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食品分析现在和未来具有怎么样的挑战

2021.10.27

——基本现状

随着消费者对于食品成分和食品安全的日益关注，食品科学当中分析方法和技术的应用也在不断的发展当中。如果要对消费者越来越高的要求给予满意的答复，食品分析人员需要利用十分有效的技术方法来解决越来越复杂的问题。当前食品分析的复杂性很大程度是来自于全球化。食品运输以及食品原料的全球化使得有害物质也随之全球化，附加的难题是食品包含了许多经过加工处理的原料，这些原料往往从世界不同的地方运来，并且使用同样的存储室和生产线。因此，如今要确保食品的安全性、质量以及可溯源性，变得比以往任何时候都复杂和必需。

和过去一样，食品分析的第一要务依然是确保食品安全。为了实现这一目标，食品分析实验室也逐渐以现代仪器分析方法取代经典的化学分析方法，来满足当前全球化的食品安全需求。此外，新的欧盟法规(例如EC258/97或EN29000，以及随后发布的版本)、美国的营养标签与教育法案，以及蒙特利尔协议等对食品实验室有着非常重要的影响。因此，食品化学家、监管机构、质量控制实验室等都在寻找更有效、更清洁、更低成本的分析方法。要满足以上需求就需要更精密的分析仪器，以及合适的分析方法来确保提供更高的灵敏度、精密度、专属性和分析速度，从而保证更好的定性和定量分析结果。

除了针对食品安全的分析之外，在大量的食品品质分析中，分析化学也发挥着重要的作用。例如，对于食品生产、加工、配制、使用当中，养分含量、有毒污染物的产生和天然毒素失活等对食品影响的鉴定；遵从食品和贸易相关法规，确保食品的安全性和可溯源性；检测掺假物质；对食品化学成分的表征；对食物流变性、形态、结构或表面的研究；以及物理性能分析、物理化学性能分析、热分析，或微生物分析以及感官评价等，这些性能将对食品的安全性、质量、食品加工和验收等有着十分重要的影响。

此外，目前食品科学当中有一种普遍趋势，也就是将食品和健康关联起来。如今食品不再仅仅是能量来源，它还是预防疾病的一种经济方式，从这一趋势中产生的大量机遇(例如，新的方法学、新产生的知识、新产品等)给人留下深刻的印象。它包括，例如，有可能对那些针对不同基因人群设计以改善他们的健康和生活质量的食品进行解释。在这一领域的研究中引入一些先进的组学方法，例如食品组学，使得几年前食品科学家们难以想象的事情现在变得可能。然而，要进行这些研究，研究人员需要对现代分析仪器十分熟悉，以便能够充分发挥它们的潜力。通常，面对庞杂的研究课题，要合理的处理数据分析结果，多学科团队的合作是十分必要的。

因此，可以说食品分析是当前分析化学最重要的应用领域之一。在接下来的系列文章当中，我们将对21世纪初最先进的食品分析技术，以及它们的主要应用和局限性进行介绍，并对当前和未来食品分析面临的挑战进行探讨。

在这篇文章中，我们不会对大量应用于食品分析的技术进行论述。本文将主要聚焦于以下几个主要的食品分析技术方法：(1)光谱学技术，如质谱、核磁共振、红外、原子光谱、荧光法等；(2)生物技术，如聚合酶链反应（PCR）、免疫技术、生物传感器等；(3)分离技术，如高效液相色谱、气相色谱、毛细管电泳、超临界流体色谱等；(4)样品制备技术，如固相萃取、超临界流体萃取、顶空法、流动注射分析、吹扫补集、加压液体萃取、微波辅助萃取、自动热解析法等；(5)电化学法；(6)联用技术等。如果将上述各类技术的分支技术也考虑在内，那用于食品分析的技术就更多了。

