大米中香精的检测技术研究进展

张 洋,周珊珊,周 方,王雨婷,唐璐子

(安徽国科检测科技有限公司,安徽 合肥 230001)

大米因其高产、稳产、经济价值高等优势已成为人们日常消费的主食,其产品标准GB/T 1354—2018《大米》由国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会联合发布,标准中规定了大米的术语和定义、分类、质量要求、检验方法、检验规则及包装、标签、储存和运输的要求,适用于以稻谷、糙米或半成品大米为原料经碾磨加工成的食用商品大米[1]。

大米产品常见的一些食品问题,如镉、铅等重金属污染;农药残留;寄生虫和霉菌污染;非法添加香精香料等,严重影响了大米品质和食品安全。大米香精是一种人造香精,主要成分是2-乙酰基-1-吡咯啉(2-acetyl-1-pyrroline,简称2-AP)[2],常用于食品、香水和化妆品中。大米中添加的香精主要成分可以是多种化学物质,具体成分取决于添加香精的品牌和生产厂家。据报道,有些不良商家为了提高大米的口感和颜色,会在大米中添加香精,以冒充香米出售。2023年的3·15晚会上,一家大米加工厂被曝光,他们为了让普通大米闻起来更像泰国香米,在大米中添加香米香精,老板还声称:“我这仓库哪有老鼠,都被熏走了!”[3]香精是一种人工合成的化学物质,其成分往往不透明,而且添加过量或者使用不当,可能会对人体健康造成不良影响。长期摄入违规添加香精、过量添加香精、违规添加非食品用香精的食品,可能会对人体产生一定的刺激作用,影响人体的代谢与吸收,影响肝脏功能等。

国家标准《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》(GB 2760—2014)中明确规定“大米中不得添加食品用香料、香精”。因此,“香精大米”属于违规产品,是不得制作与售卖的[4]。

为了保障食品安全和消费者权益,相关部门会对大米中的香精等添加物进行监管,要求生产企业必须在产品标签中明确注明添加物的种类、用途、含量等信息,同时进行检测和检验,确保其符合相关标准和法规要求。我们就大米中香精的常用前处理和检测方法进行综述和分析,以期为相关从业人员和监管人员提供参考。

1 大米中香精的常见提取方法分析

大米中香精的前处理提取法主要有以下几种。

1.1 直接蒸馏法

将样品置于蒸馏器中,加入适量水,用蒸馏法提取2-AP。主要步骤如下:取1 g样品加入100 mL蒸馏水中,室温下浸泡4 h;将浸泡后的混合物加热至沸腾,然后收集蒸馏液;将蒸馏液转移到另一个集合瓶中,用硫酸和氢氧化钠调节pH值;将蒸馏液中的2-AP萃取到氯仿中,然后蒸干氯仿;用乙醇重溶蒸干的氯仿,并进行色谱分析。主要优点是操作简便、提取效率高、纯度高;缺点是香精成分不完全、适用范围窄、容易受到环境影响。改进优化建议是可调整蒸馏条件,可以通过调整蒸馏温度、时间、压力等条件,来减少香精成分的分解和损失,提高提取效率和纯度;可以结合其他方法,如超声波提取、微波提取等,来提高提取效率和适用范围;完善环境控制,在进行直接蒸馏法提取时,需要对环境因素进行严格控制,如温度、湿度等,以减少环境因素对提取效果的影响,可以使用恒温恒湿箱等设备来实现环境控制。Sugunya等[5]采用水蒸馏法、氮磷检测器和高选择性的色谱柱CP-Wax 51 测定了考道马里105糙米中包含 2-AP在内的 140 种挥发化合物。

