穩定同位素比質譜技術在食品檢驗中的應用研究進展

趙婭鴻

（山西省食品質量安全監督檢驗研究院，山西太原 030012）

食品工業是以農副產品為原料加工、生產食品的基礎性產業，關系著國民經濟的健康發展、國家的食品安全戰略以及群眾的營養健康。近年來，由于監管體系不健全、檢測技術不完善等因素，部分不法商販在食品中摻雜造假，食品摻假問題已成為繼食品安全問題后引起國際社會廣泛關注的又一個熱點研究課題。

穩定同位素比質譜技術自上世紀70 年代引進食品分析領域以來，憑借自身技術優勢，目前已成為世界各國食品監管中鑒別食品摻假問題的主要手段。其工作原理是基于含有多個不同質量數原子的輕元素（碳、氫、氧、硫、氮） 在物理、化學及生化變化中會發生同位素分餾，導致其自然豐度呈現特異性變化的現象，而該技術將同位素分餾機理和食品（或其某特征化合物） 的穩定同位素比值差異作為判別依據，在實際應用中較常規理化分析方法有明顯優勢。因此被廣泛應用于蜂蜜、果汁及葡萄酒領域的檢驗鑒別中，同時在食品原產地保護、產品溯源領域也有應用研究。

1 在食醋檢驗中的應用

食醋中摻入工業醋酸是最常見的摻假方式，食醋中乙酸的δ13C 值與其原料緊密相關，因此測定乙酸中δ13C可對食醋原料進行溯源，并能夠鑒定食醋中是否摻入了工業醋酸。

鐘其頂等建立了氣相色譜-燃燒-穩定同位素比值質譜（GC-C-IRMS） 聯用法測定食醋中乙酸的δ13C方法，該方法用乙醇作為稀釋溶劑，基于毛細管氣相色譜柱分離技術，在不引起食醋中乙酸碳同位素分餾的情況下進行分離純化，從而實現對食醋中乙酸δ13C的準確測定，通過參與國際同位素實驗室間能力驗證（FIT-PTS） 發現該方法能夠達到國際實驗室間比對的能力驗證范圍。李潔莉等應用該方法測定3 種工業用冰醋酸、2 種食用醋酸以及14 種商品化食醋中醋酸的δ13C值，發現食用醋酸的δ13C值在-11.57‰～-20.66‰之間，而工業冰醋酸的δ13C值在-24.45‰～-29.14‰之間，食用醋酸δ13C值明顯高于工業冰醋酸；鎮江香醋中的醋酸δ13C值在-22‰～-25‰之間，山西陳醋的δ13C 值在-13‰～20‰之間，白醋的δ13C值在-14‰～-25‰之間。因此GC-C-IRMS 技術不但可以區分工業冰醋酸和食用醋酸，而且可以區別部分不同來源和不同釀造工藝的食醋。王修寧等建立了一種利用元素分析-同位素比質譜法（EA-IRMS） 測定食醋總碳同位素比值的方法，通過對31 種樣品進行測定，結果表明：芳香醋δ13C值為-26.94‰～-23.46‰，糯米釀造食醋為-25.06‰～-22.40‰，蘋果醋為-27.99‰～-22.76‰，配制白醋為-19.06‰～-13.74‰，SD 值在0.02‰～0.25‰（n=6） 之間，在此基礎上結合聚類分析法通過產地、原料及生產方式等差異將上述31 種食醋樣品分為兩大類，實現了對價格較貴的芳香醋中摻入價格低廉的食醋和加入≥4%糯米釀造食醋、≥6%蘋果醋和≥2%配制白醋的摻偽鑒別。李鑫等利用液相色譜-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，并考察了食醋及其沉淀物與食醋中乙醇三者的碳同位素比值的關系，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，但其中僅大米食用酒精與食醋中乙醇的碳同位素比值較為接近，因此可以實現判別以大米為原料的食醋是否摻入其他酒精。李鑫等還利用LC-IRMS 測定了食醋中的乙酸、乳酸和乙酸、乳酸試劑，結果發現食醋中乳酸δ13C值為-31.75‰～-20.91‰，而試劑乳酸δ13C值為-13.58‰～-9.86‰，因此還可以應用于食醋乳酸摻偽鑒別中。

王奇等采用高效液相色譜-同位素比率質譜聯用技術（HPLC-IRMS） 結合有機酸專用柱Prevail Organic Acid 測定食醋中有機酸的碳同位素比，結果顯示食醋中乳酸與蘋果酸的δ13C值與其產地呈現顯著性差異，據此可為食醋的產地溯源提供有益參考。此外該團隊還建立了元素分析/連續流-穩定同位素比質譜法（EA/GasBenchⅡ-IRMS） 測定食醋總碳、水中氧同位素比值（δ13C 和δ18O） 的方法，結果發現山西食醋總碳δ13C值分布在-23.26‰～-20.80‰，水中氧的δ18O 值在-5.66‰～-4.49‰；鎮江食醋總碳δ13C 值在-25.93‰～-20.70‰，水中氧的δ18O值在-8.35‰～-5.61‰；結合碳氧同位素比值分析，可以將山西老陳醋、鎮江香醋和鎮江陳醋區分開。這種碳氧同位素差異的存在，可為產地區分提供參考。

