国外果汁产地溯源技术的研究进展

苏晓霞，杨海莺，陈历水，丁庆波

(中粮集团创新管理部食品研发中心，北京100020)

国外果汁产地溯源技术的研究进展

苏晓霞，杨海莺，陈历水，丁庆波*

(中粮集团创新管理部食品研发中心，北京100020)

随着人们生活水平的提高和食品安全问题的频频发生，消费者更加关注食品的来源。果汁产品的产地溯源也面临着巨大的挑战。本文综述了近年来几种常用于果汁产品产地溯源技术的应用研究进展，主要包括质谱技术、色谱技术、光谱技术和其他技术，并展望了今后果汁产品产地溯源技术研究的发展趋势。

产地溯源，果汁产品，质谱技术，色谱技术，红外光谱，感官技术

1 质谱技术

质谱是一种测量离子荷质比(电荷－质量比)的分析技术［3］。通常，从质谱上可以得到化合物的分子量信息，用于分析化合物的结构与组成。质谱技术常和其他技术联用，可用来分析同位素成分、有机物构造及元素成分等。目前，质谱技术是在果汁产品产地溯源中应用的最多的分析技术。

1.1 同位素比值质谱

同位素比值质谱是一种基于样品同位素含量来区分化学组分一致的样品的分析技术［4］。生物体内同位素组成受气候、环境、生物代谢类型等因素的影响，从而不同种类及不同地域来源的食品原料中同位素的自然丰度存在差异，主要的指标有13C/12C，15N/14N，18O/16O，2H/1H 和34S/32S等，例如，植物中18O/16O的比例通常随海洋的距离和海拔高度的变化而变化，因此可以根据样品中同位素的含量和比例不同，来区分果汁产品的来源地［5］。

Rummel等［6］采用IRMS对来自多个地区的150个橙汁样品中的多种同位素(C，H，N，S，Sr)进行了研究，发现离赤道越近(古巴、墨西哥和佛罗里达)，2H值越大，而古巴橙汁中34S值(8.8‰～10.96‰)明显高于墨西哥(1.81‰～10.25‰)。另外，由于阿根廷种植区广泛施用有机肥，其橙汁中15N值最高(8‰～9‰)，在意大利和希腊种植区，广泛施用合成氮肥施，15N值最低(＜4‰)。Simpkins等［7］采用IRMS分别对来自澳大利亚的40个橙汁样品，巴西的38个果肉样品以及42个浓缩果汁样品进行碳同位素研究，发现其同位素丰度都存在地域性差异。Barbara等［8］同样采用IRMS对来自澳大利亚、美国、阿根廷、以色列、巴西及西班牙的橙汁样品进行同位素研究，发现其13C值或15N值单一值未显示出明显的地域性差异，但将两个值综合起来分析，可以显示出明显的地区性分布。

稳定性同位素分析在果汁中的研究应用已有20年的历史了，最早是通过碳同位素分析鉴别C3植物产品如桔子汁、苹果汁或葡萄汁中掺加C4植物产品如玉米糖浆或甘蔗糖。同位素丰度的差异能为果汁产品地理来源提供有用的信息。目前，科学家还在继续分离与研究自然界中所有元素的稳定同位素，这将为建立有效的果汁产品数据库奠定基础。尽管IRMS的操作难度较大，采购的成本高，样品准备时间长，但是，IRMS仍然是在果汁产品的溯源中应用最广泛的技术。

1.2 电感耦合等离子体质谱

ICP－MS是80年代发展起来的分析测试技术，它以独特的接口将电感耦合等离子体(ICP)的高温电离特性与四极质谱仪的灵敏快速扫描特性相结合，近年来已成为一种强大的元素分析技术。该技术检出限低，可以达到痕量检测(ppb～ppm)和超痕量(ppq～ppb)检测水平，检测范围宽，包括了金属元素和非金属元素(无机物)［9］。其分析速度快、多元素同时分析等优点而备受研究者青睐。

