穩定同位素質譜在釀造調味品真偽鑒別中的應用進展

王奇，熊岑*，蘇志義，劉鐘棟，楊國武

（1.河南工業大學糧油食品學院，河南鄭州450001；2.深圳市計量質量檢測研究院，廣東深圳518000；3.廣東石油化工學院，廣東茂名525000）

穩定同位素質譜在釀造調味品真偽鑒別中的應用進展

王奇1，熊岑2，3*，蘇志義2，劉鐘棟1，楊國武2

（1.河南工業大學糧油食品學院，河南鄭州450001；2.深圳市計量質量檢測研究院，廣東深圳518000；3.廣東石油化工學院，廣東茂名525000）

穩定同位素質譜技術（IRMS）作為一種新的檢測手段，近年來已經較多地應用于食品質量、真實性鑒定和摻假等研究中。該文簡述了穩定同位素質譜技術的發展及檢測原理，重點論述近年來該技術在食醋和醬油釀造調味品的摻假及真實性鑒定等方面的研究和應用進展，并對其在食品質量與安全方面的應用研究進行了展望。

穩定同位素質譜技術；摻偽檢測；真實性鑒定；釀造調味品

科學和健康飲食是人們共同追求的目標，近些年來，在利益的驅動下的食品摻假現象不但侵犯了消費者的權益，更有可能威脅到消費者的身體健康。作為人們常用的釀造調味品，食醋和醬油摻偽情況也是屢見不鮮。食醋的主要成分為醋酸，還含有糖、乳酸、氨基酸和醇酯類等物質。食醋的摻假問題主要是工業醋酸的非法添加和名優食醋的冒充。醬油是以富含蛋白質和淀粉的糧食作物（如大豆等）經微生物發酵制成的調味液。釀造醬油中可能摻入酸水解蛋白調味液增加利潤。對于食醋和醬油等傳統釀造調味品摻偽檢測，傳統的食品理化檢驗方法已不能滿足市場的需要，所以迫切需要研究檢驗食品安全的新方法和新技術，為食品安全提供有力保障。

穩定同位素質譜技術（stable isotope ratio mass spectrometry，IRMS）在國外較早的應用在葡萄酒的摻偽鑒別和年份區分檢測中[1-3]。隨著穩定同位素質譜技術的發展，在動物和植物類農產品真偽檢測和產地溯源方面的應用逐漸增多[4]，如利用碳同位素比值可以鑒別蜂蜜中摻入蔗糖和糖漿的情況[5-6]，果汁是否摻入外源性的檸檬酸、葡萄糖、果糖[7-9]，肉類等摻偽鑒別和溯源等[10-11]。近年來，該技術已逐漸應用在食醋、醬油等釀造調味品方面的真偽鑒別中。本文主要闡述了基于穩定同位素質譜技術的檢測方法在釀造調味品真偽鑒別方面的應用，并對其應用前景進行展望，以期為同位素質譜技術未來在更多的復雜加工食品方面上的應用研究提供參考。

1 穩定同位素質譜技術測定原理

同位素可分為放射性同位素（radioactive isotope）和穩定同位素（stable isotope）兩大類。無可測放射性的同位素是穩定同位素，其中一部分是放射性同位素衰變的最終穩定產物，如206Pb和87Sr等；另一大部分是天然的穩定同位素，即自核合成以來就保持穩定的同位素，如12C和13C、18O和16O等。在物質的天然或人工合成中，會存在同位素分餾效應，使得產物具有相應的同位素比值。這些比值會受到地理位置、環境氣候等諸多因素的影響[12]。同位素質譜的測定原理是：樣品經過燃燒爐在高溫下轉化成氣體，然后氣體分子在離子源中被離子化，帶電離子因質量不同在磁場作用下實現分離，最后法拉第收集器對具有特定質量的離子束強度進行測量。IRMS測定的是相對同位素比值δ，即將同位素比值（樣品中某一元素的重同位素原子豐度與輕同位素原子豐度之比，如碳同位素比13C/12C、氧同位素比18O/16O、氮同位素比15N/14N、氫同位素比D/H等[13]）與標準物質同位素比值比較計算得到。

