基于组学的食品真实性鉴别技术

1 绪论
　　随着人们生活水平日益提高、食品产业快速发展和食品安全控制水平不断提高，食品原料生产、加工、经营等全链条中掺假使假现象日益凸显，越来越引起世界各国关注，从国内外案例分析，食品掺假使假已经成为全球共同应对的问题，也成为困扰和制约我国食品产业健康发展的毒瘤，是未来食品质量安全需重点解决的主要问题和食品产业转型升级的核心问题（陈颖等，2015）。
　　食品掺假使假等不法行为，损害消费者经济利益，危害消费者健康，侵犯消费者和商标持有企业合法权利，破坏市场经济秩序，扰乱社会诚信体系，导致严重社会负效应，同时损害进出口贸易，影响国家形象。我国已将食品掺假和欺诈纳入了政府对食品安全危机的监管范畴。对真伪鉴别、种类鉴定、品质评价、溯源检测、地理标志、原产地保护、标签符合等食品打假鉴伪技术的研究也成为国内外食品质量安全研究的新热点（陈颖等，2015）。
　　近年来，随着科学技术的进步，新材料、新技术的不断涌现，食品打假鉴伪手段越来越多。从传统经验判断到仪器检测，从生化分析到分子鉴别，方法的准确性、灵敏度和稳定性越来越高，基因组、蛋白质组、代谢组和无损检测等基于组学的食品表征识别与鉴伪技术已成为解决食品掺假使假与欺诈问题的新一代技术手段。
　　从发展趋势来看，基于基因组、蛋白质组、代谢组和无损检测的食品真实性鉴别技术越来越成熟，基于组学的食品表征识别与鉴伪技术体系越来越成为食品掺假使假与欺诈等问题的综合解决方案。同时，现代食品加工工业的发展，对检测或鉴别技术的解读能力提出更高的要求。真伪鉴别、种类鉴定、品质评价、溯源检测、地理标志、原产地保护、标签符合等食品打假鉴伪技术成为国内外食品质量安全研究的新热点，它涵盖食品原料生产—加工—流通全过程，其根本出路在于依靠科技的“火眼金睛”，迫切需要创新驱动的科技支撑与引领来保障舌尖上的安全。
　　1.1 食品打假鉴伪的重要性与紧迫性
　　1.1.1 食品掺假使假与欺诈现象由来已久
　　纵观世界食品产业发展历程，从初始作坊式发展时期，到工业化生产时期，乃至现代食品产业体系建立时期，从2000多年前的古代社会到今天的现代社会，食品掺假使假与欺诈行为自食品进入流通领域以来一直存在。不仅在中国，欧美发达国家和地区也一样存在，无论是政府还是民间，与食品掺假使假和欺诈的斗争从来没有停止过。
　　《晏子春秋 内篇杂下》：“君使服之于内，而禁之于外，犹悬牛首于门，而求买马肉也，公胡不使内勿服，则外莫敢为也。”宋 释普济《五灯会元》卷十六：“悬羊头，卖狗肉，坏后进，初几灭。”是关于我国食品掺假使假的*早记载。在近代英国历史上，19世纪是牛奶掺假的盛行时期，其中尤以19世纪后半叶*为严重。第一次世界大战时期的德国用“不可消化的废弃物”制造了很多“食物代替品”。南北战争前后，美国也同样经历了一个食品掺假肆虐横行由“乱”而“治”的漫长过程。2013年年初，欧洲的马肉风波成为近年来欧洲影响*深远的食品掺假问题，甚至使不少消费者改变了消费习惯（Charlebois and Summan，2015）。
　　从本质来看，贪婪是一切欺诈的源头，而贪欲是人类历史上永远都挥之不去的阴影。随着经济全球化进程，食品产业链发生结构性变化，食品企业开始全球化布局，不断延长和复杂化的食品供应链也增加了掺假使假和多元扩散的可能性。美国国会研究服务部专题报告指出，尽管食品掺假的规模难以统计，但全球食品行业每年的损失高达150亿美元（Johnson，2014）。近几年全球经济衰退，世界范围内食品掺假与欺诈有显著增加趋势。尤其是随着电商等新经济业态的出现，食品掺假与欺诈更是成为全球性的挑战。
　　1.1.2 食品掺假使假与欺诈对社会影响大
　　盘点近年来的食品安全热点事件，不论是欧洲马肉风波，还是巴西过期牛肉丑闻，不论是印度牛奶掺假丑闻、德国有机鸡蛋造假丑闻，还是我国“假肉串肉卷事件”、“三聚氰胺事件”等，都引起了空前的社会反响，严重影响了产业发展和消费者信心。
　　概括起来，食品掺假使假和欺诈有三个特点：一是问题食品涉及面越来越广，呈立体式、全方位态势；二是危害程度越来越深，已从食品外部卫生危害走向了内部安全危害；三是手段越来越多样、手法越来越隐蔽，已到了“不怕你做不到，就怕你想不到”的地步。在经济利益驱动下，一些企业和个人为了牟取暴利“铤而走险”，置公众健康甚至生命于不顾，违法制售假冒伪劣食品，盗用商标，假冒名牌，大发不义之财。甚至一些大的知名食品企业也参与其中，给食品质量安全带来了更多不确定因素。
