穩定同位素質譜在食品真假鑒定和產地溯源中的應用

講座導師簡介：
    馬瀟於2014年加入賽默飛世爾科技，擔任無機質譜應用工程師職務。馬瀟主要負責同位素質譜實驗室客戶培訓，以及世界杯赛程预测 、農業、環境、生態、海洋等領域應用方法開發工作，擁有多年穩定同位素分析經驗。

    隨著我國食品工業的快速發展和世界杯赛程预测 水平的不斷提高，食品原料、生產、經營中摻假、造假等不法行為越來越凸顯。食品摻假和欺詐是一個全球性問題，在商業競爭日趨激烈的背景下，受利益驅動，一些不法企業或個人，為了降低成本增加收入，進行食品摻假和欺詐的行為。食品摻假包括食品成分不合格、標簽不明、灰色市場生產等一係列問題。科技快速發展的同時，食品摻假水平和手段也越來越高明，仿真度極高的劣質產品給檢驗工作帶來了巨大困難，使許多檢測鑒別摻偽的傳統方法失效。食品造假手段不斷翻新，鑒別方法也在不斷發展，如何運用新型高科技檢測手段讓摻假無機可趁已成為食品行業的重中之重。
    在由《世界杯赛程预测 導刊》雜誌、北京肉類食品協會、2022世界杯分组我来预测 共同主辦的“2017食品摻假成分檢測”網絡專題論壇中，全球科學服務領域的領導者—賽默飛世爾科技的馬瀟老師就“穩定同位素質譜在食品真假鑒定和產地溯源中的應用”發表演講。賽默飛世爾科技旨在幫助用戶使世界更健康、更清潔、更安全，其產品和服務幫助用戶加速在生命科學領域的研究，解決在分析領域所遇到的複雜問題與挑戰，提高實驗室生產力。 同位素技術的理論基礎
    由於原子核所含有的中子數不同，具有相同質子數的原子具有不同的質量，這些原子被稱為同位素(Isotope)。同位素可分為兩大類：放射性同位素(Radioactive Isotope)和穩定同位素(Stable Isotope)。凡能自發地放出粒子並衰變為另一種同位素者為放射性同位素，無可測放射性的同位素是穩定同位素。穩定同位素中的一部分是放射性同位素衰變的最終穩定產物，另一部分是天然的穩定同位素，即自核合成以來就保持穩定的同位素。
    穩定同位素技術的出現加深了生態學家對生態係統的進一步了解，使生態學家可以探討一些其它方法無法研究的問題。與其它技術相比，穩定同位素技術的優點在於其能使這些生態和環境科學問題的研究定量化，並且是在沒有幹擾(如沒有放射性同位素的環境危害)的情況下進行。有些問題還隻能通過利用穩定同位素技術來解決，現在有許多農業研究機構和大學已經開始使用高精度同位素質譜計從事合理用肥、果實營養、固氮分析、農藥毒性、家畜氣候對作物的影響的研究，以及食品質量控製等多方麵的研究工作。與原子能和地質研究工作相比，在農業和食品方麵應用同位素方法從事科研和檢測工作正處於方興未艾的階段，隨著人類社會的發展，對農業的要求也越來越高，今後大力開展和普及運用現代化方法研究農業增產、改善果實質量以及進行食品質量控製檢測的工作前途無限廣闊。
同位素技術在食品真假鑒定和產地溯源中的應用
