《食品科學》：河南工業大學翟丹丹副教授等：全細胞生物傳感器在食品安全檢測中的應用

病原體、農藥殘留和重金屬等食源性污染物不僅給消費者帶來嚴重的健康風險，也給食品生產商帶來經濟損失，因此如何確保食品安全已成為一個亟需解決的全球性公共議題。傳統的污染物檢測方法，如高效液相色譜法（HPLC），雖然具有較高的準確性，但通常耗時較長，且需要專業的實驗室設備和熟練的技術人員進行操作，表1對不同類型污染物的現有檢測方法優缺點進行了總結。近年來，生物傳感器因響應速度快、靈敏度高、專一性強，且能實現現場檢測等特點，已迅速發展成為一種頗具前景的檢測方法。生物傳感器是一種將生物識別元件與傳感器相結合的分析裝置，用于檢測特定的分析物，將生物反應轉化為電子信號，可直接對食品或加工環境中的污染物進行快速有效的檢測。因其生物識別元件的差異，可分為酶傳感器、全細胞生物傳感器（WCBs）、核酸適配體傳感器、免疫傳感器等多種類型。與依靠酶或抗體的生物傳感器不同，WCBs使用活細胞作為生物識別元件，這些細胞可以是微生物細胞、植物細胞或哺乳動物細胞，它們會對污染物或環境刺激做出反應，導致其代謝活動、基因表達或其他細胞功能產生可測量的變化。由于整個細胞都可用于識別和處理復雜的刺激物，因此還能實現多個目標的同時檢測，這也使WCBs在食品安全檢測中備受關注，圖1展示了WCBs在食品檢測中的應用流程。

WCBs在食品安全領域具有成本效益高、可擴展性強、可適應各種測試環境等優勢。它們為食品安全檢測提供了一種實用而創新的方法，可實現快速篩查，而這對最大限度地降低整個供應鏈的污染風險至關重要。WCBs具備諸多優勢的同時也面臨著一些挑戰，比如如何保持細胞活力和穩定性，這兩者是實現WCBs性能穩定的重要前提。合成生物學、基因工程和微加工技術的進步正在不斷提高生物傳感器的穩定性和多功能性，并使其在現場檢測中的應用越來越可靠。河南工業大學生物工程學院的張含蕾、周俊俊、翟丹丹*等人重點分析WCBs在食品安全檢測領域的最新應用，包括檢測重金屬、農藥、獸藥、添加劑、病原體和毒素等有害污染物。通過綜述當前的研究進展和實際應用，深入探討WCBs在食品安全方面的潛力和局限性。最后，展望未來研究的發展方向，強調其在新型材料開發、先進集成技術應用、智能傳感系統優化和便攜性增強等方面的進步，以期極大推動WCBs成為保障全球食品安全不可或缺的工具。

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WCBs在重金屬檢測中的應用

重金屬作為普遍存在的環境污染物，對生態環境和人類健康都有深遠的影響，例如，汞離子（Hg2＋）、鎘離子（Cd2＋）和鉛離子（Pb2＋）等重金屬離子即使在極低濃度下，長期暴露仍可能通過生物富集作用對人類健康造成嚴重危害。傳統的重金屬檢測技術，如原子吸收光譜法、熒光光譜法、原子發射光譜法以及電感耦合等離子體質譜法，因其高準確性和靈敏度而被廣泛應用于實驗室檢測。然而，這些方法通常存在成本高昂、操作復雜以及對復雜儀器設備依賴性強等局限性，難以滿足現場快速檢測的實際需求。相比之下，WCBs是一種高效的替代方案，能夠提供一種既經濟實惠又靈活多變的檢測方法，支持快速的現場分析。這類生物傳感器以細菌為活體指示劑，并利用合成生物學技術改造傳感與報告元件，使之能針對特定金屬離子產生可量化的信號。