Perez等［10］采用ICP－MS对来自俄勒冈州、墨西哥、智利和阿根的三种新鲜果汁(草莓、蓝梅和梨)的多种元素(Ca，Cd，Cr，Cu，Fe，K，Mg，Mn，Na，Ni，P，V，和Zn)进行研究，同时结合碳同位素和氮同位素研究，采用主成分分析和判别分析的方法对数据进行分析，利用线性判别函数、二次判别函数、神经网络、遗传神经网络、层次树等算法对不同的水果进行建模，显示随样品和模型的不同，果汁产地的判别率可以达到70%到100%，同时，对俄勒冈地区的样品中进行亚区域和亚种的细化，也可以显示出地区性分布。Wayne等［11］利用ICP－MS结合ICP－AES的方法对来自澳大利亚和巴西的橙汁样品中的22种元素进行了测定和分析，发现澳大利亚不同产区的橙汁具有明显的地域差异，通过测定橙汁或橙皮中微量元素，结合多元分析能够区分澳大利亚和巴西的复原浓缩果汁。

2 光谱技术

2.1 红外光谱

将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，就形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子的组成和结构决定了其独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外光谱是一种无损检测技术，费用相对较低，可以同时应用到基础研究和实际生产当中。根据红外射线的波长范围，红外光谱通常被分成三个部分:远红外、中红外(MIR)和近红外(NIR)。MIR(4000～400cm－1)常用于研究分子基频振动，与中红外相比，远红外(400～10cm－1)能量较低，常用于转动光谱的研究，而NIR(14000～4000cm－1)具有较高的能量，可以激发化合物振动的倍频和合频吸收，其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。从这一点来看，NIR在果汁产地溯源的研究当中具有更加广泛的应用前景。

在葡萄酒行业中，葡萄的可溶性固形物含量、品种、产地是决定葡萄酒品质的三个最重要的因素。Arana等［12］采用NIR对来自不同地区的维尤拉葡萄和夏敦埃葡萄进行了研究，结果表明NIR不但能定量测定可溶性固形物含量，还可以对其品种和产地进行区分，利用不同的变量做判别分析，品种的判别率达到了97.2%，夏敦埃葡萄产地的判别率达到了79.2%。Liebmann等［13］采用NIR和ICP光谱技术，结合分析统计的方法对22个品种的橙汁进行了研究，利用光纤探头记录从1100～2500nm范围内的谱图，发现采用人工神经网络的算法能够对橙汁的品种和产地进行区分。总的来说，NIR是一种鉴定果汁产品产地的有效方法。

2.2 原子光谱法

原子光谱可以用于分析不同样品中的金属和非金属的组成和含量。在不同的原子光谱技术当中，用于果汁的产地鉴定的主要包括原子吸收光谱法(Atomic absorption spectrometry，AAS)和原子发射光谱法(Atomic emission spectrometry，AES)。

Schwartz等［14］采用 ICP－AES和 AAS对橙汁和开心果中特定元素进行了研究，采用判别分析的方法建立模型预测地理来源。通过多次替换和交叉验证的方法检验橙汁和开心果模型的准确度，结果表明橙汁产地的判别率有96%，开心果产地判别率有98%。两者交叉验证预测的判别率分别是88%和78%。Mchard等［15－16］采用AES对巴西和佛罗里达的冷冻浓缩橘子汁(FCOJ)中的28个元素进行了分析。Bayer等［17］在前者的工作基础之上，把模式识别的技术应用到FCOJ的产地溯源当中，选择了5个目标元素进行建模，结果表明5个元素足够区别不同FCOJ地理来源。Simpkins等［18］采用ICP－AES和ICP－MS结合的方法测定了来自澳大利亚和巴西的80个橙汁样品中的22种元素的含量，对澳大利亚和巴西浓缩果汁中的微量元素进行主成分分析，发现钡和硼是最主要的两种成分，且元素铷存在着明显的差别，澳大利亚和巴西梨中的提取物同样也因为地区的不同而不同。