1.2 溶剂萃取法

将粉碎的样品加入有机溶剂(如乙醇、甲醇等)中,超声辅助萃取,离心后收集上清液,用氮气吹干,重溶于溶剂中得到提取物。主要步骤如下:取1 g样品加入10 mL正己烷中,室温下浸泡1 h;用玻璃棒将混合物充分搅拌,然后过滤;将过滤液转移至一个离心管中,并加入等体积的水,充分混合;将混合液中的2-AP萃取到氯仿中,然后蒸干氯仿;用乙醇重溶蒸干的氯仿,并进行色谱分析。主要优点是萃取效果好,提取出的香精含量高;可以提取出大米中不同挥发性和极性的香精成分,具有较广的适用范围;操作简便,适用性强。缺点是需要使用有机溶剂,可能会对环境造成一定的污染;由于有机溶剂的挥发性,提取过程需要在通风条件下进行,操作比较繁琐;有机溶剂的使用可能会对提取出的香精品质产生影响。改进优化建议是选择低挥发性、低毒性、环保的有机溶剂;优化提取条件,如溶剂种类、萃取时间、温度等,以提高提取效率和香精质量;加强溶剂回收和处理,减少污染;结合其他检测方法进行验证,提高准确性和可靠性。Hien 等[6]用400 mL纯乙醇为萃取溶剂提取不同品种大米中2-AP。

1.3 超声波辅助提取法

该方法利用超声波的机械作用和热效应,破坏大米细胞壁和细胞膜结构,使目标物质易于释放[7]。具体过程是将样品和有机溶剂混合后,通过超声波处理,将目标物质从大米中提取出来。主要步骤如下:取1 g大米样品加入10 mL正己烷中,室温下浸泡1 h;用玻璃棒将混合物充分搅拌,然后用超声波处理器进行超声波提取;将提取液转移至一个离心管中,离心收集上清液;将上清液中的2-AP萃取到氯仿中,然后蒸干氯仿;该方法具有提取效率高、操作简单、快速等优点。缺点:设备成本较高,对样品量和形态有限制,易引起样品破坏。改进优化建议:考虑超声波功率、时间和频率的影响,对样品进行合适的前处理,如粉碎、加入盐酸等。

1.4 分散液液微萃取法

其原理是利用两种互不溶的液体相,将目标化合物从样品基质中萃取到有机相中,然后通过离心分离有机相和水相,再将有机相溶液蒸发至干燥,最后用乙醇重溶后进行检测[8]。其提取过程如下:取适量大米样品,粉碎后加入水中,制成悬浮液;加入2-乙酰基-1-吡咯啉的萃取剂(如二氯甲烷),并振荡混合;用离心机离心,分离有机相和水相;将有机相溶液用氮气吹干至干燥,再用乙醇重溶后进行检测;此方法的优点是提取效率高,且样品处理过程简单快捷,可以批量分析。缺点是在提取过程中会有一定的误差和样品破坏,同时在乙醇重溶后有可能存在部分杂质干扰,需要进行进一步纯化和分离。针对这些问题,可以通过优化萃取剂的种类和比例、调整pH值和温度等参数来提高提取效率和准确性。

1.5 氢氧化钠熔融法

此方法的原理是通过氢氧化钠处理,使样品中的2-乙酰基-1-吡咯啉水解成1-吡咯啉,使其易于萃取。在色谱分析中,使用高效液相色谱法进行检测[9]。具体步骤如下:取3 g样品加入50 mL水中混合均匀;加入4 mL 10%氢氧化钠溶液,用电子搅拌器搅拌混匀;加热样品至95℃,保持2 h;等待样品冷却至室温,用水调整pH值至中性;用乙酰丙酮萃取样品,萃取3次,每次使用10 mL乙酰丙酮;合并乙酰丙酮萃取液,用氮吹干至干燥;加入1 mL乙醇重溶,过0.45 μm微孔滤膜,取滤液进行色谱分析。该方法的优点是简单易行,提取效率较高,适用于大批量样品的快速检测。缺点是可能会与样品中的其他化合物相互干扰,影响检测结果。改进优化建议是在提取过程中加入对干扰物有选择性的萃取剂,减少对结果的影响。

1.6 液液萃取法

此方法的原理是利用乙酸乙酯作为溶剂,将2-乙酰基-1-吡咯啉从样品中萃取出来[10]。在色谱分析中,同样使用高效液相色谱法进行检测。具体步骤如下:取2 g样品加入50 mL 乙酸乙酯中,混合均匀;加热样品,使其沸腾10 min;等待样品冷却至室温,用氮吹干至干燥;加入1 mL乙醇重溶,过0.45 μm微孔滤膜,取滤液进行色谱分析。该方法的优点是提取效率高,适用于小批量样品的检测。缺点是需要高温处理样品,可能会对样品中的其他化合物造成影响,而且操作复杂,容易产生误差。改进优化建议:优化有机溶剂的选择和使用条件,采用微量萃取方法等。

