食品安全（Food safety）是一门描述在食品制备、储存及销售等过程中确保食品卫生及食用安全，降低和防治食源性疾病（foodborne diseases）的一个跨学科领域。食品安全直接影响着人们的身体健康和生命安全，同时也是关系国家的政治稳定、经济发展及社会和谐的重要因素之一。随着生活水平的不断提高，人们的消费观念和健康观念也更加成熟。随着经济全球化和贸易自由化步伐的加快，食品安全问题已成为全球广泛关注的焦点。

食源性疾病又称食物中毒，是指因摄入化学或天然有毒物质、致病细菌、病毒及寄生虫等污染过的食品而引起的一切疾病，如疯牛病、河豚鱼中毒、肉毒杆菌中毒及牛带绦虫病等。据美国疾病控制和预防中心估计，在美国每周约有100万人患上食源性疾病，其中每周50～100人死于该疾病。世界卫生组织（WHO）公布全球每年约有220万人死于腹泻病，其中许多腹泻病是由食品和水中的微生物引起的。近年来，我国食品安全事件屡屡发生，根据卫生部报道，2010年全国因微生物污染造成的食物中毒有81起，4585人中毒，16人死亡。微生物性食物中毒事件的报告起数和中毒人数最多，分别占总数的36.82%和62.10%。

组学技术包括基因组学技术、宏基因组学技术、转录组学技术、宏转录组学技术、蛋白质组学技术及代谢组学技术等。目前，组学技术不仅在解决生命科学领域中的诸多问题上普遍应用，而且在食品科学领域的应用越来越广，如食品真伪鉴别、产地溯源、产品质量控制，以及食品微生物、转基因成分、农药兽药残留、过敏原和生物毒素检测等。在食品安全被高度重视的今天，组学技术极大地丰富了食品安全检测技术，为开展食品安全风险监测和评估提供了一种新的思路和方法。

一、基因组学技术在食品安全中的应用

基因组学技术包括多个环节，如样品采集、DNA提取、基因组文库构建等（图9-5）。其中全基因组测序（whole-genome sequencing，WGS）是基因组学技术的核心环节之一，在食品安全方面具有重要的应用价值。首先，WGS可以通过对食源性致病菌株系分型，进而加快对食源性疾病爆发性菌株（outbreak strains）的检测。相比于目前常用的脉冲电场凝胶电泳（pulsed-field gel electrophoresis，PFGE）及多位点可变数目串联重复序列分析（multiple-locus variable number tandem repeat analysis，MLVA）等分型方法，WGS对高克隆致病菌的株系分型具有更高的辨识能力。例如，PFGE技术对高克隆的沙门菌的血清型（如Salmonella enterica serotype Enteritidis）分型能力有限，而WGS能克服该技术的缺陷。其次，利用全基因组测序的数据可以建立爆发性菌株及新型致病菌的检测方法。例如，2011年欧洲Escherichia coli O104∶H4菌株的爆发，通过对多株O104∶H4菌株进行全基因组测序并将其全基因组进行公开，然后根据其基因组信息建立快速定量上述爆发性菌株的实时荧光定量方法。此外，WGS还可以跟踪食源性致病菌的传播途径，进而有助于人们制定相应的策略预防和控制相关食源性疾病的爆发。

二、宏基因组学技术在食品安全中的应用

宏基因组学技术在食品安全中的具体应用主要包括三个方面：①从环境样品中鉴定新型或不能培养的食源性致病菌；②解析食品中或食品相关环境中微生物群落的多样性及组成；③确定人和动物肠道中能抗食源性疾病的微生物菌群。例如，Nakamura等人采用宏基因组技术确定了Campylobacter jejuni是食源性疾病（弯曲菌病）发生的致病菌，而用传统可培养方法却无法诊断。聂志强等对天津独流老醋醋酸发酵过程中的微生物宏基因组的分析显示，发酵前期富含醋杆菌属、乳杆菌属、念珠藻属等，发酵后期醋酸菌含量逐渐增加。整个发酵过程中乳酸菌的含量高于其他细菌，说明乳酸菌可能影响老醋风味的形成。此外，宏基因组技术还被应用到对多环芳烃的降解研究，从而降低了农作物或者水体动物从环境中吸收有害因素进而危害人体的可能性。楚雍烈等建立了宏基因文库筛选出利用甲醇作碳源的微生物种群，为酒工业的安全生产提供了一些启发。目前还有研究采用宏基因组学方法筛选卤醇脱卤酶，催化环境中有害的有机卤化物分解。

