基于氫氧穩(wěn)定同位素的桃果原汁摻水鑒別

蔣 越 李 安 靳欣欣 潘立剛 張志勇

(1. 北京農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 102206; 2. 北京農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究中心, 北京 100097)

中國(guó)作為世界上水果第一生產(chǎn)大國(guó)，其果汁類飲品因方便飲用、便于攜帶、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等諸多優(yōu)勢(shì)[1]備受消費(fèi)者青睞，且在軟飲料行業(yè)中也占有越來越重要的地位[2]。隨著近年來果汁產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)，且果汁在生產(chǎn)加工過程中所需原料成本較高，一些不法企業(yè)常借以各種摻雜手段以達(dá)到降低成本的目的[3-4]，一定程度上阻礙了食品市場(chǎng)的穩(wěn)定發(fā)展[5-7]。

水果原汁摻水是影響產(chǎn)品順利出口和國(guó)際聲譽(yù)的主要問題之一。針對(duì)果汁市場(chǎng)上出現(xiàn)的摻假現(xiàn)象及多變的造假技術(shù)，越來越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了相關(guān)研究，并提出了一系列的鑒別方法。目前，果汁摻水檢測(cè)可利用折光計(jì)檢測(cè)樣品的可溶性固形物、果汁的緩沖能力[8]、緩沖容量[9-10]及單體氧同位素[11-13]加以鑒別。而利用單體氧同位素進(jìn)行果汁摻水鑒別時(shí)，存在一定局限性，往往會(huì)因同位素發(fā)生分餾使其準(zhǔn)確性降低。試驗(yàn)擬以天然桃汁中水分的氫氧同位素組成為參照對(duì)象，利用全自動(dòng)真空冷凝抽提技術(shù)—元素分析儀—穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀法，使樣品在提水過程中同位素不發(fā)生分餾效應(yīng)，綜合比較不同摻水比例下果汁中H、O兩種同位素組成同天然果汁中水分氫氧同位素組成的差異，并建立摻水鑒別方法，以彌補(bǔ)利用單體氧同位素鑒別方法的不足，旨在為建立桃汁摻水鑒別方法，建立食品安全可追溯體系[14]，推動(dòng)穩(wěn)定同位素技術(shù)在水果及其制品摻偽鑒別領(lǐng)域的深入研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要儀器及試劑

VSMOW2(δ2H=0‰，δ18O=0‰)、USGS45(δ2H VSMOW=-10.32‰，δ18O VSMOW=-2.238‰)、USGS47(δ2H VSMOW=-150.2‰，δ18O VSMOW=-19.80‰)：美國(guó)地質(zhì)勘探局Reston穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室；

GB04459(δ2H=-63.4‰，δ18O=-8.61‰)、GB04460(δ2H=-144‰，δ18O=-19.13‰)：中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所；

穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀：MAT253型，美國(guó)賽默飛世爾公司；

元素分析儀：Flash 2000HT型，美國(guó)賽默飛世爾公司；

榨汁機(jī)：HR1832型，飛利浦(中國(guó))投資有限公司；

旋渦混勻器：IKA VORTEX 4 Digital型，萊貝(上海)科技儀器有限公司；

真空冷凍干燥機(jī)：SCIENTZ-18N型，寧波新芝生物科技股份有限公司；

全自動(dòng)真空冷凝抽提儀：LI-2000型，北京理加聯(lián)合科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集 2019年7～8月于桃子成熟期前往北京市平谷區(qū)采摘同一品種的大桃樣品若干，具體選果要求：成熟度一致、著色較好的果實(shí)；單果質(zhì)量相近；出汁率不低于75%；可溶性固形物含量為11%～15%。外源水樣：北京地區(qū)地下水，于2019年8月1日取自北京市平谷區(qū)。

1.2.2 樣品預(yù)處理 干布擦拭干凈樣品表面，去除果核及果柄，切塊，榨汁，將果渣與果汁分離，收集桃汁樣品裝盒后封口膜封口，于-25 ℃冷凍保藏。

1.2.3 桃汁摻水方案 以水分提取的桃汁樣品為摻偽對(duì)象，將已知?dú)溲跬凰刎S度比的外源地下水樣與桃汁樣品以不同比例添加至10 mL具塞離心管中，其中混合樣品的摻水比例依次為0%，5%，10%，20%，40%，80%，100%，渦旋混勻。

