奈米及生物技術應用於食品中病原體及農藥殘留快速檢測之專利佈局分析

一、食品安全之定義

食品安全是一門專門探討在食品加工、存儲及銷售等步驟，甚至是食物之產地環境及培育過程中確保食品衛生及食用安全、降低疾病隱患、防範食物中毒的一個跨學科領域。透過科學方法對於可能造成消費者生命健康危害的項目進行風險分析，進而制定出確保食品安全的管制措施，以排除或減低對於消費者生命、健康的風險，這是食品安全的核心(維基百科，2017)。根據世界衛生組織(World Health Organization, WHO)對食品衛生與安全的定義為：「食品及原料從採收、收獲後，經由各種加工與調理，為確保食品送到消費者時能有安全及衛生所必要的措施」。因此就定義而言，食品安全的責任是「從生產到食用過程中的每位參與者所要共同承擔的，其中的行為者包含了農作物種植者、食品生產處理者、生產過程管理者、物流配運者、銷售商以及最終真正將食品送入口中的消費者」(徐健銘，2015)。以食品分銷鏈的概念說明如圖1所示：圖中箭頭的每個節點，都會有食品安全妥協和食品安全測試的機會。由於加工食品是極度多源且廣泛的食物聚集和混合，諸如:研磨肉類，洗滌/包裝沙拉蔬菜，乳製品和罐頭食品等，小污染事件都可能透過大量產品和地理區域廣泛地擴散。因此，在箭頭中的每個點提供廉價和快速地篩選廣泛的食物病原體和污染物的能力，將會是食品安全向前邁進一大步。

台灣食品安全問題主要是針對食品加工、進口、消費等等有關的議題，亦為當前申請加入世界衛生組織的主要工作項目之一。目前政府以世界衛生組織促進食品安全的指導原則，將GMP制度(良好作業規範)、HACCP(危害分析重要控制點)列為主要食品安全的治理模式，並於2008年建立「食品安全管制系統」及餐飲業HACCP認證標章(維基百科，2017)。

二、食品安全之重要性

每年在美國腸胃炎的急性病例影響數百萬人，據估計這些病例中有22％至30％是由食源性(Food-borne)疾病或病原體(Pathogens)所引起的食物中毒。例如：據報導，全球13億沙門氏菌病(Salmonellosis)案例，因接觸沙門氏菌而導致的食物中毒每年皆會發生，導致約300萬人死亡。雖然胃腸炎不會對健康成年人造成重大威脅，但症狀至少會暫時衰弱，對兒童，老年人和患有某些疾病的人更容易受到脫水和其他併發症的傷害(US8883488)。

日本自1996年以來出現食品安全有關的各種案例。例如：大腸桿菌O157細菌和副溶血弧菌食物中毒、加工牛奶大量食物中毒、加工食品中混合基因改造(Genetically Modified, GM)的玉米、進口冷凍蔬菜產品的農藥殘留、非法農藥的使用以及農藥誤用引起的產品召回等事件。2001年日本發現了第一隻母牛感染了狂牛症(牛海綿狀腦病, Bovine Spongiform Encephalopathy, BSE)，2003年停止從美國進口牛肉。另外肉類產品也出現許多假標籤的問題。此外，2004年，日本和東亞地區的禽流感疫情(Bird Flu)也有報導。因此，許多消費者對進口農產品的安全性感到不安(Koji Sugahara, 2009)。

台灣自2011年以來發生多宗食品安全事件(如塑化劑、大統黑心油等)，直到去年(2017)竹苗地區發生戴奧辛毒雞蛋、彰化地區芬普尼雞蛋事件等(張茗喧，2017；鄭傑憶、賴郁薇，2017)引起民眾的廣泛關注，紛紛要求加強監管。除了污染與中毒問題之外，還有人為蓄意的違法使用添加物、標示不實與仿冒造假等問題；前者是食品製造環境和技術之品質不佳所致，後者則是專業知識與技術的誤用和濫用有關。因此，若食品安全管理不當將會造成民眾心理的恐慌，甚至危及生命安全，故食品安全問題是各國必須面對及解決的問題。現今台灣已是WTO的會員國之一，規範範圍從傳統貨品貿易擴展至農產品等，雖然區域貿易自由化的合作下進軍國際市場賺取更多外匯，相對地國內市場帶來龐大的競爭壓力，如何重塑台灣優質農產品品牌形象，尤其是確保食安的最高原則，將是未來最重要的課題。

