稳定同位素比质谱技术在食品检验中的应用研究进展

赵娅鸿

（山西省食品质量安全监督检验研究院，山西太原 030012）

食品工业是以农副产品为原料加工、生产食品的基础性产业，关系着国民经济的健康发展、国家的食品安全战略以及群众的营养健康。近年来，由于监管体系不健全、检测技术不完善等因素，部分不法商贩在食品中掺杂造假，食品掺假问题已成为继食品安全问题后引起国际社会广泛关注的又一个热点研究课题。

稳定同位素比质谱技术自上世纪70 年代引进食品分析领域以来，凭借自身技术优势，目前已成为世界各国食品监管中鉴别食品掺假问题的主要手段。其工作原理是基于含有多个不同质量数原子的轻元素（碳、氢、氧、硫、氮） 在物理、化学及生化变化中会发生同位素分馏，导致其自然丰度呈现特异性变化的现象，而该技术将同位素分馏机理和食品（或其某特征化合物） 的稳定同位素比值差异作为判别依据，在实际应用中较常规理化分析方法有明显优势。因此被广泛应用于蜂蜜、果汁及葡萄酒领域的检验鉴别中，同时在食品原产地保护、产品溯源领域也有应用研究。

1 在食醋检验中的应用

食醋中掺入工业醋酸是最常见的掺假方式，食醋中乙酸的δ13C 值与其原料紧密相关，因此测定乙酸中δ13C可对食醋原料进行溯源，并能够鉴定食醋中是否掺入了工业醋酸。

钟其顶等建立了气相色谱-燃烧-稳定同位素比值质谱（GC-C-IRMS） 联用法测定食醋中乙酸的δ13C方法，该方法用乙醇作为稀释溶剂，基于毛细管气相色谱柱分离技术，在不引起食醋中乙酸碳同位素分馏的情况下进行分离纯化，从而实现对食醋中乙酸δ13C的准确测定，通过参与国际同位素实验室间能力验证（FIT-PTS） 发现该方法能够达到国际实验室间比对的能力验证范围。李洁莉等应用该方法测定3 种工业用冰醋酸、2 种食用醋酸以及14 种商品化食醋中醋酸的δ13C值，发现食用醋酸的δ13C值在-11.57‰～-20.66‰之间，而工业冰醋酸的δ13C值在-24.45‰～-29.14‰之间，食用醋酸δ13C值明显高于工业冰醋酸；镇江香醋中的醋酸δ13C值在-22‰～-25‰之间，山西陈醋的δ13C 值在-13‰～20‰之间，白醋的δ13C值在-14‰～-25‰之间。因此GC-C-IRMS 技术不但可以区分工业冰醋酸和食用醋酸，而且可以区别部分不同来源和不同酿造工艺的食醋。王修宁等建立了一种利用元素分析-同位素比质谱法（EA-IRMS） 测定食醋总碳同位素比值的方法，通过对31 种样品进行测定，结果表明：芳香醋δ13C值为-26.94‰～-23.46‰，糯米酿造食醋为-25.06‰～-22.40‰，苹果醋为-27.99‰～-22.76‰，配制白醋为-19.06‰～-13.74‰，SD 值在0.02‰～0.25‰（n=6） 之间，在此基础上结合聚类分析法通过产地、原料及生产方式等差异将上述31 种食醋样品分为两大类，实现了对价格较贵的芳香醋中掺入价格低廉的食醋和加入≥4%糯米酿造食醋、≥6%苹果醋和≥2%配制白醋的掺伪鉴别。李鑫等利用液相色谱-同位素质谱联用技术（LC-IRMS） 测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与食醋中乙醇三者的碳同位素比值的关系，发现食醋、工业酒精、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‰范围内，但其中仅大米食用酒精与食醋中乙醇的碳同位素比值较为接近，因此可以实现判别以大米为原料的食醋是否掺入其他酒精。李鑫等还利用LC-IRMS 测定了食醋中的乙酸、乳酸和乙酸、乳酸试剂，结果发现食醋中乳酸δ13C值为-31.75‰～-20.91‰，而试剂乳酸δ13C值为-13.58‰～-9.86‰，因此还可以应用于食醋乳酸掺伪鉴别中。

王奇等采用高效液相色谱-同位素比率质谱联用技术（HPLC-IRMS） 结合有机酸专用柱Prevail Organic Acid 测定食醋中有机酸的碳同位素比，结果显示食醋中乳酸与苹果酸的δ13C值与其产地呈现显著性差异，据此可为食醋的产地溯源提供有益参考。此外该团队还建立了元素分析/连续流-稳定同位素比质谱法（EA/GasBenchⅡ-IRMS） 测定食醋总碳、水中氧同位素比值（δ13C 和δ18O） 的方法，结果发现山西食醋总碳δ13C值分布在-23.26‰～-20.80‰，水中氧的δ18O 值在-5.66‰～-4.49‰；镇江食醋总碳δ13C 值在-25.93‰～-20.70‰，水中氧的δ18O值在-8.35‰～-5.61‰；结合碳氧同位素比值分析，可以将山西老陈醋、镇江香醋和镇江陈醋区分开。这种碳氧同位素差异的存在，可为产地区分提供参考。