1.2.4 果汁水分提取 準(zhǔn)確稱取1 g桃汁樣品裝入玻璃樣品瓶中，頂部塞滿脫脂棉以防止水果殘?jiān)┓形廴竟苈?，利用自?dòng)水分真空抽提儀對(duì)桃汁樣品中的水分進(jìn)行提取。提取時(shí)間2 h，提取溫度100 ℃，樣品收集冷阱溫度-90 ℃。待收集水分解凍后，過0.45 μm微孔濾膜并轉(zhuǎn)入進(jìn)樣小瓶中，上機(jī)待測(cè)。

1.2.5 果汁水分提取方法評(píng)價(jià) 將桃汁樣品在真空冷凍干燥機(jī)中凍干48 h，分別加入與失水重量相等的標(biāo)準(zhǔn)水樣USGS45、GB04459、GB04460，攪勻，按1.2.4方法提取水樣并進(jìn)行氫氧穩(wěn)定同位素測(cè)定與分析評(píng)價(jià)。

1.3 氫氧穩(wěn)定同位素分析及數(shù)據(jù)表達(dá)

將提取的樣品水分置于元素分析儀的自動(dòng)進(jìn)樣盤中，樣品于1 380 ℃下在玻璃碳珠催化作用下裂解為H2和CO，即樣品中的H和O元素轉(zhuǎn)化成H2和CO氣體，在氦載氣流和色譜柱吸附解吸后，H2和CO先后進(jìn)入穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行同位素比值的測(cè)定。以VSMOW2、USGS45和USGS47為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，采用3點(diǎn)校正的方式對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校正[15]。元素分析—穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(EA-IRMS)參數(shù)為：氦氣載氣流速100 mL/min；H、O裂解爐溫度1 380 ℃；分子篩色譜柱溫度60 ℃。采用相對(duì)測(cè)量法表達(dá)樣品同位素的組成，即將待測(cè)樣品中的同位素比值與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的同位素比值進(jìn)行比較，其結(jié)果稱為樣品的δ值，并按式(1)進(jìn)行計(jì)算。氫氧同位素相對(duì)豐度比值均以平均海洋水的豐度為參照。

(1)

式中：

δhE——元素E的穩(wěn)定同位素比率；

R樣品——樣品中元素E的穩(wěn)定同位素相對(duì)豐度比；

R標(biāo)準(zhǔn)——標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)中元素E的穩(wěn)定同位素相對(duì)豐度比[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007軟件整理各項(xiàng)結(jié)果，并采用Origin軟件作圖，采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行均值的差異顯著性及單因素方差分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氫氧同位素同時(shí)測(cè)定方法評(píng)價(jià)

由表1可知，添加USGS45樣品中δ2H為(-11.10±1.39)‰，δ18O為(-2.38±0.53)‰；添加GB04459樣品中δ2H為(-62.50±0.59)‰，δ18O為(-7.95±0.41)‰；添加GB04460樣品中δ2H為(-142.00±3.40)‰，δ18O為(-20.26±2.14)‰，且P(δ2H)>0.05，P(δ18O)>0.05，說明利用此方法進(jìn)行水分抽提的過程中樣品的δ2H與δ18O 無(wú)顯著性差異，即此過程中并未發(fā)生氫氧同位素的分餾效應(yīng)，故利用此方法可有效提取桃汁中的水分。

表1 真空水分提取-EA-IRMS方法評(píng)價(jià)

2.2 基于氫氧同位素分析的鮮榨桃汁摻水鑒別

2.2.1 果汁摻水后的氫氧穩(wěn)定同位素變化 研究[17]表明，北京地區(qū)大氣降水中δ2H和δ18O的平均值在7～9月份內(nèi)呈溫度效應(yīng)，δ2H和δ18O呈上升趨勢(shì)，且與地下水氫氧同位素較為接近。地下水來源于降水，在地下水形成過程(淋溶、徑流等)中總體上要比降水貧化。果樹的水源主要來源于大氣降水和地下水灌溉[18]，而水果中的水在果樹蒸騰、土壤水蒸發(fā)等共同作用下，導(dǎo)致果實(shí)吸收利用的水比地下水要富集。由圖1可知，當(dāng)桃汁樣品中未加入外源水時(shí)，即在0%處鮮榨桃汁提取的水分中δ2H 為-44.55‰，δ18O為-4.70‰，地下水樣的δ2H為-64.65‰，δ18O為-9.14‰。隨著外源地下水樣占比的不斷增加，鮮榨桃汁中摻雜外源地下水后H、O同位素均呈明顯的重同位素貧化趨勢(shì)，且相關(guān)系數(shù)均>95%，三者之間呈良好的負(fù)相關(guān)性。

