基于電子仿生學的瑪咖粉鑒偽

黨艷婷，李愛民，苑鵬，夏凱，劉士偉，劉亞旭，趙可心，周文萱，段盛林*，溫霖

1(中國食品發酵工業研究院，北京，100015) 2(江南大學 生物工程學院 糖化學與生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫，214122) 3(新時代健康產業(集團)有限公司，北京，102206)

基于電子仿生學的瑪咖粉鑒偽

黨艷婷1，李愛民2，苑鵬1，夏凱1，劉士偉1，劉亞旭1，趙可心1，周文萱1，段盛林1*，溫霖3*

1(中國食品發酵工業研究院，北京，100015) 2(江南大學 生物工程學院 糖化學與生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫，214122) 3(新時代健康產業(集團)有限公司，北京，102206)

為鑒別瑪咖粉的真偽文中運用臺式能譜掃描電鏡觀察了玉米粉、蘿卜粉、蔓菁粉和瑪咖粉顆粒的微觀形態，并對瑪咖粉和蔓菁粉的元素組成進行了分析測試。結果表明，蘿卜粉、玉米粉與瑪咖粉形態差異明顯，蔓菁粉與瑪咖粉微觀形態最相近，但表觀也有區別，同樣可以進行瑪咖粉的真假鑒偽；由X射線能譜分析結果可知，若被測樣品中N元素質量比接近(43.75±0.79)%，O元素質量比接近(29.92±0.74)%，可初步推定該樣品為純瑪咖粉；否則被測樣品為疑似摻蔓菁粉的假瑪咖粉。同時運用電子鼻對摻有蔓菁粉的瑪咖粉進行鑒別。結果表明，摻不同蔓菁比例的瑪咖粉氣味指紋圖譜呈現一定的規律性，電子鼻能夠有效鑒別摻蔓菁的瑪咖粉，還可以大致確定摻假的比例區間；此外通過統計質量控制(statistical quality control,SQC)分析模型可以實現原料和產品的質量控制。

瑪咖粉；蔓菁粉；鑒偽；臺式掃描電鏡；電子鼻；統計質量控制(statistical quality control,SQC)分析

瑪咖(Lepidiummeyenii)又稱瑪卡、馬卡，英文俗名為MACA。瑪咖是藥食兩用植物，不僅營養豐富，還具有多種功效。瑪咖干根中蛋白質含量占10%以上(胡寧湖畔的瑪咖中的蛋白質含量超過14%)，碳水化合物為59%，纖維含量約為8.5%，脂肪含量不高但多為不飽和脂肪酸，其中亞油酸和亞麻酸的含量達53%以上，瑪咖還含有多種天然植物活性成分，具有抗疲勞、增強免疫力等多種功效[1-11]。

隨著人們健康保健意識的提高和對食品安全的關注，以瑪咖為主要原料生產出的各類保健品在國內市場上迅速推廣。由于需求量不斷增加，瑪咖價格曾一路上漲，一些商家為了謀取暴利，在瑪咖粉中添加一些低價植物粉劑，如瑪咖同科植物蔓菁粉、蘿卜粉，禾本科植物玉米粉等，使得瑪咖粉的質量參差不齊，真假難辨，銷售額每況愈下。

電子仿生技術是一種新型的儀器分析技術，具有檢測時間短、重復性好、檢測結果客觀、感官不疲勞等優勢[12-14]。目前，已經有許多商業化的電子仿生學儀器，如：模擬人眼睛的電子眼(電鏡)；模擬人鼻子的電子鼻；模擬人咀嚼的電子舌等[15]。本研究主要采用電鏡和電子鼻這2種仿生學儀器探究摻假瑪咖粉的微觀組成和氣味特性，以期建立一套可靠的瑪咖粉真偽快速無損評判系統。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮瑪咖(采自云南省香格里拉市建塘鎮，海拔3 285.4 m)，品系為黑色；新鮮蔓菁，新鮮蘿卜，干燥玉米粒均為市售。

1.2 儀器與設備

臺式能譜掃描電鏡，Phenom，荷蘭；氮吹系統，國產；FOX 4000型電子鼻(帶18根MOS 傳感器)，配HS-100 型自動進樣器、AG 2301型高純空氣發生器、Alpha Soft 12.45 版軟件，法國Alpha MOS公司；20 mL頂空瓶，上海安譜實驗科技股份有限公司；分析天平，梅特勒-托利多儀器有限公司；臺式方形中藥切片機，溫嶺市林大機械有限公司；電熱鼓風干燥箱，上海一恒科技有限公司；BJ-500 A型高速多功能粉碎機，德清拜杰電器有限公司；MA-150 C-000230V1型快速水分測定儀，德國賽多利斯公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 瑪咖粉以及模擬市場上摻假瑪咖粉的制備