图9-5 基因组学研究的一般流程

三、转录组学及宏转录组学技术在食品安全中的应用

转录组学及宏转录组学技术根据原理不同可以分为两大类：一类是基于核酸杂交的转录组学技术，如利用cDNA微阵列（cDNA microarray）和DNA宏阵列（DNA macroarray）进行检测的转录组学技术；另一类是基于测序的转录组学技术，如cDNA文库或表达序列标签（expressed sequence tags，EST）文库测序技术、基因表达系列分析（serial analysis of gene expression，SAGE）技术、大规模平行测序（massively parallel signature sequencing，MPSS）技术，以及近年来基于高通量测序手段形成的RNA-seq技术等。食源性致病菌鉴定的传统方法是利用培养基对微生物进行纯种分离和培养，再结合菌落形态观察、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，但该方法试验耗时长（至少24～48h），且并非所有致病菌均可被培养。转录组学技术能克服传统培养方法在食源性致病菌检测中的缺点。例如，Kupradit等以线粒体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，用于快速检测新鲜肌肉中沙门菌属、志贺菌属、单增李斯特菌和大肠杆菌。此外，转录组学及宏转录组学技术在食品安全中的应用有助于制定控制食源性致病的策略，这是由于其能监测致病菌的生理活性状态及揭示致病菌对环境胁迫（如酸、碱及抗生素等）的应答机制。

四、蛋白组学技术在食品安全中的应用

蛋白质组学技术在食品鉴伪、产地溯源、品质分析、农药兽药残留、致病菌检测及过敏原检测中得到越来越广泛的应用。蛋白质是食品的重要组成成分之一。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。无论是食品生产过程中的质量控制，还是终产品的质量把关，蛋白质检验都是必不可少的。在各类功能性食品或高附加值食品的真伪鉴别和品质控制中，利用蛋白质组学相关技术对蛋白质组分进行分析，获得对食品蛋白各种特征的真实认识，具有其他研究方法不可取代的优势。蛋白组学技术已在食品安全等领域广泛应用。

1.在食品储藏中的应用

Kjaersgard等对11种不同冷冻储存条件下鳕鱼肌肉的蛋白质图谱进行比较分析，发现不同冷冻储存温度对蛋白质图谱的变化无显著影响；但是经过不同的冷冻储存时间（3个月、6个月和12个月），肌浆球蛋白轻链、磷酸丙糖异构酶、醛缩酶肌动蛋白片段等蛋白质的浓度发生了显著变化，进而导致鱼肉质地和味道发生相应的改变。

2.在食品产地溯源及鉴伪中的应用

随着科技的发展，假冒伪劣的手段也在不断提高，仿真度极高的劣质产品给检验工作带来了巨大的困难。如何快速鉴别食品的真、伪、优、劣和品质成为食品市场管理的重点和难点。近年来，蛋白质组学技术已成为该领域研究的有力工具之一，尤其是在鉴别动物的健康状况、繁殖和屠宰处理时所受刺激和污染的水平等方面。

蛋白质组学技术已广泛用于食品产地溯源及其真伪鉴别的研究，具有快速、简单、实用等优点。例如，Wang等利用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）和蛋白质指纹技术鉴别了来自不同国家、不同地区的商品化蜂蜜的产地。于国平采用聚丙烯酰胺凝胶电泳技术对燕窝及其伪品龙牙宫燕球、银耳、猪皮屑、琼脂等进行鉴别。从其电泳图谱上可以看出，正品与伪品之间有明显差别。Wu等利用双向电泳（two-dimensional electrophoresis，2-DE）等技术对来自不同国家的14种燕窝进行检测，证明利用此方法可以根据燕窝中含有的独特蛋白检测出下限为10%的掺假燕窝。Lum等利用2-DE技术研究了西洋参和高丽参，证明不同种类、不同部位的人参样品的双向电泳图谱包含大量的差异点，从而可以轻易鉴别样品。Martinez等用2-DE技术对5种高盐腌制鱼的鱼肉抽提物进行试验分析，根据5种鱼中轻链肌球蛋白质在凝胶上的差异，区分出各种来源的腌制鱼制品，并用于鱼种属和鱼肉组织的鉴定。

