ỨNG DỤNG CỦA BIOSENSOR
5.1. ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM:
Trong ngành thực phẩm, việc kiểm tra chất lượng thực phẩm dựa trên các phương pháp truyền thống thường mất nhiều thời gian từ vài giờ đến vài ngày. Nhưng với kỹ thuật dùng biosensor đã mang lại cho ngành công nghiệp thực phẩm một thiết bị theo dõi và đo lường nhanh, độ nhạy cao, sử dụng thuận lợi hơn so với những phương pháp truyền thống.
Bảng 5.1: Một số ứng dụng của biosensor trong công nghiệp thực phẩm:
Hợp chất
cần đo Ưng dụng phát hiện (định tính và định lượng)
Các acid amin
Alanin, arginin, asparagin, acid aspartic, cystein, glutamin, acid glutamic, glutathiol, histidin, leucin, lysin, methionin, N-acetyl methionin, phenylalanin, sarcosin, serin, tyrosin, tryptophan, valin Các hợp chất
amin, amid, dị vòng
Aminopyrin, anilin, amin thơm, acetyl cholin, cholin, phosphatidyl- cholin, creatin, guanidin, guanosin, penicilline, spermin, creatin, acid
uric, ure, xanthyl, hypoxanthin.
Hydratcarbon Amygdalin, galactose, glucose, glucose-6-phosphat, lactose, maltose,sacharose, tinh bột. Acid hữu cơ Acid acetic, acid formic, acid gluconic, acid isocitric, acid ascorbic,acid lactic, acid malic, acid oxalic, acid pyruvic, acid succinic, acid
nitrylacetic. Các rượu và các
phenol
Acetaldehyde, bilirubin, catechol, cholesterol, cholesterol ester, ethanol, glycerol, glycerol ester, methanol, phenol. Các hợp chất
khác Chất kháng sinh, độ tươi của cá thịt, vitamin
a) Đo nồng độ glutamin và nồng độ glutamat
Glutamat trong thực phẩm không chỉ ảnh hưởng đến mùi vị của thực phẩm mà còn liên quan đến khía cạnh an toàn vệ sinh thực phẩm. Các loại đồ hộp thịt cá , đồ hộp nước xúp, dầu giấm, nước sốt được bổ sung một lượng mono natri glutamat có tác dụng tăng mùi vị, nhưng một lượng lớn glutamat có thể gây ra những dấu hiệu bệnh lý nghiêm trọng ảnh hưởng sức khỏe con người như: tim đập nhanh, đau dạ dày.
glutamat oxydase. Glutamat oxydase cũng có thể được đồng cố định với glutaminase để đo nồng độ glutamin dựa trên phản ứng:
Việc đo nồng độ glutamin có ý nghĩa rất quan trọng bởi đó là chỉ tiêu đánh giá nguồn nitơ của môi trường nuôi cấy vi sinh vật công nghiệp.
Glutamat oxydase có hoạt tính tối ưu tại pH = 7.8, còn glutaminase từ E.coli lại hoạt động tại vùng acid. Nếu thay thế bằng glutaminase trung tính từ Bacillus thì cả hai enzym này đều có hoạt tính tối ưu tại pH = 7 và có tính chịu nhiệt tốt. Màng enzym tạo thành rất ổn định và có hoạt tính tốt được sử dụng trong thương mại.
Màng enzym cho kết quả đo đạt tuyến tính đến 8mM glutamin, không đáp ứng với các chất khác (trừ glutamat), và giữ được trạng thái khô trong thời gian ít nhất 6 tháng ở 4oC, thời gian đáp ứng 30 giây nhanh hơn rất nhiều so phương pháp sắc lý lỏng cao áp HPLC.
b) Đo nồng độ cholin:
Trong cơ thể, cholin là thành phần của phospholipid cấu tạo nên màng tế bào và màng của nhiều bào quan trong tế bào, mặt khác cholin còn là tiền chất để tổng hợp nên acetylcholin (chất có vai trò chuyển sự kích thích thần kinh), đồng thời cũng là nguồn các nhóm methyl trong cơ thể. Cholin thường được bổ sung vào thức ăn cho trẻ em và các sản phẩm dinh dưỡng cho người lớn.
Việc xác định nồng độ cholin có thể thực hiện bằng phương pháp theo dõi sự phát triển của vi sinh vật trên môi trường cơ chất, bằng phương pháp quang phổ hay sắc ký. Tuy nhiên, các phương pháp này thường ít chính xác, thời gian dài và giá thành cao. Với sự sử dụng điện cực enzym có gắn cholin oxydase được chế tạo dựa trên cơ sở phản ứng oxy hóa sẽ cho thời gian nhanh, chính xác hơn rất nhiều.
dụng dung dịch cholin hydroxyde nồng 111mg/l làm chuẩn. Thời gian thu được kết quả chỉ sau 30 giây và giá rẻ.
c) Đo hàm lượng cồn:
Hàm lượng cồn được xác định bằng cách sử dụng alcohol oxydase:
Tuy nhiên một hạn chế của điện cực này là tính không bền của alcohol oxydase ở dạng khô, do đó cần có biện pháp bảo quản thích hợp để ổn định hoạt tính enzym.