三、食品安全檢測技術

歐盟Horizon2020與日本第十次技術預測調查食品安全科研發展(陳怡如，2017)，可看出奈米技術與生物技術應用在食品檢測，將是未來的發展重點，強調的是快速及現場立即確認的檢測技術和系統。奈米技術應用方面有免疫吸附法測定(Immunosorbent assay, EIA)、免疫磁性分離(Immunomagnetic separation, IMS)、側層流分析法(Lateral flow assay, LFA)、石英晶體微量天平生物感測法(Quartz crystal microbalance, QCM)及生物感測器(Biosensor)；生物技術應用方面有聚合酶鏈鎖反應(PCR)、核酸探針(Nucleic acid probe)、生物晶片(Biochip)及生物感測器。

目前食品安全快速檢測技術除了商業化的微量生化試劑盒方法外，利用生物親和性的抗體及 DNA檢測也逐漸得到應用，如免疫吸附法。側層流分析法非常適合用於現場檢測，因其操作簡易且用肉眼即可觀察到結果；免疫磁珠可從大量複雜的食品樣品中快速篩選出特定致病菌或毒素，節省反覆增菌、菌落分離的時間；而免標定的石英晶體微量天平生物感測法及生物感測器，能快速、靈敏的偵測病原體或毒素的存在(溫曉薇，2014)。PCR檢測食品樣本中是否含有特定的基因序列，此技術在食品檢測已逐漸被廣泛應用，尤其是檢測致病微生物、轉基因食品和食品摻偽鑑別等(曾耀源，2014)；核酸探針最常用的是DNA探針，可專一性的鑑定微生物，利用核酸檢測的生物技術可準確、迅速地檢測出食品的品質及其中存在的食源性病原體；生物晶片之分生技術，可用於一次鑑定數種微生物，大大降低鑑定所需人力及時間。最常用於微生物鑑定的是微生物特有基因序列的DNA晶片，目前具有新穎且接近實時(Real time)的檢測方案是使用ELISA型實驗室晶片(Lab-on-a-Chip) (Jeong-Yeol Yoon, Bumsang Kim ,2012)，可檢測食源性病原體，具有極佳的靈敏度；生物感測器目前以酶感測器檢測農藥殘留較多，主要是基於對膽鹼酯酶(Cholinesterase)的抑制作用，檢測果蔬中有機磷類(OPPs)和氨基甲酸酯類(Carbamate)農藥(上海農業網, 2011)。比較以上食品安全快速檢測技術之優、缺點如表1所示：

四、美國食品安全檢測專利分析

本文研究食品安全檢測相關之美國專利，共計分析30件專利申請案，所有專利之技術分類及功效如表3及表4所示：從附表可發現申請核酸檢測技術專利最多(18件)，其次是固定免疫吸附測定法專利(11件)，生化電極分析專利則僅有申請1件。核酸檢測技術部分主要是以鑑定生物體及鑑定基因改變引起性狀的「混成探針」(hybridization probe)專利申請最多，專利申請數的1/3都集中於學界，主要申請者有Washington State大學及Alberta大學，其功效在鑑定牛油花紋/大理石花紋/皮下脂肪沉積/胴體品質/生長和/或進食效率/BMS(Beef Marble Score)，REA(ribeye area)的動物、提供進一步單核苷酸多態性(single nucleaotide polymorphism, SNP)更準確預測動物肉品質表型。其次，例如：模塊化分子鉤(modular molecular clasps)為一種生物感測器，具有生物特有之專一性辨識，由於特異性強、反應迅速和成本較低，已逐漸被廣泛應用於食品安全檢測領域。製備核酸PCR分析是一種基因複製的放大技術，利用DNA / RNA聚合酶於短時間內增幅微量DNA或RNA某段特定基因序列的方法，透過PCR技術檢測食品樣本中是否含有特定的基因序列，便能得悉該食物是否含有致病微生物。混成測定檢測裝置是使用具磁性和可檢測的奈米顆粒與樣品反應，並檢測來自奈米顆粒的信號，以確定樣品中每一種的核酸，台灣目前有1件專利申請是工研院(ITRI)的混成測定檢測裝置；固定免疫吸附測定法方面，有Bioscale lnc.(原申請人,現有專利權人Proterixbio Inc)及Digital Biotech LLC兩家公司申請固定(奈米)顆粒不溶性載体技術，此技術是奈米科技應用之固定化技術(immobilization)，以碳奈米管、奈米金或銀粒子做為生物辨識分子與傳遞系統間的連結物(linker)，可提高檢測的靈敏度。中國大陸西安微通生物技術公司(Xian Weitong Bioscience)申請配體經化學偶合劑(linker)連接至不溶性載体技術，利用架橋分子修飾生物辨識分子，有效接合在微脂體(liposome)表面，也是為了放大偵測訊號，提高檢測的靈敏度；生化電極分析方面，Auburn大學申請電化學接近測定(Electrochemical proximity assay)的方法，此方法可用於血清樣品中核酸的定量。