　　1.1.3 食品打假鉴伪内涵不断演变
　　食品品种日益丰富，加工手段日益多样化，食品欺诈的概念范围远远大于经济利益驱动掺假（Lutte，2009）的范围，已从狭隘的食品卫生向食品质量、食品营养等“质”与“量”全方面发展。除真伪外，还包括冒牌、避税及走私等（Charlebois et al.，2016）。食品真实性鉴别已不仅仅是指掺假鉴别，还包括品质评价、标签符合、溯源识别等多方面质量安全问题（B.hme et al.，2019），其目的已呈多维度多元化需求，见表1-1。欧美等发达国家和地区非常重视食品的防伪监测工作，而且相关的法规、标准体系往往更为严格。欧盟食品法中的一个重要内容是保护消费者利益。2017年，欧盟理事会新修订的食品标签法规要求在标签上明确标明所有食品成分及含量，使消费者了解食品的所有成分［（EU）No.2017/625—2017］。与这些法律法规相配套需要完善的检测体系和强大的技术储备。
　　表1-1 食品表征识别与鉴伪的目的需求
　　1.1.4 食品打假鉴伪技术严重滞后
　　尽管食品掺假使假一直存在，但对食品打假鉴伪的研究却相对薄弱，只是在近10年才引起人们的重视，并成为研究热点，进而推动该领域的研究和应用得到了长足发展（陈颖等，2015），但由于食品中所含成分复杂，易受产地、气候和采收时间等因素的影响，且大多数食品经过破碎、搅拌、高温、高压等物理、化学及生物反应等多种加工过程，而用于掺杂到食品中的物质又多是与其组成比较接近，或某些性状比较接近的物质，因此通常难鉴别其真伪。此外，随着假冒伪劣手段的不断变化，仿真度极高的劣质产品给鉴伪、检验工作带来巨大的困难。可谓“魔高一尺，道高一丈”，甚至有人提出诸如“为什么打假总比造假落后”的尖锐问题。与掺假使假和欺诈手段的复杂性相比，食品打假鉴伪技术严重滞后，凸显出掺假食品有效检测手段的缺失，迫切需要科技支撑与引领。
　　1.2 食品打假鉴伪技术的现状与趋势
　　食品打假鉴伪技术涉及从田间到餐桌的每个环节，要满足种类、品牌、产地、目标物等真实性识别及目标物纯度鉴定和掺假物、杂质含量检测等不同的需求。近十年来关于食品打假鉴伪技术的研究报道呈直线上升的态势，发文量在整个食品检测发文量中的比重也逐年提高（陈颖等，2016）。食品打假鉴伪各类技术有其各自的优点，也有着不同的局限，研究进展差异较大（Lo and shaw，2018；Hong et al.，2017；Danezis et al.，2016）。①借助肉眼或通过显微镜观察区分样品的形态学分析技术发展*早，但分析结果有一定的主观性，与检测人员的经验相关性很大。近几年，数字图像分析技术的发展赋予这个传统技术新的生命力，有望成为一种新型辅助鉴别方法。②以光谱、色谱和质谱为代表的理化分析技术是兴起年代相对久远的一类技术，主要对产品主要成分、特定成分或标志物及各种代谢物进行检测分析。③以电子鼻、电子舌等各类传感器为代表的人工智能技术，主要测定样品中所有挥发性成分等整体综合信息。④以 PCR、分子标记、 DNA指纹图谱、芯片等为代表的分子生物学技术是国际上备受关注和发展快速的技术。
　　随着科学技术的进步和学科交叉的融合发展，为食品打假鉴伪提供了新手段。例如，数字 PCR技术为利用分子生物学技术进行定量提供了新的手段；新一代测序、组学技术为未知物种鉴别研究提供了新方法；计量学与各种技术有机结合，使得食品打假鉴伪技术更加科学。在不同技术方法中选择合适的技术协同解决问题是目前食品鉴伪研究发展的主要趋势之一，基于组学的食品表征识别与鉴伪技术体系更是成为食品掺假使假等欺诈问题的综合解决方案（Creydt and Fischer，2018；B.hme et al.，2019）。
