食品真伪检测同位素

作者:Christian Lüttmann 发布时间:2022-03-03
冰淇淋中的香草味是来自实验室还是香草豆,花蜜是纯的还是用糖浆稀释的——稳定同位素分析可以解释这些问题。这使得检测元素天然存在的同位素成为了可能,这些元素赋予每种食物典型又不可见的标签。

本文作者系《实验与分析》 德文版编辑

早餐是一个果酱面包,下午是新鲜出炉的蓝莓松饼配一勺冰淇淋,晚上是丰盛的肝肠面包,香草无处不在。这种香料甚至被用在香肠中以改善味道。毫无疑问,它是名贵的,一公斤香草豆的最高价格甚至会超过700欧元,是世界上最昂贵的香料之一。这是因为花朵必须手工授粉 ,而且需求量巨大。据消费者中心统计,香草及其主要调味物质香草醛的年需求量约为37 000 t。我们将当今如此之多的产品含有香草香味归功于香味物质的化学合成。早在1874年,化学家Wilhelm Haarmann和Ferdinand Tiemann就开发了一种方法来从天然物质针叶树中提取深受青睐的香兰素。

今天,工业生产的香兰素通常来自使用木材和造纸工业残留物的工艺过程。由此产生的木质素在化学过程中转化为芬芳的香味。与手工采摘的香草豆相比,化学生产的香草醛便宜很多。从化学的角度来看,它与高价波旁香草中的香草醛没有什么不同。香气分子中的每个原子都恰好在它需要的位置。如果可以拍摄分子,便可发现无论是来自工厂的搅拌罐还是来自香草植物的豆荚看起来都一样。这使得它对食品造假者极具吸引力。这些造假者在产品中将廉价生产的香草醛标记为昂贵的波旁香草调味料。有一种根据不同大小和化学性质分离物质的方法可以用于跟踪它们,色谱法就是这样。

如何区分化学性质相同的分子

如何区分化学性质相同的分子呢?这可以通过稳定同位素分析(SIA)来实现。该方法利用了这样一个原理,即某些化学元素(例如碳)以不同的形式出现,它们在化学性质上相同但具有不同的物理性质。除了“标准”碳12C之外,还有例如更重的13C同位素,它的核内多了一个中子。这些同位素可以通过特殊的高灵敏度质谱仪,即同位素比质谱仪(IRMS)进行区分和量化(见图 1)。

图 1 :稳定碳同位素比率可用于检验蜂蜜等食品的真伪过程

图 1 :稳定碳同位素比率可用于检验蜂蜜等食品的真伪过程

14C是一种不稳定的同位素,会随着时间的推移而衰变,因此用于放射性碳法测定化石的年代。与14C不同,13C是一种不会自行衰变的稳定同位素。因此,在自然界中,在所有有机物质中,大约每100个碳原子中就有一个是13C。这种比率也可以在动植物中找到,包括香草豆及其香草醛分子。

然而,经过仔细分析很容易发现这个比率并非在所有地方都完全相同。它会发生轻微的波动。不过这些波动并非纯属巧合,而是取决于各种影响,比如植物光合作用途径中的化学反应。由于较重的同位素比较轻的同位素反应稍慢,因此同位素分馏是新陈代谢中化学变化的结果。这意味着代谢产物所含的重同位素比反应前要少一些。“因此,同位素比率可以用来证明食物的真实性。”Tentamus食品掺伪鉴证中心的Arne Dübecke说。当香草植物通过光合作用和各种生化反应从空气中的二氧化碳中产生香草醛时,13C的含量比起始原料中的要少。另一方面,工业生产的香兰素通常由石化原料愈创木酚通过完全不同的反应制成。这导致同位素比率与香草豆的代谢产物明显不同。在使用SIA比较香草醛提取物时,很容易看出样品是否含有天然香料和天然相同的对应物。这体现了与国际标准维也纳Pee Dee Belemnite (VPDB) 的相对偏差δ13C[‰]。