洗凈→切片→烘干至含水量為4%～6%(37 ℃)→粉碎→過篩(60目)，制備瑪咖粉、蔓菁粉、蘿卜粉，自封袋封存備用

玉米粒烘干至含水量為4%～6%(37 ℃)→粉碎→過篩(60目)，制備玉米粉，自封袋封存備用

1.3.2 電鏡測定方法

使用雙層導電膠將各試樣粉末固定于電鏡載物臺上，用氮吹系統除去未粘牢的飄浮顆粒，電子顯微鏡使用10 kV的激光光源，在Image模式下拍照。每組試驗重復3次。

1.3.3 電子鼻混合摻假物的制備

將1.3.1中制備好的瑪咖粉與蔓菁粉分別以10∶0、8∶2、6∶4、5∶5、4∶6、2∶8、0∶10的比例混勻，待測。

1.3.4 電子鼻檢測參數的確定

圖1所示為純瑪咖粉電子鼻氣味檢測原始響應曲線圖(每組試驗重復3次)。

圖1 純瑪咖粉電子鼻氣味檢測原始響應曲線圖Fig.1 Original response curve of pure Maca powder detected by electronic nose

在500 r/min的頂空振蕩轉速條件下，數據采集時間為120 s時足夠觀察各傳感器響應的最大值；采樣延遲時間為1 080 s時，傳感器響應都能回到基線上，即已完成對傳感器的凈化；在頂空溫度為50 ℃，注射體積4 000 μL時，T/P型傳感器響應曲線的最大值基本都在0.2～0.9之間。儀器參數：采集時間(s)，120；數據采集延遲(s)，1 080；進樣量(μL)，4 000；進樣速度(μL/s)，1 000。自動進樣儀參數：孵化器(s)，120；孵化溫度(℃)，50；注射器溫度(℃)，60。

1.3.5 數據分析方法

X射線能譜分析試驗數據采用Origin 8.1 軟件進行單因素方差(One-Way ANOVA)分析，p<0.05表示各樣品的元素組成之間存在顯著性差異。使用Alpha Soft12.45 版軟件對純瑪咖粉、純蔓菁粉和摻不同比例蔓菁粉的瑪咖粉的傳感器響應值數據進行PCA分析(主成分分析)和DFA分析(判別因子分析)，得到純瑪咖粉、純蔓菁粉和摻蔓菁粉的瑪咖粉標準品的圖譜庫；并將待測樣品的圖譜與標準圖譜庫進行對比，判別待測樣品中是否摻有蔓菁以及蔓菁的添加量。建立純瑪咖粉的SQC分析模型，并對該模型進行驗證。

2 結果與分析

2.1 瑪咖粉及摻假粉劑微觀形態和能譜分析

圖2為放大倍數2 000倍、激光電壓10 kV、Image模式下各摻假品和瑪咖粉的微觀形態。

圖2 電鏡下各粉劑顆粒結構圖(×2 000)Fig.2 Particle structure of each powder under electron microscope(×2 000)

由圖2可見，各粉劑在掃描電鏡下的圖像清晰度高，三維立體感強。瑪咖粉為不規則的多分支形，不同分支之間有明顯的間隙，即粉碎60目時瑪咖粉末顆粒無明顯成團現象，形態呈現良好；蔓菁粉為鱗片狀結構，其形態與瑪咖粉最接近，但二者仍有表觀區別，蔓菁粉沒有瑪咖粉的分支結構，這可能與蔓菁中纖維素含量較瑪咖低有關[16-17]，而且瑪咖粉表面雖光滑但不及蔓菁粉平整；蘿卜粉呈多褶皺片狀，玉米粉則為光滑的圓球狀，側面為多邊形結構，均與瑪咖粉形態差異明顯。因此，臺式掃描能譜電鏡能夠有效區分瑪咖粉及其常見摻假物(玉米粉、蘿卜粉)的微觀形態，瑪咖粉與蔓菁粉雖然形態較為接近，但是也能從表觀形態上予以分別，故通過表觀形態的辨識，可以達到鑒別市售瑪咖粉真偽的目的。