　　中国检验检疫科学研究院陈颖团队于2005年提出了“食品属性表征与品质分子识别”概念（图1-1）（陈颖等，2007），一直致力于食品属性表征与品质分子识别及溯源的基础研究及应用。围绕大宗食用农产品、深加工食品和高附加值食品，针对食品种类、品牌、产地、加工工艺、标签符合真伪鉴定及目标物真实性、纯度、新鲜度、掺兑物检测等核心问题，集成多种基因组学、蛋白质组学、代谢组学、智能感官等组学手段，系统开展了食品真实性鉴别技术研究，相关研究工作见表1-2，提出了从定性判别到精准定量分析、从单物种单目标识别到多物种多目标多元高通量识别、从定向筛查到非靶标侦测、从多组分到全组分分析的现代食品真伪鉴别技术体系构建思路，见图1-2。以遗传物质为基础的识别技术，可以克服传统方法受环境、气候、加工方式等影响带来的局限性，大幅度提高准确性；多目标物高通量检测技术，能够实现食品中多物种成分的高通量同时鉴别，极大提高检测通量和效率；以蛋白质为靶标的比较蛋白质组和免疫学方法，为食品真实属性判别和品质鉴别提供了理论基础和新思路。将代谢组学应用于食品真实属性表征，拓展了在以核酸和蛋白质为目标物基础上的鉴别途径；感官风味与化学计量相融合的品质识别技术，为地域特色食品的追溯和评判提供快速甄别方法。
　　1.2.1 基于基因组学的食品表征识别与鉴伪技术
　　基因是生物遗传信息的载体，以脱氧核糖核酸（DNA）的形式存在于所有组织和细胞中。由于遗传信息直接决定生物的本质，因此通过基因来鉴别生物物种是*具权威性和科学性的方法。随着20世纪末分子生物学的发展，对基因进行快速、准确分析的各种方法不断出现，如 PCR、实时荧光 PCR、数字 PCR、分子指纹、基因芯片、基因测序、DNA条码等，可以快速地分辨食品中使用的所有动植物原料成分、过敏原物种成分和转基因成分。由于生物型的差异直接反映在基因序列的差异上，不受季节、环境和加工条件等限制和影响，因此，以 DNA为基础的分子生物学方法仍被认为是食品真实性鉴别中*有效的方法（Duraimurugan et al.，2017）。根据基因进化特点选择合适的靶
　　图1-1 中国检验检疫科学研究院陈颖团队食品真实性研究历程（彩图请扫封底二维码）
　　图1-2 基于组学技术的食品表征识别与真伪鉴别技术体系
　　表1-2 近15年在食品表征识别与鉴伪方面的研究工作

《基于组学的食品真实性鉴别技术》围绕食品真实性这一新时期食品质量安全领域的新兴研究热点和重要研究内容，系统总结了作者团队近20年来在食品真实性鉴别研究方面的科研成果。《基于组学的食品真实性鉴别技术》共分7章，以鉴别技术为主线，介绍了基因组学、蛋白质组学、代谢组学、智能感官等组学技术在食品真实性鉴别方面的研究与应用，针对特定食品列举了真实性鉴别综合解决方案案例，并对食品真实性鉴别研究态势进行了基于文献计量学的分析。

目录
1 绪论 1
1.1 食品打假鉴伪的重要性与紧迫性 1
1.1.1 食品掺假使假与欺诈现象由来已久 1
1.1.2 食品掺假使假与欺诈对社会影响大 2
1.1.3 食品打假鉴伪内涵不断演变 2
1.1.4 食品打假鉴伪技术严重滞后 3
1.2 食品打假鉴伪技术的现状与趋势 4
1.2.1 基于基因组学的食品表征识别与鉴伪技术 4
1.2.2 基于蛋白质组学的食品表征识别与鉴伪技术 7
1.2.3 基于代谢组学的食品表征识别与鉴伪技术 8
1.2.4 基于无损检测的食品表征识别与鉴伪技术 9
1.3 我国食品打假鉴伪科技存在的主要问题和对策建议 10
1.3.1 食品打假鉴伪整体部署严重不足，急需强化顶层设计能力及统筹布局 10
1.3.2 食品打假鉴伪技术创新能力严重匮乏，急需加大食品打假鉴伪科技创新的支持力度 10
1.3.3 食品打假鉴伪技术的推广应用严重滞后，急需夯实食品打假鉴伪基础保障工作 11
1.4 结语 11
参考文献 11
2 基于基因组学的食品真实性鉴别技术 17
2.1 导论 17
2.1.1 基于基因组学的主要食品真实性鉴别技术 17
2.1.2 基于基因组学的食品真实性鉴别技术的应用 20
2.1.3 展望 24
2.2 基于基因条形码技术的食用海参及制品真伪鉴别研究 25
2.2.1 材料来源 25
2.2.2 主要设备 26
2.2.3 实验方法 26
2.2.4 结果与分析 27
2.2.5 小结 33
2.3 基于基因条形码技术的食品中鲑科鱼类物种成分鉴别研究 33
2.3.1 材料来源 34
2.3.2 主要设备 34
2.3.3 实验方法 34
2.3.4 结果与分析 34
