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代謝組學技術在食品安全中的應用

文檔作者：劉思潔1 吳永寧2* 方赤光1 文檔來源： 1. 吉林省疾病預防控制中心 2. 國家食品安全風險評估中心		點擊數：	更新時間： 2025年06月13日
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第5 卷 第4 期 食品安全質量檢測學報 Vol. 5 No. 4
2014 年4 月 Journal of Food Safety and Quality Apr. , 2014
基金項目: 國家留學基金委資助項目(2011822166)
Fund: Supported by the China Scholarship Council (2011822166)
*通訊作者: 吳永寧, 博士, 研究員, 主要從事食品安全風險監(jiān)測與評估。E-mail: wuyongning@cfsa.net.cn
*Corresponding author: WU Yong-Ning, professor, China National Center for Food Safety Risk Assessment, No.7, Panjiayuannanli, Chaoyang
District, Beijing 100021, China. E-mail: wuyongning@cfsa.net.cn
代謝組學技術在食品安全中的應用
劉思潔1, 吳永寧2*, 方赤光1
(1. 吉林省疾病預防控制中心, 長春 130062; 2. 國家食品安全風險評估中心, 北京 100021)
摘要: 隨著我國經濟和社會的持續(xù)較高速度發(fā)展以及人民生活水平的提高, 對食品安全提出了越來越高
的要求。近年來, 我國出現了許多令人憂慮的食品安全問題, 食品安全風險監(jiān)測工作正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
代謝組學是通過考察生物體系受刺激或擾動后, 代謝產物的變化或其隨時間的變化的一個新興的重要組學
技術, 在藥物研究、疾病診斷、植物育種、環(huán)境科學等很多領域中得以廣泛應用。本文在介紹了目前我國食
品安全監(jiān)測中存在的問題之后, 對代謝組學技術在食品安全領域中的應用研究進行了全面的綜述, 表明了
代謝組學技術在食品中獸藥殘留、禁用物質、轉基因食品、食品摻假和食源性疾病等檢測方面有著良好的
應用前景, 但在實際應用中依然存在一些問題有待進一步研究, 為應用代謝組學開展食品安全風險監(jiān)測與
評估提供一定的參考。
關鍵詞: 代謝組學; 食品安全; 獸藥殘留; 禁用物質; 轉基因食品; 摻假食品; 食源性疾病
Review on the application of metabonomics approach in food safety
LIU Si-Jie1，WU Yong-Ning2*，FANG Chi-Guang1
(1. Jilin Provincial Center for Disease Prevention and Control, Changchun 130062, China; 2. China National Center for
Food Safety Risk Assessment, Beijing 100021, China)
ABSTRACT: The quality and safety of food is a major benchmark of the economic development and people’s
living conditions of a country. In recent years, several cases of the food scandal have been disclosed on various
media. Food safety risk monitoring work is facing the huge challenge. Metabonomics mainly investigates the
change of endogenous metabolism of biological system that is stimulated or disturbed, and studies the metabolic
pathways of biological system. Metabonomics is an emerged important research tool of system biology in
drug discovery, disease diagnosis, plant breeding and environmental science. In this review, we gave an overview
of some food safety problems that have had a major impact on public health over the last several years in
China and how metabonomics can be used to tackle the issue of food safety. The review showed that metabonomics
had favorable the applying prospects in residues of veterinary drugs, banned substances, genetically
modified food, food adulteration, foodborne illnesses. However, there were some problems in the practical application,
which needed to be further in-depth study. This review may be valuable for the further study.