相比于玉米粉、蘿卜粉同瑪咖粉較大的表觀形態差異性，蔓菁粉同瑪咖粉的表觀形態較為接近。為了快速有效鑒定摻有蔓菁粉的瑪咖粉樣品，也可以輔助使用能譜掃描的方式進行真偽鑒定。如表1為純瑪咖粉和純蔓菁粉的X射線能譜面掃描分析結果(每個樣品分析3個不同的視野，每個視野為536 μm×536 μm，電子束直徑為44 nm)。掃描電鏡能夠檢測除氫元素以及一些重金屬元素以外的其他元素，能譜圖中橫軸為多道分析器的能量軸，縱軸為對應每個道址所檢測到的X-光子的計數(即counts或cts)。能譜分析結果顯示：純瑪咖粉中的主要元素為C、N、O元素，3種元素的質量比分別為26.10%、43.75%、29.92%；純蔓菁粉中主要元素C、N、O元素，質量占比分別為：26.10%、34.19%、39.74%。可見純瑪咖粉中的N元素質量百分比明顯高于純蔓菁粉，這可能是由于瑪咖中蛋白質含量高，芥子油苷、瑪咖酰胺等活性成分豐富所致；純蔓菁粉中O元素的質量百分比較高。通過顯著性分析發現(如圖3)，二者中N元素、O元素的質量百分比存在顯著性差異(p<0.05)。綜上所述，若在面掃描(電鏡能譜檢測分為三類：點分析，線掃描，面掃描；本試驗選擇面掃描法分析。)能譜檢測的情況下，N元素質量比接近(43.75±0.79)%，O元素質量比接近(29.92±0.74)%，則初步推定被測樣品為純瑪咖粉；否則被測樣品為疑似摻蔓菁粉的假瑪咖粉，且質量比偏離越大，摻假的可能性越大。

表1 純瑪咖粉和純蔓菁粉X射線能譜分析Table 1 X-ray energy spectra analysis of Maca and turnip powder

圖3 純瑪咖粉和純蔓菁粉中3種主要元素的質量百分比Fig.3 Mass ratio of the three main elements of Maca and turnip powder

2.2 純瑪咖粉和摻不同蔓菁比例瑪咖粉的電子鼻指紋圖譜分析

電子鼻得到的不是被測樣品成分定性和定量結果，而是給予樣品中揮發成分的整體信息，也就是“氣味指紋圖譜”。通過對電子鼻傳感器原始響應特性的分析，建立瑪咖粉及摻假瑪咖樣品的氣味指紋圖譜數據庫；進而進行瑪咖粉真偽樣品的鑒定。

2.2.1 傳感器原始響應特性分析

瑪咖粉和摻不同蔓菁比例瑪咖粉的原始響應值直方圖如圖4所示。

圖4 傳感器響應直方圖Fig.4 Sensor response histogram

T、P型傳感器對純瑪咖粉的響應值明顯高于純蔓菁粉，尤其是P30/1和PA/2，由表2可見，T、P型傳感器主要對有機化合物、氧化能力強的氣體以及芳香族化合物敏感，因此，推測瑪咖中豐富的蛋白質、碳水化合物、以及芥子油苷等活性成分揮發以后，使得T、P型傳感器接觸到高濃度的頂空氣體，從而產生高響應。LY型傳感器對純蔓菁粉的響應值略高于純瑪咖粉，說明蔓菁的揮發性成分中有毒氣體和氧化氣體含量較高。不同摻假比例的瑪咖粉由于2種物質氣味成分之間相互作用，沒有明顯的規律性，但任一摻假樣品的T、P型傳感器的響應強度都遠小于純瑪咖粉。

圖5為純瑪咖粉和純蔓菁粉氣味指紋圖譜對比圖。由圖5可以看出，純瑪咖粉和純蔓菁粉氣味指紋圖譜之間差異很大，通過比較未知樣品的指紋圖譜和純瑪咖粉的標準指紋圖譜可以實現瑪咖粉真偽的有效鑒別。

2.2.2 純瑪咖粉、純蔓菁粉和摻蔓菁粉的瑪咖粉標準品圖譜庫的建立

圖6為不同比例的混合摻假物(瑪咖∶蔓菁)的主成分分析圖。選取響應值較高的1號、14號、16號傳感器進行分析。主成分1(PC1)的貢獻率為65.205%，主成分2(PC2)的貢獻率為31.307%，二者的累積貢獻率高達96.512%，可以反映樣品的大部分信息；識別指數(discrimination index，DI)為83，說明電子鼻能夠有效識別不同摻假(摻蔓菁)比例的瑪咖粉。隨著瑪咖純度的降低，不同比例的摻假品在PC1軸和PC2軸上呈規律性分布，因此，可以通過測試樣品分布的位置來快速分析其真偽及其摻偽程度。