2.3 核磁共振光谱

常用于食品分析中的核磁共振技术有低分辨率NMR(LR－NMR)和高分辨率NMR(HR－NMR)两种，LR－NMR虽然操作简单、价格便宜，但需要其他辅助方法进行定量分析，使其测量的精确度大大下降; HR－NMR虽成本高，但得到的样品分子结构信息更丰富而使其在食品分析中的应用更广泛［19］。但是，NMR在果汁产品溯源技术中的应用相对较少，其在果汁产地溯源的应用还处于探索阶段。

Belton等［20］采用HR－NMR对不同品种的苹果汁进行了研究，他们发现不同品种的苹果汁的光谱差异很大，由此证明NMR具有应用到果汁的产地溯源当中的潜力，同时，也可以应用到掺假果汁的检测当中。

3 色谱技术

3.1 液相色谱

色谱分离技术是一种分离复杂混合物中各个组分的有效方法。它是利用不同物质在由固定相和流动相构成的体系中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些物质随流动相一起运动，并在两相间进行反复多次的分配，从而使各物质达到分离。色谱分析法有很多种类，从两相的状态分类，可分为气相色谱法和液相色谱法，在果汁的产地溯源应用中，高效液相色谱应用的最多，而气相色谱的应用相对较少。

Mouly等［21］采用LC对来自伯利兹和西班牙的巴伦西亚橙汁中的类胡萝卜素进行了定量测定，西班牙的橙汁中的类胡萝卜素的总含量为(17.0±5.0)mg·L－1，比伯利兹的橙汁中的总含量(4.8±1.0)mg·L－1更高，其他的一些类胡萝卜素也表现出较大的地域差异，例如:伯利兹的果汁中茄红素的含量(0.5%)比西班牙的果汁中的含量(1.8%)更低，西班牙的巴伦西亚果汁的中胡萝卜素的含量(4.9%)比伯利兹的巴伦西亚果汁的中的含量(1.8%)更高。因此定量测定类胡萝素也是一种能区分橙汁地理来源简单有效的方法。

3.2 高效液相色谱

高效液相色谱是从液相色谱发展起来的一种色谱分析技术，主要用于有机化合物的分析，可以对已知80%左右的有机化合物进行分离和分析。因其具有灵敏度高、重现性好、样品前处理简单等优点被广泛应用，另外，在色谱柱后连有不同的检测器，可对流出物进行连续检测，为高效液相色谱的连续操作和自动化提供了可能。

Latti等［22］采用反相高效液相色谱法/二极管阵列检测(RP－HPLC－DAD)技术对芬兰不同地区的越橘中的花青素进行了分析，根据花青素含量对芬兰南部和北部的越橘进行了识别。结果发现芬兰南部地区(2500mg/100g，干重)花青素总量显著低于北部地区(3000mg/100g，干重)，且北部地区越橘中主要存在的是飞燕草苷元，而南部地区越橘中主要是矢车菊素糖甙，从而根据花青素含量和不同糖苷配基能准确区分不同地区越橘。Dettmar等［23］采用HPLC和ICP对六个不同地区、9个品种的413个橙汁样品进行了区分辨识，通过人工神经网络的算法对数据进行了分析，结果表明真假的判别率为89.8%，巴伦西亚的果汁的判别率达到92.5%。

3.3 气相色谱法

气象色谱是对气体物质或可以在一定温度下转化为气体的物质进行检测分析，其在果汁产品的产地溯源当中应用的相对较少，一方面是因为果汁的形态是液体，另一方面果汁当中的特征风味物质的特异性不是十分突出。

Blanch等［24］采用水蒸汽蒸馏溶剂萃取－气相色谱－质谱法(SDE－GC－MS)和固相微萃取气相色谱(SPME－GC)两种方法对不同产地的果汁中的手性萜烯类化合物进行了研究，无论是采用哪种方法，4－萜品醇和β－香茅醇的对映体的比例均随产地的不同而不同，而其他大部分的目标化合物的对映体的比例基本不变，因此，可以通过测定果汁中手性萜烯类化来进行产地区分。