1.7 固相微萃取法

将大米样品与固相微萃取材料(如聚酰胺纤维、聚丙烯膜等)接触,使目标化合物在材料表面富集,再用有机溶剂洗脱,得到提取物[11-12]。优点:固相萃取法适用于大样品处理,操作简单,提取效果好,可以去除大量的干扰物。缺点:固相萃取法提取的样品纯度可能较低,可能需要进行后续纯化步骤;同时固相萃取柱的选择和使用条件的优化需要针对不同的样品进行。改进优化建议是可以采用不同类型和大小的固相萃取柱进行结合的方法,提高提取效果和样品纯度。

总之,针对大米中2-乙酰基-1-吡咯啉的前处理提取方法,应根据样品的特点和目的选择合适的方法,并针对不同方法的优缺点进行改进和优化,以提高提取效率和分析准确性。同时,建议在使用这些方法时,参考相关的标准文献,以保证实验的可靠性和准确性。

2 大米中香精的常见检测方法分析

大米中香精的检测方法主要有以下几种。

2.1 人类感官评估

人类感官评估是一种常用的检测方法,可以评估大米香精的味道和强度,但是这种方法受到个体差异和主观性的影响,不够准确和客观[13]。其主要原理是通过人类的味觉和嗅觉来评估样品中大米香精的味道和强度。具体步骤:将样品经过前处理后,让评估员通过品尝或嗅闻样品来评估样品中大米香精的存在和强度。但是值得注意的是,在进行人类感官评估时,要注意评估员的个体差异和主观性,尽可能避免主观因素对评估结果的影响。该方法的主要优点:操作简单,可以模拟实际的食品品尝过程,可以评估大米香精的整体感官特性。缺点:存在个体差异和主观性,评估结果不够客观和准确。改进优化建议:可以考虑建立评估标准和方法,降低个体差异和主观性,同时可以结合其他检测方法进行分析,提高检测的可靠性和准确性。

2.2 气相色谱-质谱联用(GC-MS)

GC-MS是一种高灵敏度、高选择性的分析方法,可以通过分析大米中香精的挥发性有机成分来确定香精的类型和含量。其主要原理是样品经过特定处理后,通过气相色谱分离样品中的挥发性有机化合物,并将其带入质谱仪进行检测。通过对质谱图进行分析,可以确定香精的种类和含量。具体步骤:将大米样品加入适量的溶剂中,如乙醇、甲醇等,进行超声波辅助提取,待提取完成后,通过过滤和浓缩等处理,得到含有香精成分的样品溶液,然后将样品溶液进行干燥、衍射等处理,得到适合进入GC-MS分析的样品,上机检测。但是值得注意的是,在样品处理过程中,需要注意避免样品受到污染,以及避免产生氧化、分解等影响检测结果的化学反应。同时,也需要控制样品的提取时间和提取温度,避免对挥发性成分造成损失或变化。该方法的主要优点:灵敏度高、准确性高、特异性好,能够对大米香精中的2-AP进行定量分析。缺点:需要对样品进行前处理,操作复杂,需要专业技术人员进行操作,而且设备价格昂贵。改进优化建议:可以考虑对前处理方法进行优化,降低操作难度和成本,同时可以考虑将GC-MS方法与其他检测方法结合使用,提高检测的准确性和可靠性。应兴华等[14]通过加入内标物2,4,6-三甲基吡啶后经无水乙醇-二氯甲烷(体积比为1∶1)在 80℃水浴中提取,建立了气相色谱-质谱技术( GC-MS) 分析香稻特征化合物 2-乙酰基吡咯啉的方法。

2.3 高效液相色谱-紫外检测(HPLC-UV)