2.3.5 小结 38
2.4 基于高通量测序的食品中动物源性物种成分鉴别研究 38
2.4.1 材料来源 38
2.4.2 主要设备 38
2.4.3 实验方法 38
2.4.4 结果与分析 40
2.4.5 小结 44
2.5 基于基因条形码技术的食用香辛料物种鉴别研究 45
2.5.1 材料来源 45
2.5.2 主要设备 45
2.5.3 实验方法 45
2.5.4 结果与分析 46
2.5.5 小结 49
2.6 基于基因条形码技术的有毒鹅膏菌物种鉴别研究 49
2.6.1 材料来源 50
2.6.2 主要设备 51
2.6.3 实验方法 51
2.6.4 结果与分析 52
2.6.5 小结 57
2.7 羊肉及其制品中掺假动物源性成分数字PCR技术精准定量研究 57
2.7.1 材料来源 58
2.7.2 主要设备 58
2.7.3 实验方法 58
2.7.4 结果与分析 60
2.7.5 小结 66
2.8 适用于不同亚种大米精准定量的内源基因筛选研究 67
2.8.1 材料来源 67
2.8.2 主要设备 67
2.8.3 实验方法 67
2.8.4 结果与分析 69
2.8.5 小结 70
2.9 用RPA技术快速检测转基因大米及其制品的方法研究 71
2.9.1 材料来源 71
2.9.2 主要设备 72
2.9.3 实验方法 72
2.9.4 结果与分析 72
2.9.5 小结 78
2.10 食品中常见坚果类过敏原成分LAMP检测方法研究 78
2.10.1 材料来源 78
2.10.2 主要设备 79
2.10.3 实验方法 79
2.10.4 结果与分析 79
2.10.5 小结 83
2.11 基于新型可视薄膜传感芯片的食品过敏原高通量检测方法研究 84
2.11.1 材料来源 85
2.11.2 主要设备 85
2.11.3 实验方法 85
2.11.4 结果与分析 87
2.11.5 小结 94
2.12 应用可视芯片技术高通量鉴别 8种鱼成分 94
2.12.1 材料来源 94
2.12.2 主要设备 95
2.12.3 实验方法 95
2.12.4 结果与分析 96
2.12.5 小结 98
2.13 基于DNA指纹图谱的松茸产地属性鉴定研究 98
2.13.1 材料来源 99
2.13.2 主要设备 99
2.13.3 实验方法 99
2.13.4 结果与分析 100
2.13.5 小结 105
2.14 GeXP多重PCR技术鉴别多个鹿种的方法研究 108
2.14.1 材料来源 108
2.14.2 主要设备 108
2.14.3 实验方法 108
2.14.4 结果与分析 110
2.14.5 小结 115
参考文献 115
3 基于蛋白质组学的食品真实性鉴别技术 123
3.1 导论 123
3.1.1 蛋白质组学概况 123
3.1.2 蛋白质组学的研究重点 125
3.1.3 蛋白质组学在食品真伪鉴别中的应用 130
3.1.4 小结与展望 133
3.2 基于鸟枪蛋白质组学的燕窝真实性鉴别技术研究 133
3.2.1 材料来源 134
3.2.2 主要设备 134
3.2.3 实验方法 134
3.2.4 结果与分析 136
3.2.5 小结 145
3.3 基于鸟枪蛋白质组学的阿胶真实性鉴别技术研究 148
3.3.1 材料来源 148
3.3.2 主要设备 148
3.3.3 实验方法 148
3.3.4 结果与分析 149
3.3.5 小结 155
3.4 基于鸟枪蛋白质组学的三文鱼物种鉴别技术研究 155
3.4.1 材料来源 155
3.4.2 主要设备 155
3.4.3 实验方法 156
3.4.4 结果与分析 157
3.4.5 小结 160
3.5 基于iTRAQ定量蛋白质组学技术的三文鱼新鲜度鉴别技术研究 160
3.5.1 材料来源 160
3.5.2 主要设备 161
3.5.3 实验方法 161
3.5.4 结果与分析 163
3.5.5 小结 167
3.6 基于鸟枪蛋白质组学技术的芝麻过敏原蛋白质检测研究 167
3.6.1 材料来源 167
3.6.2 主要设备 167
3.6.3 实验方法 168