重金屬WCBs的傳感主要基于其金屬響應的基因元件，如汞反應轉錄激活因子（MerR）系列調控蛋白，它們與細胞內金屬離子結合，隨后激活下游基因的表達，最后，觸發表達報告蛋白。報告蛋白通常是熒光蛋白如綠色熒光蛋白（GFP）或黃色熒光蛋白，產生可測量的熒光信號，量化后反映重金屬的存在與濃度。表2總結了應用于重金屬檢測的WCBs。例如，Yin Kun等利用銅綠假單胞菌的抗汞菌株設計了一種生物傳感器，通過在大腸桿菌外膜上加入表面展示系統，在誘導1 h后能夠檢測0.5～1 000 μmol/L的Hg2＋濃度，該生物傳感器可通過調節pH值進行再生。為了提高檢測靈敏度，對該菌株的MerR蛋白進行了定向進化，產生了一種突變體m4-1，命名為m4-1傳感器，其靈敏度比野生型提高了115 倍，這種傳感器的檢測限為313 pg/L，與傳統的分析儀器相當，而且還能檢測98 ng/L的甲基汞，鑒于甲基汞的毒性很高，而之前又缺乏有效的傳感器，因此這是一次重要的突破。為了支持野外現場應用，m4-1傳感器通過串聯報告基因進一步優化，提高了信號強度，從而產生了可視汞WCBs，結合智能手機成像和圖像分析軟件，該生物傳感器實現了對海鮮和土壤等實際樣品的精確定量，結果與原子熒光光譜法一致，這為環境汞監測和風險評估提供了一種簡化、便攜和高效的方法。

鎘即便在痕量水平也能對人體及生態環境構成顯著威脅，據此，世界衛生組織已將其明確界定為重金屬污染物。針對鎘污染，Wei Yijun等開發了一種專門用于檢測鎘的高靈敏度生物傳感器，利用成簇規律間隔短回文重復序列/CRISPR相關蛋白9（CRISPR/Cas9）基因編輯技術構建了一種生物傳感器K12-PMP-luxCDABE-ΔcysI，該傳感器將啟動子Pmer、調控基因merR（m）和熒光素酶基因整合到大腸桿菌染色體中，同時，通過敲除cysI抗鎘基因進一步提高了對Cd2＋的檢測靈敏度。并在誘導15 min后達到最大熒光強度，而且誘導30 min和60 min后的熒光強度與誘導15 min后的熒光強度沒有顯著差異（P＞0.05），這表明15 min的誘導時間實際上足以獲得最大熒光輸出，線性范圍達到0.005～2 mg/L。此外，該傳感器表現出極高的穩定性，熒光輸出的相對標準偏差在0.19%～4.02%之間。

WCBs通常只能檢測一種或兩種重金屬，這限制了其在復雜的多金屬環境中的應用。為了解決這一問題，Kim等改造了具有不同金屬傳感啟動子的大腸桿菌菌株，用于檢測銅、鎘和汞。通過使用熒光素酶和紅色熒光蛋白mCherry報告基因，這些菌株可產生針對銅、鎘、汞3 種金屬的發光和熒光信號，在金屬離子溶液中孵育3 h便可以產生熒光信號，靈敏度范圍為0.1～7.5 mg/L（取決于金屬類型）。還可以通過將WCBs與基因信號放大器耦合，從而提高其靈敏度和特異性，例如，加入T7-RNA聚合酶放大器可顯著提高熒光輸出，從而改善傳感器對鎘離子的響應時間和檢測精度。這些改進凸顯了WCBs用來檢測環境和食品樣本中重金屬的可行性及潛力。