3.在检测转基因食品安全分析中的应用

转基因食品已经深入千家万户。转基因食品的安全问题也引起了人们极大的关注。由于在基因修饰过程中转基因作物的代谢途径发生了很大的改变，因此可以通过代谢物组学技术利用轮廓指纹分析来评估转基因作物的异常改变。通过对农作物中的生物活性物质代谢分析可判断基因修饰之后的正常或异常结果。其中，2-DE技术已经用于对转基因乳品及非转基因乳品进行鉴伪。Brophy等采用2-DE技术对正常牛乳和转基因牛乳中的β-酪蛋白和κ-酪蛋白进行定量比较，发现采用转基因方法生产的牛乳中酪蛋白水平更高。面对大量不断出现的食品营养及质量安全问题，蛋白质组学技术为解决食品安全问题提供了新的思路和方法。

4.在食品致病性微生物鉴定中的应用

蛋白质组学技术在食品致病性微生物行为和鉴定方面的研究逐渐成为热点，涉及肠道沙门菌、单增李斯特菌、弯曲杆菌（Campylobacter spp.）和大肠埃希杆菌O157 ∶H7等。尤其是最近几年，不仅传统加热、冷冻等处理方式仍在使用，一些新型技术，如利用非热处理技术（包括高静压技术、脉冲电场、放射辐照等）处理食品的应用也逐渐增加。蛋白质组学技术可以用来研究食品微生物受到加工处理中的极端环境影响的结果，从而对食品生产及供应链中致病微生物进行风险评估。

分析能在介质表面形成生物膜的微生物细胞的蛋白质组，对理解微生物在食品加工、食品污染、食品毒性及微生物对抗生素的响应等具有重要意义。生物膜是食品行业中在清洗容器及加工设备表面时要考虑的重要因素。生物膜中的细菌与它们在浮游状态时的蛋白质组表达不同，因此蛋白质组学为分析生物膜中微生物在工业处理、寄主感染、共生及对抗微生物试剂的抗性行为提供了重要信息。蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）可以在各种生产界面形成生物膜，也是乳品生产中重要的有害菌。李斯特菌和沙门菌是世界范围内导致食源性疾病爆发的两种重要致病细菌，它们形成的生物膜在工业上很难清洗“干净”。

蛋白质组学研究有助于发现食品微生物安全的标记分子，故在实际微生物安全检测方面具有重要的应用价值。例如，空肠弯曲杆菌（Campylobacter jejuni）是导致食品和水疾病传播的主要致病微生物之一。采用二维液相色谱串联质谱（two-dimensional liquid chromatography-tandem mass spectrometry，2-DLC/MS/MS）技术鉴定出了432个空肠弯曲杆菌JHH1膜蛋白质组蛋白，其中206个被预测出与膜相关。此外，病原微生物引起的乳牛乳房炎会造成牛乳质量和产量下降，并增加乳牛的死亡率和牛乳的不可食用性。Boehmer等研究了乳牛在感染大肠埃希菌前后的乳清样品中的蛋白质组变化，以寻找治疗乳房炎过程中的有效蛋白标记。研究发现了急性期蛋白，如在乳牛感染18h后的乳清蛋白中发现了转甲状腺素蛋白与补充物C3，检测到一些抗微生物肽和α-1-酸糖蛋白。这些蛋白都可作为未来乳牛感染细菌性乳房炎的生物标记分子。

