食品鉴伪技术研究进展

刘怡君,刘 娜,张雨萌

(大连市食品检验所,辽宁大连 116630)



食品鉴伪技术研究进展

刘怡君,刘 娜,张雨萌

(大连市食品检验所,辽宁大连 116630)

基于公众对食品安全与食品品质的意识逐步加强,食品品质认证已成为一个快速发展的领域。食品鉴伪技术为食品品质的保证提供技术支撑。本文概述了目前国内外食品鉴伪评估的分析方法和技术,比较了各种分析检测方法的适用性与特征,并分析了质谱技术对鉴伪标准的应用潜力,对质谱技术在食品品质检测以及食品鉴伪中的研究前景进行了展望。

食品,鉴伪,质谱技术

近几年,涉及食品安全、食品掺假、食品欺诈以及食品品质等话题,均备受关注。从2005年始的“苏丹红”到“地沟油”、“掺假羊肉”、“驴肉门”等,食品掺假事件不仅对消费者的健康造成潜在威胁,而且干扰食品市场的正常秩序,影响国际贸易,尤其造成消费者对食品行业、政府和企业失去了信任。

食品掺假有别于食品安全。食品安全事件诸如农药超标、兽药滥用、重金属、微生物等造成了食品污染,导致人体急性或慢性的伤害。食品掺假尚无官方定义[1]。根据2015年10月实施的《中华人民共和国食品安全法》(食安法),食品安全包括八条强制执行的标准。食安法中第二十八条明确规定:禁止生产经营掺假掺杂或者感官性状异常的食品[2]。食品掺假不一定造成食品安全事件的发生,其意图在于谋求经济利益,实施者的动机是获利而非危害,食品掺假多为经济利益驱动的食品掺假(economically motivated adulteration,EMA)[3]。

保证食品品质,杜绝食品安全、食品掺假事件的发生需要社会各界共同协作和努力。为了保证食品安全,打击食品掺假,严格的食品品质监管至关重要。而食品监管则由先进的食品检测作为技术支撑。因此,针对我国食品检测行业的现状[4],本文综述了目前国内外食品品质检测与食品鉴伪技术的研究进展,比较了现阶段食品鉴伪检测方法的特征和适用性,展望了食品鉴伪研究的发展方向,希望能为我国食品检验行业的发展与创新提供一个新的视角。

1 食品品质检测和食品鉴伪技术

1.1 分子生物学方法

基于核酸和蛋白质携带稳定的生物学特征,使基因组学和蛋白质组学成为鉴别食品源的主要技术手段。聚合酶链式反应(PCR,Polymerase Chain Reaction)应用于食品鉴伪研究具有重要的研究意义[5]。蛋白质组学能为食品鉴伪提供系统性信息,不仅能够用于食品品质认证,还能用来检测和识别食品中致病微生物及食品成分的变化[6]。尽管传统检测的方法已被广泛应用于食品认证,基因组学和蛋白质组学技术的迅猛发展有取代传统方法的趋势。

分子生物学方法的优势是灵敏度很高,能够对目标物检测构成干扰的物质比较有限[7]。目前该研究领域的新方向:蛋白质-基因组学技术正在稳步发展,方法包括:聚合酶链反应-单链构象多态性(PCR-SSCP,Single Strand Conformation Polymorphisms)[8-9]、随机扩增多态性DNA(RAPD,random amplified polymorphic DNA)[10],以及新兴领域的肽核酸(PNA,Peptide Nucleic Acid)[11]和DNA指纹图谱[12],应用于食品鉴伪。

基因组学和蛋白质组学鉴伪技术通常应用于识别食品虚假描述和标签不符。国际上,该方法适用的食品包括:转基因食品(GMOs,Genetically Modified Organisms)的检测[13],海鲜类食品、犹太和清真肉类食品认证,鸡肉中混杂其他肉类(灵敏度可达0.5%w/w)的检测[14],牛肉中掺杂马肉和猪肉的检测[15],野味食品,原植物食品(橄榄油、葡萄酒、番茄制品、茶叶、可可),食品种源认证(肉类、牛奶、鱼)等。蛋白质组学的经典研究技术是二维电泳技术(2-DE,two-dimensional electrophoresis),赵方圆[16]等人发现,利用二维电泳技术拟将MRJPs(major royal jelly proteins)蛋白作为标记蛋白用来鉴定蜂王浆的新鲜度,发现,这个蛋白质的丰度会随蜂王浆的保存时间的延长而减低。

