非線性化學指紋圖譜技術在食品摻假檢測中的應用

王世鵬，董文賓，*，樊成，馬永杰，方悅（.陜西科技大學食品與生物工程學院，陜西西安700；.陜西省產品質量監督檢驗研究院，陜西西安70048）

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非線性化學指紋圖譜技術在食品摻假檢測中的應用

王世鵬1，董文賓1，*，樊成2，馬永杰1，方悅1
（1.陜西科技大學食品與生物工程學院，陜西西安710021；2.陜西省產品質量監督檢驗研究院，陜西西安710048）

摘要：利用非線性化學指紋圖譜、色譜、質譜、酶聯免疫、近紅外、色譜-質譜聯用等技術對調味品、飲料、啤酒大麥、蜂蜜、羊奶與牛奶等食品摻假進行檢測和鑒別，通過比較，非線性化學指紋圖譜技術是一種對樣本進行整體分析或綜合分析的一種新方法，擁有操作簡單，無需樣本處理和重現性好等優點。

關鍵詞：非線性化學指紋圖譜；食品；檢測；鑒別

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對食品品質也越來越重視，準確、科學、簡便、快速的檢測技術顯得尤為重要。食品的檢測鑒別應用最多的方法是檢測比較樣品中某一種或幾種化學成分含量，與國際或國家規定標準進行比較得出結論。但是食品的成分往往是復雜的，此類方法缺乏對樣品整體的評價會給一些假冒偽劣商品進入市場提供可乘之機，例如“三鹿奶粉事件”的發生，同時分離、提純等預處理工作量很大，耗時長。

近年來，國內外學者發現利用化學指紋圖譜技術對復雜樣品進行檢測可呈現樣品的“整體形態”，其中主要利用光譜和色譜技術來建立指紋圖譜[1-4]，例如：液相色譜（LC）、薄層色譜（TLCS）、高效液相色譜（HPLC）、氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）、高效毛細管電泳（HPCE）、紫外（UV）、紅外（IR）和近紅外（NIR）等技術。但上述方法在對樣品進行檢測時需要進行繁瑣的預處理，必須由專業的研究人員進行檢測，檢測耗時長，檢測的重現性較差，檢測設備昂貴，因此難使用于實際工業生產中。

非線性化學指紋圖譜的提出旨在克服這些問題，與普通指紋圖譜最大的區別是，其是在遠離平衡條件進行的化學反應，反映化學反應內部的非線性機制，主要現象有化學瑞流、化學振蕩、化學混純、化學多穩態、化學斑圖、電沉積分形等[5]。國內進行非線性化學研究始于本世紀初，張洪林、李宗孝和于游等[6]最早以中草藥為底物發現引發的化學振蕩，并測得不同中草藥電位隨時間變化的E-t曲線，除波型差異性很明顯外，還發現了相關指紋圖譜可以提供包括誘導曲線、起振時間、振蕩周期、振蕩曲線、振蕩壽命、振蕩幅度、最大振幅、停振曲線和最高電位等豐富的信息，其中誘導時間、振蕩壽命、振蕩幅度和振蕩周期等還是中藥化學成分的定量信息。這種E-t曲線被稱作“中藥電化學指紋圖譜”，并由此提出“中藥振蕩指紋圖譜”的概念[6]。

此外，張泰銘等[7]研究利用數學計算對不同非線性化學指紋圖譜進行差異比較。結果表明，利用歐氏距離公式能正確反映指紋圖譜間的非參數型相似度差異，但有時不能正確反映圖譜參數型數據的相似度，相關系數和夾角余弦都不能用來評價非線性化學指紋圖譜間的相似度，系統相似度最能真實地反映圖譜之間的差異程度。因此可利用系統相似度對非線性化學指紋圖譜相似度計算與評價。目前，利用非線性化學反應的指紋圖譜技術與相似度計算對組成極其復雜的中藥進行檢測和鑒別已比較成熟。隨著研究的領域的不斷深入同樣是成分復雜的食品也可通過非線性化學指紋圖譜技術與相似度計算進行檢測和鑒別。

1在食品品質檢測中的應用

1.1醬油

醬油在中國人的餐桌上是不可缺少的調味品，故它的安全性及真偽性收到廣泛地關注。因釀造工藝的不同、原料的差異使醬油呈現出種類繁多、成分復雜、含量各不相同的情況。目前，廣泛應用的現代分析技術有高效液相色譜（HPLC）、近紅外（NIR）、氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）和毛細管電泳（CE）等分析技術。其中主要采用的是氨基酸分析方法，利用高效液相色譜法[8]測定醬油中胱氨酸和半胱氨酸的含量但該方法檢測設備昂貴，檢驗成本高。有學者研究表明[9]采用高效毛細管電泳同時分離測定醬油中的核苷酸比高效液相色譜法更合適，但也僅限于核苷酸的檢測，不能對其它復雜成分進行檢測。