MerR屬于金屬響應型啟動子，能夠特異性結合Hg2＋，激活下游熒光蛋白（如GFP）的表達，其響應直接且無需復雜信號轉換。基因元件簡單，易于構建和集成到便攜設備中從而實現環境水樣中Hg2＋的實時檢測；但是對其他重金屬（如Cd2＋、Pb2＋）交叉反應性較高，而且信號輸出單一，依賴熒光信號難以實現多模態檢測。CRISPR系統利用CRISPR-Cas蛋白（如Cas12a/Cas13）的附屬切割活性，通過核酸信號放大檢測重金屬。當重金屬存在時，會通過轉錄因子或適配體激活特定的DNA/RNA序列，再觸發CRISPR切割報告基因。通過設計不同CRISPR RNA，可檢測多種重金屬污染，且抗干擾能力強、受環境雜質影響較小；但是復雜性高、需多步反應（如核酸提取、擴增、CRISPR切割）、耗時較長、依賴酶和合成核酸試劑、不適合大規模現場部署。在后續的研究中，可以將MerR的快速響應與CRISPR系統的信號放大結合，構建“雙模式”傳感器，推動WCBs的實用化發展。總之，WCBs已成為檢測重金屬的強大工具，有可能取代或補充傳統的分析方法。它們的適應性、成本效益和現場快速檢測能力使其成為環境和食品安全監控領域的有效解決方案。基因工程、信號放大和多金屬檢測能力方面的持續創新可能會擴大其適用范圍并提高其性能，從而實現在各種情況下進行更全面的重金屬監測和風險評估。

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WCBs在農藥殘留檢測中的應用

農藥殘留是指施用農藥一段時間后，在生物體、農產品、土壤、水和大氣中持續存在的微量母體化合物、有毒代謝物、降解產物和雜質。這些殘留物對食品工業的可持續發展構成了重大挑戰，并可能嚴重影響人類健康。水果和蔬菜上的過量農藥殘留會導致人體攝入時中毒，從而對生命健康構成嚴重威脅。因此，靈敏、精確地檢測農藥殘留對確保食品質量和安全至關重要。近年來，人們成功開發并應用了多種WCBs快速檢測農藥殘留。許多高選擇性、高靈敏度、快速和低成本的微生物生物傳感器，包括安培型、電位型和比色型已被構建用于直接測量各種樣品中的各種農藥。

有機磷（OP）是最常用的農藥之一，Liang Bo等從鯉魚細胞中優化合成了編碼乙酰膽堿酯酶的互補DNA（cDNA），并將其整合到釀酒酵母的表達載體pYD1中。利用乙酰膽堿酯酶對OP的高度特異性識別，開發了一種基于酵母的OP快速檢測生物傳感器，將重組菌株在37 ℃條件下與不同濃度的對硫磷作用15 min后，通過可見分光光度法直接測量乙酰膽堿酯酶的活性從而反應污染物的濃度，對羥基對硫磷的檢測限為0.136 ng/mL，線性范圍為0.5 ng/mL～10 μg/mL。對硫磷的檢測限為3.72 ng/mL，線性范圍為5 ng/mL～10 μg/mL。Khatun等利用兩種大腸桿菌菌株開發了一種生物傳感器，每種菌株都含有不同的轉錄基因。這些菌株將OP水解為對硝基苯酚，隨后轉化為β-半乳糖苷酶進行比色檢測，這種生物傳感器對乙基對硫磷的檢測限為1 nmol/L，靈敏度比單細胞生物傳感器高出近200 倍，而且在3.5 h內便可以獲得檢測結果，是一種靈敏、便攜的農藥檢測手段。

在另一項研究中，Riangrungroj等設計了一種基于凝集作用的全細胞大腸桿菌生物傳感器，用于檢測環境中的3-苯氧基苯甲酸（3-PBA），這是一種擬除蟲菊酯殺蟲劑標記物。這種生物傳感器是將大腸桿菌細胞與誘導細胞凝集的蛋白共軛物混合。游離的3-PBA與抗原共軛物競爭，阻止細胞交聯，形成可見的細胞沉淀，這種方法與競爭性酶聯免疫吸附法相似，可在30 min內直接目視檢測結果，檢測限為3 ng/mL。這種生物傳感器能夠檢測各種基質（包括血液、尿液和水）中的3-PBA，而且裂解后的穩定期長達90 d，非常適合資源有限的偏遠地區使用。McDonald等開發了一種基于瓜萎鐮刀菌的WCBs，其中包含ChpR轉錄因子以及其同源啟動子PchpA。這種生物傳感器能對毒死蜱的主要降解產物3,5,6-三氯-2-吡啶醇產生特異性熒光反應。該生物傳感器可在4 h內檢測到低至390 nmol/L的3,5,6-三氯-2-吡啶醇濃度，在7 h內檢測到低至50 μmol/L的毒死蜱濃度，符合GB 5749—2022《生活飲用水衛生標準》的要求（30 μg/L）。總之，用于檢測農藥的WCBs的開發正朝著提高目標分析物特異性和靈敏度的方向發展，表3重點介紹了WCBs在農藥殘留檢測方面的最新應用。