图1.样品制备、生物技术、光谱技术和分离技术在食品分析当中的应用，根据2000-2011年间食品科技文摘中相应的引文数量分析。生物技术中的“others”包括：放射免疫法和酶法分析。光谱学技术中的“others”包括：拉曼光谱(402)，电子自旋共振(366)，介电光谱法(57)，折光度法(54)，旋光度法(38)，化学发光法(15)和光声量热法(0)。

为了总结食品分析当中大量被使用到的技术以及被解决的课题，表S-1（见附件）作为辅助信息，对2009-2011年间发布的针对不同食品分析的文章、综述、文章章节进行了总结。同时，图1和图2，提供了2001-2011年间发表的关于食品分析的文章统计，其中的数据是通过食品科技文摘(FSTA)数据库，以各类技术为关键词搜索整理所得。如果我们将图1和图2的数据，与1990-2000年间发布的类似食品分析文章统计数据相比，能够得到许多重要的结论。其中最重要的变化趋势是，生物技术和样品处理技术的应用明显增多，而放射化学和热分析技术的应用严重减少。光谱学技术、生物技术和样品处理技术的应用和20世纪末相比，分别增加了2倍、3倍和4倍，热分析和放射化学技术的应用则减少了一半。其他比较成熟的技术，如色谱技术的应用依然比较多，但如今，它的应用也不如以前(1990-2000年)广泛，因为光谱学技术的应用越来越多，而且成为了目前食品分析中应用最广泛的技术。实际上，对于食品组分进行定性和定量分析，以及进行食品特性的研究，都可以通过测量电磁辐射(可见光、红外光、荧光、拉曼散射光等的吸收)与食品的相互作用来实现。得益于新型光谱仪器技术及多元化学计量学的发展，能够对不同的红外或荧光光谱表现出的细微差别进行评估，例如对食品光谱分析所展现出的细微差别，从而使得开发预测模型成为可能。

图2.电化学法、流变学、放射化学、热分析技术在食品分析中的应用，根据2000-2011年间食品科技文摘中相应的引文数量分析。

近年来，成像技术如共聚焦激光扫描显微镜，或高光谱成像耦合图像分析技术已被成功地用于研究高度异质性食品。实际上，成像分析技术，例如数学形态学、或图像纹理分析，使得对图像中的结构进行定量分析，或展示不同的加工过程对于食品中蛋白质网络微观结构的影响成为可能。从另一方面来说，食品分析中光谱学技术应用的重要增长也许是由于NMR、红外光谱等技术大量的最新应用，以NMR为例，由于对具有生物和代谢等特性的未知化合物的明确鉴定的需要，使得这类技术的应用数量接近于一些成熟的技术，如荧光、甚至质谱的应用数量。

生物技术的大量应用并不奇怪，这些技术，以生物体及他们的产品如酶、抗体、DNA等为基础，来实现鉴别和分析食品，它们在食品分析中的应用增长了3倍。其中PCR技术的应用占据了所有生物技术应用的60%，相当于之前生物技术在食品分析当中的所有应用的2倍。PCR技术的大量应用主要归因于要采取不同的步骤，来克服影响DNA提取质量和数量的主要难题。目前，针对许多样品的新仪器和新标准化协议，使得PCR成为世界范围内一种广泛应用的技术，可以在几乎所有的食品分析实验室中看到它。

至于分离技术的分布和重要性，液相色谱（LC）和毛细管电泳（CE）的应用增长主要来自于技术本身的发展，如：在确保分辨率和分离效率的同时降低分析时间(UPLC、微流控芯片电泳技术、整体柱)，新的分离机理(亲水相互作用色谱等)，将质谱作为LC或CE的检测器。另一方面，气相色谱（GC）的应用基本和过去持平，并在一些特定的应用领域展示了它的重要性。最后，联用分离技术，如中心切割多维色谱法(LCxLC,GCxGC,LCxGC,LCxCE等)，或全二维技术(LC×LC,GC×GC)，它们可提供更多信息来支持破译食物的复杂性，以及研究食品对于人类健康真实影响的理论。