但是由于醬油的成分復雜，單靠檢測一種或幾種成分不足以準確區分出醬油的品種及品質優劣，且預處理繁瑣。喬君喜等[10]利用非線性化學指紋圖譜技術檢測9種不同品牌醬油平行檢測3次得到圖譜，通過對各個圖譜中可量化的數據進行比較，可得同品牌醬油的圖譜間的系統相似度≥93.85 %，不同品牌醬油的圖譜間的系統相似度≤64.03 %。為驗證該技術的準確度隨機對9種品牌醬油各進行n次檢測，將相似度最大的圖譜列為一個樣品集，規定每個樣品集代表一種醬油。結果，各醬油品牌鑒別的準確度≥96.97 %，平均鑒別準確度為99.33 %。證明此項技術可很好地應用于醬油的檢測。

1.2飲料

茶飲料具備營養豐富、藥物功效、方便飲用等優點，受到廣大消費者的喜愛。為了保證消費者的健康及商家的合法利益，同時找到科學準確的方法對茶飲料的質量監測也受到越來越多的重視。茚三酮比色法、氣相色譜-質譜聯用法、紫外光吸收法、高效液相色譜法、離子交換樹脂法等主要通過分析測定不同茶飲料樣品中某幾種成分的含量，根據各含量的異同及差異判定樣品的差異與品質。但是，茶飲料是一種成分復雜的組成物質，單就比較某幾種成分的含量差異不具有說服力。因此，出現了一些可以檢測復雜茶飲料的儀器，例如多頻脈沖電子舌[11]等。該種儀器最大的缺陷在于使用的電極重現性差，電極壽命短。

趙哲等[12]利用非線性化學指紋圖譜技術對康師傅茉莉花茶、康師傅綠茶、鐵觀音茶、烏龍茶、統一冰紅茶、天喔冰紅茶在嚴格統一的標準下得到各自的非線性化學指紋圖譜，經比較6種茶飲料的圖譜形狀相差較大，其中同為冰紅茶的統一冰紅茶和天喔冰紅茶的圖譜形狀也有著很大的差異。不同茶飲料的相似度＜0.83，同種茶飲料的相似度＜0.9，然而不同批次的同名茶飲料的相似度＞0.99。同時，對某一茶飲料樣品進行處理，摻入不同量的水可發現摻入的水越多得到的指紋圖譜振蕩壽命越長，極易辨別。因此，通過非線性化學指紋圖譜技術并進行相似度計算對茶飲料的種類區分及摻假與否進行判斷是科學的可信的。王艷娜等人利用同樣的技術對濃縮橙汁慘水實驗得出同樣的結論，摻水量越多圖譜的振蕩壽命越長，可通過比較圖譜形狀的差異直接進行摻水與否的判定。

1.3啤酒大麥

啤酒，又稱麥酒，是水和茶之后世界上消耗量排名第三的飲料，我國目前啤酒產量居世界第一。大麥是釀造啤酒的主要原料之一，它的品質直接決定著啤酒的質量。國產大麥的產量及品質均遠不能滿足啤酒業的發展需要，每年約2/3的大麥依賴進口。隨之而來的問題是大麥品種的鑒別，只通過感官評定大麥外觀，形態學特征很難區分，對于近親的品種使區分的難度大大增加。目前，采用基因組分析法[13]，基質輔助激光解吸/電離飛行時間質譜法[14]等方法可以有效地區分和鑒別不同的大麥品種，但繁瑣的樣品預處理程序及不能對樣品進行整體的分析是上述方法的缺陷。

王艷娜等[15]選取澳大利亞特質大麥、澳大利亞普通大麥、國產大麥三種大麥為研究對象，利用非線性化學指紋圖譜技術平行測定三次得出各自的指紋圖譜，根據各圖譜反映出的誘導時間、振蕩壽命、振蕩周期等可量化數據進行分析比較，相同品種大麥的系統相似度均大于0.994 8，不同品種大麥的系統相似度小于0.793 1，克服上述技術缺陷的同時可以科學準確判斷大麥品種的異同。

1.4蜂蜜

蜂蜜是昆蟲蜜蜂從開花植物的花中采得的花蜜在蜂巢中釀制的蜜，自古以來就被視為滋補佳品。隨著人們生活水平的提升，對蜂蜜的質量要求越來越高，不法商家利用化學方法或以次充好等手段對蜂蜜進行造假，欺騙消費者。目前，人們可以通過氣相色譜、高壓液相色譜[16]可測得蜂蜜中一些必需氨基酸的成分，通過紅外光譜技術[17]也可進行蜂蜜的檢測，但對摻入不同物質、不同量及蜂蜜種類的檢測效果不理想。蜂蜜中含有的物質成分有180余種，假如每次只能測定一種或幾種成分，可以作為研究某種特定成分的依據，要作為蜂蜜摻假鑒別、種類區分的依據是不全面的。