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WCBs在獸藥殘留檢測中的應用

合成獸藥被廣泛用于預防細菌感染和治療動物疾病，然而這些藥物的殘留物及其代謝物會在動物組織中累積，甚至會通過生物濃縮增強毒性，最終對人類健康造成威脅。鑒于目前抗生素污染的普遍性和相關風險，迫切需要建立快速有效的抗生素檢測方法。WCBs作為一種創新、經濟、便攜的生物識別系統，含有能對信號分子濃度變化做出特異性反應的基因元件，使其適用于各種復雜環境。值得注意的是，微生物可逐漸適應抗生素，在長期暴露過程中會對抗生素產生抗性。微生物降解抗生素是一個多方面的過程，涉及微生物合成直接或間接改變抗生素結構的酶，從而使其在降解過程中失活，產生可檢測的信號，這些信號可作為判斷抗生素存在的新指標。

Ma Zhao等利用Whatman濾紙作為低成本便攜式基質，開發了一種基于紙條的大腸桿菌生物傳感器。這種生物傳感器通過紙條上的顏色強度變化檢測四環素和土霉素，在水中的檢測限為5.23～17.1 μg/L，在土壤中的檢測限為5.21～35.3 μg/kg，線性范圍分別為75～10 000、75～7 500 μg/L。南京農業大學高延政教授團隊設計的大腸桿菌菌株DH5α/pMTGFP和DH5α/pMTmCherry能夠對四環素濃度變化做出響應。通過測量熒光強度或酶活性，可以量化四環素類抗生素的濃度，檢測限分別為7.58～10.2 μg/L和5.32～7.85 μg/L，線性范圍分別為75～2 500、75～7 500 μg/L。這種生物傳感器有望成為土壤和水樣中快速、高通量定量檢測四環素類抗生素的工具。

在檢測動物源食品中的抗生素殘留方面，Liu Yang’er等報道了一種基于合成生物學的增強型i/cTetR比率測定型試紙條，這種WCBs利用雙色信號報告檢測食品中的四環素類抗生素。i/cTetR比率測定型試紙條可對牛奶樣品進行定量和定性分析，45 min內即可達到歐盟規定的牛奶最低檢測限（50～3 200 μg/kg），具有特異性強、靈敏度高、操作簡便等特點，適合無需大型設備的現場檢測。Lu Meiyi等開發了一種集成智能手機的WCBs Lumi Cell Sense，其全脂牛奶中環丙沙星的檢測限為7.2 ng/mL，低于歐盟允許的最高限值。氨基糖苷類抗生素殘留現象普遍存在于食品和環境中，其累積會對生態和健康造成嚴重危害。Wang Zhenzhen等構建了妥布霉素濃度依賴性全細胞微生物傳感器（tob-HHAz），可將妥布霉素的濃度轉化為可見熒光。在牛奶樣品中，該傳感器的線性范圍為0～1 000 nmol/L，檢測限為40 nmol/L，低于歐盟規定的牛奶最大殘留限量。總之，開發檢測獸藥殘留的WCBs取得一定進展，其特異性和適用性也在不斷提高。表4概述了近期WCBs在獸藥殘留檢測中的應用。