2 在果汁饮料检验中的应用

针对近年来食品流通领域上出现的以成本较低的浓缩还原（FC） 果汁冒充非浓缩还原（NFC） 果汁的现象，以及标注为NFC 果汁的产品中NFC 含量有效测定的问题，牛丽影等采用同位素比率质谱法（IRMS） 对FC 与NFC 橙汁与苹果汁中水的δ2H、δ18O 值进行测定，结果发现NFC 橙汁和苹果汁中两者测定值都明显高于FC 果汁，且两值还与NFC 果汁中果汁含量呈二次回归关系，该方法还可用于NFC 果汁含量的判别。此外，橙汁、桔汁、苹果汁和柠檬汁等均来源于C3植物，而C3植物与C4植物所合成的碳水化合物在稳定碳同位素比值上也存在着显著差异。李鑫等建立了LC-IRMS 测定橙汁中多种糖组分δ13C值的方法，通过对13 种不同产地的橙果实榨汁处理，测定其果汁、果浆和多种糖组分的δ13C值，发现果汁和果浆的δ13C 差值均小于0.1%，葡萄糖和果糖的δ13C差值均小于0.05%，各组分δ13C的最大差值为0.226%；同时对4 种糖浆和2 种自制掺糖橙汁进行检测，发现以上6 种对象各组分的δ13C值与13 种鲜榨橙汁有明显差异，可以通过比较多组分的差别来进行掺假鉴别。谭梦茹等采用元素分析-同位素比值质谱法（EA-IRMS） 对纯正葡萄汁掺假情况进行研究，通过测定152 个不同产区纯正葡萄汁的碳同位素比值（δ13C值），初步建立了纯正葡萄汁的同位素数据库。检测结果表明，纯正葡萄汁中糖的δ13C值范围为-26.92‰～-24.16‰，而有机酸的δ13C值范围为-27.56‰～-24.99‰。根据上述2 个参数，提出了纯正葡萄汁应满足的δ13C值要求：有机酸和糖的差值在-1.63‰～0.72‰范围内。同时该团队用EA-IRMS 对来自不同产地、多种类的118 个纯正苹果汁中的糖、有机酸、果糖、葡萄糖、二糖、寡糖碳的同位素比值（δ13C值） 进行测定，并建立了纯正苹果汁同位素数据库，在此基础上还提出了纯正苹果汁应满足的δ13C值要求。

3 在酒类检验中的应用

稳定同位素比质谱仪通过测定样本中δ18O 和δ13C值，在酒类检验中应用主要有两方面：其一，由于不同产区葡萄果汁样本水中存在较大差异，可以作为鉴别葡萄酒是否添加外源水的客观指标，能够用于葡萄酒产地鉴别的有效依据。陶宏兵等应用稳定同位素技术建立来自不同产地、多种品种葡萄汁的δ18O 同位素数据库，为全汁葡萄酒及葡萄酒产地鉴定方法和标准的建立奠定了基础。王道兵等建立并优化了连续流-稳定同位素比质谱法（GasBenchⅡ-IRMS） 测定葡萄酒中δ18O 比值的在线分析方法，可以判断葡萄酒中是否掺入外来水，以及外来水的含量。其二，葡萄酒掺假还存在添加乙醇等提高酒精度，添加甘油提升甘甜口感等掺假情况。李学民等建立了LC-IRMS 同时测定葡萄酒中甘油和乙醇δ13C值方法，测定了40 个葡萄酒样品中甘油和乙醇δ13C值，分别为-26.87‰～-32.96‰、-24.06‰～-28.29‰，且具有较强的相关性。李学民等建立了EA-IRMS 测定乙醇δ13C 值的方法。另有研究表明，稳定碳同位素可应用于葡萄酒的产地溯源。吴浩等利用GC-C-IRMS 测定了来自中、美、法、澳等国的54 种葡萄酒中乙醇、丙三醇、乙酸、乳酸乙酯、2-甲基-丁醇等5 种挥发性组分的碳稳定同位素比值，说明葡萄酒挥发性成分稳定碳同位素可应用于葡萄酒的产地溯源。

4 在蜂蜜检验中的应用

天然蜂蜜资源相对有限，近年来随着国民生活水平的提升使得天然蜂蜜的市场需求急剧增加，促使蜂蜜价格不断上涨。一些不法厂商为了追求利润，降低成本，在天然蜂蜜中掺入其他物质制假售假的现象也愈演愈烈。因此应用同位素质谱技术，通过同位素比值范围来判别市售蜂蜜掺假情况十分重要。