4 其他技术

4.1 活化分析技术

当稳定性核素受到中子、带电粒子或高能光子的轰击后，可转变成放射性的核素。测量产物所放出的射线，可定量地测出原样品中某一种或几种元素的含量。利用这种原理检测样品中的痕量元素或微量样品中的化学组成的技术称为活化分析法。

Pellerano等［25］采用仪器自带的中子活化分析对来自阿根廷不同地区的44个柠檬汁样品进行多元素分析，选择了11种元素(Br，As，Na，Rb，La，Cr，Sc，Fe，Co，Zn，Sb)进行测定，以IAEA V－10作为参比标准物质，通过主成分分析、线性判别分析等化学计量学的分析方法确定重要参数和进行数据分析，从而对果汁进行分类，发现采用线性判别的分析方法可以将不同地区的柠檬汁明显的区分。

4.2 智能感官

外观、气味、味道和质地特性是决定食品质量的重要特征，感官分析(或感官评价)是确定产品质量的重要手段。感官分析需要组建评价小组对产品进行了测试，运用统计技术的方法对评价结果进行分析，因此，需要大量的评价人员、足够的样品量以及详细的统计分析方法［26］。为了能够精确的测量人类对食品的反应，研究人员正在积极寻找感官评价和仪器分析之间的相关性，因此智能感官技术得到了快速发展。近年来，通过有效的智能仪器感官评定逐步应用到果汁产品的质量评定、品类鉴定和产地溯源当中。具有代表性的智能感官仪器主要有电子舌和电子鼻。

电子鼻是一种模拟生物嗅觉的仪器，快速表征气味物质的整体特征信息，并运用一定处理方法得出直观的结果。智能感官技术与传统的化学分析方法相比，不同在于传感器输出的并非样品成分的分析结果，而是一种与样品某些特性有关的信号模式，这些信号通过具有模式识别能力的计算机分析后，能够得出对样品特征的总体评价。Steine等［27］采用电子鼻对来自以色列、西班牙、伯利兹、古巴、弗罗里达的49个巴伦西亚橙汁样品进行产地鉴定，根据挥发性成分片段，电子鼻能够很好地区分伯利兹和古巴的橙汁样品，经过对传感器的校准，建立了五种原料来源的巴伦西亚橙汁的数据库，因此，电子鼻有区分橙汁产地的潜力。

电子舌是一种模仿生物感受味觉机制的仪器，利用多传感阵列测量液体样品的特征响应信号，通过信号模式识别处理，对样品进行定性或定量分析。电子鼻经常和电子舌联合应用，可大大提高仪器的识别能力。Winquist等［28］分别用电子鼻和电子舌对橙汁、苹果汁、菠萝汁样品进行了研究，采用主成分分析对数据进行处理，与电子鼻、电子舌单独的结果相比，结合二者的聚类区分情况有很大改善，从平均预测误差来看，将电子舌和电子鼻两种方法结合起来对样品的预测识别能力更高。Stone等［29］通过消费者感官评定和感官仪器评定两种方式对苹果汁进行了研究，结果表明，电子鼻与电子舌联合使用能够更好地获得产品特征，可以预测苹果汁的感官特征及其与消费者评定的关系。由此，可以证明智能感官分析方法在果汁产品的产地溯源中具有良好的应用前景。

5 展望

近年来，随着人们生活水平的提高和果汁行业竞争的日益激烈，发达国家已经对多种水果进行了产地标示和保护，使得果汁产品产地溯源技术研发工作不断深入，而我国在这一领域还处于空白，急需发展研究溯源技术。目前几乎所有的果汁产品溯源技术都处于基础研究阶段，离实际应用还有一段距离，笔者认为，今后还需要朝着以下几个方向发展。

5.1 通过分析检测果汁中一种或几种物质的含量能在一定程度上对其产地进行鉴定，但在实际的生产过程当中评价指标差异及波动较大，与单一特征指标分析相比，多指标分析得到的结果更加准确，特别在多元同位素分析、多元素分析方面尤其突出。