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WCBs在食品添加劑檢測中的應用

食品添加劑被廣泛用于食品工業，以延長保質期、提高感官質量和支持工業生產。雖然食品添加劑旨在提供感官享受和商業便利，但也帶來了一些問題，如濫用、過量使用等。研發高效且靈敏的食品添加劑檢測技術成為當務之急。

亞硝酸鹽是肉類產品中常用的食品添加劑，常用于著色和抗菌，其會在腸道微生物群中轉化為具有遺傳毒性的亞硝胺。然而，目前的方法缺乏原位檢測亞硝胺的能力。針對這一空白，Wang Huaisong等用pMAG1-eGFP和pPHR1-eGFP質粒改造了一種酵母菌株。這種工程酵母能對亞硝胺引發的DNA損傷作出反應，激活基于pMAG1的DNA損傷修復途徑，已被開發成WCBs，表達eGFP作為報告物，以監測原位產生的亞硝胺。為了確保WCBs在胃酸環境中的存活率，合成了一種與Fe3＋和2,2-硫代乙酸配位的金屬有機凝膠，并將其加入WCBs中。結果表明，該金屬有機凝膠能抵抗胃酸促進pMAG1酵母菌向腸道的運輸，同時保持其原位檢測亞硝胺的能力，可以準確檢測亞硝胺在小鼠腸道中的含量。

具有特定功能的細菌生物膜可進一步提高生物傳感器檢測亞硝酸鹽的特異性，Wang Jingting等利用電活性亞硝酸鹽氧化細菌（硝化細菌）開發了一種創新的全細胞電化學生物傳感器，具有反應快、靈敏度高、檢測范圍廣和抗干擾性強等特點。這種生物傳感器利用循環伏安法，可在3 min內精確檢測0.3～100 mg/L范圍內的亞硝酸鹽。

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WCBs在食源性病原體和毒素檢測中的應用

食源性病原體利用食物基質作為侵入人體宿主細胞的主要途徑，導致腹瀉、嘔吐和全身感染等食物中毒癥狀。近年來，涉及食源性病原體的事件頻頻發生，凸顯了開發食品中病原體檢測技術的迫切性，表5總結了WCBs在獸藥殘留檢測中的應用。大腸桿菌O157:H7主要寄居在反芻動物體內，經常污染牛肉和牛奶等食品，并可能在加工過程中傳播給人類、動物飼料和水源。由于其傳播途徑廣泛，它已成為全球最普遍的食源性病原體之一。因此，監測食品中的大腸桿菌O157:H7對于確保食品安全和阻斷傳播途徑至關重要。Zhou Yuqing等利用菌體EP01對大腸桿菌O157:H7 GXEC-N07的高特異性，開發出一種以菌體EP01為識別劑的全細胞電化學生物傳感器，用于檢測大腸桿菌O157:H7 GXEC-N07。該生物傳感器的線性檢測范圍為102～107 CFU/mL，檢測限為11.8 CFU/mL，總處理時間小于30 min。它已成功應用于定量檢測鮮奶和生豬肉中的GXEC-N07，為檢測大腸桿菌O157:H7 GXEC-N07提供了一種快速、特異、經濟、無標簽的工具，有望在保障食品安全和公眾健康方面發揮重要作用。

食品中的霉菌污染會導致經濟損失、食品質量下降和霉菌毒素的產生，因此必須進行準確、非破壞性的監測。曲霉菌污染在小麥收獲后儲存和運輸過程中持續存在，產生有害毒素，如黃曲霉菌產生的黃曲霉毒素是一種已知的糧油致癌物。最近，中國農業科學院農產品加工研究所糧油減損與霉菌毒素防控創新團隊引入了WCBs陣列與機器學習模型相結合的方法監測霉菌污染。這種方法為預測貯藏花生和玉米粒中的早期黃曲霉毒素污染提供了一種途徑。在這項研究中，通過氣相色譜-質譜技術鑒定了黃曲霉霉變前期花生中3 種標志性有機揮發物丙酸乙酯、甲基吡咯和2,3-丁二醇，測定了14 種大腸桿菌應激響應啟動子對這3 種標志性有機揮發物和另外3 種黃曲霉霉變相關揮發物的顯著差異響應模式。在此基礎上，通過海藻酸鈣微球包埋技術構建了融合14 種應激響應啟動子和發光細菌熒光素酶基因的WCBs陣列。當與優化的機器學習模型搭配使用時，該生物傳感器在花生和玉米明顯變質前2 d的預測準確率分別高達95%和98%。此外，它還能以100%的準確率區分變質和健康樣品。這些研究結果表明，這種WCBs陣列為谷物霉菌污染的早期檢測提供了一種高度準確、非破壞性的方法。