VPDB是白垩纪海洋化石的同位素比率,其特征是13C含量异常高。大多数天然物质的13C 为负值,因为它们所含的13C比这些古老头足类动物的碳酸钙化石少,这些化石属于箭石类。“根据这个值,我们可以区分香兰素是否真的来自豆荚,亦或是通过生物技术获得的,还是完全来自实验室的化学化石。 这可以通过不同的同位素特征来识别。”食品专家 Arne Dübecke 解释说。

行连续、精确的计算,减少从豆荚中发现香兰素的值为 -21.5 至 -16.8/mil,而工业生产的愈创木酚中的香兰素为 -36.2 至 -24.9/mil。

出示同位素,便可知道你来自哪里

当然SIA可以做出的判断还不仅这些,如表1所示。该方法甚至可以帮助验证产品的原产地。由于气候和空气的成分,碳的同位素比率因位置而异。例如,来自大溪地的香草醛在 -19.7 到 -15.9 ‰ 的同位素比率不同于马达加斯加的波旁香草(-21.5到-19.2 ‰)。

水中的同位素比其他载体更适合进行地理比较,如稳定氧同位素18O/16O的比值。重同位素通过蒸发与水蒸气一起释放到空气中,并被风带到大陆。当水蒸气凝结成雨滴时,重水分子比普通水快一点,因此重同位素在液相中积累。因此,云层越靠近陆地,就越能清除掉重同位素。在地下水样品中,氧的同位素比存在梯度,从沿海地区向内陆的同位素浓度越来越低,因此δ18也越来越小(见图 2)。

图 2:恒定的主风向(箭头)影响地下水的同位素分布。

图 2:恒定的主风向(箭头)影响地下水的同位素分布。

“为了更准确地说明地址差异,还使用氢、氮的同位素,有时还会使用硫或锶的同位素。”Dübecke.克解释说。除了同位素之外,还可以使用ICP-MS 查看痕量元素谱,这同样会很有帮助。专家说:“如果不同采样点的地质差异很大,那么通过这种组合可以很容易地区分起源区域。

蜂蜜造假者没有机会

然而,食品的真伪检查并不总是与异国香料有关。区域产品的植物和地理来源也是有时用来做出虚假陈述的关键点。来自Intertek Food Services的Ulrike Burmester说:“在许多情况下,稳定同位素分析可用于确定天然产物的来源区域。例如,弗赖堡化学和兽医调查办公室通过检查芦笋中的C、H和O同位素比来区分它们是来自Breisgau还是博登湖。”部门负责人会专门检查蜂蜜的真伪。 食品检查员解释说:“每一次蜂蜜真伪测试的基础都是直接从养蜂人那里取样。在可验证真实样品的基础上,确定蜂蜜在合法范围内,其中还考虑到了品种和气候特定的波动。”

除了蜂蜜的成分,添加非蜂蜜糖。更具体地说,蜂蜜真的是直接从蜂巢里出来的,还是加了玉米糖浆之类的糖浆?在这种情况下,可以使用稳定同位素分析或同位素比质谱仪 (IRMS) 检查碳同位素比13C/12C。实际上,使用稳定同位素分析可以特别好地检测玉米糖浆。因为它来自所谓的C4植物。这些植物通过与两种碳同位素以相同速度运行的反应机制结合大气中的二氧化碳。由此产生的糖分子具有与二氧化碳相似的同位素比率。与之相反,蜂蜜则是基于蜜蜂主要从C3植物收集的花蜜。这些植物使用光合作用途径,其12C同位素的转化速度明显快于13C同位素。因此与来自C4植物的糖相比,储存的13C显着减少。 13C/12C同位素比在C4植物(如玉米)和C3植物(如蜜蜂采蜜时飞至的众多开花植物)中存在显着差异。在来自C3植物的蜂蜜中,δ13C主要在-22.5至-27.5 ppm范围内。玉米和甘蔗等C4植物的含量范围为-9至-11 ppm。