事实上，多维色谱已经成为一种分析复杂样品的可选择方法，在食品分析中有一种情况，即某类技术的改进，如新的色谱柱技术，似乎已经达到了它们的极限。然而，多维色谱峰容量的增加到目前要比经过各种改进的一维色谱高。多维色谱允许两个或更多个独立或几乎独立的分离步骤结合，显著增强相应的一维色谱技术的分离能力，因而提高分离复杂样品中化合物的能力。尽管两种不同色谱分离技术的耦合并不是什么新技术，但是这一技术的发展拓展了综合应用，在这些应用中，整个样品可以从不同的独立的维度进行分析，并减少了样品制备的步骤。食品分析领域，有关这种综合技术的应用每年都在增长，而且预计将持续保持增长状态。

对于食品分析当中样品制备技术应用的显著增长(4倍左右)，我们需要给予特别的关注。样品制备技术的改进目标在于减少实验室溶剂的使用和有害物质的产生，减少劳动力和时间，降低每个样品制备的成本，同时提高被分析物质的分离效率。目前，新型绿色制样技术，如超临界流体萃取(SFE)、亚临界水萃取(SWE，也称为加速溶剂萃取)将在食品科学中有更广泛的应用，不仅仅是在食品分析当中，还有在食品功能成分的提取中。这些萃取技术基于压力流体可提供更高的选择性、更短的萃取时间、和对环境更友好的特性。关于这些技术的文章在2001-2011年10年间超过1500篇，而20世纪末时，关于这些技术的文章还只在300篇左右。举一个有趣的例子，例如，加压流体萃取(PLE)，在以前还没有这种技术，但现在却是食品分析当中仅次于SFE的十分重要的“绿色”样品制备技术。

同时,相较于传统萃取方式，不同的液相微萃取模式，如单液滴微萃取、分散液-液微萃取、中空纤维膜液相微萃取(HF-LPME)等操作更简便、更有效、速度更快，并且有机溶剂的消耗量更低，所以在食品分析当中它们被越来越多地用于从不同的基质中提取有机或无机物质。当比较样品制备和分离技术的数量和分布时，另一个比较重要的观察结果是，在过去10年中，固相萃取(SPE)应用的增长在某种程度上和液相色谱的应用是相关联的，对于液相色谱来说，在过去10年当中，新的分离机理、新应用和新方法已经建立。另外，比较有趣的发现还有，固相微萃取(SPME)的应用和其他发展比较成熟的技术，如顶空法的应用数量比较接近。在过去几年中，SPME的快速增长主要由于其操作简便、纤维和涂层应用范围的日益广泛，以及新发展起来模式，这些模式拓宽了SPME的应用范围。

食品分析中最主要的一个挑战将是：改善我们对食物化合物在分子水平上的作用的有限认识(如它们与基因的相互作用，及其对蛋白质和代谢物的后续影响等)，以便合理设计饮食来控制细胞功能，这对于我们的健康有着非同寻常的影响。在这种情况下，食品组学作为一门新兴学科来研究食物和营养，主要通过应用先进的组学技术来改善消费者的健康和幸福感。因此，食品组学作为一门全面的学科，包含了食品、先进的分析技术(主要是组学工具)和生物信息学。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的发展为我们现在利用食品组学来解决各种不同的问题带来了极大的机遇。