張海珍等[18]選取9種市售蜂蜜避開對其中的某一種或幾種成分進行分析，利用非線性化學指紋圖譜技術對蜂蜜進行整體分析，獲得各自的化學指紋圖譜及各種特征參數。為驗證該方法的重現性，選取相同的4份菊花蜜進行平行試驗，結果顯示相同的條件下同種蜂蜜的圖譜基本相似各種特征參數相對標準偏差≤1.92 %，證明該方法具有較好的重現性。通過比較，不同蜂蜜的指紋圖譜形狀差距很大，其中差別最大的參數是振蕩壽命。該技術可以很好地區分不同種類的蜂蜜，同時能通過樣品比對對蜂蜜樣品進行質量評價。與上述提到的幾種評價蜂蜜質量的技術比較，該技術具有無需對樣品進行分離、提純等處理，且圖譜反映出來的信息是所有物質成分呈現的。

1.5羊奶與牛奶的摻假

牛奶因是一種營養比較全面的食品，已經被多數人們視為日常生活中不可缺少的食物。而羊奶被國際營養學界被稱為“奶中之王”其價格也遠高于牛奶，且產量遠低于牛奶，因此一些不法商家以牛奶冒充羊奶、對羊奶牛奶摻假欺騙消費者。這種現象越來越受到廣泛關注。目前，色譜、質譜、免疫、PCR、電泳、光譜學、分析化學等檢測方法的研究和應用對牛乳、羊乳摻假起到了一定的遏制作用，但是存在一定的局限性。首先都是針對羊奶和牛奶中某種組分的差別進行分析檢測，比如高效液相色譜技術就是根據羊奶與牛奶中所含各種脂肪酸含量的不同為依據進行檢測分析[19]；而等電點聚焦[20]則是以酪蛋白的水解產物作為指標建立的檢測方法。而奶的成分十分復雜，主要成分包括水、脂肪、磷酸、蛋白質、乳糖和無機鹽等多種物質。僅憑若干個成分的分析指標來進行鑒別和質量評定，容易給假冒偽劣產品進入市場提供了可乘之機。其次目前國家制定的常規檢驗方法和現行的摻假檢驗研究，大多針對某假定的單一物質進行定性定量檢測，要實現多個項目的檢測操作繁瑣，尤其是對可能出現的未知物將難以評判。故有必要建立對羊奶及其制品的成分進行整體和綜合的分析評價的快速準確的檢測方法。

魯利利等[21]利用非線性電化學指紋圖譜技術對羊奶和牛奶及其產地進行鑒別區分。測定不同產地羊奶和牛奶，得到對應的非線性化學指紋圖譜，通過指紋圖譜的直觀特征及可量化的數據鑒別羊奶和牛奶，利用系統相似度進一步區分不同產地的羊奶或牛奶。實驗結果表明羊奶和牛奶非線性化學指紋圖譜均有很好的重現性和特征性，同種奶品同一產地的指紋圖譜系統相似度介于99.06 %~99.86 %，同種奶品不同產地的系統相似度介于90.42 %~98.86 %，不同種類奶品的系統相似度介于76.25 %~82.43 %。鑒別同種奶品產地的準確度≥91.9%，平均準確度為94.3%，鑒別奶品種類的準確度≥94.6%，平均準確度為98.5%。該實驗說明非線性電化學指紋圖譜技術在鑒別羊奶和牛奶及其產地方面具有好高的準確性。

2　結論

非線性化學指紋圖譜是基于對樣品整體成分的分析得出圖譜，且不用對樣品進行分離、提純等預處理。不僅可以廣泛應用與中藥的檢測及鑒別，還可以用于控制檢測成分復雜食品的品質與質量。通過建立樣品圖譜庫可用于企業自查控制不同批次產品質量及質檢部門的快速抽檢與鑒定。但非線性化學指紋圖譜的提出只有短短的六年時間，仍處于實驗室研究階段，在廣泛地應用之前還有很多工作去做。

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The Application of Nonlinear Chemical Fingerprint Technology for Detecting Adulteration in Food

WANG Shi-peng1，DONG Wen-bin1，*，FAN Cheng2，MA Yong-jie1，FANG Yue1
（1. School of Food and Biological Engineering Shaanxi University of Science & Technology，Xi'an 710021，Shaanxi，China；2. Research Institutefor Quality Supervision and Inspection of Food Products of Shaanxi Province，Xi'an 710048，Shaanxi，China）

Abstract：In this paper，the nonlinear chemical fingerprint technology，chromatography，mass spectrometry，enzyme-linked immune，near infrared，chromatography-mass spectrometry technology were used to detect and identify adulteration in food，such as beverages，beer barley，honey，goat milk and cow milk. In contrast，nonlinear chemical fingerprint technology is a kind of new method based on holistic analysis or comprehensive analysis，and it possesses many advantages，such as simple operation，without sample pretreatment，good reproducibility and so on.

Key words：nonlinear chemical fingerprint；food；detection；identify

收稿日期：2015-01-13

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.01.049

*通信作者：董文賓（1951—），男（漢），教授。

作者簡介：王世鵬（1989—），男（漢），碩士研究生，研究方向：食品科學與工程。

基金項目：“十二五”農村領域國家科技計劃課題（2012BAD12B07）；陜西省科技統籌創新工程計劃項目（2011KTCQ03-08）；陜西省教育廳服務地方專項計劃項目（15JF009）