另一种新型食品鉴伪技术,属于蛋白质-基因组学亚级学科的技术手段是微生物指纹图谱。聚合酶链反应-变性梯度凝胶电泳技术(PCR-DGGE,PCR Denaturing Gradient Gel Electrophoresis technique),微生物菌群指纹图谱技术应用到了奶酪类食品中[17],也有用于识别水果类、乳及乳制品、酒、可可、鱼类及可可制品。使用这种方法分析的前提是食品生产过程中有发酵剂的使用。

分子生物学的方法最适用于仲裁。我国在2007年已将PCR技术作为鉴定肉类的标准方法。农业部,出入境检验也均出台PCR技术检测标准。分子生物学的方法用于食品鉴伪的优势在于特异性好,灵敏度很高,能够达到的分辨掺假率为0.1%。该方法的局限性是检测成本和对检验人员的技术要求很高,检测结果出现假阳性、假阴性的比例相对较高。PCR技术在肉类鉴伪检测中,还受到动物性别、年龄、组织器官以及肌肉类型的影响[18]。如果PCR技术能够与基因芯片技术、蛋白质芯片技术、分子印迹技术等有机结合,或许能够适用于更广的食品鉴伪范围。

1.2 色谱联用

1.2.1 常见方法 色谱能够快速可靠的分析复杂食品基质中的目标化合物。基质复杂是食品分析的固有挑战,食品基质中包括大量的化合物,包括肽(多肽)、脂类、糖类、氨基酸、脂肪酸、有机酸、核酸以及植物类特有的化学物质和其他小分子(比如:添加剂、着色剂、香味料、防腐剂等他外源性化合物)。这些化合物的化学性质不同,分子量从很小到1000 u,从大分子到分子聚合物;分子极性范围也可能很宽,比如油类属于非极性,氨基酸属于极性。色谱方法能够得到食品的独特指纹信息用于食品鉴伪。鉴伪分析正是基于分析食品中小的化合物的差别或者是分析食品中独一无二的标记物来实现。

气相色谱(GC,Gas Chromatography)/液相色谱(LC,liquid chromatography)包括各自的质谱联用是当今食品鉴伪研究中的重要工具。MS/MS(串联质谱)三重四极杆,正在取代旧的分析设备。目前主流的分析检测设备包括:气相色谱串联质谱(GC-MS/MS,Gas Chromatography-Tandem mass spectrometry)、液体色谱串联质谱(LC-MS/MS,liquid chromatography-Tandem mass spectrometry)和液相色谱法飞行时间质谱(LC-TOF-MS,liquid chromatography-Time of Flight-Mass Spectrometry)。其各自的技术优势在于:液相分离通常更适用于分析极性化合物,带电荷物质和以分子量大小区分的分子化合物。它主要用于检测蛋白质、氨基酸、碳水化合物、维生素、酚类化合物、三酸甘油酯、手性化合物、颜料等;气相色谱法更适于分析自然挥发或半挥发性分子化合物[19]。通过色谱方法进行食品分析,如脂肪酸,三酸甘油脂、蜡、甾醇类、烃类、醇类、维生素E和挥发物等食品特征物,能够还原食品源信息。液相色谱-三重四极杆离子阱串联质谱技术(LC-QTRAP MS/MS,liquid chromatography-triple-quadrupole linear ion trap mass spectrometry/mass spectrometry)能够对农产品中特征植物源鉴定分析[20]。

新型的液质联用技术:亲水液相色谱串联质谱(HILIC-LC MS/MS,Hydrophilic interaction liquid chromatography)能用来验证包括蛋黄、动物组织的来源[21]。超高效液相四极杆飞行时间质谱(UPLC-QTOF MS)能对掺假率1%的菠萝、橘子和葡萄柚果汁进行快速筛查[22]。

利用色谱技术能够识别食品中的掺假物。比如蜂蜜、葡萄酒、蔬菜和橄榄油、白酒、咖啡、牛奶、奶酪、藏红花、坚果、蘑菇、人参。这种方法进行的鉴伪研究通常是测定目标化合物的含量与目标值进行对比得到结论。

色谱方法研究食品掺假最大的难点(局限性)是前处理的要求较高。针对基质复杂的食品,较强的基质干扰必定影响仪器的灵敏度。但其优势也不可替代:色谱方法的高通量检测是食品掺假快速检测的最佳选择,而且,色谱方法以及操作越来越智能化,与其他技术相比较其发展优势明显,最有可能率先实现快速无损高通量检测。