物源示蹤研究結果顯示，自然產物中的同位素組成差異非常小，對于植物而言，對其位素分布影響較大的是光合作用[14]。已發現的植物碳素轉化的三種途徑：C-3途徑，C-4途徑和景天科酸代謝途徑（crassulaceanacidmetabolism，CAM）途徑，這使得相關植物的δ13C值產生一定差異，利用這個原理實現對比鑒別。C-3途徑的植物的δ13C值在-33‰～-22‰范圍，如水稻、小麥、棉花、大豆、甜菜、土豆等大多數植物；C-4途徑的植物的δ13C值在-20‰～-10‰范圍，如甘蔗、玉米、高粱、莧菜等；而CAM途徑的δ13C值相對更寬[15]。基于上述原理，穩定同位素質譜技術與其他常用技術聯用可實現對食品摻偽及真實性檢測，主要有元素分析-同位素質譜技術（elemental analysis-isotope ratio mass spectrometry，EA-IRMS）、液相色譜-同位素質譜技術（liquid chromatog raphy-isotoperatiomassspectrometry，LC-IRMS）、氣相色譜-同位素質譜技術（gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry，GC-IRMS）、連續流穩定同位素質譜技術（GasBenchⅡ-IRMS）等。

2 穩定同位素質譜技術在釀造調味品中的應用

2.1 在食醋真偽鑒別中的應用

食醋生產的主要原料有：薯類（如馬鈴薯等）、糧谷類（如玉米、大米等）、糧食加工下腳料（如麩皮、谷糠等）等。對于食醋而言，不同產地、不同生產原料等因素使得C、H等元素的同位素比值有所差異。目前僅有國家標準GB/T 22099—2008《釀造醋酸與合成醋酸的鑒定方法》用于鑒定釀造醋酸與合成醋酸，該技術采用液體閃爍法測定比較14C值，合成醋酸中的14C會大量衰變，而釀造醋酸中14C含量則比較穩定[16]。但該法使用的為放射性同位素，可能會產生污染，而且由于儀器條件限制不易推廣。此外，還有碘液法和高錳酸鉀法等[17]，這些傳統的檢測方法，檢測指標單一，參考依據較少，不能夠滿足實際生活中解決摻假問題的需要。基于此，近年來有許多基于光譜和色譜技術測定的元素、有機成分等多指標結合的數據模型綜合判定方法[18-20]、指紋圖譜法[21]等研究報道，較好地改善了鑒別方法的實用性。同位素質譜分析技術在國外近年來已用于食醋研究領域做了大量初步研究工作，可判斷釀造食醋的植物來源是C3還是C4植物，區別食醋品種和摻假，也可以區別食醋中是否違規添加了工業醋酸。已報道的研究方法大多數是針對食醋中各種物質的碳同位素比率δ13C值來分析，可利用EA-IRMS對通過前處理提取的食醋中糖、蛋白以及分離出的沉淀物分別測定整體的碳同位素比率δ13C值；還可以結合GC-IRMS或LC-IRMS技術針對乙醇、乙酸以及其他有機酸的碳同位素比進行測定[22]。

由于食醋屬于糧食加工產品，在釀造生產過程中發生的化學變化產生的元素分餾和各種額外添加劑的使用都會影響碳同位素比值。在利用同位素比值研究食醋真實性或溯源生產地的過程中，必須要考慮這些額外因素的影響，以免誤判。李鑫等[23]通過測定食醋原料（大米）、添加劑（焦糖色）和食醋的碳同位素比率δ13C值，研究了食醋原料和生產工藝對食醋的影響，研究發現，原料大米的δ13C在-28‰～-24‰之間屬于典型C3植物來源；原料焦糖色的δ13C在-12.5‰～-9.0‰之間，屬于典型C4植物來源；而食醋產品的整體δ13C在-26‰～-23‰，略高于大米的δ13C值，但仍屬于C3植物來源區域。這種波動說明食醋的碳同位素比值會受生產工藝和添加劑的影響，但從整體的食醋碳同位素比值無法判定同樣使用大米為原料釀造的食醋品種。

