核磁共振指纹谱技术在掺杂食用油检测上的应用

李 毅，辛家祥，朱 晶，王嘉琛，姚叶锋

(华东师范大学 物理与电子科学学院 上海市磁共振重点实验室，上海 200062)

我国是食用油消费大国。据统计报告，我国2017年植物性食用油年消费量已超过3 000万t，随着国民经济的迅速发展和人民生活水平进一步提高，预计到2025年，我国植物性食用油消费将达到3 500万t[1-2]。随着我国食用油需求量的增加，食用油种类、来源渠道也更加多样化，但随之而来的安全性问题也日益突出。国内外市场出现了一系列针对食用油的掺假掺伪方式。对于植物性食用油来说，掺假掺伪最主要的方式之一是在正常油品中掺入地沟油或高价油中掺入低价油等。由于地沟油经高温烹饪，又与环境中其他杂质混合，因此含有大量有毒有害物质，危害人体健康。高价油中掺入低价油虽然不会对人体健康带来太大危险，但却严重侵害了消费者权益。

对各类食用油开展准确有效的检测，判断其是否添加过地沟油或其他伪劣油品，是当前国内油品检测方面的一个关注重点。现有的植物油掺假掺伪检测分析方法主要集中于三大类型。第1种是基于传统的理化检测法，如电导率法、显色法等[3-4]，这些方法主要依赖于检测发现油品中混入的某种或多种特定杂质[5-6]；第2种是光谱法，主要包括各种红外光谱、拉曼光谱等技术，对油品所含成分进行测定[7-9]；第3种是采用气相或液相色谱法，对不同种类植物油中所含掺伪掺假组分进行分离测定[10-11]。由于食用油中非法添加物的种类繁多，上述方法常常存在漏检、错检的情况。更为重要的是，上述检测方法大多需要样品前处理，费时费力。因此，开发更便捷、有效、可靠的食用油掺假掺伪的检测技术与方法，已经成为食用油行业和整个社会关注的一个重要问题。

核磁共振(NMR)技术已经被广泛用于各类食品检测和研究[12-13]。食品检测中的磁共振技术常常具有无需样品前处理、无污染、快速简便等特点[14-16]。目前已有一些利用核磁共振技术检测食用油掺假掺伪的报道[17-18]。从文献报道看，现有技术主要集中在以下两种方式：一种是通过高场谱仪，对食用油中的1H、13C以及31P等主要组成原子进行一维或二维高分辨图谱采集和分析，通过对谱图采用多变量统计方法与数据库进行对比匹配来实现对不同油品的鉴别[19-21]；另一种方法是研究人员也尝试使用低场核磁通过观测食用油中1H的T2弛豫信号差异，并结合主成分分析(PCA)方法来对油品掺假情况进行判断[22-23]。但在实际使用过程中，上述两种方法均存在一些不足。例如，第1种方法需要使用高分辨核磁共振谱仪，检测成本高、周期长，在一些油品的检测上并不具备很好的区分能力[24]。对于第2种方法来说，由于常见油品(以及包括正常和非正常油品)的1H T2弛豫差异不大，简单检测食用油中1H的T2弛豫，常常无法实现食用油区分、鉴伪目的[25-27]。

核磁共振指纹谱技术是近年来发展起来的新技术[28-29]。该技术基于综合观测样品的多种弛豫信息，通过选择性放大待测样品中特定弛豫成分，实现对样品弛豫特征的获取。目前核磁共振指纹谱技术已经成功地应用于医学核磁共振影响人体组织的观察中[30-32]。本文中，笔者研发一种基于医学指纹谱原理的食用油指纹谱检测方法，通过放大待测样品中弛豫差异，以实现对正常食用油和掺水、猪油、牛油等掺杂食用油及高温处理食用油的区分。

1 材料与方法

1.1 实验样品

西王牌玉米胚芽油，山东西王食品有限公司；百钻牌猪油，湖北安琪酵母股份有限公司；肖佬五牌牛油，重庆帅克食品有限公司。以上样品均购于市场。

掺杂玉米油样品制备。准备3份玉米胚芽油，再按质量分数1%的比例分别加入水、猪油、牛油，混合均匀。

高温处理玉米胚芽油制备。取同一玉米胚芽油，高温(178 ℃)加热3 min。

1.2 磁共振实验

所有NMR实验均在Bruker AVANCE III 500 NMR核磁共振波谱仪上完成，实验温度为室温。实验所用的探头为Bruker HXY三通道探头，1H的共振频率为500.13 MHz。