KEY WORDS: metabonomics; food safety; residues of veterinary drugs; banned substances; genetically modified
food; food adulteration; foodborne illnesses
1082 食品安全質量檢測學報 第5 卷
1 引 言
食品安全是保護人類健康, 提高人類生活質量
的基礎。目前, 食品安全已成為全球性的重大戰(zhàn)略性
問題, 并越來越受到世界各國政府和消費者的高度
重視。隨著我國經濟和社會的持續(xù)較高速度發(fā)展以及
人民生活水平的提高, 對食品安全問題提出了越來
越高的要求。中國食品安全水平不斷提高,但是當前
我國食品安全形勢依然很嚴峻。近年來,我國出現了
許多令人憂慮的食品安全問題, 如蘇丹紅鴨蛋、孔雀
綠魚蝦、三聚氰胺奶粉及牛奶、瘦肉精、地溝油、臺
灣塑化劑有毒食品、爆炸西瓜、染色饅頭事件等等,
這不僅嚴重影響了人民的身體健康, 造成了巨額的
財產損失, 而且也影響到了中國的經濟發(fā)展、食品
出口、社會穩(wěn)定等一系列問題。食品安全風險監(jiān)測
工作正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在常規(guī)的食品分析中,
常用色譜儀、光譜儀、質譜儀和其他一些儀器設備
對已知目標化合物進行檢測, 可以起到很好的檢測
效果[1], 但是由于不法商販制作假冒偽劣食品時所
使用的原料都是國家明文規(guī)定禁止在食品中使用的
化學品, 并沒有相應的食品檢驗標準, 常規(guī)的檢測
方法往往很難檢測出上述問題食品。因此, 目前亟需
一種新的檢測分析技術來解決食品檢驗問題。
代謝組學是通過考察生物體系受刺激或擾動后,
相對分子量小于1000 的小分子代謝產物的變化或其
隨時間的變化[2]。1999 年由英國倫敦大學帝國學院的
Jeremy Nicholson 教授首次提出代謝組學一詞, 它與
基因組學、蛋白質組學、轉錄組學共同構成了“系統
生物學”[3]。根據研究對象和目的的不同, 代謝組學分
析技術分為靶向代謝組學和非靶向代謝組學技術,
即可以對已知的化學物質進行分析, 又能對未知的
化學物質進行分析[4-6], 因此代謝組學技術作為一個
新興的重要研究技術, 在藥物研究、疾病診斷、植物
育種、環(huán)境科學等領域廣泛應用[7-15], 并取得了很大
的成績, 顯示了良好的應用前景。代謝組學基于全面
分析食品成分組成的整體分析方法, 因此在檢測非
特定目標物方面有其他檢驗方法所沒有的優(yōu)勢，因此
近幾年, 國內外一些學者陸續(xù)采用代謝組學技術對
食品安全領域中存在的問題進行了研究[16-19]。本文針
對代謝組學技術在食品安全領域的應用進行了綜述,
為進一步應用代謝組學開展食品安全風險監(jiān)測與評
估提供一定的參考。
在此綜述中, 我們利用美國醫(yī)學文獻數據庫
(Medline), 使用“食品安全”(food safety)、“食品代謝
組學”(food metabonomics) 和“ 發(fā)表日期”
(date-publication)三個關鍵詞進行檢索, 在2001 年
~2012 年期間共檢索出47 篇與食品安全代謝組學相
關的文獻, 這些文獻主要關注食品中獸藥殘留、禁用
物質、轉基因食品、食品摻假和食源性疾病等食品安
全問題。
2 代謝組學技術在獸藥殘留檢測中的應用
隨著人們生活水平的日益提高, 對動物源食品
已由需求型轉為質量型的要求, 動物源食品中的獸
藥殘留已逐漸成為食品安全關注的一個焦點。一些不
法商販明知道“瘦肉精”對人體健康有危害, 但為了
攫取暴利仍然大量非法生產、銷售并使用“瘦肉精”,
將其添加到飼料中, 增加瘦肉率, 但如果作為飼料添
加劑, 使用劑量是人用藥劑量的10 倍以上, 才能達
到提高瘦肉率的效果。它用量大、使用的時間長、代
謝慢, 所以在屠宰前到上市, 在豬體內的殘留量都很
大。這個殘留量通過食物進入人體, 就使人體漸漸地
中毒, 積蓄中毒。世界各國, 特別是西方發(fā)達國家都
加強了對國際貿易動物性食品中獸藥殘留的檢測。我
國國家食品安全風險監(jiān)測計劃從2009 年開始檢測兩
種β2-受體激動劑到2012 年增加到9 種, 監(jiān)測項目逐