5.在鉴定食物过敏原中的应用

食物过敏是一个举世关注的焦点问题。随着人类的饮食环境进入多样化时代，过敏性疾病的发生率随之亦呈现持续快速上升的趋势。蛋白质组学为食物过敏原的鉴定和表征提供了技术支持。Yu等采用MALDI-TOF-MS技术鉴定出斑节对虾的致敏原是一种具有精氨酸激酶活力的蛋白质，它能与虾过敏性病人血清的IgE发生反应，从而引起皮肤过敏反应。Koller等采用双向电泳和质谱连用技术检测到超过2500种蛋白质；通过对水稻的叶、根和种子组织进行系统研究，在种子中鉴定出了几种已经表征过的过敏性蛋白，显示了蛋白质组学技术在食物过敏监测中具有很大的应用潜能。

6.在水产品中的应用(www.daowen.com)

水产品在捕捞、运输、加工和储藏过程中，蛋白质组成成分会发生相应的改变，进而影响感官品质和安全性。因此，需要一种准确、灵敏、快速的检测方法，以便直接鉴定和监测水产品中潜在的威胁。蛋白质组学技术在水产品物种鉴定、过敏原分析、致病性和腐败性微生物鉴定、储藏加工过程中品质变化等研究领域发挥着越来越重要的作用。

（1）物种鉴定鱼类物种的鉴定是水产品质量与安全研究中的一个重要领域。传统的鱼类认证主要是通过解剖学和生态学特征进行。然而，对于相似的鱼种类别，特别是经过加工的产品来说，传统鉴定方法很难实现。因此，需要一个快速、可信的分子识别技术，以满足政府和水产加工企业所需的物种标识和可追溯性的要求，从而确保产品质量，保护消费者健康。目前已经存在的鱼类物种鉴定技术主要有以DNA为基础的物种鉴定等技术。但DNA技术存在一定的局限性。蛋白质电泳和免疫学技术已广泛应用于鱼类物种的鉴定。等电聚焦（isoelectricfocusing，IEF）在1990年就被美国化学会作为鱼种鉴定的官方认证方法。蛋白质组学比基因组学方法能产生更多的信息，并可表征除了物种鉴定以外的有关品质的更多信息。因此，蛋白质组学方法已成为水产品品种鉴伪和可追溯的一种更快、更敏感和高通量的方法。2-DE技术可以通过检测潜在的物种特异性蛋白质组或蛋白质点来区分相近物种的鱼类，如鳕鱼、河豚鱼、鲈鱼、金枪鱼等。Mazzeo等利用MALDI-TOF/MS指纹技术直接对整个肌浆蛋白进行分析（样品不经2-DE分离），通过分析特定小清蛋白（parvalbumin，PRVBs）的质量图谱，成功实现了25种（包括鲈形目、鳕形目和蝶形目等）鱼类的区分与鉴定。

（2）过敏原检测 近年来，食物过敏现象越来越引起人们的重视，因此，可靠、精确、快捷的过敏原检测方法是非常必要的。PRVBs是主要的鱼类过敏原，大量出现在鱼类白色肌肉中。Carrera等建立了一种可以快速、直接检测任何食物中的鱼源PRVBs的方法。由于PRVBs对热稳定，因此该方法能够快速直接检测存在于任何产品包括经过加工及预煮产品中的PRVBs。

（3）致病性和腐败性微生物的检测与鉴定水产品加工过程中致病微生物污染事件常引起消费者食物中毒，同样给水产加工企业带来重大的经济损失。水产品食物中毒大都是由其所携带的致病菌产生的毒素引起的。因此，对水产品中的主要腐败菌和致病菌进行鉴定、检测及有效控制是延长水产品货架期、提高质量和安全性、保障行业健康发展的关键技术需求。目前食品微生物鉴定的主要方法仍然是传统的表型实验及16S rRNA基因序列分析等，存在效率偏低、精确度不高等缺点，而蛋白质组学技术在腐败菌和致病菌检测和鉴定中显示出强大的优势。例如，Mazzeo等通过对细菌细胞膜全蛋白的MALDI-TOF-MS分析实现了对24种食源性致病菌和腐败菌的检测与鉴别。Fernández-No等利用MALDI-TOF-MS鉴定出水产品中生物胺的产生菌和引起大菱鲆等养殖鱼类腐败和传染性疾病的副乳房链球菌（Streptococcus parauberis）。