    同位素技術目前是國際上用於辨別食品真假、追溯食品來源和實施產地保護的一種有效方法，在世界杯赛程预测 領域的應用前景廣闊。同位素溯源技術的理論依據是由於生物體內同位素組成受氣候、環境、生物代謝類型等因素的影響，不同種類及來源的食品原料中同位素的自然豐度存在差異，以此區分不同種類的產品及其可能來源地。同位素溯源技術在鑒別食品成分摻假方麵的研究有很多，主要有鑒別蜂蜜的真假，辨別果汁中是否加水，辨別葡萄酒中是否加入“三精一水”，以及白酒中是否加入食用酒精等等；此外，還可進行地溝油、有機食品等摻假分析。利用同位素溯源技術追溯食品產地和來源的研究也有很多，由於不同地域的食品受產地環境、氣候、地形、飼料種類及動植物代謝類型的影響，其組織內同位素的自然豐度存在差異，利用此差異可判斷產品的原產地。包括辨別葡萄酒產地、防止假冒進口酒、辨別不同肉類和乳製品的產地等等。
蜂蜜摻假檢測
    同位素檢測方法在蜂蜜摻假檢測中的應用最為普遍，鑒別蜂蜜造假的方法大多數是依靠感官，但蜂蜜的摻假通過感官基本上無法辨別。最初的蜂蜜造假手段是1998年美國AOAC機構發現的玉米糖漿造假法—在純天然的蜂蜜加入玉米糖漿。而玉米糖漿造假法的檢測方法就是利用玉米糖漿與天然蜂蜜的C同位素值的差異來鑒別蜂蜜的真假。早在2002年我國工商部門就已經用此方法來甄別市場上的蜂蜜。
    不過，道高一尺，魔高一丈，造假手段也是更上一層樓。不法商販不再選用C同位素值為C₄的玉米糖漿，而是改摻C同位素值為C₃的大米糖漿，這種摻假所用的大米糖漿大多都是陳舊腐敗的大米，對人體沒有太大傷害但也毫無益處。隨著技術的發展，大米摻假的檢測方法也隨之產生—高效液相色譜聯用IRMS技術。這種技術把待檢蜂蜜中的糖分一一分離並測定其含量，通過這些糖分之間的差異就可以判別蜂蜜中有無摻假。
葡萄酒摻假檢測
    葡萄酒的摻假內容—三精一水：糖精、酒精、香精、摻水。
    葡萄酒中的酒精（乙醇）應該是由葡萄果自然發酵產生，但有些商家為了利益，在葡萄酒中摻入食用酒精，這種食用酒精大多是玉米秸稈發酵而成，雖對人體無害，但劣質廉價，對人體毫無益處。
    由於葡萄本身產生乙醇的C同位素值與食用酒精（通常為玉米酒精）中乙醇的C同位素值不同，所以通過鑒定乙醇的C同位素值就可輕鬆辨別葡萄酒的真偽。同樣還可以采用GasBench平衡法來分析葡萄酒中的H/O同位素來判定葡萄酒中是否摻水。雖然行業內有很多方法用來檢測葡萄酒真假，但原理相同—根據同位素質譜檢測，隻是前期的進樣方式不同。
GasBench平衡法鑒別鮮榨果汁NFC與濃縮果汁摻水
    值得注意的是，市麵上有一款標簽上注明NFC（Not From Concentrate非濃縮還原汁）的果汁，是將新鮮原果清洗後壓榨出果汁，經瞬間殺菌後直接罐裝(不經過濃縮及複原)，完全保留水果原有的新鮮風味。而市場上絕大多數的純鮮果汁，隻是一般的濃縮還原果汁，即將濃縮果汁兌以水、糖、防腐劑等添加劑還原成可喝的果汁。由於經過濃縮與還原的複雜加工，其新鮮度及口感均無法與NFC產品相比較，所以NFC果汁價格是普通果汁價格的3倍左右。通過同位素質譜技術可以輕鬆辨別NFC果汁和摻水的濃縮果汁，其原理是通過檢測果汁中水的含量，天然水果中的水和摻水的果汁中的水的H/O同位素值是不同的，如果果汁中的H/O同位素值偏離全球大氣降水線的值，那就證明該果汁的水分並不是來自於水或者是降水，這種果汁就是天然鮮榨果汁，如果果汁中的H/O同位素值貼近全球大氣降水線的值，說明果汁中的水分來自於自來水，證明其為摻水濃縮果汁。
有機食品真假鑒定