而對于使用不同原料、且生產工藝區別較大的食醋品種，使用碳同位素值可以在一定程度上實現品種，甚至產地的區別。王修寧等[24]使用食醋的整體碳同位素比值對以葡萄汁為主要原料的芳香醋、以糯米為主要原料的糯米釀造食醋、以蘋果為主要原料的蘋果醋和配制食醋進行了區分。除了配制食醋外，其他幾種釀造食醋的δ13C值都在C3植物來源區域，由于各種原料區別較大，因此其δ13C值范圍有一定的區別，結合聚類分析法，可以對幾種食醋進行區別。此外，結合聚類分析法，可以實現價格較貴的芳香醋中摻入價格相對低的食醋摻偽情況，可以鑒別出加入≥4%糯米釀造食醋、≥6%蘋果醋和≥2%配制白醋的摻偽情況。

食醋中乙酸作為食醋的主要有機成分，其同位素比值差異必然反映了不同食醋之間的差異。使用GC-IRMS測定時，利用其中的氣相色譜部分將食醋中乙酸分離出來，在燃燒轉化中將乙酸轉化為CO2，最后用同位素質譜部分測定乙酸的碳同位素比值。在樣品前處理過程中，可以利用乙醇等有機溶劑直接稀釋食醋樣品再進行GC-IRMS分析，可以免去蒸餾前處理步驟[25-26]。邱皓璞等[27]通過測定鎮江和山西兩個國內產醋地區的代表性食醋—香醋和陳醋中的乙酸碳同位素比值，發現以采用大米為主要原料發酵釀制而成的香醋，δ13C值均＜-20‰，位于C3植物來源區域；而以高粱和玉米為主要原料釀造的陳醋均＞-15‰，屬于C4植物來源區域。結果說明，可以利用乙酸的碳同位素比值區分食醋原料來源。

食醋的其他主要成分如乙醇、有機酸等物質的同位素比值也可以作為真偽鑒別指標。李鑫等[28]還利用液相色譜-同位素質譜聯用技術（LC-IRMS）測定了食醋中乙醇的碳同位素比值，同時考察了食醋、食醋沉淀物和食醋中乙醇三者的碳同位素比值的關系，研究對比發現，食醋、工業酒精、玉米食用酒精、淀粉酒精、大米食用酒精和高粱食用酒精的乙醇δ13C在-31‰～-28‰范圍內，只有大米食用酒精的值比較接近食醋中乙醇的碳同位素比值，可以通過乙醇的δ13C值來判定大米為原料的食醋是否額外加入其他酒精。李鑫等還利用LC-IRMS同時測定食醋中乙酸和乳酸，發現試劑乳酸（δ13C值-13.58‰～-9.86‰）和食醋中乳酸（δ13C值-31.75‰～-20.91‰）差別較大，可以應用到食醋摻偽中。但是，生產過程中葡萄糖的添加會增加乳酸的碳同位素比值，甚至可能是外源添加的檸檬酸。研究過程中發現，乙醇會干擾乳酸的測定，需要在前處理階段通過加熱到80℃揮發除去乙醇。由于該聯用儀器液相部分不能使用有機相，所以需要選擇能在純水作為流動相下分離有機酸的色譜柱[29]。此外，有研究發現食醋中水的18O可以區分葡萄酒來源的醋和糧食醋以及水果醋[30]。

大多數研究表明，僅通過食醋中醋酸的碳同位素比值無法區分天然來源和添加有工業醋酸的食醋，而聯合使用點特異性天然同位素分餾核磁共振技術（site-specificnatural isotope fractionation-nuclear magnetic resonance，SNIF-NMR）測定D/H比值可以實現區分[31]。SNIF-NMR可以確定同位素在分子中的具體位置，可以和IRMS聯用獲得更全面的信息[22]，但目前在我國普及有較大局限性。此外，有研究者通過測定食醋中水的D/H、13C/12C以及18O/16O同位素比值，可以對香醋的摻偽鑒別[32]。

同位素質譜技術研究食醋摻偽方法需要聯合多種技術，需根據各方法特點進行樣品和項目測試的合理選擇。目前使用EA-IRMS對食醋這種液體樣品測試時，由于EA采用的是錫紙包裹樣品進樣，測試液體樣品時，樣品量過小會影響信號強度，樣品量過大易于溢出且燃燒不完全，進樣量一般在1～2 μL。而LC-IRMS技術，則可以對樣品中特定有機酸等物質進行測定，但是由于同位素質譜信號問題，微量的物質無法檢測出信號，且物質定性不方便，需要在前處理過程中排除可疑干擾[29]；GC-IRMS需要結合樣品富集技術才可以測得更豐富的物質，目前報道大多數測定含量較大的乙酸和乙醇中同位素比值。但是，還需要考察各個環節分流對碳同位素質譜的影響，如前處理蒸餾和萃取過程、溶劑稀釋等過程[25]。