d) Phát hiện sự có mặt của vi khuẩn có mặt trong thực phẩm:
Dùng điện cực sinh học phát quang để phát hiện sự có mặt của vi khuẩn trong thực phẩm khi vi khuẩn này tác dụng đặc hiệu với ATP và D-luciferin để giải phóng ra ánh sáng phát quang nhờ tác dụng xúc tác của enzym luciferase:
e) Điện cực miễn dịch đo hàm lượng albumin, insulin:
Điện cực miễn dịch kết hợp với điện cực đo dòng điện để xác định insulin, albumin:
Cho kháng thể kháng insulin đã biết (lấy từ lợn) lên trên một lớp màng đã gắn trong điện cực Oxy để các kháng thể có thể bám trên lớp màng đó, sau đó cho insulin cần kiểm tra lên màng và cho tiếp kháng nguyên (insulin) đã gắn catalase và bổ sung cơ chất là H2O2, phản ứng như sau:
Hàm lượng O2 tạo thành được định lượng nhờ điện cực O2 từ đó xác định được hàm lượng insulin.
Hình 7.1 mô tả điện cực miễn dịch sử dụng bộ chuyển đổi quang học, trong đó biến đổi sinh học tạo ra đáp ứng quang thông qua một màng điện cực (sensor chip).
Khi mẫu chứa kháng nguyên đi qua sẽ phản ứng đặc hiệu với kháng thể trên bề mặt sensor chip và do đó làm thay đổi bước sóng và góc phản xạ của ánh sáng chiếu vào mặt bên kia của sensor chip. Đo các thông số quang học sẽ cho ta nồng độ kháng nguyên có trong mẫu.
f) Kiểm tra hàm lượng cloramphenicol trong sản phẩm thủy sản:
Dùng điện cực miễn dịch dựa trên nguyên tắc ELISA để kiểm tra hàm lượng cloramphenicol trong thủy sản.
Các giếng được phủ lớp kháng thể kháng cloramphenicol (cloramphenicol chuẩn hoặc dung dịch chuẩn). Cloramphenicol gắn enzym và kháng thể kháng cloramphenicol được bổ sung vào giếng. Cloramphenicol tự do và cloramphenicol gắn kết enzym sẽ cạnh tranh các vị trí kết gắn của kháng thể kháng cloramphenicol (phản ứng miễn dịch enzym cạnh tranh). Đồng thời các kháng thể được bổ sung vào được cố định lại bởi các kháng thể trên thành giếng. Cloramphenicol kết gắn enzym bị dư thì sẽ được loại bỏ bằng cách rửa. Bổ sung vào giếng cơ chất của enzym (ure peroxyde) và chất tạo màu (tetramethyl benzidin) và ủ. Enzym gắn kết sẽ chuyển hóa chất tạo sắc vốn không màu thành sản phẩm có màu xanh. Khi bổ sung chất kết thúc phản ứng sẽ chuyển từ màu xanh sang màu vàng. Đo cường độ màu trên máy đo màu quang điện ở bước sóng 450 nm, thì nhận thấy cường độ màu tỷ lệ nghịch với hàm lượng cloramphenicol có trong mẫu.
Giai đoạn ủ được thực hiện trong máy ủ ổn định nhiệt độ. Kết quả phản ứng được đọc bằng máy đọc theo nguyên tắc so màu và so sánh với đồ thị chuẩn để xác định nồng độ kháng sinh. Phương pháp này có thể phát hiện cloramphenicol ở nồng độ 0.05ppb.
Loại thiết bị này còn được sử dụng để kiểm tra một số chất khác bằng các loại chất chuẩn khác nhau (các kit chuẩn) với giới hạn phát hiện rất thấp.
Bảng 5.2: Một số các kit chuẩn sử dụng và giới hạn phát hiện:
Loại kit Giới hạn phát hiện
cloramphenicol - mẫu sữa - mẫu thịt, trứng - mẫu tôm 0.15 ppb 0.10 ppb 0.05 ppb clenbuterol
- mẫu nước tiểu - mẫu thịt
0.10 ppb 0.04 ppb
Histamin - cá tuyết
- bột cá
20 ppb 125 ppb
g) Xác định hàm lượng mycotoxin trong ngũ cốc và thực phẩm
Mycoloxin là độc tố sinh ra trong quá trình phát triển của nấm mốc có mặt trong các sản phẩm như: lạc, ngũ cốc, hoa quả.chúng cũng có thể xuất hiện trong thức ăn gia súc. Gia súc khi ăn các thức ăn này, độc tố mycotoxin có thể đi qua quá trình trao đổi chất rồi có mặt trong các sản phẩm như trứng, sữa, thịt.
Có nhiều phương pháp xác định mycotoxin trong đó phương pháp xác định bằng điện cực miễn dịch đang được sử dụng rộng rãi. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc liên kết đặc hiệu kháng nguyên – kháng thể. Một nồng độ cố định của kháng thể được trộn với mẫu cần phân tích có chứa hàm lượng mycotoxin chưa biết, kháng thể và mycotoxin sẽ tạo thành phức. Điện cực sẽ xác định nồng độ kháng thể tự do (không tạo phức với mycotoxin). Dựa vào đồ thị mycotoxin chuẩn có thể định lượng được mycotoxin có trong mẫu cần phân tích.