1.2.2 新型质谱技术 目前质谱种类越来越多样化。多样化的质谱分析技术是为了迎合复杂食品基质分析的需求。质谱技术的发展方向一直是以提高检测的灵敏度、降低背景噪音、提高分离度(分辨率)为宗旨。越来越多适应于分离不同种类待测物的组合式质谱带给食品检测勃勃生机。强大的质谱性能很有可能成为食品蛋白质和多肽表征的核心技术[23]。

高性能的质谱技术能够分析复杂食品基质下有毒有害化合物的检测。比如:蛋白质组学研究中具有技术优势的基质辅助飞行时间串联质谱(MALDI-TOF-MS/MS,Matrix-assisted laser desorption/ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry)[24]。傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS,Fourier-transform ion-cyclotron-resonance mass spectrometry)[25-26]、高分辨率质谱(HRMS,High-resolution mass spectrometry)[27]、线性离子阱质谱(LIT-MS,linear ion-trap mass spectrometry)[28]、质谱成像(MSI,Mass spectrometric imaging)[29]、轨道离子阱质谱(Orbitrap-MS,Orbitrap mass spectrometry)[30]、四极线性离子阱质谱(Q-LIT-MS,Quadrupole-linear ion-trap mass spectrometry)[31]、三重四级杆质谱(QqQ-MS,Triple-quadrupole mass spectrometry)[32-33]。高性能的质谱技术可适用于蛋白质结构的研究、乳清蛋白糖基化、翻译后修饰的多肽的分析、鉴别牛奶的真实性、食品中过敏原的分析、马铃薯块茎组织有毒生物碱的分布研究、水果蔬菜中的农残定量、调味料中污染物(农残)检测、某些致病毒素的分析等[34]。如果不使用色谱前期分离,MALDI在食品质量筛查,食品安全与鉴伪分析中具有巨大的应用潜力和优势。MALDI-MS技术需要的样品量很少,灵敏度很高,且不需要分析物衍生[35]。

用于食品鉴伪的质谱技术还有:质子迁移质谱(PTR-MS,Proton transfer reaction mass spectrometry),利用有机分子的电离软化学电离法,对挥发性有机化合物(VOC,volatile organic compounds)进行定量检测。VOC大多数情况下与水合氢离子(H3O+)反应后带电,同时,H3O+离子转移VOC质子,其亲和力高于水,产生质子化的VOC。随后,质子化的VOC通过电场加速穿过反应室,生成碰撞诱导解离的离子。通过扫描,确定扫描后的质量范围,得到VOC指纹信息。因此,PTR-MS能够提供VOCs绝对定量信息。PTR-MS能实现各种有机物质快速检测,如烯烃、醇、醛、酮、芳烃、腈类和硫化物,对复杂的基质背景具有很低的检测限[36]。

常压质谱是在一个开放的环境中进行,要么是待测物直接暴露在空气中,要么待测物在其自然的环境下与其基质混合,要么利用其辅助表面性质。常压质谱大大提升并简化了质谱分析的速度。现在常压质谱有多种解吸和电离机制。比如,大气压化学电离(APCI,Atmospheric pressure chemical ionization)[37]、大气压光化解离(APPI,Atmospheric pressure photoionization)[38]、大气压解析电离(DAPPI,Desorption atmospheric pressure photoionization)[39]、表面解吸常压化学电离质谱(DAPCI-MS,desorption atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry)[40]、电喷雾解析电离(TD-ESI-MS,Thermal Desorption Electrospray Ionization mass spectrometry)[41]、电喷雾萃取电离(EESI,Extractive electrospray ionization)[42];常压质谱待测物的前处理相对简单,获得的待测分子具有宽泛的质量数和极性,易被离子化从而被质谱仪检测。实时直接分析质谱(DART-MS,Direct Analysis in Real Time)是一种常压质谱的变体[43]。它已经成为一种大规模样品快速质谱分析的成熟技术。DART-MS的电离过程只需几秒钟大气压力下进行。DART的电位施加到具有高的电离电位的气体(通常是氮气或氦气)形成激发态的原子和离子的等离子体,这些低分子量的分子从样品表面被吸附。DART-MS的特点是适用于快速分析,几乎不需要样品制备,耐高盐。DART-MS可以应用于已沉积、吸附在表面或是被解吸的化合物。DART还可以联用TOF质谱应用于鉴伪研究[44]。但是这种方法仅用在检测食品包装物中添加剂(比如塑化剂)的快速筛查,其灵敏度和定量还需要进一步提升和改进[45]。