例如：(1)利用营养基因组学方法来理解生物化学、分子和细胞机理，它们是某种生物活性食物成分产生有益或有害影响的基础；(2)利用营养遗传学方法来理解对于特定的膳食结构，不同个体间不同响应的基因差异；(3)了解从上述阶段到疾病发生所涉及到的基因特征，也就是寻找可能的生物标记物；(4)确定生物活性食物成分对于关键的分子途径的影响；(5)建立肠道微生物基因谱全面的作用和功能，这项工作将开启令人印象深刻的研究领域；(6)了解食源性致病菌的应激适应模式，以确保食品卫生、加工和保存；(7)研究食物微生物作为传递系统的用途，包括基因失活和基因缺失的影响；(8)开展对转基因改性作物非计划性能的调查研究；(9)在理想情况下，将食品安全、质量和可溯源性作为一个整体进行综合评估；(10)理解具有农业利益和经济相关性的生物学过程的分子基础，例如，农作物和它的致病微生物之间的相互作用，以及果实成熟阶段发生的物理化学变化；(11)通过一个全面的方法来充分理解采后现象，这种方法可以将基因和环境的反应联系起来，以及可以鉴定基础性的生物网络。在这一方面，可以预期新组学技术结合系统生物学，就像食品组学所提议的，可将采后研究引入一个新的时代。

众所周知，遗传基因对人体健康有着重要的影响。然而，饮食、生活方式和环境对表观基因组、肠道微生物有着重要的影响，并影响转录组、蛋白质组、直至代谢组。当遗传基因的影响与营养/生活/环境不能得到适当的平衡，人体健康就会受到影响。食品组学是检测由食物成分引起的不同表达水平发生变化的重要工具。

图3.食品组学研究所使用的分析方法和预期的研究结果

食品组学研究食物成分对于特定生物系统(细胞、组织、器官或生物体)影响的理想方法如图3所示。根据这一食品组学研究方法，食物成分的影响结果可通过基因组学/转录组学/蛋白质组学和代谢组学得到，从而了解食物在分子水平上的生物活性和其对人类健康的影响。

食品组学的关注点与医学和生物科学相一致，通过充足的食物摄入量和所谓的保健食品的开发来预防疾病。从这方面来说，我们对许多物质对于人体健康影响的论断或许太早，对于其他对健康有影响的因素也是如此，它们的具体影响依然在研究当中。因此，食品组学方法可以帮助我们克服这些限制。为了实现这个目标，我们需要开展更多的研究来发现一种核苷酸的多态性，来识别相关的复杂疾病的基因，扩展对新食品的研究，提供更充分的证据来获得公众的认可。此外，尽管通过全面的食品组学方法可以得到有意义的成果，但实际上目前并没有提出并结合三种表达水平(转录组学、蛋白质组学和代谢组学)的研究论文发表。

图4展示了关于膳食多酚针对HT29大肠癌细胞化学预防效应的全球性食品组学研究结果。该图呈现了HT29大肠癌细胞内主要的生物过程所涉及的基因、蛋白质和代谢产物，这些物质通过转录组学、蛋白质组学和代谢组学等分析方法得到了鉴定，此外，迷迭香多酚治疗可以改变HT29大肠癌细胞内这些主要的生物过程。

为了充分证明它的价值，食品组学依然需要通过药物影响(例如通过所谓的个性化营养)被转化为方法或途径。在这一方面，当面对这样复杂的系统，数据的解释和整合并不简单，而且被认为是主要的瓶颈之一。在最近的一项工作中，食品组学方法被用来研究饮食中的多酚类物质对两个人的白血病细胞株的的影响，结果发现，一个人展示了药物敏感表型(k562)，另一个则显示出耐药表型(k562/r)。研究中采用了基于非定标分析方法的全转录组芯片质谱联用技术(通过毛细管电泳飞行时间质谱CE TOFMS和高效液相色谱飞行时间质谱UPLC TOFMS)来进行转录组学和代谢组学分析。

人们使用IPA软件进行功能化的富集分析，对于转录组和代谢组模式的可靠的解释而言，我们可以把这种分析看成是一个在此之前的步骤。这些被研究的膳食多酚改变了1%的基因表达，这些基因被两种白血病细胞系里的转录微阵列所覆盖。总体来说，许多基因的编码第二时期相关解毒酶和抗氧化蛋白的转录诱导模式是不同的，而且在两个白血病细胞系所观察到的代谢模式是不同的，这表明膳食多酚可以对不同表型的白血病细胞产生一种差异性化学预防效果。