5.2 每一种技术都有其优点和缺点，而到目前为止，还没有一种独立的技术能完全用于果汁产品产地溯源中，多种技术联用更能准确地判断果汁产品来源，因此，更多的分析技术将会应用到果汁产品的产地溯源当中，并且技术联用更具应用前景。

5.3 近年来，人们对智能技术研究热情的高涨，说明了人们对它们的热切期望，随着近红外、电子舌、电子鼻等技术的快速发展，为达到快速、准确、廉价地鉴定产品来源的目的，无损及智能技术将成为果汁产品产地溯源的发展方向。

5.4 仪器分析必须和化学计量学相结合，不但可以从大量的数据中提取有效的信息，还可以优化实验设计和测量方法，应用正确的统计分析方法，才可能为建立果汁产品产地数据库奠定基础。

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Advance in the research of foreign analytical approaches to trace geographical origin of juice products

SU Xiao－xia，YANG Hai－ying，CHEN Li－shui，DING Qing－bo*
(Food Research and Development Center，Innovation and Brand Management Department，COFCO Limited，Beijing 100020，China)

With the improvement of living standards and the repeated occurrence of food safety incident，consumers were paying more attention to the geographical origin of food products.Consequently，trace geographical origin of juice products was facing great challenge.This overview concerned an investigation of the current analytical techniques that were being used for the determination of the geographical origin of juice products.The analytical approaches had been fractionized into four groups:Mass spectrometry techniques，chromatograph techniques，spectroscopic techniques，and other techniques.Finally，the future development of traceability technology was forecasted.

geographical origin;juice products;mass spectrometry;chromatogram;infrared spectroscopy; sensory technology

TS255.44

A

1002－0306(2012)08－0439－05

随着人们生活水平的提高和食品安全问题的频频发生，消费者更加关注食品的来源。瑞士联邦公共卫生组织进行的一项评估表明，有82%的消费者表示食物的产地来源是他们决定是否购买食品的主要因素［1］。同时，贸易的发展和市场竞争的日益加剧，“三聚氰胺奶粉”、“砒霜果汁”、“人造鲜榨果汁”等重大食品安全问题使人们对食品的安全性要求更加严格。因此，世界各国相继出台了一系列保证食品质量和安全的政策措施，强调要从“农田到餐桌”进行全过程监控，例如，2006年欧盟开始实行食品品质保证体系，包括PDO(原产地保护)、PGI(地理标示保护)和TSG(传统特色保护)［2］。2011年3月，中国国家质检总局和欧洲委员会启动了农产品地理标志认证。水果是人类最喜欢的食物之一，具有丰富的营养元素。全球范围内，多个地区的水果都具有地理标志，如美国佛罗里达州的柑橘、加州纳帕谷的葡萄、巴西圣弗朗西斯科河谷的芒果，中国琯溪蜜柚和陕西苹果等。目前，世界各国都在大量生产纯果汁产品，且口味繁多。国外已经就果汁产品的产地溯源开展了一定的研究工作，但是研究的范围较小，仅限于几种常见水果，而我国在这方面的工作还未见报道。果汁产品的产地溯源主要是表征果汁产品的特异性指标，主要包括同位素含量与比率［7－9］、矿物质含量与组分［11－12］、有机组成［13－14］、挥发性成分［25］等，再通过化学计量学的方法对数据进行分析，建立果汁产品的特征指纹图谱和模型，从而进行产地溯源。本文综述了当下不同的分析技术在果汁产品产地溯源中应用的研究进展，其中包括化学计量学的方法。主要把这些分析方法细分为四组，分别是质谱技术、光谱技术、色谱技术和其他技术。同时，展望了今后果汁产品产地溯源技术研究的发展趋势。

2011－05－16 *通讯联系人

苏晓霞(1985－)，女，硕士研究生，研究方向:食品感官分析。