2 在果汁飲料檢驗中的應用

針對近年來食品流通領域上出現的以成本較低的濃縮還原（FC） 果汁冒充非濃縮還原（NFC） 果汁的現象，以及標注為NFC 果汁的產品中NFC 含量有效測定的問題，牛麗影等采用同位素比率質譜法（IRMS） 對FC 與NFC 橙汁與蘋果汁中水的δ2H、δ18O 值進行測定，結果發現NFC 橙汁和蘋果汁中兩者測定值都明顯高于FC 果汁，且兩值還與NFC 果汁中果汁含量呈二次回歸關系，該方法還可用于NFC 果汁含量的判別。此外，橙汁、桔汁、蘋果汁和檸檬汁等均來源于C3植物，而C3植物與C4植物所合成的碳水化合物在穩定碳同位素比值上也存在著顯著差異。李鑫等建立了LC-IRMS 測定橙汁中多種糖組分δ13C值的方法，通過對13 種不同產地的橙果實榨汁處理，測定其果汁、果漿和多種糖組分的δ13C值，發現果汁和果漿的δ13C 差值均小于0.1%，葡萄糖和果糖的δ13C差值均小于0.05%，各組分δ13C的最大差值為0.226%；同時對4 種糖漿和2 種自制摻糖橙汁進行檢測，發現以上6 種對象各組分的δ13C值與13 種鮮榨橙汁有明顯差異，可以通過比較多組分的差別來進行摻假鑒別。譚夢茹等采用元素分析-同位素比值質譜法（EA-IRMS） 對純正葡萄汁摻假情況進行研究，通過測定152 個不同產區純正葡萄汁的碳同位素比值（δ13C值），初步建立了純正葡萄汁的同位素數據庫。檢測結果表明，純正葡萄汁中糖的δ13C值范圍為-26.92‰～-24.16‰，而有機酸的δ13C值范圍為-27.56‰～-24.99‰。根據上述2 個參數，提出了純正葡萄汁應滿足的δ13C值要求：有機酸和糖的差值在-1.63‰～0.72‰范圍內。同時該團隊用EA-IRMS 對來自不同產地、多種類的118 個純正蘋果汁中的糖、有機酸、果糖、葡萄糖、二糖、寡糖碳的同位素比值（δ13C值） 進行測定，并建立了純正蘋果汁同位素數據庫，在此基礎上還提出了純正蘋果汁應滿足的δ13C值要求。

3 在酒類檢驗中的應用

穩定同位素比質譜儀通過測定樣本中δ18O 和δ13C值，在酒類檢驗中應用主要有兩方面：其一，由于不同產區葡萄果汁樣本水中存在較大差異，可以作為鑒別葡萄酒是否添加外源水的客觀指標，能夠用于葡萄酒產地鑒別的有效依據。陶宏兵等應用穩定同位素技術建立來自不同產地、多種品種葡萄汁的δ18O 同位素數據庫，為全汁葡萄酒及葡萄酒產地鑒定方法和標準的建立奠定了基礎。王道兵等建立并優化了連續流-穩定同位素比質譜法（GasBenchⅡ-IRMS） 測定葡萄酒中δ18O 比值的在線分析方法，可以判斷葡萄酒中是否摻入外來水，以及外來水的含量。其二，葡萄酒摻假還存在添加乙醇等提高酒精度，添加甘油提升甘甜口感等摻假情況。李學民等建立了LC-IRMS 同時測定葡萄酒中甘油和乙醇δ13C值方法，測定了40 個葡萄酒樣品中甘油和乙醇δ13C值，分別為-26.87‰～-32.96‰、-24.06‰～-28.29‰，且具有較強的相關性。李學民等建立了EA-IRMS 測定乙醇δ13C 值的方法。另有研究表明，穩定碳同位素可應用于葡萄酒的產地溯源。吳浩等利用GC-C-IRMS 測定了來自中、美、法、澳等國的54 種葡萄酒中乙醇、丙三醇、乙酸、乳酸乙酯、2-甲基-丁醇等5 種揮發性組分的碳穩定同位素比值，說明葡萄酒揮發性成分穩定碳同位素可應用于葡萄酒的產地溯源。

4 在蜂蜜檢驗中的應用

天然蜂蜜資源相對有限，近年來隨著國民生活水平的提升使得天然蜂蜜的市場需求急劇增加，促使蜂蜜價格不斷上漲。一些不法廠商為了追求利潤，降低成本，在天然蜂蜜中摻入其他物質制假售假的現象也愈演愈烈。因此應用同位素質譜技術，通過同位素比值范圍來判別市售蜂蜜摻假情況十分重要。