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技術挑戰和未來發展方向

WCBs憑借其高靈敏度、可再生性和特異性，在食品安全檢測領域展現出巨大的應用潛力。然而，其實際應用和商業化進程仍面臨諸多技術挑戰，這些挑戰涉及細胞穩定性、信號處理、檢測性能以及規模化生產等多個關鍵層面。例如，細胞在復雜的環境條件（如極端pH值、高溫以及有毒物質的存在）中容易失活或死亡，從而導致傳感器的使用壽命較短；低濃度目標物難以觸發可檢測的信號，使得動態檢測范圍相對較窄；此外，信號輸出形式較為單一，光學信號（如熒光）易受背景干擾，而電化學信號則需要復雜的電路支持，且難以實現現場的實時檢測。為應對這些挑戰，未來的研究方向應聚焦于通過合成生物學手段設計高靈敏度且穩定的全細胞系統，利用納米材料放大檢測信號以及保護細胞，并通過與人工智能技術的跨學科合作，推動WCBs在靈敏度、特異性、穩定性和實用性方面的突破，最終實現其商業化與普適性應用。圖2概述了WCBs的未來發展方向和面臨的挑戰。

6.1 WCBs中的合成生物學技術

在WCBs中，各種生物識別分子都經過了人工修飾，以提高特異性、穩定性和靈敏度。基于合成生物學的WCBs為現場檢測食品污染物提供了一種新方法，WCBs的基本組成部分包括傳感元件，如轉錄因子和核糖開關，以及報告元件，如熒光素酶、熒光蛋白等。傳感和報告元件通過基因表達調控耦合，形成用于檢測目標物質的簡單基因回路。Chen Shengyan等對大腸桿菌K-12調控亞硝酸鹽的啟動子進行了修飾，通過平衡ArsR結合位點（ABS）數量與啟動子活性之間的關系并調節輔助ABS的位置，從而提高WCBs的信噪比。當用1 μmol/L亞砷酸鹽誘導時，獲得的啟動子變體ParsD-ABS-8的誘導比為179（比野生型啟動子增加了11 倍）。修飾后的WCBs在0.1～4 μmol/L（決定系數R2＝0.992 8）的砷濃度范圍內表現出良好的劑量響應，檢出限為10 nmol/L。He Nisha等通過啟動子工程、受體蛋白定向進化和宿主代謝工程3階段優化，構建了基于NahR-Psal/Pr的全細胞水楊酸（SA）生物傳感器（MUT3rd）。優化后的傳感器靈敏度和最大輸出分別提高了17.2 倍和9.4 倍，檢測限從80 μmol/L到0.1 μmol/L，提高了800 倍。

合成生物學可以根據特定規則連接基因片段，從而使細胞表達出人類需要的信號或產物。因此可以為WCBs提供新的功能組件、遺傳模塊（邏輯門模塊、內存模塊、信號放大模塊）和組裝理論，從而使得WCBs可以識別更多的污染物，找到更方便的信號報告形式，并實現更智能的檢測過程。

