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基于食品安全快速检测的探究式通识教育设计和实践

陈超1,李志鹏1,柯明剑2,刘志明2

（1.北京师范大学珠海分校工程技术学院珠海媒介生物学实验室,广东珠海519087；2.珠海出入境检验检疫局,广东珠海519087）

摘要：以“探究式”为中心的通识教育可以有效地帮助学生自主学习,拓展知识面,增加实践技能.因此,本文以社会普遍关心的食品安全问题为切入点,构建了基于食品安全快速检测的“探究式”通识教育微型平台.该平台包括利用基因芯片生物技术的“食源”性致病微生物快速鉴定和利用抗原抗体免疫反应原理的食品毒性物质快速检测两个模块.另外,平台实践系统的“开放性”设计可适应学生自主创新的深入学习、拓展通识教育广度,“微型”设计可降低设备的成本并满足偏远不发达地区的“探究式”通识教育需求.

关键词：探究式；通识教育；食品安全；微型平台

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）27-0127-03

作者简介：陈超（1977-）,男（满族）,浙江临安人,博士,副教授,研究方向：生物化学与分子生物学.

一、引言

随着当前科学技术的迅猛发展,通识教育领域越来越关注如何有效地激发学生的学习主动性,提高学生认识问题的深度,并养成自主不断地拓展认识领域的习惯.解决实际问题的学习方法配合传统和现代的科学实践手段对激发学生的学习兴趣,加强学习主观能动性,改善教学质量有明显作用,是实现上述目标的有效解决方案.例如,食品安全问题事关国计民生、社会和谐,但近年来因环境污染、农业不适当操作、加工储藏不规范、微生物侵入食品供应链等引发的食品安全重大问题时有发生.

二、构建“探究式”通识教育的兴趣元素

从教育心理学的角度来说,兴趣是一个人倾向于认识、研究获得某种知识的心理特征,是可以推动人们求知的一种内在力量.在当今“应试”教育体系下,如果所支出的时间成本和经济成本不太高的情况下,当学生认识到某一处知识体系的实践能够对身边的人群产生影响,而且周围人群的反馈同时存在迫使其进一步提高实践水平、拓展知识体系的客观要求时,这种兴趣才有可能成为“探究式”学习的根本原因,才有可能获得学生、家长及社会的普遍认同,进而促进“探究式”学习不断发展.因此,“探究式”通识教育的兴趣元素必须构建在与实际问题紧密相关,通过一定的先进技术手段能够实现,且耗时较少的探究实践基础之上.本文构建的快速食品安全检测微型平台就是针对上述基础设计的检测主题.

(一)食源性病源微生物检测

据卫生部2011年度全国食物中毒报告统计,全国食物中毒类突发公共卫生事件报告189起,中毒8324人,死亡137人,涉及100人以上的食物中毒事件9起,重大食物中毒事件2起.其中,微生物性食物中毒事件的报告起数和中毒人数最多,分别占总数的41.27％和61.67％,主要是由于食品储存、加工环节操作不当导致食品变质或受污染.由病源性微生物引起的食源性疾病中,细菌及其产生的毒素是最常见的原因,其次是病毒、真菌.常见的致病细菌有沙门菌属、致病性大肠杆菌、志贺菌属、空肠弯曲菌、副溶血性弧菌、单核细胞增多症李斯特菌、金葡萄球菌、肉毒梭状芽孢杆菌、霍乱菌、小肠结肠炎耶尔森菌等.本文设计的食品安全快速检测微型平台利用基因芯片技术,能够同时检测上述10种细菌是否存在于食品当中,可从“探究式”学习的角度解决监控细菌性污染食品这一实际问题,从而较充分的激发学生的原始学习兴趣.

（二）“地沟油”毒性物质检测

“地沟油”对于人体最大的危害主要是其含有黄曲霉毒素,黄曲霉毒素是一类真菌毒素,至今已发现B1、B2、G1、G2、M1、M2、P1、Q1、H1、GM、B2a、G2a及毒醇等20余种结构类似物,其中黄曲霉毒素B1的致癌性、毒性最强.黄曲霉毒素不但存在于“地沟油”中,即使一些直接以豆类、花生为原材料生产的植物性油脂中,如果粮食原材料储藏、运输不当,生产的植物油脂同样有可能会被黄曲霉毒素B1污染,因此鉴定油脂中是否含有黄曲霉毒素B1对于监控有害“地沟油”是否进入人类食品供应链,或者购买的调和油、花生油等常见植物油脂是否具有潜在的致癌危害具有重要意义.本文设计的食品安全快速检测微型平台利用“胶体金标记免疫层析技术”能够快速检测油脂中黄曲霉毒素B1,可充分激发学生探究其所能获得的油脂中的毒性物质,从而激发主动学习兴趣.