关于转录因子分析的IPA预测，强调了膳食多酚对于Myc基因转录因子功能的抑制，这也许可以揭示在白血病细胞中被观察到的膳食提取物的抗增殖效应。代谢分析表明膳食多酚对两种白血病细胞系细胞内代谢水平有着不同的影响。通过使用IPA软件将关于标准代谢途径的数据集进行重叠整理，以实现对由转录组学和代谢组学平台获得的数据的整合。这一方法对被膳食多酚调解的代谢路径中几种不同表达水平的基因进行鉴定，从而为这些化合物的影响效果提供更多的证据。

尽管食品组学有着巨大的潜力，但也存在着方法难题。事实上，食品组学方法并不简单，需要知识结构有着高度互补性的工作在不同领域的研究人员，特别是分析化学、生物/医学、生物信息学和统计学。

此外，食品组学工具需要克服许多极限，来优化食品分析。对于转录组学，高背景噪音淹没了微弱信号，以及DNA芯片当中杂交探针的效率和选择性都需要改进。新的改进包括建立常规的数据分析方法，增加测序的通量和读长。同时也期待这些分析技术所需的费用在未来会持续下降，允许新的应用以及在食品组学研究中大量应用。

在蛋白质组学当中，质谱或者质谱与二维电泳、液相色谱、毛细管电泳联用已成为最常用的方法。如果要使蛋白质研究成为常规分析，则需要开发相关的改进技术或替代技术(如蛋白质微阵列)，包括改进肽的分辨率，以实现覆盖更多的蛋白质。除了日常复杂的样品处理与分离技术，质谱对于蛋白质组学研究依然十分重要。在这种情况下，传统的质谱仪器正在逐渐让位于更加复杂和集成的质谱仪器，它们大多数是与一种或更多的仪器组合使用。因为可以从食品组学当中少量的蛋白质组学研究进行推断，我们期待技术的创新可以推动蛋白质组学分析及食品组学的标准化。

人们期待着代谢组学的巨大进步，利用几乎不需要进行样品制备的新型质谱接口，以及利用MALDI成像质谱(MALDI-MSI)能够分析组织及单细胞水平的蛋白质的代谢产物，获得特定分子空间分布的信息。样品制备方法以及分析平台的改进(包括更高灵敏度的NMR系统与在线质谱联用的可能性)，将增强食品代谢组学研究的关联性。

多维分析技术，如GC×GC或LC×LC，也是分离技术的革命性突破，预计在不久的将来，这一技术在食品组学研究中的应用会增加。与传统的分离技术相比，它们不仅增强了分辨率，而且使峰值数大幅增加，并且增强了分离效果和灵敏度。另外，毛细管电泳技术以及毛细管质谱联用技术(CE-MS)都是代谢组学研究的理想工具，因为它们不需要大量的样品制备，应用范围广，效率高，分辨率高，以及样品消耗量低。此外，CE MS能够分离强极性及带电荷的代谢物质，而这些物质很难被LC或GC分离。代谢组学面临着许多挑战需要解决，如代谢物数据库的发展和增长，到目前为止，所有的代谢产物中仅有一小部分被鉴别，并收录在代谢物质数据库中，大多数自然产生的代谢物质还仍然是未知的。

除此之外，身体处于正常状态和病理状态的代谢物的范围，需要代谢组学领域做出一致的假设，对样品状态和目标代谢物要有统一的标准，以便在新食品组学领域全面认识它的潜力。食品组学与系统生物学结合的挑战，不仅来自于技术水平，如前文提到的，组学研究工具已经取得了巨大的发展和进步，并被期望能有再进一步的巨大发展；还来自于生物信息学方面，它需要进一步的发展，以使系统生物学能在新食品组学研究中发挥所有的潜力。在这一方面，我们还需要做大量的工作，来将我们了解的许多细胞过程知识和它们在不同的分子水平如何发生联系起来。

注：文章译自美国分析化学杂志。

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