目前在食品安全檢測技術方面，無論是核酸檢測或是製備核酸PCR分析、固相免疫及混成測定法的檢測裝置等，強調的是要高靈敏度和準確度分析多種分子結構、食品安全監測的現場應用及確定來自動物或動物的加工產品，確保肉製品的安全等功效。

五、台灣食品安全檢測專利分析

本文針對智財局專利資訊檢索系統(TIPO)，分析台灣目前有關食品安全檢測之專利資訊，如表5所示：可看出工研院申請食品安全之核酸檢測技術，此技術使用可偵測性之磁性奈米粒子(例如：超磁性奈米氧化鐵)、奈米金或奈米銀粒子等，在奈米粒子表面連接可與待測樣本中的核酸一區域形成互補(混成)的寡核苷酸，偵測奈米粒子的訊號，並確認樣本中的每種核酸；國防醫學院申請細菌核酸之側流免疫檢測技術(lateral flow assay, LFA)，此技術是在薄層層析試紙上預先加載一核酸探針，此核酸探針作法為在金奈米粒子上接合一股可互補沙門氏菌16S核醣DNA與核醣RNA，運用此合成之單股DNA核酸探針，可針對沙門氏菌具專一性的檢測。

六、結論及建議

從台灣食品安全檢測專利分析得知，目前工研院擁有可偵測性磁性奈米粒子、金/銀奈米粒子之核酸檢測技術專利，發明人為英國的德瑞克菲利浦；國防醫學院擁有金奈米粒子接合的核酸探針之側流免疫檢測技術等，可看出台灣研發機構擁有核酸檢測技術之能力。核酸探針涉及到某生物的特定DNA序列，然後以人工合成方法設計出“對應”該DNA序列的單股DNA，如何設計出正確對應的單股DNA將是研究的重點。正確設計對應的單股DNA，使用到CRISPR-Cas9基因編輯專利技術，儘管此技術國外相當成熟(Jorge L. Contreras, Jacob S. Sherkow, 2017)，然而尚未實際應用在食品安全核酸探針檢測的技術開發上，主要原因可能是成本較高，缺乏市場誘因。建議台灣可以引進或自行研發相關技術，開發食品安全應用的核酸探針檢測產品。

農藥殘留是食品安全的重要問題之一，也是影響民眾層面較廣的污染源，近年來政府放寬農藥使用規範與殘留標準(鄭郁蓁，2017)，已引發消費者極大的恐慌，如何透過健康風險評估來制定標準已是關切的議題。目前最常用的技術是儀器分析法，能夠有效區分農藥殘留的種類及其殘留量，但此法大多需要樣品前處理，昂貴之儀器及對操作人員要求高才能勝任，檢測過程繁雜，需要時間較長，不易進行大量檢驗，故無法普遍實施。實際應用中一般採用商品化的試劑盒進行測定，ELISA測定法之樣品前處理簡單，純化步驟少，大樣本分析時間短，適合用於現場篩選，具有分析速度快、經濟、簡便的特點。但農藥抗體製備不易，而且不能完成多種農藥同時檢測，限制了該技術的應用(謝玉貞、蔣慕琰，2007)。台灣目前並無檢測多種農藥殘留的免疫測定法專利技術，如何突破特異性高的標準化抗體生產技術，發展多抗體EIA，以及提升免疫偵測技術，例如:ELISA型實驗室晶片等都是未來值得投入研究開發。

註：本文摘錄自國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心106年度研究報告：「食品安全相關專利及政策之分析研究」。