上世紀70 年代，美國科學家J.W.White 最早將質譜法用于檢測蜂蜜中碳同位素比值，用以鑒別蜂蜜中高果糖玉米糖漿含量，并通過試驗研究先后建立了蜂蜜碳同位素比值分析（SCIRA） 和蜂蜜內標碳同位素比值分析（ISCIRA） 方法，研究發現蜜源植物的δ13C值均處于-28‰～-22‰范圍內，而產生高果糖玉米糖漿的C4植物δ13C值在-20‰～-10‰之間，據此得出通過C3植物和C4植物間穩定碳同位素比值的差異可以鑒別蜂蜜是否摻入高果糖玉米糖漿。我國頒布的國家標準GB/T 18932.1－2002《蜂蜜中碳-4 植物糖含量測定方法穩定碳同位素比率法》也是基于蜜源性植物主要為δ13C值處于-21‰～32‰范圍內的C3植物，遠遠低于δ13C值在-9.7‰～19‰之間的C4植物，蜂蜜的δ13C值會隨著摻入C4植物糖而升高這一原理應用穩定碳同位素質譜技術進行蜂產品檢測，實現對玉米糖漿等C4植物糖漿摻雜蜂蜜的有效鑒別。

胡柳花等通過穩定碳同位素質譜儀檢測混合蜜中摻入蔗糖，混合蜂蜜、紫云英蜂蜜和洋槐蜂蜜等中摻入玉米高轉化糖漿后的δ13C值的變化情況，研究發現蔗糖、玉米糖漿等C4 植物糖的δ13C值較蜂蜜δ13C值偏大；甜菜糖、大米麥芽糖等C3植物糖的δ13C值與蜂蜜δ13C值較為接近；摻有蔗糖的混合蜜、摻有玉米高轉化糖漿的混合蜜、紫云英蜂蜜和洋槐蜂蜜的δ13C值均與摻入量呈正相關，但蜂蜜蛋白質的δ13C值基本未發生變化。羅東輝等應用EA-IRMS、LC-IRMS 及液相色譜法（LC） 等3 種測定蜂蜜還原糖含量的方法，對篩選自120 份蜂蜜樣品中的15 份無蛋白蜂蜜樣品的真實性進行系統研究，發現被測樣品均為摻假摻雜產品。李鑫等擴展了同位素比率質譜聯用技術的應用，完善了LC-IRMS 測定蜂蜜中多種糖組分δ13C值的方法，通過對3 種糖漿、3 種摻糖蜜和純正蜂蜜測定結果和圖譜的多重比較，發現僅采用元素分析聯用同位素比率質譜（HT-IRMS） 無法完全鑒別出摻糖蜜，而結合HT-IRMS 和LC-IRMS2 種方法檢測則可以有效鑒別上述3 種摻假方式。

5 在植物油檢驗中的應用

食用油中富含人體自身無法合成但又必不可少的營養成分，是大眾日常生活中必需的消費品之一。食用油的價格與其產量及營養價值密切相關，部分不良商家為追求暴利，在營養價值較高、價格相對昂貴的橄欖油、核桃油等食用油中摻入劣質廉價的大豆油、菜籽油或非食用油等，導致食用油市場魚目混珠，因此食用油摻雜摻假鑒別也非常必要。

金青哲等應用GC-C-IRMS 測定得到了玉米油與棕櫚油主要脂肪酸的δ13C值，并繪制了混合油中3 種主要脂肪酸的δ13C值-混合比例的標準曲線，發現玉米油與棕櫚油的δ13C值差異很大，將兩者摻合后應用該方法能實現15%以上的摻合水平檢測。此外，金青哲等利用氣相色譜儀（GC） 獲得C4轉化途徑的玉米油和C3轉化途徑的花生油脂肪酸組成，再用GC-C-IRMS 確定了3 種主要脂肪酸C16∶0、C18∶1、C18∶2 的δ13C值，并繪制了玉米油與花生油混合油中主要脂肪酸的δ13C值-混合比例的標準曲線，發現玉米油與花生油的δ13C 值差異也很大，應用該方法能實現15%以上花生油的摻合水平檢測。朱紹華等發現茶油和玉米油兩者δ13C值的差異很大，當玉米油摻入量在15%以上時，用穩定同位素比質譜法能夠判別出茶油是否摻入了玉米油，并可以實現對其百分含量的定量檢測。

6 展 望

盡管目前穩定同位素比質譜技術已經在食品領域及摻假鑒別中得到了一些實際應用，然而對于形成完整、行之有效的檢驗方法技術仍需進一步探討和深入的研究，并且由于同位素儀設備和標記物價格昂貴也限制了其應用和發展，所以只有不斷開發儀器的應用，降低使用成本，才能在食品及其他領域的分析檢測中得到更廣泛的應用。