HPLC-UV是一种基于分离和检测的分析方法,可以通过检测大米中香精的色谱峰来确定香精的类型和含量。其主要原理是样品经过特定处理后,通过高效液相色谱分离,然后通过紫外检测器进行检测,通过检测吸光度峰值的大小和位置,可以确定香精的种类和含量。具体步骤:将大米样品加入适量的溶剂中,如乙醇、甲醇等,进行超声波辅助提取,待提取完成后,通过过滤和浓缩等处理,得到含有香精成分的样品溶液,然后将样品溶液进行干燥、衍射等处理,得到适合进入HPLC-UV分析的样品,上机检测。但是值得注意的是,在样品处理过程中,需要注意避免样品受到污染,以及避免产生氧化、分解等影响检测结果的化学反应。同时,也需要控制样品的提取时间和提取温度,避免对挥发性成分造成损失或变化。此外,还需要控制HPLC-UV分析中的温度、流速等参数,以确保分析结果的准确性。该方法的主要优点:操作简单,准确性高,能够对大米香精中的2-AP进行定量分析。缺点:需要对样品进行前处理,而且灵敏度相对较低,不能检测到大米香精中的其他成分。改进优化建议:可以考虑优化柱和流动相的选择,提高灵敏度和特异性,同时可以结合其他检测方法进行分析,提高检测的可靠性和准确性。严峻等[15]用高效液相色谱法对市购大米香精进行分析研究,确定了5种在大米香精中使用的香精成分。

2.4 液相色谱-质谱联用(LC-MS)

LC-MS是一种基于分离和检测的分析方法,可以通过分析大米中香精的非挥发性有机成分来确定香精的类型和含量。其主要原理是样品经过特定处理后,通过液相色谱分离样品中的化合物,并将其带入质谱仪进行检测,通过对质谱图进行分析,可以确定香精的种类和含量。具体步骤:将大米样品加入适量的溶剂中,如乙醇、甲醇等,进行超声波辅助提取,待提取完成后,通过过滤和浓缩等处理,得到含有香精成分的样品溶液,然后将样品溶液进行干燥、衍射等处理,得到适合进入LC-MS分析的样品,上机检测。但是值得注意的是,在样品处理过程中,需要注意避免样品受到污染,以及避免产生氧化、分解等影响检测结果的化学反应。同时,也需要控制样品的提取时间和提取温度,避免对成分造成损失或变化。此外,还需要控制LC-MS分析中的温度、流速等参数,以确保分析结果的准确性。主要优点是灵敏度高,可检测到非常低浓度的香精成分;特异性好,可以区分出大米香精中不同成分,避免了其他杂质的干扰。准确性高,可以对不同成分进行定量分析。缺点是操作复杂,需要使用高端设备,技术要求较高;费用较高,不适合大规模应用;检测时间较长,需要进行复杂的样品制备和分析过程。改进优化建议是优化分离条件和质谱参数,提高检测灵敏度和特异性;研发更高效的样品制备方法,降低操作难度和时间成本;探索更为经济实用的检测方法,例如基于纳米材料或表面增强拉曼光谱等新技术的检测方法。Jost 等[16]采用 HPLC-MS/MS建立了大米和小麦面包中2-AP的分析方法,以磷酸缓冲液为提取剂进行超声提取后衍生,通过加入2-APQ-d4同位素内标进行2-AP的定量。

2.5 快速检测方法(如红外光谱法(IR))

IR是一种基于分子振动的分析方法,可以通过检测大米中香精的红外吸收谱图来确定香精的类型和含量。其原理是基于大米中香精成分所产生的光谱特征,通过光谱仪或光谱分析仪进行检测和分析,不同光谱方法之间的原理和适用范围可能有所不同[17]。具体步骤:通常不需要对样品进行特定处理或提取,直接将大米样品放入检测设备中进行光谱检测即可;但是值得注意的是,在进行光谱检测时,需要保证样品表面干燥、洁净、均匀,并控制样品的厚度、尺寸等参数;同时,也需要根据光谱检测仪器的特点,进行相应的仪器校准和光谱图分析,以确保分析结果的准确性。

2.6 电子鼻(E-nose)技术

电子鼻是一种基于化学传感器的检测方法,可以模拟人类嗅觉系统[18],快速检测大米香精的存在。其主要原理是通过检测样品挥发出的气味来判断样品中大米香精的存在。具体步骤:将样品挥发出的气味吸入到电子鼻中,然后通过电子鼻传感器对气味进行检测和识别。但是值得注意的是,在使用电子鼻进行检测时,要注意校准和维护电子鼻传感器,避免传感器对检测结果产生干扰。该方法的主要优点:操作简单,可以快速识别样品中的气味,不需要对样品进行前处理。缺点:灵敏度相对较低,不能定量分析大米香精中的2-AP。改进优化建议:可以考虑优化传感器的选择和校准方法,提高灵敏度和特异性,同时可以结合其他检测方法进行分析,提高检测的可靠性和准确性。Timsorn等[19]通过电子鼻技术和主成分分析法,对香米中掺杂的普通大米含量进行评估,其线性关系(R2)>0.94。