三、构建“探究式”通识教育的专业深度

(一)生物芯片技术

该技术利用分子间特异性相互作用的原理,在厘米见方的芯片上集成成千上万与生命相关的信息分子,甚至将生命科学领域中不连续的分析过程微缩在硅芯片或玻璃芯片表面,从而形成微型生物化学分析系统,以实现对有机小分子、核酸、蛋白、细胞及其他生物组分准确、快速、高通量的测试与分析.由于该技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上,从而实现一次性对大量生物分子的检测分析,解决了传统核酸、免疫印迹杂交技术操作复杂、检测目的分子数量少、自动化程度低、低通量等不足,是“高通量”、“快速检测”在食品安全领域应用的最前沿研究热点之一.按照芯片上固化的生物材料的不同,可以将生物芯片划分为基因芯片、多肽芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等.生物芯片技术可用于DNA序列鉴定、基因差异性表达检测、突变点分析以及单核苷酸多态性（SNP）分析等,广泛应用于遗传病、传染病检测、癌症等多种疾病的生物学研究和临床诊断中.本文涉及的生物芯片为基因芯片检测,学生在掌握基本操作后,不仅可以理解基因芯片的基本原理,更能直接利用该技术监控周围“食源”性致病细菌的潜在危害,从而积极探索该领域的专业知识体系（图1）,甚至独立开发新的应用芯片.

(二)胶体金标记免疫层析技术

胶体金标记免疫层析技术（colloidal gold immunochromatographicassay,简称ICG）是近几年在国内外兴起的一种固相标记免疫鉴定技术,主要是在纸层析基础上,将胶体金作为示踪标记物,利用抗原抗体特异性相互作用,对目的蛋白（抗原或抗体）进行定位从而达到对其定性、定量的检测目的.氯金酸在还原剂（如白磷,枸橼酸钠,鞣酸,抗坏血酸）的作用下,可以聚合成特定大小的金颗粒,在静电作用下成为稳定的胶体体系,成为胶体金.胶体金所带负电荷可与蛋白质分子（或其他有机分子）的正电荷基团静电结合,从而可以与酶、抗生素、激素、糖蛋白等多种物质进行非共价结合.胶体金具有的一些物理特性,如高电子密度、颗粒大小、颜色反应等,使胶体金标记技术广泛地应用于免疫学、组织学、病理学和细胞生物学等领域.

胶体金标记免疫层析法的原理是：将特异性的有机小分子抗原藕联BSA后以条带状固定在膜上,胶体金标记试剂（金标记抗体）吸附在结合垫上；当待检样本加到试纸条一端的加样孔后,通过毛细作用向前移动,与溶解在结合垫上的胶体金标记试剂发生反应后,继续沿着试纸条向前移动,当遇到固定有小分子抗原藕联BSA的条带后,膜上固定的有机小分子将和待检样本中的目的小分子竞争结合胶体金标记的抗体,从而在检测带上显现出颜色,从而实现特异性的免疫检测.该法使用十分方便,但是所涉及的专业知识比较多（图2）,其操作流程可归纳为以下几个方面：胶体金的制备,胶体金的标记,胶体金标记后的纯化,试纸条的组装等,但是其核心关键技术是相应抗体的获得.因此,在专业拓展上,可适当引入多克隆抗体的制备,而这一技术可涵盖大部分的分子生物学核心技术,有利于学生从通识教育领域向专业领域主动深化,培养浓厚的科学兴趣.