五、代谢组学技术在食品安全中的应用

代谢组学研究可分为非靶向代谢组学和靶向代谢组学。非靶向代谢组学（又称发现代谢组学）以发现尽可能多的代谢产物，从而获取代谢产物的产生模式或者指纹分析为主要的研究方向。非靶向代谢组学通常寻找有统计学意义的代谢物，并与所研究的生物状态或过程进行关联，揭示其内在的变化规律。靶向代谢组学分析是以预先确定的一组化合物为分析目标，需要准确的定性和定量分析。靶向代谢组学通常验证事先提出的假设，针对特定的一组代谢物，研究其变化特点。靶向分析一般需要对样品进行选择性的提取和较高程度的纯化，以尽可能去除与测定目标无关的干扰物质。

代谢组学研究的一般流程包括实验设计、样品收集及处理、分离检测、数据处理及分析、生物标志分子的发现和确认及生物学意义的解释等，其中检测和数据处理较为重要，是代谢组学不可或缺的重要步骤（图9-6）。代谢组学作为一种新发展起来的技术，已经广泛应用于微生物学、植物学、食品学、毒理学和药物学的研究中。代谢组学研究的不断深入和发展，将为建立代谢组学数据库打下基础，并与基因组学、蛋白质组学数据库结合起来，形成信息更为庞大的系统生物学数据库，为食品安全和质量把控提供高准确性、高灵敏度、高通量的技术平台。代谢组学技术在食品安全领域中的应用主要有新的未知化合物监测、掺假鉴别、有机农作物鉴别、农药残留和毒素含量检测、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。此外，代谢组学的研究极有可能发现生物标志分子，可以为解释生物代谢的变化规律和相关机制提供理论依据。生物标志分子的发现和确认具有重要的价值，如生物标志分子的检测可以用于疾病的早期诊断、微生物的检测、药物毒理的评价等。

图9-6 代谢组学技术一般流程

HPLC—高效液相色谱 UPLC—超高效液相色谱 GC—气相色谱 CE—毛细管电泳

UV—紫外检测 MS—质谱 NMR—核磁共振 LC-MS—液相色谱-质谱联用

GC-MS—气相色谱-质谱联用 PCA—主成分分析 NN—神经网络分析

HCA—簇类分析 PLS—偏最小二乘法

1.在食源性致病菌快速检测中的应用

食源性疾病，特别是由病原菌导致的食物中毒爆发是当今世界上最广泛的卫生问题之一。传统的食源性致病菌检测过于繁琐，易出现假阳性或假阴性，因此研制快速、准确、简便的检测方法已成为食源性疾病研究领域的热点。目前，代谢组学技术已应用于食源性致病菌检测及鉴定等领域，主要集中于相应食品中沙门菌和大肠杆菌的鉴定。该技术的原理可以概括为：食源性致病菌在生长过程中能够合成并释放出多种有机小分子物质，且不同致病菌所产代谢物的多样性及组成存在差异。采用相应的分离和检测技术对这些小分子物质进行代谢物图谱的定性或定量分析，最后通过与相应数据库中不同致病菌的代谢物图谱进行比较，或通过对不同致病菌生长过程中所有代谢产物的产生模式进行统计学多维数据分析，确定致病菌中某个或某些特异性的生物标志分子，进而确定致病菌的种属。例如，Nakai等利用气相色谱法研究了牛肉和三文鱼样品中沙门菌的检测方法，无需富集培养液，直接对牛肉保温增菌，通过分析致病菌污染样品的挥发性代谢产物的产生模式区分污染样品和对照品。Siripatrawan和Harte利用固相微萃取和气质联用色谱分析的方法，检测污染沙门菌的苜蓿芽包装产品。Xu等根据猪肉中的腐败菌和沙门菌在常温保存下所产生的代谢物不同来判定猪肉是否污染沙门菌，其中沙门菌在污染猪肉中的标志分子为缬氨酸和肌酐等。Bhattacharjee等比较了鲜牛肉和熟成牛肉污染沙门菌和对照样品中挥发性有机分子的组成的不同。虽然利用代谢组学技术对食源性致病菌的检测研究已初见成效，但是用代谢组学技术对食源性疾病进行定性定量检测在方法上还存在一定的局限性，需进一步完善。