还有一种新型的质子转移基质辅助飞行时间质谱(PTR-TOF-MS,Proton transfer reaction Matrix-assisted laser desorption/ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry)有望应用在食品鉴伪研究中[46]。无色谱的质谱技术已在食品认证研究中用于揭露标签描述信息错误,食品原产地信息错误,如藏红花、松露、蜂蜜、啤酒、橄榄油、果汁、香料原产地和种类。质谱技术还用于识别食品欺诈,如用廉价的植物油稀释的橄榄油,以廉价的牛奶掺假高价格的羊奶(绵羊和山羊),掺假的驴奶,鲜牛奶中掺杂奶粉,咖啡掺假和动物饲料掺假以及GMOs[47]。表1为已经商品化的色谱联用技术提供的公司以及现有文献描述这些技术能够适用的领域。

表1 色谱联用技术列表

1.3 元素分析和同位素检测

1.3.1 元素分析 元素分析越来越多地应用于食品鉴伪的评估。针对稀土元素的分析,它的指纹信息几乎不会受到耕种条件与收获年限的影响。对于动物源性食物的元素组成在一定程度上受到它们所吃的饲料、植物的矿物质含量、饮用水、当地受污染的状况、土壤状况(地理环境因素)的影响。因此,动物源性食品动态信息正是其植物饲料栽培及营养组成信息的重要反应[42]。

食品中的元素指纹分析有多种分析方法。原子吸收已落后,如今的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS,Inductively Coupled Plasma-Mass Spectroscopy)和电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES,Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy)都具有多种元素同时检测的强有力的分析检测能力。ICP-MS和ICP-AES在食品鉴伪方面的应用包括区分原产地,区分常规食品和有机食品,区分蛋类散养和人工喂养。其他的应用于食品鉴伪的元素指纹分析食品有:葡萄酒、蜂蜜、橄榄油、咖啡、奶酪、水果和蔬菜、香料和食品添加剂。

1.3.2 同位素技术 同位素是同一元素不同质量数的原子。不同的同位素带有相同的电子和质子,不同的中子数造成了他们具有不同的质量数。稳定的同位素被分成两类,一类是轻核同位素,一类是重核同位素。轻核同位素中最常见的有2H/1H、13C/12C、15N/14N,而18O/16O、34S/32S比较少见。重核同位素中最常见的有87Sr/86Sr,比较少见的有206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb、143Nd/144Nd[53]。同位素比率的分析方法有:稳定同位素比率质谱仪(IRMS,Isotope Ratio Mass Spectrometry)[54-55],多接收电感耦合等离子体-质谱(MC-ICP-MS,Multi Collector-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry[56],以及热电离质谱(TIMS,Thermal Ionization Mass Spectrometry)[57]。IRMS结合电子分析,热解仪,平衡仪,气相或者液相色谱法测定轻同位素的比值。较重的同位素的测定用MC-ICP-MS和TIMS。2H/1H的分析也用来标记特征小分子如乙醇,有时候也用到配备有氘探针的NMR设备。

同位素比率测定能够应用在食品鉴伪的分析中是因为相对固定的同位素比率的改变随气候条件的变化,地理环境的变化,以及土壤条件等涉及食品源信息的变化而变化。作为食品主要元素的构成,H和O同位素数据还与水源中这项指标息息相关,N和C的同位素信息则与气候和耕作信息紧密联系,而S的同位素信息受到地质因素,如火山、海洋距离以及某些人为因素的影响[58]。

生物元素的稳定同位素分析自上世纪90年代就已得到了欧盟、国际葡萄与葡萄酒组织(OIV)、欧洲标准委员会(CEN)以及美国分析化学家协会(AOAC)官方标准的认可。方法用以检测酒、蜂蜜、果汁、枫糖浆掺假等。同位素分析法的应用实例还包括用来鉴别天然香兰素和合成香兰素;以及用来鉴别香槟中的CO2是由加入的糖自然生成的,还是直接在瓶中填充的。多同位素比值(2H/1H或D/H、13C/12C、18O/16O、15N/14N、34S/32S、87Sr/86Sr)分析最近多应用在:葡萄酒、橄榄油、柑橘水果、蜂蜜、番茄、白菜、肉、乳制品、蛋、海鲜和咖啡的产地验证研究。同位素指纹分析是鉴定有机种植产品的指标[59-60],在我国同位素指纹信息溯源食品原产地信息的研究尚处于探索阶段[61]。