上世纪70 年代，美国科学家J.W.White 最早将质谱法用于检测蜂蜜中碳同位素比值，用以鉴别蜂蜜中高果糖玉米糖浆含量，并通过试验研究先后建立了蜂蜜碳同位素比值分析（SCIRA） 和蜂蜜内标碳同位素比值分析（ISCIRA） 方法，研究发现蜜源植物的δ13C值均处于-28‰～-22‰范围内，而产生高果糖玉米糖浆的C4植物δ13C值在-20‰～-10‰之间，据此得出通过C3植物和C4植物间稳定碳同位素比值的差异可以鉴别蜂蜜是否掺入高果糖玉米糖浆。我国颁布的国家标准GB/T 18932.1－2002《蜂蜜中碳-4 植物糖含量测定方法稳定碳同位素比率法》也是基于蜜源性植物主要为δ13C值处于-21‰～32‰范围内的C3植物，远远低于δ13C值在-9.7‰～19‰之间的C4植物，蜂蜜的δ13C值会随着掺入C4植物糖而升高这一原理应用稳定碳同位素质谱技术进行蜂产品检测，实现对玉米糖浆等C4植物糖浆掺杂蜂蜜的有效鉴别。

胡柳花等通过稳定碳同位素质谱仪检测混合蜜中掺入蔗糖，混合蜂蜜、紫云英蜂蜜和洋槐蜂蜜等中掺入玉米高转化糖浆后的δ13C值的变化情况，研究发现蔗糖、玉米糖浆等C4 植物糖的δ13C值较蜂蜜δ13C值偏大；甜菜糖、大米麦芽糖等C3植物糖的δ13C值与蜂蜜δ13C值较为接近；掺有蔗糖的混合蜜、掺有玉米高转化糖浆的混合蜜、紫云英蜂蜜和洋槐蜂蜜的δ13C值均与掺入量呈正相关，但蜂蜜蛋白质的δ13C值基本未发生变化。罗东辉等应用EA-IRMS、LC-IRMS 及液相色谱法（LC） 等3 种测定蜂蜜还原糖含量的方法，对筛选自120 份蜂蜜样品中的15 份无蛋白蜂蜜样品的真实性进行系统研究，发现被测样品均为掺假掺杂产品。李鑫等扩展了同位素比率质谱联用技术的应用，完善了LC-IRMS 测定蜂蜜中多种糖组分δ13C值的方法，通过对3 种糖浆、3 种掺糖蜜和纯正蜂蜜测定结果和图谱的多重比较，发现仅采用元素分析联用同位素比率质谱（HT-IRMS） 无法完全鉴别出掺糖蜜，而结合HT-IRMS 和LC-IRMS2 种方法检测则可以有效鉴别上述3 种掺假方式。

5 在植物油检验中的应用

食用油中富含人体自身无法合成但又必不可少的营养成分，是大众日常生活中必需的消费品之一。食用油的价格与其产量及营养价值密切相关，部分不良商家为追求暴利，在营养价值较高、价格相对昂贵的橄榄油、核桃油等食用油中掺入劣质廉价的大豆油、菜籽油或非食用油等，导致食用油市场鱼目混珠，因此食用油掺杂掺假鉴别也非常必要。

金青哲等应用GC-C-IRMS 测定得到了玉米油与棕榈油主要脂肪酸的δ13C值，并绘制了混合油中3 种主要脂肪酸的δ13C值-混合比例的标准曲线，发现玉米油与棕榈油的δ13C值差异很大，将两者掺合后应用该方法能实现15%以上的掺合水平检测。此外，金青哲等利用气相色谱仪（GC） 获得C4转化途径的玉米油和C3转化途径的花生油脂肪酸组成，再用GC-C-IRMS 确定了3 种主要脂肪酸C16∶0、C18∶1、C18∶2 的δ13C值，并绘制了玉米油与花生油混合油中主要脂肪酸的δ13C值-混合比例的标准曲线，发现玉米油与花生油的δ13C 值差异也很大，应用该方法能实现15%以上花生油的掺合水平检测。朱绍华等发现茶油和玉米油两者δ13C值的差异很大，当玉米油掺入量在15%以上时，用稳定同位素比质谱法能够判别出茶油是否掺入了玉米油，并可以实现对其百分含量的定量检测。

6 展 望

尽管目前稳定同位素比质谱技术已经在食品领域及掺假鉴别中得到了一些实际应用，然而对于形成完整、行之有效的检验方法技术仍需进一步探讨和深入的研究，并且由于同位素仪设备和标记物价格昂贵也限制了其应用和发展，所以只有不断开发仪器的应用，降低使用成本，才能在食品及其他领域的分析检测中得到更广泛的应用。