圖7為依據18根傳感器提供的數據所做的判別因子二維分析圖。

圖7中隨著瑪咖純度逐漸降低，混合樣品從左往右依次分布。判別因子分析能夠使組間差異最大化，組內差異最小化，相對于主成分分析圖而言，平行性好，分布有明顯的區域性。在DFA1軸上，隨著摻假比例不斷增大，各摻假樣品離純瑪咖樣品的距離越遠，因為DFA1的貢獻率為93.438%，為主軸，所以，利用判別因子分析來鑒別瑪咖粉真偽區分度高，效果明顯。

表2 傳感器性能表Table 2 Sensors performance

圖5 純瑪咖粉和純蔓菁粉的氣味指紋圖譜Fig.5 Odor fingerprints of pure Maca and turnip powder

圖6 不同比例的瑪咖粉(瑪咖∶蔓菁)的PCA圖Fig.6 PCA diagram of the different proportions of Maca powder (Maca∶turnip)

圖7 不同比例的瑪咖粉(瑪咖∶蔓菁)的DFA圖Fig.7 DFA diagram of different proportions of Maca powder (Maca∶turnip)

綜上，采用電子鼻檢測未知瑪咖樣品，并將原始數據投影到已經建立好的鑒偽模型圖上，不僅可以判斷瑪咖粉的真偽，還可以大致確定樣品中瑪咖粉所占的比重。

2.2.3 瑪咖粉真實性鑒定方法的驗證

圖8為摻假量為50%的瑪咖粉與標準品圖譜庫的PCA對比圖。選取響應值較高的1號、14號、16號傳感器進行分析。由圖8可知，黑色樣品表示蔓菁粉添加量為50%的瑪咖粉，分布于添加量為40%和60%的標準品圖譜之間，因此，該方法可以準確地鑒別瑪咖粉中是否摻假蔓菁粉，而且能大致判別摻假比例。

圖8 摻假量為50%的瑪咖粉與標準品圖譜庫的PCA對比圖Fig.8 PCA comparison of the Maca powder adulterated 50% with the standard library

圖9為摻假量為50%的瑪咖粉與標準品圖譜庫的DFA對比圖。選擇18根傳感器進行分析。由圖9可知，黑色樣品表示蔓菁粉添加量為50%的瑪咖粉，分布于添加量為40%和60%的標準品圖譜之間，因此，該方法可以準確地鑒別瑪咖粉中是否摻假蔓菁粉，而且能大致判別摻假比例。所以，可利用判別因子分析來鑒別瑪咖粉真偽區分度高，效果明顯。

圖9 摻假量為50%的瑪咖粉與標準品圖譜庫的DFA對比圖Fig.9 DFA comparison of the Maca powder adulterated 50% with the standard library

2.2.4 純瑪咖粉質量控制模型的建立

在SQC圖中，橫坐標表示分析號(即檢測樣品數)，縱坐標為氣味距離單元，以0作為樣品氣味特征的平均值，將上控制界限與下控制界限分別設定為x-3δ和x+3δ(x為平均值，等于0；δ為標準偏差)。試驗中以純瑪咖粉為目標組訓練電子鼻，計算標準品數據的標準偏差，得出上下控制界限分別為0+0.002 46和0-0.002 46，獲得純瑪咖粉的SQC模型(見圖10)。在該模型中，認為在上下控制界限內的樣品為合格樣品(即未摻假樣品)，超出接受閾的樣品則為不合格樣品(即摻假樣品)。采用與標準品相同的方法檢測摻假量為50%的樣品，并用建好的SQC模型對其真偽進行鑒別，鑒別結果如圖10所示，19、20、21號樣品即摻假量為50%的樣品的3個平行，可以看出，都位于接受閾外，判為摻假樣品。

圖10 瑪咖粉質量控制模型Fig.10 Quality control model for Maca powder

實驗結果表明，該SQC模型可以有效地鑒別摻假樣品，摻假樣品均位于純瑪咖粉的接受范圍之外。

3 討論

本試驗運用掃描電鏡研究了瑪咖粉及其摻假粉劑顆粒在放大2 000倍時的微觀形態結構。結果表明，玉米粉、蘿卜粉與瑪咖粉的形態差異明顯，即若瑪咖粉中添加了玉米粉和蘿卜粉，通過電鏡照片即可快速鑒別；蔓菁粉雖與瑪咖粉顆粒之間有差異，但是由于二者表觀形態特征存在一定程度的相似性，蔓菁粉成為了許多商家首選的摻假品。李學芳等[18]研究發現，放大倍數為400倍時，同科植物瑪咖及蔓菁粉末的顯微特征具有一定差異，本試驗結果與其研究發現一致，但是仍然缺少對于二者在微觀組成成分方面的研究。因此，本試驗通過x射線能譜法進一步對蔓菁粉和瑪咖粉的元素組成進行了分析，得出結論：N元素質量比接近(43.75±0.79)%，O元素質量比接近(29.92±0.74)%，則初步推定被測樣品為純瑪咖粉；否則被測樣品為疑似摻蔓菁粉的假瑪咖粉。