元素分析和同位素检测在农产品溯源检测中应用最能够体现其方法的优越性[62-63]。农产品原产地鉴伪检测中,两种方法的局限性体现在:单一使用稳定同位素技术或元素分析并不能完成精确的溯源,同位素指纹可以结合其他指标(例如,元素分析、核磁共振和气相色谱法),以便更加准确的测定各种食品的来源和产地。同位素检测技术受其本身需要特殊防护的特点,技术的推广和普及均存在较大的局限性[64]。

1.4 红外及荧光光谱法

在食品品质和鉴别真伪的评估方法中,特定波长下共振光谱分析是一项快速而且非常节约经费的分析方法。新的仪器技术结合化学计量学方法使得多元分析(MVA,multivariateanalysis)更快速,比如近红外(NIR,near infrared)和中红外(MIR,mid infrared)应用于食品基质分析。在红外波长区域,固体、液体或气体吸收能量后发生特征频率共振,生成特征指纹图谱。MIR指纹识别的结果属于分子基础拉伸、弯曲和旋转运动,而NIR指纹的识别源于较短波长下的复杂高频振动。拉曼光谱,基于基本振动模式,能够针对具有指定官能团的样品分子,为其提供有效的样本指纹信息。激发型光谱中的定量检测能达到较高检出限的仪器目前主要为拉曼光谱。拓展技术有傅里叶变换-红外(FT-IR,Fourier Transform to-Infrared)和拉曼荧光(FT-Raman)。红外和拉曼技术最突出的特征是快速、无损。表面增强拉曼光谱(SERS,Surface Enhanced Raman Spectroscopy)与拉曼光谱相比,针对某些特定物的检测限更低,能够应用于食品掺假的分析。这类方法的难点是都需要建立一套适用某类食品的数学模型。掺假率模型的建立需要较大样本量,需要应用到化学计量学和数理统计学相关知识。本方法的局限性为模型的适用范围各不相同,无法建立通用的模型,很难形成有效的具有广泛适用性的标准。

荧光光谱法也是一种简便、无损、非侵入性、价格相对低廉的分析方法。该方法的检出限可以达到非常低,非常适合检测多环芳烃和杂环化合物。最近,追求简便准确低成本的荧光分析,集合先进的分析软件能够实现快速、可靠、可重复性的分析结果。至此,很多种荧光的检测方法都能够实现鉴伪、掺假、品质以及食品组成的分析。荧光检测的一种变型,同步荧光(SYF,Synchronous Fluorescence)利用荧光激发发射提高了分辨率,可应用于食品鉴伪,例如橄榄油掺假[65]。

利用光谱学方法对食品掺假进行的研究有:牛奶和黄豆粉中的三聚氰胺;蜂蜜中掺假高果糖,玉米糖浆,麦芽糖或者粗糖;橄榄油中掺假植物油或者掺假低级或者橄榄籽油;黑胡椒粉中掺假荞麦以及小米;调料中掺假苏丹红以及肉类掺假。据报道应用于真伪鉴别的食品有:牛奶,橄榄油,蜂蜜,葡萄酒,白酒,调味品等食品原料,也有藏红花和小扁豆种子的鉴伪。能够应用荧光检测的天然物质不多,多数食品鉴伪的荧光检测方法只能标记或采用衍生化处理。

1.5 核磁共振(NMR,nuclear magnetic resonance)

食品中含有的化合物种类包括氨基酸、脂肪酸和糖等。核磁共振技术是最适用于分析“高通量”光谱和结构信息的技术方法,能够分析的分子量范围很宽。尤其能够对复杂体系中目标化合物高精度化分析。高通量代谢物研究也可以通过微量的样品制备来实现分析。以前NMR的灵敏度不高是其使用受限的原因,但现今的NMR灵敏度已经能够满足检测实际需要。但核磁共振的检测仪器价格过高,仪器的维护成本相对较高。核磁共振技术很难实现普及化的另一个原因是,其技术本身的局限性可以被高分辨率质谱弥补。而高分辨率质谱的成本优势又体现在其相比较核磁共振而言更广的适用性。

指定位点的天然同位素分流技术(SNIF-NMR,Site Specific Natural Isotopic Fractionation)能够建立天然分子的指纹图谱。该方法的最有名的应用是用来检测酒的原产地信息,已经在1990欧盟法律规定(欧盟法规2670/90,2347/91和2348/91)。非靶向1H-NMR核磁共振技术已经应用在评估食品产地信息[66]。核磁共振(NMR)分析已被用于食品掺假,比如红葡萄酒人工掺入花青素,天然色素中掺假人工合成色素的研究等。用来区分食品的原产地以及掺假信息,比如葡萄酒、咖啡、蜂蜜、橄榄油、蜂蜜、醋、鱼、烈酒、藏红花以及保健食品。