2.2 在醬油真偽鑒別中的應用

醬油是一種常用的調味品，以大豆等糧食作物經微生物發酵制得，種類可分為釀造醬油和配制醬油兩種。醬油的使用不但能改善食物色澤，還能增加食欲。醬油的主要成分是鈉鹽，還有部分的蛋白質和碳水化合物。目前針對醬油的檢測方法有氣相色譜法、液相色譜法、液-質聯用等[33]，這些都是針對醬油中特定成分的檢測，無法實現摻偽的檢測。

譚夢茹等[34]針對釀造醬油中可能摻入酸水解蛋白調味液進行研究，采用EA-IRMS分別對醬油整體、醬油中分離出的糖和氨基酸測定其δ13C值，用Ca（OH）2沉淀氨基酸，沉淀后的上清液用來測定糖。測定結果與酸水解調味液對比后，提出釀造醬油應滿足氨基酸δ13C值≤-21.50‰，對于在試驗樣本中氨基酸δ13C值＞-21.50‰的進一步采用GC-IRMS測定了乙酰丙酸，確證該類樣本摻入了C4來源的酸水解蛋白調味液。目前同位素質譜技術在醬油產品上的研究還很少，未來在醬油摻假和產地溯源還有較大的研究拓展空間。

3 結論與展望

本研究論述了近年來穩定同位素質譜技術在食醋和醬油釀造調味品的真偽鑒別方面的研究和應用進展。食醋、醬油等釀造調味品目前檢測的對象主要是醋酸、乙醇、氨基酸等含量較多的物質，其他成分也有待進一步研究。在摻偽的鑒別方面，單一指標也無法實現準確判斷。實驗過程中是否因同位素分餾影響結果以及實驗方法的有效確證，這些都是努力的方向。關于這類復雜產品的真實性和摻偽鑒別，同位素質譜技術未來還需結合多方研究數據，在大規模的樣本支撐下，對實驗結果進行統計分析，得出準確有效的評判依據。

國內的同位素質譜技術也正處在不斷發展中，在食品摻假和產地溯源方面，基于天然同位素分餾現象，它能夠實現常規檢測方法無法達到的有效檢測。穩定同位素質譜技術更多的是依托系統的研究和數據庫的建立，來保證結果的準確性和可靠性。國外已建立葡萄酒數據庫，但這對于國內卻并不完全適用。同位素質譜技術發展前景廣闊，在未來隨著數據庫的建立和檢測標準的形成，使其能夠真正準確、有效地應用到保障食品安全上。

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Application progress of stable-isotope ratio mass spectrometry in the authenticity identification of brewing condiments

WANG Qi1,XIONG Cen2,3*,SU Zhiyi2,LIU Zhongdong1,YANG Guowu2
(1.College of Food Science and Technology,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China; 2.Shenzhen Academy of Metrology and Quality Inspection,Shenzhen 518000,China; 3.Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,China)

Stable-isotope ratio mass spectrometry technology(IRMS)as a new detection method has been widely used in the detection of food quality and authenticity identification in recent years.The development and detection principle of IRMS were described,and the research and application progress of the technology in authenticity identification of vinegar and soy sauce were systematically summarized.The application research of the technology in food quality and safety were also prospected.

stable-isotope ratio mass spectrometry;adulteration detection;authenticity identification;brewing condiments

TS264.22

0254-5071（2017）07-0014-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.07.004

2017-03-17

廣東省科技廳廣東省協同創新與平臺環境建設專項（2016A040403075），國家重大科學儀器設備開發專項（2012YQ090167-0402）

王奇（1993-），男，碩士研究生，研究方向為食品摻偽鑒別、食品添加劑和配料。

*通訊作者：熊岑（1985-），女，高級工程師，博士，研究方向為食品分析及食品真偽鑒別。