食品质量指纹技术

12食品质量指纹技术的应用3食品质量指纹技术研究现状及展望目录食品质量指纹技术简介食品风味等质量指标所包含的内容既丰富又复杂，一般方法很难客观而全面地反映。随着系统科学和模糊科学的发展，食品质量指纹技术逐步形成，并成功应用于风味等质量研究。在食品风味研究领域，依靠现代的先进分析方法与高精度仪器可以精确测定其化学组成，但同样很难解释清楚真正起作用的是哪些物质，这些物质按照不同方式搭配以后又会呈现什么样的效果，也似乎根本没什么规律可言。针对此类问题，当近代科学感到束手无策的时候，中国古代哲学关于系统、整体的一些理念却能够给出较好的解释。于是，以中国古代哲学思维和现代系统科学为理论基础，食品质量指纹技术应运而生。1．指纹技术的概念与特点“指纹（Fingerprint）”的概念起源于19世纪末20世纪初的犯罪学和法医学。法医依据每个人指纹的细微绝对差别可以鉴别、区分不同的个体。但对于复杂多组分分析体系，如中草药的药效成分，香精香料、白酒、葡萄酒以及各种食品的风味成分，采用传统方法研究很难给出合理的综合性解释。借鉴“指纹”的概念和研究思路，人们对从特定样品采集的大量化学信息采用整体的、系统的、模糊的研究方法进行综合评价，并将这种技术称作“化学指纹技术”。化学指纹技术在不同的领域可以有不同的应用模式，并形成各种具体的实用技术。食品质量指纹技术：指样品经适当处理后采用一定的分析手段，得到能够标示该样品特性的色谱、光谱以及其他图谱数据资料，是食品固有的综合的品质特征．质量指纹的研究是建立在现代仪器分析基础上的．例如：气相色谱一质谱(GC—MS)、高效液相色谱～质谱(HPLC—MS)、毛细管电泳一质谱(CE—MS)、核磁共振(NMR)、液相色谱一核磁共振(LC—NMR)、x射线衍射(XRD)等．指纹图谱不仅依赖于先进的分析技术，而且还与数学统计手段以及计算机模拟的方法学密切相关．通过大量基础工作建立的食品质量指纹图谱是辨别食品防伪的有效参考．2．指纹分析的基本参数现有的指纹技术研究的是不同样品经过GC或者GC-MS分析以后的流出曲线，并试图通过出峰数和峰面积大小等指标间接反映样品指纹信息。常用的指纹参数主要有2.1共有峰是指指纹图谱中多个样品所具有的相对保留值相同的色谱峰。2.2重叠率指两个样品共有峰的数目乘以2，除以二者出峰数之和。重叠率在一定程度上反映指纹图谱的相似度，重叠率越大，指纹图谱越相似。2.3N强峰是指在众多色谱峰中，按其面积大小选择的前N个峰面积之和占总峰面积的比例达到一定要求（例如：70%）的色谱峰。它反映样品中各主要成分相对含量的情况。2.4特征指纹峰是一系列共有色谱峰的集合，即样品间的共性，反映所分析样品品种的特性，可实现用多组分来表征产品内在特征。2.5特征指纹峰的相似率与差异率特征指纹峰的相似率是指供试样品与标准样品图谱中某特征指纹峰的面积之比，通过它可显示出两种样品在特征指纹上的相似性。差异率是指供试样品的每个特征指纹峰与标准样品相应的特征指纹峰面积之差的绝对值与标准样品特征指纹峰面积的比值，用来表示二者的差异程度。相似率与差异率是表示供试样品图谱与其标准样品指纹图谱相似程度的数值，它集定性信息与定量数据于一体，是最终鉴定的重要依据。3．构建指纹图谱的主要步骤3.1样品采集样品采集是建立指纹图谱的关键步骤。考虑到样品批次不同所导致的差异，只有在相当数量的样品中，才能清楚地显现出其特征。理论上是采样量越多越好，但可以根据具体情况酌情对待。3.2样品预处理采用适宜的制备方法将样品中的化学成分提取和富集是保证指纹分析的前提。食品风味分析常用的方法主要有静态顶空—固相微萃取（HS-SPME）、同时蒸馏萃取（SDE）、吹扫—捕集（PT）等。3.3指纹数据采集选取适当的方法建立指纹图谱并进行考察。构建指纹图谱方法的主要是色谱法和光谱法。但是，由于化学成分和物质效用间具有一定的相关性，仅对化学成分进行定量和定性分析显得过于肤浅，于是多维多息特征谱应运而生。