自1996年以来,公职分析化学工作者协会的标准方法AOAC 998.12就已用于检测蜂蜜。迄今为止,这是检测蜂蜜的唯一官方方法。为此,蜂蜜中所含的蛋白质首先在实验室中沉淀,它们的同位素比被用作相应蜂蜜的参考值。Burmester解释说:“将蛋白质同位素作为内部标准是可行的,因为可能添加的糖浆通常不含任何蛋白质,例如酶。因此,沉淀蛋白质的同位素比率仍然是相应蜂蜜的特征,无论它是否已被掺入其他物质。”总值δ13C的情况则有所不同。例如如果蜂蜜中添加了玉米糖浆,由于掺入了异于蜂蜜的糖,蜂蜜中的该值会发生变化。如果蛋白质和蜂蜜的同位素比率有显着差异,则极有可能添加了糖浆。“蜂蜜中的C4糖含量可以使用所描述的AOAC方法计算。玉米糖浆的同位素值可作为参考值。”专家补充道。

单采用一种检测方法不能判定结果

如果混合其他添加物(例如甜菜汁中的C3糖浆)而不是例如玉米中的C4糖,则需要采用与原始AOAC 998.12不同的检测方法。因为C3糖可以具有与C3开花植物中的蜂蜜相似的同位素比率。蜜蜂主要飞向这些C3开花植物。 这时可以采用LC IRMS检测食品真伪。食品化学家首先使用液相色谱(LC)分离糖组分,然后使用联机的同位素比率质谱仪(IRMS) 检查单糖、二糖和三糖。“如果蜂蜜中没有添加外来糖,那么蛋白质、蜂蜜和糖分的同位素比例会非常相似。但是,如果添加了例如蔗糖糖浆,则会改变二糖的同位素比率。我们正在寻找的正是这些差异。”真伪检查员Burmester说。她强调说:“然而,目前市场上有许多不同的蜂蜜糖浆组合。我们不能单采用一种检测方法就蜂蜜的真伪做出可靠的陈述。因此,我们Intertek只建议将稳定同位素分析与其他方法(如NMR分析和LC HRMS)结合使用。”通过采用正交方式来使用不同分析技术,想要查出食品是否造假只是投入的问题。

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参考数据库:分析所带来的的机遇和困难

来自真实样品的参考材料对于稳定同位素分析具有重要价值。但要做到这一点并不容易,正如Tentamus食品欺诈中心的Arne Dübecke所描述的那样:“在建立布鲁克蜂蜜数据库时,我们从一个长期可靠的合作伙伴那里收到了参考材料。然而,我们对AOAC 998.12的常规分析表明,它含有47%的来自C4植物的外来糖,例如蔗糖。这表明,即使提供参考的直接接触者没有任何恶意,也有可能已经被其他人欺骗了。”

另一个困难是数据交换。就标准化和所包含的样本范围而言,采用通用数据库将是有利的。 但是,诸如数据保护之类的政策障碍使这项工作几乎不可能完成。Dübecke说:“Max Rubner 营养与食品研究所的国家食品参考中心已经尝试为所有不同的联邦州之间的数据交换建立一个共同的基础,但由于无法将联邦州的不同要求协调一致,以致于无法预期整个欧洲的共同数据库。” 

尽管存在一些政策限制,但现有数据库仍在继续增长,实验室可以在必要时请求相关数据。这种合作使跟踪食品伪造变得更加容易。


原始标准

Pee Dee Belemnite (PDB) 是碳稳定同位素分析的国际标准。 该值基于白垩纪海洋化石的同位素比率,其特点是 13C 含量异常高。 当今大多数天然物质的 δ13C 为负值,因为它们所含的 13C 比碳酸钙化石少。 由于化石本身只提供有限的材料,设在维也纳的国际原子能机构人为此复制了这个标准,简称为Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB):(13C/12C)VPDB=0.011180。

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