1.6 感官分析

食品的品质鉴伪依据为外观、气味、风味和质地[67]。传统感官鉴定存在个体差异,不够客观。现在仪器设备已经能够达到客观快速,具有针对性的感官参数识别。新型的交感多传感器融合,模拟人类感知的感官鉴定用来评价食品品质备受关注[68]。在技术方面的融合主要有:气相色谱嗅觉测量(GCO,Gas Chromatography Olfactometry),仿生传感器(biomimetic sensors),电子舌(e-tongue,electronic tongue),电子鼻(e-nose,electronic nose),电子眼(e-eye,electronic eye)。电子鼻技术用到了半选择性气体传感器数据,能够对样品的顶空挥发性化合物进行检测。

电子鼻是利用了电子传感器特异性的灵敏通道识别挥发性化合物。大多数的电子鼻利用的是建立挥发性化合物灵敏度矩阵。一种特异性的响应能够转化成信号和数值信息,计算机会根据这些信号建立数理模型。进而,电子鼻的数据获得不同分析模型下的待测样品感官信息。感官分析的优势是前处理快捷,样品用量少,分析步骤简单迅速且成本较低。

目前感官分析作为定义食品品质特征参数的方法正在被学术界接受。我国学者也在这个领域进行了尝试性的研究[69],通过建立数学模型预测羊肉掺假。工具变量的详细分析,结合感官信息的帮助,在某些情况下,GCO将提供相关标记物的化学信息,提供特定属性化合物的行为。感官分析实例应用有:葡萄酒、咖啡、橄榄油、茶、啤酒和奶酪。

1.7 免疫学方法

免疫分析是基于抗原抗体之间的特异性相互作用分析。该方法起源于免疫反应,现被广泛应用在很多领域,用来检测复杂食品基质中的一系列分子化合物,从蛋白质到小的有机物。免疫学方法能够在复杂的食品基质广泛应用的主要原因是该方法快速,灵敏,特异性高,成本低。操作者用起来方便,高通量,能够现场检测。在食品工业中该方法的检测主要针对过敏原、毒素、病原体等检测[70]。食品中的特异性抗体进行分析和应用之前需要通过免疫反应,进行严格筛选获得。酶联免疫吸附测定(ELISA,Enzyme-linked immunosorbent assay)正是免疫分析发展的重要技术。能够利用这种方法进行鉴伪分析的食品有:肉类、鱼类和乳制品。该方法还用于转基因食品的鉴别,以及检测食品是否在加工过程中经历过辐射。用免疫学技术进行食品鉴伪评估包括肉骨粉中的骨钙素测定,魔芋类食品中葡甘聚糖(欧洲禁止使用)的检测,牛乳中免疫球蛋白IgG和三聚氰胺的检测,猪肉中检测掺假牛肉和大豆蛋白。

免疫学方法容易出现两种极端结果:要么很理想地找到了特异性,热稳定性非常好的单克隆抗体,要么抗体的特异性很低,在鉴别同一物种的不同品种动物源性食品时极易出现交叉反应,产生假阳性结果。同样,加工后的样品基质如果更加复杂,即蛋白抗原决定簇的立体结构受到基质环境影响,会影响检测的准确性,因此借助其他方法辅助检测必不可少。

2 食品鉴伪信息库

食品检测已不局限于食品中有毒有害物质的检测。食品营养成分的分析,食品掺假成分的分析为食品安全与原产地保护提供了可能性。食品鉴伪的研究正如现代食品科学与营养和代谢研究一样,正在从经典的常规分析逐步向食品组学(foodomics)的方向发展。研究的领域涉及基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学以及食品的复合分析、掺假分析、与生物安全有关的生物标记物的分析,转基因食品的鉴别等[71]。上述诸多日益强大的分析技术将带来大量食品特征指纹信息。食品鉴伪研究将面临分析这些庞大信息工作的挑战。因此,食品鉴伪研究中数据挖掘、数据融合和特征信息选择至关重要[72]。

生物信息学和化学计量学是食品鉴伪分析中最基本的工具。化学计量学主要解决验证过程中出现的问题,必须结合食品鉴伪数据库具体信息并结合使用适当的数学工具实现[73]。食品鉴伪领域的信息构架尚处于起步阶段,鉴伪评估应具有系统性、全面性和广泛的实用性的特点。食品鉴伪分析的挑战正是其多维性。首先,对食品鉴伪工作至今没有标准化的指导方针和工作流程,因此在实验设计以及结论报告中,仅文献报道就有多种形式,而把这些相似的结论进行比较很复杂。大多数的报道对实验方案设计的描述信息也非常有限,这更限制了对这些报道的评价[72]。