年遞增的原因是由于一些不法商販正在使用更多的
β2-受體激動劑, 今后對β2-受體激動劑的檢測組分會
不斷增加。除了建立多組分的β2-受體激動劑檢測技
術外, 可利用代謝組學技術來發(fā)現這一類獸藥的生
物標志物, 進而可以有效監(jiān)測到非法使用此類獸藥
的情況。Courant 等[20]利用液相色譜-高分辨質譜儀
(LC-HRMS), 結合非靶向代謝組學分析方法, 建立
了根據小牛尿液代謝物的改變來監(jiān)測濫用β2-受體激
動劑克倫特羅的方法, 結合主成分分析(PCA)和正交
偏最小二乘法判別分析(OPLS-DA)進行數據分析,
發(fā)現了兩個潛在的生物標志物, 但能否作為克倫特
羅所特有的生物標志物還有待進一步確證。
Regal 等[21] 利用液相色譜- 高分辨質譜儀
(LC-LTQ-Orbitrap), 應用代謝組學的方法建立了兩
個模型, 對牛的血清進行分析以鑒定牛是否使用了
雌二醇或孕酮。實驗結果發(fā)現了雌二醇或孕酮的潛在
生物標志物, 為準確判斷牛體內是否含有雌二醇或
孕酮提供了理論依據。
第4 期 劉思潔, 等: 代謝組學技術在食品安全中的應用 1083
由此可見, 代謝組學可以建立生物標志物與違
禁添加的一組獸藥之間的量效關系, 從而可作為一
個指示物為相關預警監(jiān)督提供一個預知平臺。
3 代謝組學技術在禁用物質檢測中的應用
我國衛(wèi)生部自2008 年以來陸續(xù)發(fā)布了五批《食品
中可能違法添加的非食用物質和易濫用的食品添加
劑名單》, 但是使用禁用物質添加到食品中的事件還
是屢禁不止。2008 年我國出現了奶粉中添加三聚氰
胺事件后, 有很多文獻報道了對三聚氰胺的檢測及
對人體腎臟毒性的影響[22]。Duan 等[23]運用代謝組學
方法研究了由三聚氰胺誘發(fā)導致兒童腎結石的生物
標志物, 利用超高效液相色譜飛行時間質譜儀
(UPLC-QTOF), 結合主成分分析和正交偏最小二乘
法判別分析進行數據分析, 通過對由三聚氰胺導致
腎結石的兒童和健康兒童的尿液研究, 發(fā)現了三聚
氰胺導致代謝異常的生物標記物次黃嘌呤, 為今后
進一步研究三聚氰胺對機體的影響提供了理論依據。
Xie 等[24]則建立了相應的動物模型, 發(fā)現三聚氰胺攝
入量的不同對腎臟的毒性也不同; 當三聚氰胺和三
聚氰酸1:1 混合時的毒性與攝入600 mg 三聚氰胺引
起的腎臟毒性是一樣的, 也會引起腎結石, 同時研究
表明檸檬酸可以作為其生物標志物。Schnackenberg
等[25]則認為羥脯氨酸是三聚氰胺和三聚氰酸的生物
標志物。無論他們的結論如何都表明代謝組學方法可
以用來監(jiān)控三聚氰胺的使用以及三聚氰胺導致腎臟
損傷的無創(chuàng)檢測。
4 代謝組學技術在轉基因食品檢測中的應用
轉基因作為一種新興的生物技術手段, 它的不
成熟和不確定性, 使得轉基因食品的安全性成為人
們關注的焦點。1993 年, 國際經合組織(OECD)首次
提出了轉基因食品的評價原則——“實質等同”的原
則[26]。目前國際上已有不少對轉基因食品的評估研
究[27,28]。轉基因食品與傳統食品之間的差異同樣也可
以通過代謝組學技術加以區(qū)分, 如Catchpole 等[29]對
轉基因土豆和非轉基因土豆用聚類分析方法進行比
較, 發(fā)現轉基因土豆和非轉基因土豆除了在果聚糖
及其衍生物上有一些差異外, 其他代謝指紋和代謝
輪廓差異并不大, 研究進一步表明不同栽培系之間
的轉基因土豆的代謝輪廓有顯著差異。Kim 等[30]也
用傅立葉紅外光譜儀和核磁共振儀器, 結合代謝指
紋譜和多變量統計分析技術對非轉基因土豆和轉基
因土豆進行了分析。分析結果表明,非轉基因土豆和
轉基因土豆代謝組學分析結果雖然存在一定的差別,
但這種差異沒有非轉基因土豆儲存一周后的代謝差
異顯著。這些研究都提示在做轉基因食品代謝組學時
要充分考慮環(huán)境、時間等因素的影響。
代謝組學技術也已應用到對轉基因大米[31,32]、轉
基因玉米[33]、轉基因番茄[34]等轉基因食品的分析。
這些研究主要集中在轉基因食品和非轉基因食品之
間的代謝差異及是否存在非預期的代謝反應。研究表
明代謝組學技術可以快速、準確、簡便地評估轉基因
食品與非轉基因食品之間的代謝差異, 從而檢測是
否對人類健康造成影響。
