食品生物技术概论-廖威-第十章----生物传感器及其在食品工业中应用

第一节生物传感器第二节生物传感器敏感膜的成膜技术第三节生物传感器在食品工业中的应用第四节生物传感器应用展望第十章生物传感器及其在食品工业中应用一、生物传感器基本概念1、传感器（sensortransducer）：是一种能把一种信号转换成另一种信号以实现信号检测的元器件。被转换的信号通常包括磁、力、热、电、光和化学等信号，这些信号可以转换成声、光、电等信号以便分析和检测。第一节生物传感器原理以及生物敏感材料的固定化和成膜技术生物传感器（Biosensor）:是由固定化并具有化学分子识别功能的生物材料、换能器件及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器是因为其敏感元件来自于生物而得名。生物传感器选择性的好坏完全取决于它的敏感元件，而其它性能则和它的整体组成有关。2、生物传感器的定义1、生物传感器的基本组成由生物敏感元件、换能器和信号处理放大装置构成①生物敏感元件：又称分子识别元件，它是酶、抗原（体）和微生物细胞等具有分子识别能力的生物分子经固定化后形成的一种膜结构，对被测定的物质有选择性的分子识别能力。二、、生物传感器的基本组成和分类②换能器：又称为转换器，它能将识别元件上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光或热等转换为电信号，并且在一定条件下，产生的电信号强度和反应中物质的变化量或（和）光、热等的强度呈现一定的比例关系，从本质讲它就是一种化学传感器。③电子测量仪（信号处理放大装置）：它能将换能器产生的电信号进行处理、放大和输出而便于测量仪表的测定。（1）依据生物传感器中分子识别元件的敏感性物质分类2、生物传感器的分类（2）依据生物传感器的信号转换器分类①由于敏感物质经固定化，故可重复使用；②样品无需预处理，可直接分析；③响应快，样品用量微；④分析操作简单；⑤除缓冲液外无需添加试剂；⑥不要求样品的清晰度；⑦可连续分析，联机操作，易于实现自动化测量；⑧传感器成本远低于大型的分析仪器。3、生物传感器的特点通过生物的分子识别作用，生物传感器中的生物敏感材料和生物样品中的待测物质特异性结合，并进行生物化学反应，产生离子、质子和质量变化等信号，信号的大小在一定条件下和样品中被测物质的量存在一定的关系，这些信号经换能器转换成电信号，电信号再经信号分析处理系统处理后输出，反映出样品中被测物质的量。三、生物传感器工作原理常见的生物反应有四类：酶促反应免疫学反应微生物反应生物反应中发生的物理量变化1、生物传感器的反应基础第二节生物传感器敏感膜的成膜技术敏感膜由生物活性物质经固定化后形成。一、传感器的敏感膜必需具备的性质①可重复使用；②具有分子识别功能，能直接进行底物分析；③样品量要求少；④除了缓冲溶液以外，一般无需添加其它试剂；⑤对样品的浊度和颜色无要求；⑥分析操作简单，可连续自动测定。二、活性物质的固定化技术一般将敏感生物材料固定在一人造膜内或其表面，通常有以下几种方法：夹心法、吸附法、包埋法、交联法、共价结合法、微囊法、半导体工艺固定化法等。将生物材料封闭在双层滤膜之间。微生物细胞敏感膜制备：①将微生物培养物离心、洗涤、重新悬浮在蒸馏水或缓冲溶液中；②测定菌悬液的光密度，确定菌体浓度；③取一定量的菌悬液滴于微孔滤膜上；④用合适的沙芯漏斗将水轻轻抽干，使菌体成一薄层均匀附着于膜表面；夹心法⑤在菌体层上覆盖一层气透膜或微孔滤膜，让微生物夹在两层膜之间，边缘用橡胶圈或胶水密封，以防止微生物细胞泄露。这种方法的优点是操作简单，不需要任何化学处理，固定化生物量大，响应速度快，重现较好，尤其适用于微生物和组织膜制作。第三节生物传感器在食品工业中的应用一、检测食品鲜度（一）鱼鲜度传感器鱼、贝类水产品的鲜度是评价其质量的重要指标。鱼死后体内ATP经酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黄嘌呤和尿酸。因此有人提出用K值表示鲜度：肌苷+次黄嘌呤K(%)=ATP+ADP+AMP+IMP+肌苷+次黄嘌呤+尿酸由于大多数鱼死后5~20小时，ATP、ADP和AMP已分解殆尽，所以鱼的鲜度主要取决于以下三个步骤：即IMP肌苷次黄嘌呤尿酸。因此K值可简化为Ki：肌苷+次黄嘌呤Ki=×100%IMP+肌苷+次黄嘌呤Ki值越小，鱼越新鲜。采用催化上述三步骤的三种酶即5′-核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黄嘌呤氧化酶固定化后制成酶膜与氧电极构成了测定鱼肉的鲜度计。电极工作原理是以次黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶反应所消耗的氧量所对应的氧电极的电流改变值为基础。肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故测定胺类也能反应肉类的新鲜程度。Chemnititus等人用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成多胺生物传感器，测定鱼肉在贮藏过程中的鲜度，响应时间40s,，测定腐胺线性范围为0.03×10-6~3×10-6mol/L。（二）肉鲜度传感器Kress等人开发了一种快速测定肉类鲜度的匕首型生物传感器，其探头可现场刺入食品表面2~4mm深处，通过测定葡萄糖浓度评价肉类食品的新鲜度。（三）牛乳鲜度传感器牛乳鲜度可以通过乳中的菌数或乳酸含量来判断，牛乳鲜度传感器实际上就是一个菌数测定仪或乳酸测定仪。另外也可通过测定短链脂肪酸含量判断乳及乳制品的鲜度。二、检测食品滋味及熟度日本农林水产省研制出一种传感器，可“品尝”肉汤的风味，用于肉汤生产过程的质量控制。利用动物味觉或嗅觉器官中化学识别分子研制味觉传感器或研制仿生味觉传感器。Bussolati用从牛鼻粘膜中分离出的一种气味结合蛋白作为敏感材料，成功地对香味进行了测定，可望实现对食品中香味物质进行快速客观的评定。三、在食品分析中的应用（一）检测蛋白质和氨基酸（二）测定糖含量（三）测定食品中醇类（四）测定有机酸（一）食品中微生物的检测如腐败菌的检测：病原菌的检测：沙门氏菌、致病性大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌（二）生物传感器检测食品中的毒素细菌毒素、真菌毒素、藻类毒素以及动植物毒素等。四、在食品卫生检测中的应用（三）生物传感器检测食品中残留农药和抗生素有机磷农药、青霉素、磺胺等。（四）生物传感器检测食品中的添加剂添加剂种类繁多，如亚硝酸盐、甜味素、烟碱、苯甲酸钠等等。第四节生物传感器应用展望生物传感器在食品工业中的应用前景主要取决于足够的敏感性和准确性、已操作，而且价格便宜、易于批量生产，应用前景主要体现在以下几个方面：由分析单一成分的传感器向系列传感器发展应用基因工程技术与其他一起集成想便携式、低成本、高灵敏度和高选择性的生物传感器发展智能化、集成化Thankyou!GOODLUCK！EVERYONE