3.6.4 结果与分析 171
3.6.5 小结 178
3.7 基于鸟枪蛋白质组学技术的大豆过敏原蛋白质检测研究 179
3.7.1 材料来源 179
3.7.2 主要设备 180
3.7.3 实验方法 180
3.7.4 结果与分析 183
3.7.5 小结 192
3.8 基于双向电泳的燕窝真实性鉴别技术研究 192
3.8.1 材料来源 193
3.8.2 主要设备 194
3.8.3 实验方法 194
3.8.4 结果与分析 195
3.8.5 小结 200
3.9 基于双向电泳的蜂王浆新鲜度指示蛋白质应用初探 201
3.9.1 材料来源 202
3.9.2 主要设备 202
3.9.3 实验方法 202
3.9.4 结果与分析 204
3.9.5 小结 215
3.10 基于毛细管电泳的燕窝中掺假银耳成分的检测研究 215
3.10.1 材料来源 215
3.10.2 主要设备 215
3.10.3 实验方法 215
3.10.4 结果与分析 216
3.10.5 小结 220
3.11 基于ELISA的胡桃过敏原蛋白质检测研究 220
3.11.1 材料来源 221
3.11.2 主要设备 221
3.11.3 实验方法 221
3.11.4 结果与分析 223
3.11.5 小结 227
参考文献 227
4 基于代谢组学的食品真实性鉴别技术 236
4.1 导论 236
4.1.1 代谢组学概述 236
4.1.2 代谢组学分析方法 238
4.1.3 代谢组学数据处理及分析 239
4.1.4 代谢组学在食品真实性鉴别中的应用 240
4.1.5 展望 244
4.2 基于靶标代谢组学技术的不同产地玛咖代谢物差异分析 245
4.2.1 材料来源 245
4.2.2 主要设备 246
4.2.3 实验方法 246
4.2.4 结果与分析 247
4.2.5 小结 251
4.3 基于靶标代谢组学的不同产地冬虫夏草代谢物差异分析 251
4.3.1 材料来源 251
4.3.2 主要设备 251
4.3.3 实验方法 251
4.3.4 结果与分析 253
4.3.5 小结 256
4.4 基于靶标代谢组学的小浆果及其掺假果汁代谢物差异分析 256
4.4.1 材料来源 257
4.4.2 主要设备 258
4.4.3 实验方法 258
4.4.4 结果与分析 259
4.4.5 小结 262
4.5 基于脂质组学的压榨和浸出油茶籽油甘油酯组成比较分析研究 262
4.5.1 材料来源 262
4.5.2 主要仪器 263
4.5.3 实验方法 263
4.5.4 结果与分析 264
4.5.5 小结 269
4.6 基于非靶标代谢组学的玛咖真实性鉴别技术研究 269
4.6.1 材料来源 269
4.6.2 仪器和设备 269
4.6.3 实验方法 269
4.6.4 结果与分析 271
4.6.5 小结 274
4.7 基于非靶标代谢组学的冬虫夏草真实性鉴别技术研究 275
4.7.1 材料来源 275
4.7.2 主要设备 276
4.7.3 实验方法 276
4.7.4 结果与分析 277
4.7.5 小结 282
4.8 基于非靶标代谢组学的小浆果果汁真实性鉴别技术研究 282
4.8.1 材料来源 283
4.8.2 主要设备 283
4.8.3 实验方法 283
4.8.4 结果与分析 284
4.8.5 小结 288
4.9 基于非靶标代谢组学的NFC果汁真实性鉴别技术研究 288
4.9.1 材料来源 288
4.9.2 主要设备 289
4.9.3 实验方法 289
4.9.4 结果与分析 290
4.9.5 小结 295
4.10 基于非靶标代谢组学的山茶油真实性鉴别技术研究 295
4.10.1 材料来源 295
4.10.2 主要设备 295
4.10.3 实验方法 295
4.10.4 结果与分析 297
4.10.5 小结 303
参考文献 305
5 基于无损检测的食品真实性鉴别技术 315
5.1 导论 315
5.1.1 基本原理 315
5.1.2 无损检测技术在食品真实性鉴别中的应用 316
5.1.3 展望 318
5.2 近红外光谱技术在燕窝及掺假物鉴别中的应用 3