所谓多维多息，即采用多种分析仪器联用，如气相色谱—质谱、气相色谱—嗅辨仪等，得到同一样品在不同测定方法下的多维指纹图谱，能够获得较全面的信息，尤其适用于成分复杂的多组分分析体系。目前，食品风味成分分析多采用气相色谱—质谱联用（GC-MS）法。气相色谱具有分离效率高、分析速度快、受外界影响较小、稳定性好等特点，质谱能够快捷而灵敏地在线提供指纹图谱中主要成分的化学结构信息，GC-MS是建立食品挥发性风味成分指纹图谱最有效的方法之一。此外，作为一种新型气味分析仪器，电子鼻以其独特的系统、模糊分析特点，可以用于不同个体之间的总体评判。3.4数据分析与特征信息提取在指纹图谱研究工作中，对得到的指纹图谱信息进行科学准确地分析，最大限度地获取其中的有用信息。指纹图谱分析必须首先按照一定的指标对其进行筛选，剔除大量“噪音”信息，得到有用的“信号”，然后再作相应的处理与分析。指纹图谱数据分析的过程，就是对原始检测数据进行处理、分析、提取特征信息的过程。对于相同样品的原始数据，不同的处理和分析可以得到不同的结果。常用的数据分析方法主要有如下几种：3.4.1直观比较法根据图谱外观和所得数据，对供试样品与标准样品指纹图谱的特征进行直观的分析、比较、判断。此法适用于样品的定性、快速鉴别或图谱中数据比较少的情况，但是存在一定的误差。3.4.2量化数据比较法即引入共有峰、N强峰、重叠率等量化指标，对供试样品与标准样品的指纹图谱进行分析、比较、判断。此法较为客观、准确，具有一定的实用性。3.4.3化学模式识别法多组分分析体系的指纹图谱相当复杂，人工比较难免影响结果的准确性。化学模式识别方法根据物质所含化学成分，结合数学统计学、计算机图谱解析和识别技术，用计算机对其进行分类或描述，更为准确可靠、快速方便。3.4.4计算机软件分析技术即基于化学模式识别技术，开发计算机分析软件，并应用于指纹图谱数据分析，以充分挖掘原始图谱提供的有用信息，使分析的结果更加准确、科学，使指纹图谱研究工作更加规范。3.5建立标准指纹图谱依据所提取的特征信息，建立一种可以反映一类/种样品主要特征的图像或图形。我国的白酒是世界上独特的蒸馏酒之一，它与白兰地、威士忌、伏特加、朗姆酒和金酒并列为世界六大蒸馏酒．由于原料、工艺、环境和设备之间的差异，我国各地生产的白酒品种繁多、香型各异，同时，也为造假者创造了以假乱真、获取暴利的机会.其中以次充好是当前白酒行业造假的惯用手段，由于传统的检测方法及标准很难对其进行鉴别，因此,更先进的现代鉴别检测方法就显得十分必要．研究者曾选择中国名优白酒中具有代表性的32种可挥发性的香味化学成分作为分离检测的研究对象，这些组分包含了白酒中的酯类、醇类、酸类、醛类(包括羰基类物质)等4大类物质，它们的含量和比例的变化对白酒的香型和风格有决定性的影响．不同品牌的白酒都有各自的质量指纹图谱，如茅台、五粮液、剑南春等，其质量指纹可以通过气相色谱分析，计算机专家鉴别系统进行识别．果蔬香气物质是具有挥发性、能够产生一定气味的含香物质的总称．它是构成和影响果品鲜食、加工质量的主要因素．香气成分是果蔬产品的一个重要质量指标，自上世纪70年代以来随着气相色谱和样品前处理技术的发展，果蔬香气成分的分析水平得到很大的提高．采用固相微萃取和气相色谱一质谱SPME—GC—MS)技术获取质量指纹已有人实践．例如，Song等采用SPME—GC研究了苹果的香气成分．吴继红等采用SPME—GC—MS方法对苹果中的香气成分进行了分析，获得了产地为山东省沂沅县的金帅苹果的质量指纹图谱，鉴定了其中48个化合物并确定了苹果中的主要香气组分为酯类．蒋玉梅等用GC—MS对“银帝”甜瓜的香气成分进行了分析，分离出了其中82种化合物并确定了“银帝”甜瓜中的主要香气物质为酯类，包括乙酸乙酯、丙酸一2一丁烯酯、羟氨基甲酸乙酯、丁氨酸、丁二酸甲酯乙酯和2一甲基丁酸乙酯等.果蔬香气质量指纹的研究为其贮藏、加工及产品质量控制起到了指导作用．杨铭铎等采用水蒸汽蒸馏法提取香菇中挥发性成分，然后用色谱—质谱联用分析鉴定，用总离子流色谱峰面积进行分析其风味成分。