6.2 利用納米技術增強WCBs的性能

納米材料在生物傳感領域的應用為傳感器的性能帶來了革命性的提升，然而，由于兼容性問題會影響生物傳感器的效率，因此將納米粒子與微生物系統集成面臨挑戰。納米材料由于其高比表面積和尺寸效應，可以提高環境監測的靈敏度和選擇性。這意味著納米材料可以更有效地檢測低濃度污染物，并區分結構相似的污染物。金屬納米顆粒的功能化、分子印跡聚合物和其他納米復合材料進一步提高了傳感器的選擇性和靈敏度，已被用于定量檢測實驗室樣本中的砷、汞、鉛、鎘、鉻和其他有毒重金屬。目前，基于碳納米管、石墨烯、介孔碳和碳點的電化學傳感器正迅速成為傳統技術的超靈敏替代品，用于現場篩查食品和環境中的重金屬污染，提供了一種經濟高效的解決方案。而WCBs檢測的樣品通常具有污染性，例如土壤中的抗生素、污水中的重金屬離子等，這些都會影響細胞的活性和檢測準確性。將納米殼涂覆在細胞的外面可以為WCBs提供保護，以抵御這些有害因素。Jiang Nan等通過將單個酵母細胞暴露于金納米顆粒和L-半胱氨酸的懸浮液中，在其表面制造了柔軟的生物雜交界面層，以形成一個保護功能層，并將該功能層與多孔二氧化硅層結合，形成直徑為3.9 nm的孔。雙層納米殼內的酵母細胞在高溫（40 ℃）、溶菌酶和紫外線照射下連續進行5 次循環后，仍保持了較高的存活率（（96±2）%）。而且，由于納米殼中儲存著營養物質，因此封裝在雙層納米殼中的酵母細胞比原生細胞更容易回收。Li Chen等報道了用共價有機框架（COF）為活細胞構建納米殼以起到保護作用，COF納米殼確保了細胞對營養的吸收，同時阻擋大的有害分子和紫外線輻射，從而保持細胞活力和代謝活性。

此外，與基于基因工程的方法不同，保護性納米殼產生的細胞抗性不會橫向傳播，因此，不會出現超級耐藥細菌的問題。然而，部分納米材料可能會對細胞活性產生負面影響，因此在納米材料的選擇上，應優先考慮生物相容性良好的材料，比如聚多巴胺，已被證明對微生物有著良好的生物相容性。納米材料通過信號增強、細胞保護等策略，顯著提升了傳感器的性能，其與合成生物學、人工智能等技術交叉融合，將進一步推動食品安全檢測領域的發展。

6.3 智能手機以及人工智能相關技術的應用

智能手機相關技術的快速發展帶來了更強的通信、數據處理和硬件能力，極大地滿足了人們對小型化便攜式生物分析和生物診斷工具日益增長的需求。因此，在過去10 年間，基于智能手機的傳感應用得到了顯著的發展與擴展。Lu Meiyi等構建了一種基于智能手機的集成式WCBs（LCS），它包含一個帶有透氧涂層的16 孔生物芯片，在該芯片中以大腸桿菌作為生物報告細胞。當目標化學物質存在時，生物報告細胞發光并由手機的攝像頭成像，隨后使用專用的手機應用程序LCS-Logger計算光子發射強度并將其實時繪制在設備的屏幕上。當光照強度增加到基線以上時會自動發出警報，表示存在目標，實現了便攜和即時檢測。通過檢測全脂牛奶中抗生素環丙沙星的殘留證明該系統的有效性，檢測閾值為7.2 ng/mL，此值低于歐盟規定的允許最大值。He Nisha等將優化后的WCBs與智能手機成像技術相結合，實現了化妝品中SA的快速、可視化檢測。將含有優化生物傳感器的明膠基水凝膠嵌入到載玻片上的膠帶穿孔中，構建了便攜式SA傳感裝置，然后，通過定制的智能手機應用程序測量每個穿孔的熒光強度并自動計算相應的SA濃度，可以很好地測定0.1～10 μmol/L范圍內的SA。與傳統傳感器相比，基于微型傳感裝置的傳感器不僅具備體積小、質量輕、成本低、功耗低等顯著優勢，還易于實現批量化生產、集成化以及智能化操作，這些特性使其能夠有效推動WCBs的商業化進程。