2.在食品掺假检测中的应用

常规食品分析检测目标单一，往往不能检出这些掺假食品。代谢组学为基于全面分析食品成分组成的整体分析方法，因此在检测非特定目标物方面具有其他检验方法所没有的优势。很多掺假食品可以通过代谢组学的技术手段来鉴别。例如，Hajimahmoodi等利用气相色谱和偏最小二乘法统计模型检测棉籽油、橄榄油、豆油及葵花籽油的混合物。Surowiec等利用代谢组学对机械回收肉和手工剔骨肉等进行了区分。Ogrinc利用同位素比质谱法对果汁掺假、葡萄酒掺假和橄榄油掺假进行了分析研究。可以预见，代谢组学方法在食品掺假检测中的应用将会越来越广泛，有可能成为检测掺假食品的主要技术手段。

3.在转基因食品检测中的应用

按照“实质等同”原则，需要对转基因食品成分和传统对照的非转基因食品进行比较分析。目前，代谢组学技术因其简便而快捷的优势已应用于转基因食品，如谷物、果汁、啤酒等的质量与安全评价之中。Chang等对转基因大米和非转基因大米采用非靶向代谢组学方法进行分析，发现转基因大米和非转基因大米成分差异不大，而环境因素引起的成分差异较为显著。Kim等用傅立叶红外光谱和核磁共振仪器对转基因土豆和非转基因土豆做了比较分析。多维数据分析结果表明，转基因土豆和非转基因土豆实验样品并无显著区别，反而新鲜土豆和储藏一周后的土豆差异明显。

4.在禁用物质检测中的应用

利用代谢组学技术可以检测食品中添加剂或禁用物质的使用情况，可对食品企业的食品生产加工过程进行监控。例如，王勇等运用代谢组学研究了三聚氰胺对儿童尿液代谢的影响，发现三聚氰胺能够通过肾结石导致的物理性损伤干扰体内柠檬酸的代谢，该方法可作为三聚氰胺导致肾损伤的无创检测。Schnackenberg等对344只费舍尔大鼠进行28d的三聚氰胺和三聚氰酸喂养，对大鼠尿液中氨基酸类代谢物进行统计分析后，推断尿液中羟脯氨酸可作为三聚氰胺和三聚氰酸引起的肾损伤的潜在标记物。

5.在食品或食品包装材料有害物质检测中的应用

除了致病菌及其代谢物能引起食源性疾病以外，食品或其包装材料在处理或加工过程中因操作不慎而被污染有毒害化学物质也能引起相应的疾病。代谢组学技术已应用于食品或其包装材料中有害物质的检测。例如，UPLC-MS/MS技术已经用于乳粉中喹诺酮类和氟喹诺酮类药物的快速检测及牛乳中抗生素残留检测，并可用于定期监测市场上乳粉中的抗生素残留。全氟化合物经常被用作食品包装材料或不粘锅涂层。唐惠儒等利用代谢组学和转录组学技术对全氟十二烷酸进行研究，发现全氟十二烷酸具有慢性毒性，可作用于过氧化物酶增殖体激活受体，可能会导致能量代谢和氨基酸代谢紊乱，进而造成肝脏的脂肪变性。

6.在植物源性食品溯源中的应用

代谢组学技术在植物油的来源及品质鉴定中应用广泛，其中NMR与LC-MS联用极大促进了植物源性食品的分类，不仅可以准确地鉴定不易挥发性代谢产物，还可以同时构建多种代谢产物的代谢图谱，为饮料、酒、油等植物源性食品的分类及溯源提供现实可行的保障手段。例如，Ruiz-Samblás等运用GC-MS指纹图谱获得了三酰甘油图谱，1-棕榈酸-2-硬脂酸-3-油酸甘油酯和1，2-油酸甘油酯-3-硬脂酸是区别特级初榨油、初榨橄榄油、橄榄油和果渣油这4种橄榄油样品的主要代谢产物。利用高效液相色谱-电雾式检测器区分不同类别和品种的橄榄油、食用油（玉米油及向日葵等）和一些混合油，其中三油酸甘油酯、1，2-油酸-3-棕榈酸和1，2-油酸-3-甘油三亚油酸酯可作为区分橄榄油和植物油的鉴别性代谢物。