四、构建“探究式”通识教育的实践手段

(一)生物芯片实验方法

生物芯片检测食源性微生物的主要技术路线如图3所示,其主要技术原理为：利用已有的待检测微生物的基因组序列信息,特别是更为完整的16s rRNA基因序列数据库,分析各种微生物的特异的DNA序列,设计特异性探针并预先固定到生物芯片的相应位置上（图4A）.同时根据侧翼的共同序列部分设计通用引物,并事先在引物的5′端标记生物素（Biotin）.标记完成后的PCR产物变性后与芯片上相匹配的探针序列发生杂交,在杂交后生物素与链亲和素-碱性磷酸酶复合物（Stripitin-AP）反应,生成新的复合物：Biotin-Stripitin-AP,后者发生如下的显色反应从而得到识别（图4B、C）：Biotin-Stripitin-AP+BCI-P→BCI-OH+Pi（pH7.5）BCI-OH+NBT→蓝紫色沉淀式中：BCIP代表5溴-4氯-3吲哚磷酸；NBT代表硝基四氮唑蓝.

生物芯片检测过程较为复杂,本文所述基因芯片检测技术,不需复杂仪器,其中的PCR实践内容除可用专业的PCR仪器完成外,利用简单的恒温箱或水浴锅,配合微型平台内提供特殊的酶,也可在恒温中进行等温PCR扩增.芯片杂交显色步骤也只需一般的恒温箱就能实现（在室外,温度计配合温水就可以实施）.生物芯片这一最具前沿的生物科学现代技术,可通过微型平台向各类学生展示它在食品安全方面的应用,并深入拓展学生的通识领域和通识深度.

(二)胶体金标记免疫层析方法

胶体金标记免疫层析试纸条由样品垫（吸水纸）、吸水玻璃纤维、硝酸纤维素膜、余液吸收垫（吸水纸）、底板（塑胶板）纸四部分组成.作为样品垫的吸水纸剪切为长宽均为0.7×0.5 cm的长方形小片.余液吸收垫（吸水纸）剪切为长1.5 cm,宽0.5 cm的矩形小条.将样品垫、吸水玻璃纤维、硝酸纤维素膜和余液吸收垫依次粘贴于5.0 cm×0.5 cm塑胶板表面制成金标-AFB1免疫层析试纸,除硝酸纤维素膜和余液吸收垫重叠区为3 mm外,吸水玻璃纤维和样品垫及硝酸纤维素膜的重叠区均为2mm,试纸条组装后,套上塑料外壳,分别用含有黄曲霉毒素B1、M1以及玉米赤霉烯酮标准溶液,浓度分别为0、10、30（ng/ml）,进行特异性检测,典型实验结果如图5.胶体金标记免疫层析试纸结合了义务教育中的物理、化学、生物知识,三者完美的统一成为现代医学快速诊断、食品快速检测的“金标”试剂的核心基础,而正是这一技术基础广泛的应用,使其成为学生最直接的可操作的通识媒介.

五、结语

“开放性”实验是本文食品安全检测微型平台的灵魂,在提供食源性微生物基因芯片检测的同时,微型平台内还提供空白基因芯片试剂,使用者可根据需要制作任何自己感兴趣的低通量生物芯片,例如人体癌症SNP突变芯片,白血病融合基因检测芯片等；在胶体金标记免疫层析方法中,提供了空白的试纸条组装原材料,使用者可制备检测,农药残留的金标试纸条.在食品安全快速检测的“探究式”通识教育微型平台上,学生可不拘泥于课堂实验时空的限制,通过平台拓展,既能满足学生通识教育的需要,又能提高学生的动手能力、设计能力、分析与解决问题的能力.2012年12月本文所提出的基于食品快速检测的“探究式”通识教育设计经非生物学、化学专业的大一本科生试用后,问卷调查结果显示,学生对实践操作检测食品安全的反应良好.通过实践,既能协助学生进行“探究式”生物学通识学习,获得相关食品安全知识,也能深入了解生物工程学科专业体系,并对现代科学技术的发展有了深入了解,而且所花费的时间不多,对其自身专业学习不构成影响.因此,本课题组还将进一步推广基于食品快速检测的“探究式”通识教育到中学教育中,以便更好地为中学通识教育服务.

参考文献：

[1]E.J. Van Loo.Food Safety and Organic Meats[J].Annual Reviewof Food Science and Technology,2012,3：203-225.

[2]I.F.Almeida.Mycobiota and Aflatoxin B1 in Feed for FarmedSea Bass （Dicentrarchus labrax） [J].Toxins,2011,3 （3）：163-171.

[3]G.L. Liu. Advances in Hey Metal Ions Immunoassay [J].Sheng Wu Gong Cheng Xue Bao,2006,22（6）：877-881.

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