食品鉴伪工作应该涉及技术层面,结构层面以及法律层面的信息。实验的方法与结论应该:1、实验样品材料应该具有足够的代表性,使用标准认证的实验材料,以确保测量的准确性。2、实验中应充分考虑和应对样品含量的自然变异性、测量误差、加工、储存和处理过程中的影响,应对上述问题具有确切的评估。这一步骤在现有文献中都比较缺失,样本量过低。3、不同的研究成果、数据应该能够进行有效比较,能够彼此形成具有参考价值的数据体系[74]。

3 各国食品掺假应对措施

食品监管与国家法制化进程具有一定的联系。美国的国家机构管理体系中,食品法律法规在食品行业中的指引、评价、强制作用处处体现。美国的食品法律比较完备,既是官方的执法依据同时又是企业的操作规范[4]。美国根据商品类别的权限实行了专业化的分工。美国率先建立了食品鉴伪数据库,美国药典委员会(The United Stated Pharmacopeial Convention,USP)针对EMA(Economically motivated adulteration)建立食品欺诈数据库(http://www.foodfraud.org/node)[1],美国食品药物管理局(UnitedStatesFood and Drug Administration,US FDA)、国土安全部(Department of Homeland Security,DHS)也建立的食品保护和防御国家中心EMA事件数据库[3]。数据库中食品掺假事件及其发生时间可随时查询并被及时更新,目前中国掺假事件在该数据库中记录数量为45起。

美国与欧盟在检验机构上都采取了官方检验检测和授权资质的民间检验检测机构并存模式。官方的检验检测机构一般是负责制定法律法规,民间检验检测机构一般执行测试检验和管理任务。欧盟作为发达国家的联合体,拥有完善的商品检验制度。欧盟没有统一的官方检验检疫机构,而是欧盟各成员国自行按商品类别进行专业化分工,然后由政府各部门分管,按法律授权或政府认可实施检验和监督管理[4]。

表2 欧盟食品认证种类与异同

注:数据来源ec.europa.eu/agriculture/quality/door(China-Search),“-”:TSG属于不同类别,无法参与比较。

表3 分析方法间粗略比较

欧盟食品通过食品认证和立法的方式对食品原产地进行保护,以此来防范赝品或质量低劣的商品侵害食品消费者的权益。伴随欧洲一体化进程(理事会条例,欧盟编号2081/92),欧盟立法对食品质量和声誉更加重视。欧盟食品认证的种类见表2。这些立法中列出了葡萄酒和烈酒的监管框架和质量计划,以及食品原产地(PDO,Protected Designation of Origin)信息的保护。哪怕再小的生产步骤也规范地理特征标识(PGI,Protected Geographical Indication)和传统特色保护(TSG,Traditional SpecialitiesGuaranteed)标识[72]。此外,最新提出的可选性质量条款(OQT,optional quality terms),“山货”(“mountain product”)和“岛农产品”(“product of island farming”)也在1151/2012的欧盟法规中做出了定义[75]。此外,原产地与注册数据库(ec.europa.eu/agriculture/quality/door)的列表中已经有1500余种被列为食品源保护的食品,数据库目前还缺乏对未知样本的分类。我国在欧盟官网上已注册的中国原产地保护食品品种和名称等信息有:平谷大桃、龙井茶、陕西苹果(PDO)、盐城龙虾、镇江香醋、金乡大蒜、蠡县麻山药、龙口粉丝、东山白卢笋(PGI)。

这些欧盟计划的目的都是为保护区域性食品的声誉,促进农村和农业活动的有利举措。这种做法让食品鉴伪认证真正发挥了作用,使生产商获利的同时也尽可能的减少和避免了不公平和误导性的竞争。欧盟在这方面的研究活动由欧盟项目Horizon 2020大力支持,参与机构还有:“Food Integrity”,“MoniQa” 和 “TRACE”[72]。

2012年起,我国卫生计生委食品司委托国家食品安全风险评估中心形成了《食品中可能违法添加的非食用物质名单》修订草案和编制说明。2015年10月1日我国开始实行最新的《中华人民共和国食品安全法》。这些均证明我国对食品安全事件的重视。国内关于食品掺假检测的技术的专项研究还比较有限,主要设计到的方法有:实时荧光PCR技术、红外光谱法、扫描电镜[76]以及表面属性[77]。