5 代謝組學技術在食品摻假檢測中的應用
為降低成本, 一些食品制造商減少主料, 以次充
好, 嚴重危害消費者利益。常規(guī)的食品分析檢測只檢
測目標化合物, 往往不能檢出這些摻假食品。代謝組
學技術側重于食品所有成分組成的整體定性定量分析,
因此可以對摻假食品進行科學的分析鑒別。研究表明,
很多摻假食品可以通過代謝組學技術進行鑒別[35-38]。
根據英國肉類制造商協會和歐盟的規(guī)定, 機械
回收肉是不屬于肉的范疇, 但一些不法商販仍用其
充當人工剔骨肉以謀取暴利。Surowiec 等[39]通過代
謝組學技術, 利用氣相色譜質譜聯用儀成功地區(qū)分
出機械回收肉(mechanically recovered meat)和人工剔
骨肉(hand-deboned meat), 為防止機械回收肉以次充
好提供了檢測依據。Goodacre 等[40]利用電噴霧電離
質譜結合主成分分析技術和偏最小二乘法統計模型
對橄欖油中摻入蔬菜油和花生油進行鑒別。所建立的
模型能夠很好的對橄欖油是否添加了蔬菜油和花生
油做出快速的判斷, 具有一定的實際應用價值。Son
等[41]采用代謝組學技術, 利用氫譜核磁共振儀, 結
合主成分分析和正交偏最小二乘法判別分析對不同
地域、不同品種的葡萄如早期坎貝爾、赤霞珠、穗樂
仙所釀制的葡萄酒進行了鑒別, 研究結果表明不同
品種、不同區(qū)域的葡萄的化學成分是有明顯區(qū)別的,
主要表現為2,3-丁二醇、乳酸、乙酸、脯氨酸、琥珀
酸、蘋果酸、甘油、酒石酸、葡萄糖、酚類等化學成
分的不同, 產自加利福尼亞州的赤珠霞中所含的脯
1084 食品安全質量檢測學報 第5 卷
氨酸含量明顯高于產自法國和澳大利亞的葡萄酒,
因此可以通過對葡萄酒化學成分的分析鑒別葡萄酒
的質量和產地。綜上所述, 當傳統的感官指標評價和
常規(guī)質量指標的檢測不能有效區(qū)分摻假和假冒偽劣
食品時, 利用代謝組學技術可以非?？焖佟蚀_地鑒
定出摻假和假冒偽劣食品, 為食品安全風險監(jiān)測提
供有力的技術支撐。
6 代謝組學技術在食源性疾病檢測中的應用
食源性疾病, 特別是由病原菌導致的微生物性
食物中毒暴發(fā)是當今世界上最廣泛的衛(wèi)生問題之一。
傳統的食源性致病菌檢測過于繁瑣, 易出現假陽性
或假陰性, 因此研制快速、準確、簡便的檢測方法已
成為食源性疾病研究領域的熱點。
目前關于代謝組學在食源性致病菌檢測上的研
究多集中在沙門氏菌和大腸桿菌的鑒定[42,43]。Juan
等[44]利用毛細管電泳二極管陣列(CE-PDA)、液相色
譜質譜(HPLC-MS)和氣相色譜(GC-MS)三種檢測方
法, 結合主成分分析和偏最小二乘法, 對雞肉和牛肉
中的大腸桿菌O157:H7 和沙門氏菌進行了檢測。通
過對三種檢測方法的比較, 最終采用氣相色譜質譜
檢測的數據進行分析, 并成功地預測了未知樣品中
有致病菌。但是使用非選擇性細菌培養(yǎng)液進行檢測后
并沒有找到大腸桿菌O157:H7 和沙門氏菌潛在的生
物標志物。Nakai 等[45]同樣對沙門氏菌的檢測建立了
方法, 雖然能夠區(qū)分污染樣品和對照樣品, 但卻無法
確認是何種病菌。由此可見, 雖然利用代謝組學技術
對食源性致病菌的檢測研究已初見成效, 但是用代
謝組學技術對食源性疾病進行定性定量檢測方法還
存在一定的局限性, 需進一步完善。
7 小 結
代謝組學技術作為繼基因組學和蛋白組學之后
新發(fā)展的一門學科, 在食品安全領域已顯示了良好
的應用前景。在我國, 基于代謝組學技術的食品安全
領域的研究起步比較晚, 相關文章比較少, 因此還有
待進一步開發(fā)研究, 建立相應的分析方法, 使之成為
確保食品安全, 保障人民身體健康的重要技術支撐。
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(責任編輯:鄧偉)
作者簡介
劉思潔, 博士, 主任技師, 主要研究
方向為食品安全風險監(jiān)測與評估。
E-mail: 0928lsj@163.com
吳永寧, 博士, 研究員, 主要研究方
向為食品安全風險監(jiān)測與評估。
E-mail: wuyongning@cfsa.net.cn

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