总的来说,以上检测方法均可用于检测大米中的香精成分。在实际检测中,需要根据实际情况选择适合的检测方法,并根据标准要求进行样品处理和检测条件的控制,以确保检测结果的准确性和可靠性。

3 大米中香精检测注意事项及研究展望

大米中香精检测过程中,需要注意以下事项:(1)样品的制备:样品的制备对检测结果的准确性和可靠性至关重要。样品制备过程中需要避免污染、挥发和分解等影响检测结果的因素,同时还需要控制样品的数量、保存时间和保存条件等。(2)检测方法的选择:不同的检测方法适用于不同类型和含量的香精成分。需要根据实际情况选择适合的检测方法,以确保检测结果的准确性和可靠性。(3)仪器设备的选择和使用:不同的检测方法需要相应的仪器设备支持。需要选择高质量的仪器设备,并按照使用说明书正确使用和维护仪器设备,以确保检测结果的准确性和可靠性。(4)检测标准的制定和执行:在进行大米中香精的检测过程中,需要按照相应的检测标准进行检测,以确保检测结果的准确性和可靠性。同时,需要建立标准的制定和执行体系,并建立相应的质量控制和质量保证体系,以确保检测结果的准确性和可靠性。

目前已经有一些商用的快速检测方法可用于大米中香精的检测,比如基于表面增强拉曼散射光谱(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)技术的快速检测方法。该方法通过将样品与纳米颗粒混合,使得纳米颗粒表面形成具有高度局域化电磁场的“热点”,从而增强样品中目标成分的光信号,提高检测灵敏度和准确性[20]。此外,还有基于气相色谱质谱联用(GC-MS)技术的快速检测方法[21]。该方法通过将大米样品提取后进行GC-MS分析,可以检测到大米中添加的多种香精成分,同时具有灵敏度高、精确度高等特点。目前,这些方法尚未成熟,但随着技术的不断进步和发展,相信未来会有更多更快速、更准确的检测方法被开发出来。

下一步对于大米中香精的检测,可以从以下几个方面展开深度研究:(1)研究开发新的前处理提取技术。在已有的提取技术基础上,改进和优化条件,以提高前处理提取的效率。(2)增加检测方法的准确性和可靠性。在已有的检测方法基础上,可以引入新的检测技术,如质谱法、红外光谱法等,以提高检测的准确性和可靠性。此外,可以通过改进提取、分离和检测等步骤,进一步提高方法的灵敏度和特异性。(3)研究香气成分对大米品质的影响。香精是为了提高大米的口感而添加的,因此可以从大米品质的角度来研究香精对大米口感和营养成分的影响,探讨在保证安全的前提下,如何在不影响大米品质的情况下提高大米的香气成分。(4)研究香精添加的来源和原因。通过调查和分析市场上不同品牌的大米,可以了解到香精添加的情况和原因。从市场角度出发,可以深入探究商家添加香精的原因、频率和方式等,从而为消费者提供更全面的信息和更好的购买决策。(5)了解大众对香精添加的认知和态度。大众对于食品添加剂的认知和态度会对市场需求产生影响,因此可以通过调查问卷、访谈等方式,了解大众对香精添加的认知和态度,探讨如何提高消费者的食品安全意识和知识水平。(6)制定更严格的标准和监管措施。当前,我国对于食品添加剂的标准和监管仍有不足之处,因此可以针对大米中香精的添加,制定更为严格的标准和监管措施,以保障消费者的食品安全和权益。

4 结束语

综上所述,了解大米中香精的问题对我们选择健康食品和保护消费者权益非常重要。相关部门和机构需要不断改进和优化大米中香精的检测方法,以更好地维护食品安全和消费者权益。同时,加强对商家的监管和惩罚,防止他们将添加香精的大米冒充香米出售,也是保障消费者权益的一种重要措施。