-TOF-MS、流动注射电喷
雾串联质谱法（FIE-MS）、LC-MS 和亲水作用色谱
串联质谱（HILIC-MS）分析，结果表明转基因土豆与
常规土豆最主要差异来自于果糖，当将这些果寡糖
从数据中去除后，PCA 不能区分任何基因型。王世
成等［33］采用HPLC-MS 技术研究了注射氯霉素后牛
奶中内源性代谢物随时间变化情况，结果表明，注射
氯霉素后，牛奶的代谢指纹图谱中8 个谱峰的变化
随给药及休药时间呈现一定升降规律，采用偏最小
二乘判别分析法（PLS-DA）可将给药组与空白组样
品完全分开，组间差异贡献较大的单羟基十八碳二
烯酸可作为注射氯霉素后奶牛体内代谢内源性生物
标志物。
2 小结
食品组学技术在食品领域已显示了良好应用前
景，在我国，转录组学、蛋白质组学和代谢组学在食
品领域的研究起步较晚，相关技术成果转化到食品
安全检测中较少，在食品掺假、产品溯源、食品原料
质量控制、食源性致病菌、有毒化合物和过敏原检测
等方面组学技术分析将是重要工具，也是现行的食
品安全评价制度有力的补充， 为开展食品安全风险
监测和评估提供一种新的思路和方法。
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