1.3 指纹谱脉冲序列

针对食用油样品开发了一个新型的指纹谱脉冲序列(图1)。在该脉冲序列中，首先施加90°脉冲，然后再施加[τ1-(180°)-τ1]n组合脉冲，等待20 μs后再施加90°脉冲，等待τ2时间后施加90°脉冲，最后对信号进行采集。其中，n、τ1和τ2均为实验中需改变的脉冲参数。通过设计信号采集方式，图1的脉冲序列可给出2种不同类型的指纹谱：①通过固定τ2可获得包含样品1H T2弛豫性质的信号f(n,τ1)，将f(n,τ1)与参考函数F(n,τ1)相减可得到样品T2分布指纹谱；②通过固定τ1可获得包含样品1H T1和T2弛豫性质的信号f(n,τ2)，将f(n,τ2)与参考函数F(n,τ2)相减得到样品T1-T2相关指纹谱。参考函数F(n,τ1)和F(n,τ2)可通过多种方式获得。在本文中，参考函数F(n,τ1)和F(n,τ2)通过拟合对应样品的信号f(n,τ1)和f(n,τ2)获得。在T2分布指纹谱实验中，参数τ1的取值范围为20 μs～1 ms，参数τ2=2 ms固定不变。在T1-T2相关指纹谱实验中，参数τ1=20 μs固定不变，参数τ2的取值范围10 ms～3 s，。两组实验循环次数n的取值范围均为1～40 000。

图1 指纹谱脉冲序列

2 结果与讨论

2.1 玉米油指纹谱采集

2.1.1 二维T2分布指纹谱

图2为通过图1序列获得的二维T2分布信号f(n,τ1)。实验中通过固定τ2=2 ms获得。通过Matlab对f(n,τ1)进行拟合获得拟合函数F(n,τ1)。食用油T2分布指纹谱为f*(n,τ1)=f(n,τ1)-F(n,τ1)。文中出现的T2分布指纹谱中色标右侧的值即为f*(n,τ1)。

图2 玉米油样品的T2分布信号和分布指纹谱

2.1.2 二维T1-T2相关指纹谱

图3为通过图1序列获得的二维T1-T2相关信号f(n,τ2)。实验中通过固定τ1=20 μs获得。通过Matlab对f(n,τ2)进行拟合获得拟合函数F(n,τ2)。食用油T1-T2相关指纹谱为f*(n,τ2)=f(n,τ2)-F(n,τ2)。文中出现的T1-T2相关指纹谱中色标右侧的值即为f*(n,τ2)。

图3 玉米油样品的二维T1-T2相关信号和相关指纹谱

2.2 利用T2分布指纹谱检测不同食用油样品

一些非正常植物性食用油中常常会有较高的含水量。水含量的增加会导致样品信号弛豫特性的改变。为了模仿掺水非正常食用油，笔者制备了掺杂1%水的玉米油样品。图4为玉米油样品和掺杂1%水的玉米油样品的T2分布指纹谱，H区域为笔者挑选的对比区域。由图4可以看到，掺杂样品中H区域的颜色与正常样品相比明显偏红，该特征对比区域可作为T2分布指纹谱鉴别掺水玉米油的特征或标准。同时从图4中也可以看到，除了H区域以外，T2分布指纹谱中也有其他可选择的对比区域，如I区域，同样能够实现对不同样品的分辨。在之后的讨论中，笔者选择区别较为明显的H区域进行比较和讨论。

图4 玉米油和掺杂1%水的玉米油样品的T2分布指纹谱

一些非正常植物性食用油(如地沟油或掺杂地沟油)中可能会含有饱和脂肪酸比例较高的猪油、牛油等动物性脂肪。这些动物性脂肪组分的加入常常会影响样品在核磁共振测试中的弛豫特征。为了模仿该类非正常食用油，在2份玉米油样品中分别添加了1%猪油和1%牛油来模拟地沟油样品。图5为玉米油样品和分别掺杂1%猪油和1%牛油的玉米油样品的T2分布指纹谱，H区域为我们挑选的对比区域。由图5可以看到，掺杂样品中H区域的颜色与正常样品相比有明显差别，该特征对比区域可作为T2分布指纹谱鉴别掺猪油和牛油玉米油的特征。

图5 玉米油和掺杂动物性脂肪组分玉米油样品的T2分布指纹谱

食用油在长期放置过程中自身逐渐会发生氧化。部分氧化的过期油也常常是非正常食用油的一个来源。为了模仿该类非正常食用油，对食用油进行高温处理，利用高温处理会加速氧化过程。图6为玉米油样品和高温处理玉米油样品获得的T2分布指纹谱，H区域为笔者为这组样品挑选的敏感区域。由图6可以看到，经高温处理的玉米油样品中H区域的颜色与纯玉米油样品该区域的颜色相比有较为明显的差别，高温油H区域的颜色偏红，说明高温油该区域的数值与标准曲面的差值大于纯玉米油样品。这结果说明T2分布指纹谱能够有效分辨经高温处理的玉米油样品。由此可见，此方法有望用来检测过期油。