综上,食品鉴伪研究依赖于数据库的建立。数据库需要综合性且标准化的信息,包含地质信息、种属、生产方式等确切的信息。目前多数的研究都是探索性,显示的数据都是初级信息。各国的食品鉴伪(掺假)数据库中若能够提供掺假预测信息,即通过已出现过的样品及数据可估算和勾画出未知样品的种属和范围,将使数据库更加完整和实用。表3列出了上述食品鉴伪研究中涉及的分析方法间粗略比较,粗略比较中可见食品鉴伪数据库信息呈现显著多维性,我国核心技术相对薄弱。

4 结论与展望

食品掺假、掺杂、原产地与描述不符等均为食品欺诈。食品鉴伪技术的研究为治理这些欺诈行为提供不可或缺的科技手段支持。本文综述了9项目前国内外应用在食品鉴伪研究的技术特点、方法的适用性及局限性。其中,核酸检测方法结合分子生物学的检测手段最适用于仲裁判定,也是国际上食品鉴伪检测的主流方法;色谱质谱技术最适于进行掺假的快速筛查,适用的食品种类最全面,各种新型色谱技术的出现也为食品鉴伪研究提供了更多可能,发展最为迅猛;元素分析,同位素检测分析最适用于检测原产地描述不符;红外,荧光,核磁共振,感官分析能够从食品代谢的角度,待测物构型差别以及特征食品风味差异的角度出发,为食品掺假提供网络化的判断信息;免疫技术操作简单,通量高,成本低,用作快速筛查能为食品最初级原产地的品质提供保障。

食品的种类繁多,基质复杂,鉴伪方法适用性各不相同。同一种掺假方式的检测研究很可能需要多种检测方法相互辅助才能得到可靠的实验结论。因此,鉴于食品基质复杂这一特点,文中总结的目前国内外涉及到食品鉴伪技术研究方法,旨在为食品掺假检测研究提供更多的研究思路,使鉴伪研究不局限于单一研究方法和单项检测结论。虽各方法都存在局限性,合理利用技术优势,规避思维和技术的局限性使鉴伪方法更适用于特征食品基质的鉴伪检测研究,需要研究者与时俱进,有针对性的开拓思路和不断学习。

通过对上述多项食品鉴伪技术的深入思考发现:分析检测技术的发展速度可以说是“三年一创新,五年一革命”。如何能够在食品领域发挥各类分析检测的技术的特长,一直是食品检测科研工作者不断尝试的工作之一。食品鉴伪研究正逐渐由单一技术的应用转变为两个或多个技术联合,并逐步走向与化学计量分析结合,多项结果辅助结论的方向发展。每一种食品鉴伪技术均为多变的掺假行为提供不同层面的技术支撑。因此,食品鉴伪数据库的建立就是将特征食品多项检测项目质控化,量化后进行整合,服务于食品鉴伪研究。

检测方法已经相对成熟的技术,其检验结果能成为食品特征数据库建立的基石。我国现行的食品标准存在缺乏系统性,一些标准重复,尚有些检测标准缺失,仲裁方法落后等问题。食品鉴伪检测技术和标准的建立应综合考虑到上述问题而开展。食品安全检测工作为执行食品安全法律法规提供了重要技术支持,食品鉴伪检测则为推进食品掺假的鉴别,保质期的检测(变质分析与确认),特征原产地(特色产品)的保护,品牌保护,特色食品功能物质确认,非物质文化遗产类食品保护等提供技术保证。为我农业大国的食品品牌走出国门提供更强大的技术支持。

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Research progress of food authentication technology

LIU Yi-jun,LIU Na,ZHANG Yu-meng

(Dalian Institute for Food Control,Dalian 116630,China)

Based on the public awareness of food safety and food quality gradually strengthened,food quality certification has become a rapidly developing field. Food authentication technology is guarantee of food quality by the technology in food discrimination. In this paper,analysis methods and techniques of food discrimination at home and abroad were summarized. Applicability and characteristics of various analytical methods were compared,respectively. The application potential of mass spectrometry in food discrimination was analyzed. Prospect of mass spectrometry in food quality inspection and food authentication were discussed.

food;authentication;mass spectrum technology

2016-05-06

刘怡君(1984-)，女，博士，工程师，研究方向：食品检验，E-mail：liuyijunmail@163.com。

TS207

A

1002-0306(2016)22-0374-11

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.065