香菇的挥发性成分主要是一些含硫和八碳的化合物。其中二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、甲硫基二甲基三硫醚、1,2,4-三硫杂环戊烷、香菇精是香菇的特征风味成分。其中以含硫的的杂环化合物最为重要，他们是香菇风味最重要的组成部分。食用油的价格差别很大，市场上以次充好的现象也比较普遍．目前主要通过测定一些物理和化学参数来评价食用油的质量和纯度，但这些指标很容易通过不同食用油的调配来获得．随着化学计量学的发展，人们越来越多地倾向于用模式识别技术来处理油脂中的有机成分．Ramon等利用色谱技术分析鉴定了菜油．E1-Hnmdy等采用高效液相色谱(HPLC)对橄榄油的掺伪搀杂进行了分析测定.Gema等采用SPME—GC对橄榄油的掺伪进行了研究．此外，通过气相色谱一氢火焰离子检测器(GC—FID)测定食用油中主要成分脂肪酸的含量分布也可识别不同食用油以达到鉴别的目的．但是，由于食用油中的脂肪酸成分多达二十几种，通过一一比较的识别方法显得不太直观，有人提出用相对不饱和度来识别食用油，定义相对不饱和度为不饱和脂肪酸的总量与饱和脂肪酸总量的比值(U／S)．通常，同一种食用油具有特征的U／S值，不同食用油的U／S值差别很明显，用U／S来识别不同类型的食用油，简便可靠．奶油是一种组分复杂的天然食品，要分析它的香味成分，必须用多种繁琐的方法进行前处理．据报道采用固相微萃取一气相色谱一顶空一质谱(SPME—GC—HS—MS)法，不经前处理，可直接对奶油进行分析，其质量指纹图谱既可用于鉴别进口新西兰天然奶油，也可用于鉴别不同生产国所生产的天然奶油．风味是衡量肉品质的一个重要指标．它与质地、营养、安全性等一起，成为影响人们对畜禽肉取舍的决定因素．Yu等采用溶剂蒸馏法和GC—MS测定了中国熏肉的风味物质，共检测出了40种物质．Tiina等采用电子鼻对气调包装禽肉的挥发性物质的测定中发现，以电子鼻通过对肉的挥发性物质的变化来判断肉的新鲜程度要比常规的感官评价及微生物评价更准确，更快速，甚至比HS—GC法检测速度．余群力等采用SPME—GC—MS分析了白牦牛肉的风味物质，共分离出45种化合物，其中：4(E)一庚烯醛、1一辛烯一3一醇、DL一芋烯、辛醛、1，4～丁内酯、辛醇、壬醛、辛酸乙酯、6一甲基一2一甲氧基吡嗪、癸醛等是具有良好风味的化合物．肉中的有害化学物质是影响肉品质及安全的重要隐患．利用现代分析仪器得到的质量指纹图谱可用于有害物质定性及定量的分析，其操作法简便、可行、有效。Bao等采用GC测定了鱼及鱼制品中的组胺．与传统方法相比，该法简单、迅速且检测线低．Raquel等用顶空一固相微萃取一气相色谱一热能分析(HS—SPME—GC—TEA)分析测定了香肠中的挥发性亚硝氨，为肉制品中挥发性亚硝氨的测定提供了快速、简便、准确的方法．卢伟运用系统聚类的方法对绿茶和红茶进行了聚类分析。袁敏等采用热裂解色谱—质谱法结合模糊聚类数据处理手段，研究了不同品种、不同等级茶叶的指纹图谱，为茶叶的分类和品质鉴定提供了科学依据。何昱等以各批次绿茶样品间的两两重叠率作为筛选构建特征指纹谱样品的依据，将14个绿茶样品按照特征指纹检出率和总差异率的不同划分为3个级别，并分别建立了不同级别绿茶的指纹图谱。刘杨岷等采用顶空固相微萃取气质联用对市售四个不同品种食醋的挥发性成分进行了比较研究，鉴定了其中的105种成分，其中有48种共有成分，主要为醇、酯、酸、呋喃类、吡嗪类等化合物，不同醋样所含的芳香性成分的种类及其含量均存在着较大的差异性。付大友等通过测定酱油、食醋中的总酸等指标，再分别进行聚类分析，将质量相近的物质聚为一类，为各种食品的质量控制与分类研究提供了一种参考模式。卢伟运用主成分分析对标准化后的数据阵抽提了三个主成分，分别用系统聚类和K均值聚类对山西和镇江两类醋进行了聚类分析，结果一致。我国指纹图谱技术在食品领域首次取得成功应用是青岛啤酒股份有限公司潘学启主持的“啤酒风味物