目前，對瑪咖粉和蔓菁粉的鑒別研究較少，而且主要集中在單一或者某一類成分[19-20]的分析方面，這些方法能夠準確地檢測二者中某些化合物種類和含量的差異，但是預處理復雜、活性物質破壞嚴重、檢測成本高，在瑪咖生產加工以及市場銷售中很難實現大批量、低成本、快速高效的質量控制。蔓菁富含VA，葉酸，VC，VK和鈣[16]，而瑪咖中則含有豐富的瑪咖烯、生物堿、芥子油苷、異硫氰酸酯、瑪咖酰胺和甾醇等天然植物活性成分[17]，二者的揮發性成分相差很大，通過電子鼻檢測二者的整體氣味指紋圖譜可以實現對二者的有效區分。試驗中摻有蔓菁粉的瑪咖粉中蔓菁粉的添加比例為80%、60%、40%和20%。經過調查發現，現市場上蔓菁粉的添加量多少不一，且分布范圍較廣，選擇上述添加比例可鑒別摻加任意量蔓菁粉的市售瑪咖粉，也可以根據所測樣品在標準品圖譜庫中分布的位置，判別摻加蔓菁粉的大致比例。

本試驗中建立的瑪咖質量控制模型可以為企業瑪咖原料和粉劑質量控制提供一種快速高效的方法，也可以為其他產品和原料的質量控制提供參考；同時基于氣味指紋圖譜的瑪咖鑒偽系統也可為瑪咖團體標準或行業標準提供一定的技術支撐。

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StudyonauthenticityofMaca(Lepidiummeyenii)powderbasedonelectronicbionics

DANG Yan-ting1,LI Ai-min2,YUAN Peng1,XIA Kai1,LIU Shi-wei1,LIU Ya-xu1,ZHAO Ke-xin1,ZHOU Wen-xuan1,DUAN Sheng-lin1*,WEN Lin3*

1(China National Research Institute of Food Fermentation Industries,Beijing 100015,China)2(Jiangnan University,School of Biotechnology,Key Laboratory of Sugar Chemistry and Biotechnology of Ministry of Education,Wuxi 214122,China) 3(New Era Health Industry (Group) Co.Ltd.,Beijing 102206,China)

In recent years,Chinese Maca industry has been development rapidly,experienced with price dramatically fluctuating.When Maca held at high price,the powder of corn flour,radish powder and turnip powder were adulated into commercial Maca powder and authenticity of Maca powder became a severe question.This study uses desktop scanning electron microscopy (SEM) to observe the microstructures of corn flour,radish powder,turnip powder and Maca powder.The result illustrated that radish powder and corn flour were evidently different from the micro-morphology of Maca powder.Turnip powder was the closest to Maca powder,but there were still apparent differences.By X-ray energy spectrum analysis,the result showed:if N and O element mass ratio were close to (43.75±0.79)% and (29.92±0.74)% respectively,the sample was considered pure Maca powder preliminarily; otherwise it was suspected to fake Maca powder .Meanwhile,electronic nose was used to detect Maca powder with different proportions of turnip powder.The results showed a certain regularity of adulteration in Maca powder flavor fingerprints.Electronic nose could effectively identify the authenticity of Maca powder,and roughly calculated the proportional range of adulteration.In addition,statistical quality control (SQC) analysis model can be used to control the raw materials and final products quality.

Maca powder; turnip powder; identify authenticity; desktop scanning electron microscopy (SEM); electronic nose; statistical quality control (SQC) analysis

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.014722

黨艷婷(碩士研究生)，李愛民(博士研究生)為共同第一作者(段盛林教授級高級工程師，溫霖為通訊作者，E-mail：dslbeijing@163.com，wenlin1519@163.com)。

國家重點研發計劃《現代食品加工及糧食收儲運技術與裝備》中“薯類主食化加工關鍵新技術裝備研發及示范項目”中“薯類主食化技術提升與裝備研發”課題(2016YFD0 401303)；北京市科技重大專項《馬鈴薯主食加工裝備研究及特膳食品開發項目》(D171100001917003)

2017-05-08，改回日期：2017-05-25