    有機食品(Organic Food)也叫生態或生物食品等，是國際上對無汙染天然食品比較統一的提法，通常來自於有機農業生產體係，根據國際有機農業生產要求和相應的標準生產加工的。同位素質譜方法鑒別有機食品和非有機食品的依據主要是檢測N同位素值。普通食品（水果、蔬菜和糧食）在培育過程中所使用的是由化學方法製造或者開采礦石經過加工製成的無機肥料，包括氮肥、磷肥、鉀肥、微肥、複合肥料等，它們具有以下特點:成分單純、養分含量高、肥效快、肥勁猛。化學肥料種類較多，性質和施用方法差異較大。某些肥料有酸堿反應，一般不含有機質，所以化肥的N同位素值接近於空氣的N同位素值，因其沒有發生分餾而數值偏低。如在培育水果、蔬菜時施的通常是來自於人畜糞便的農家肥，糞便中的N同位素經過一係列的累積就會比化肥中的N同位素值高。所以N同位素值是區分有機食品和非有機食品的重要指標。
有機牛奶真假鑒定
    有機牛奶的C同位素比值相比普通牛奶比值明顯偏負，因為出產有機奶的奶牛主要以天然牧草（C₃植物）為食，而出產普通牛奶的奶牛飼料中更多的是以家用飼料（C₄植物）為主。此外，與普通牛奶相比，有機牛奶不飽和脂肪酸含量相對較高，尤其在亞麻酸和亞油酸含量方麵差異比較顯著。
牛肉的產地溯源
    通過檢測牛肉的C同位素值來判定其所使用的飼料，由此來判定其來源。但這種方法在牛肉產地溯源方麵並不絕對，因為這與牛的喂養方式、放養方式等很多環節都有很大聯係。
產地溯源需要很大的樣本量和數據庫來支撐。歐盟TRACE項目的目的就是聯係整個歐洲國家不斷收集樣本，最終建立同位素數據庫。目前我國尚沒有統一的同位素數據庫。
    同位素產地溯源取得的樣本越大越好，同位素指標越多越好。不僅要加入同位素指標，還要加入元素指標（元素的濃度和含量分析），檢測元素越多，檢測結果越準。
同位素質譜儀的技術特點
    穩定同位素技術還應用於農業、醫學和環境科學研究領域，通過同位素分析，可以得知農作物施肥的最佳配方比和時間；診療病症；了解物品組成成分與來源；推斷古氣候及環境條件特征。穩定同位素技術的優點是實驗過程簡便、自動化程度高、不破壞產品的性質、靈敏度高。但其也存在缺點，即不同地區環境的相似性可能導致同位素比值差異不明顯，例如C同位素主要反映飼料中C₃、C₄植物所占的比例，而飼料的改變會隱藏或混淆地域來源的信息；水的H/O同位素受到氣候和環境的影響，如果在相似地方可能導致無法有效判斷食物的來源。
    賽默飛推出穩定同位素比紅外光譜儀(IRIS)，利用最先進的中紅外光譜法，可實現δ¹³C和δ¹⁸O的同時測定。這款分析儀幫助用戶在溫室氣體監測、生態學和植物科學、火山監測、碳儲量及碳封存等廣泛的研究領域中獲得重大的科學發現。
    Delta Ray穩定同位素比紅外光譜儀配備了萬用參考氣導入接口(URI)，為實驗人員提供了全自動的參考氣導入和校準方法以確保測量結果的準確性，參考氣濃度可自動調整至與樣品氣濃度一致的水平以實現卓越的性能。使用選配的稀釋箱，可以分析CO2₂濃度在200 ppm至100%的樣品。模塊化設計，重量輕以及內置參比設計使得Delta Ray同位素比紅外光譜儀成為要求苛刻的現場應用，是溫室氣體監測、生態學、植物科學、碳儲量及碳封存、火山監測的理想選擇。