图6 玉米油样品与高温处理玉米油样品的T2分布指纹谱

2.3 利用T1-T2相关指纹谱检测不同食用油样品

利用图1所示脉冲序列，还可以获得T1-T2相关指纹谱。图7为玉米油样品和掺杂1%水的玉米油样品获得的T1-T2相关指纹谱，J、K、L区域为笔者挑选的T1-T2相关指纹谱的对比区域。由图7可以看到，掺杂样品中J、K、L区域的颜色较玉米油样品中的相同区域颜色偏红明显。因此，J、K、L可以作为T1-T2相关指纹谱的特征对比区域用于鉴别掺水玉米油。为了方便讨论，在后面的讨论中，笔者选择J区域进行对比和讨论。

图7 玉米油样品与掺杂1%水的玉米油样品的T1-T2相关指纹谱

图8分别为玉米油样品、掺杂1%猪油和1%牛油的玉米油样品最终获得的T1-T2相关指纹谱，J区域为3种样品T1-T2相关指纹谱的对比区域。由图8可看到，掺杂样品中J区域的颜色与玉米油样品中的相同区域颜色有明显差别，这说明T1-T2相关指纹谱对地沟油潜在的鉴别区分能力。

图8 玉米油和掺杂动物性脂肪组分玉米油样品的T1-T2相关指纹谱

图9为玉米油样品和高温处理玉米油样品的T1-T2相关指纹谱。与上面的分析方法类似，高温油T1-T2相关指纹谱上对比区域J的颜色比玉米油明显偏红，说明在这一区间内高温处理样品的弛豫结果与标准曲面出现较大偏离，从而使其得以与普通正常样品有所区分。由此可见，利用T1-T2相关指纹谱对过期油实现鉴别检测，具有可行性。

图9 玉米油样品和高温处理的玉米油样品的T1-T2相关指纹谱

综上可知，T2分布指纹谱和T1-T2相关指纹谱均能够对玉米油的掺杂进行有效区分。对于玉米油来说，T2分布指纹谱对掺杂的敏感程度似乎低于T1-T2相关指纹谱。与纯油样品的T1-T2相关指纹谱相比，各个掺杂样品的T1-T2相关指纹谱表现出了非常明显的差异。不过，T2分布指纹谱和T1-T2相关指纹谱在鉴别食用油类型和掺杂方面能力的差异性还需要更多的实验数据支撑。

从现有实验结果来看，在相同实验仪器设备及外加磁场稳定的条件下，不同食用油样品指纹谱的实验结果体现出较为显著的差异，并且能与样品类型相对应；但是测试仪器或者外加磁场强度的变化，可能会导致得到的实验结果有所差异。同时，T1-T2相关指纹谱对掺杂物质更为敏感，有望通过划分更多的敏感区域实现对食用油样品的精准区分。不过，T2分布指纹谱或T1-T2相关指纹谱对掺杂食用油检测的灵敏度应该与待测食用油样品性质有关，同时也与标准参考曲面的选择有关。

目前，由于本研究中关于掺伪样品的检测并未用更多的平行实验进行进一步的验证，因此，如要更好地评价T2分布指纹谱和T1-T2相关指纹谱的鉴别区分能力，在后期指纹谱库的建立中，一方面需要大量来源可靠的不同类型食用油相关数据的积累，建立更为可靠的标准曲面；另一方面，也需要通过平行实验获取更多样品的检测数据，展开比对分析，并在此基础上通过调整测试相关参数，进一步验证指纹谱方法的有效性。

3 结论与展望

以市售常见植物性食用油作为研究对象，研发了一套基于核磁共振原理的指纹谱技术。与传统方法相比，本方法对掺杂食用油具有较高的区分度，在对一系列掺杂食用油的检测中，核磁共振指纹谱方法取得了较为理想的结果。所开发的T2分布指纹谱和T1-T2相关指纹谱均能够实现对不同掺杂食用油的有效分辨检测与区分，但是T1-T2相关指纹谱对掺杂物质更为敏感。同时在实验稳定性的测试中，以相同的玉米油为样品，进行了连续2次平行实验，实验结果显示2次实验的T2分布指纹谱和T1-T2相关指纹谱基本保持一致，验证了这一测试方法的稳定性和可重复性。

综上所述，本文中，笔者设计开发的新方法方便快捷、直观性强，为食用油掺伪掺假的快速检测提供了一种非常有潜力的新手段，也可应用于食用油生产销售环节，为食用油上下游的品控管理提供一种可靠的质控方法，在食用油生产、油品质量控制以及掺伪鉴定等领域具有潜在的应用价值。