機器學習是人工智能的一個分支，其核心是讓計算機通過數據自動學習規律和模式，從而完成特定任務，而無需依賴明確的編程指令。簡單來說，機器學習是通過“從數據中學習經驗”從而改進自身性能的技術，目前已經有機器學習在食品污染物檢測中的報道。Ma Junning等提出了一種基于WCBs陣列結合機器學習預測模型的新方法，用于監測食品中霉菌污染的早期階段。通過比較隨機森林、支持向量機、人工神經網絡、高維判別分析、稀疏偏最小二乘判別分析以及遞歸特征消除幾種機器學習算法，發現隨機森林模型表現最優，在區分健康與感染樣本時表現出最高的準確性（100%），并在區分預霉階段時達到95%（花生）和98%（玉米）的準確率。Li Qianqian等構建了WCBs陣列，并結合機器學習算法用于快速識別小麥的霉菌污染。通過偏最小二乘判別分析的線性機器學習算法、反向傳播人工神經網絡和最小二乘支持向量機的非線性算法建立霉菌污染判別模型，結果表明，WCBs結合最小二乘支持向量機非線性算法可用于小麥霉菌的檢測和預警，準確率可以達到97.24%。上述結果證明，基于WCBs陣列與機器學習分類器耦合方法具有高精度和實用性，為食品安全檢測提供了一種新的有效策略。

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結 語

WCBs在食品安全領域已取得長足的進步，本文重點介紹了WCBs在食品安全領域的最新應用，特別是在檢測重金屬、農藥殘留、獸藥殘留、食品添加劑、食源性病原體和毒素方面的應用。隨著WCBs領域的持續拓展，該技術展現出應對實際挑戰的巨大潛力，將在未來研究與開發中發揮重要作用。總之，通過多學科合作有望生產出低成本、反應靈敏和生態友好型WCBs，為食品安全做出貢獻。

引文格式：

張含蕾, 周俊俊, 劉冰冰, 等. 全細胞生物傳感器在食品安全檢測中的應用[J]. 食品科學, 2025, 46(16): 411-421. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250126-199.

ZHANG Hanlei, ZHOU Junjun, LIU Bingbing, et al. Application of whole cell biosensors in food safety detection[J]. Food Science, 2025, 46(16): 411-421. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250126-199.

實習編輯：李雄；責任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網

為匯聚全球智慧共探產業變革方向，搭建跨學科、跨國界的協同創新平臺，由北京食品科學研究院、中國肉類食品綜合研究中心、國家市場監督管理總局技術創新中心（動物替代蛋白）、中國食品雜志社《食品科學》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，西南大學、 重慶市農業科學院、 重慶市農產品加工業技術創新聯盟、重慶工商大學、 重慶三峽科技大學 、西華大學、成都大學、四川旅游學院、北京聯合大學、 中國-匈牙利食品科學“一帶一路”聯合實驗室（籌）、 普洱學院 共同主辦 的“ 第三屆大食物觀·未來食品科技創新國際研討會 ”， 將于2026年4月25-26日 （4月24日全天報到） 在中國 重慶召開。

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為系統提升我國食品營養與安全的科技創新策源能力，加速科技成果向現實生產力轉化，推動食品產業向綠色化、智能化、高端化轉型升級，由北京食品科學研究院、中國食品雜志社《食品科學》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，合肥工業大學、安徽農業大學、安徽省食品行業協會、安徽大學、合肥大學、合肥師范學院、北京工商大學、中國科技大學附屬第一醫院臨床營養科、安徽糧食工程職業學院、安徽省農科院農產品加工研究所、安徽科技學院、皖西學院、黃山學院、滁州學院、蚌埠學院共同主辦的“第六屆食品科學與人類健康國際研討會”，將于 2026年8月15-16日（8月14日全天報到）在中國 安徽 合肥召開。

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