圖1 外源地下水樣對(duì)鮮榨桃汁氫氧同位素組成的影響

2.2.2 外源水樣的氫氧同位素多重比較分析 由表2可知，當(dāng)?shù)叵滤畼诱即郎y(cè)樣品總比重≥10%時(shí)，δ2H差異顯著性概率依次為0.032 9，0.001 4，0.000 2，0.000 4，0.000 9；當(dāng)?shù)叵滤畼诱即郎y(cè)樣品總比重≥20%時(shí)，δ18O的顯著性概率分別為0.012 5，0.000 2，0.000 4，0.000 5，說明當(dāng)摻水比>20%時(shí)，P(δ18O)<0.05，此時(shí)摻水與未摻水桃汁存在顯著性差異，可利用單體O同位素準(zhǔn)確鑒別鮮榨桃汁的真實(shí)性；而鮮榨桃汁摻水后，H同位素較O同位素變化更靈敏，當(dāng)摻入外源地下水>10%時(shí)，摻水果汁與同鮮榨桃汁兩者的H同位素存在顯著性差異，即可檢出摻水，因此，可利用H同位素進(jìn)行更少量的桃汁摻水鑒別。

表2 摻不同比例地下水下氫氧同位素多重比較?

2.2.3 基于H、O同位素桃汁摻水綜合鑒別 參照李濤等[19]的方法表達(dá)基于以H、O同位素兩項(xiàng)指標(biāo)協(xié)同檢測(cè)桃汁在摻水過程中H、O同位素組成的變化關(guān)系。若其中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)指標(biāo)同鮮榨桃汁的有顯著性差異即可鑒別為陽(yáng)性樣本，兩項(xiàng)均與鮮榨桃汁的無(wú)顯著性差異，則為陰性樣本。由表3可知，當(dāng)?shù)叵滤畼诱即郎y(cè)樣品總比重為5%時(shí)，P(δ2H)>0.05，無(wú)顯著性差異，記作陰性樣品；當(dāng)?shù)叵滤畼诱即郎y(cè)樣品總比重≥10%時(shí)，δ2H差異顯著性概率值P<0.05，即此時(shí)存在顯著性差異，記作陽(yáng)性樣本；而當(dāng)?shù)叵滤畼诱即郎y(cè)樣品總比重為5%，10%時(shí)，δ18O差異顯著性概率值P>0.05，記作陰性樣品；當(dāng)?shù)叵滤畼诱即郎y(cè)樣品總比重≥20%時(shí)，δ18O顯著性概率P<0.05，較鮮榨桃汁相比存在顯著性差異，記作陽(yáng)性樣本。綜合鑒定后表明：當(dāng)鮮榨桃汁中摻加外源地下水樣，且地下水占比≥10%時(shí)，可利用H、O同位素協(xié)同鑒定實(shí)現(xiàn)對(duì)桃汁的摻水鑒別，與牛麗影等[20]、高敏[21]的方法相比，此方法具有無(wú)分餾、回收率高等優(yōu)勢(shì)。

表3 氫氧同位素綜合鑒別結(jié)果?

3 結(jié)論

通過已知?dú)溲跬凰乇戎邓畼犹砑釉囼?yàn)證實(shí)了氫氧同位素協(xié)同鑒定方法在果汁水分提取過程中分餾效應(yīng)不顯著，但方法具有可靠性；當(dāng)?shù)叵滤急取?0%時(shí)便可實(shí)現(xiàn)桃汁摻水的鑒別，彌補(bǔ)了利用單體氧同位素進(jìn)行果汁摻水鑒別的不足，但圍繞穩(wěn)定同位素技術(shù)的應(yīng)用原理、關(guān)鍵溯源因子及其影響因素等問題還有待深入研究。隨著摻假手段的層出不窮，應(yīng)積極發(fā)展應(yīng)用前景廣泛的新興技術(shù)，如穩(wěn)定同位素技術(shù)等，通過多儀器、多方法、多元素連用的手段大力開發(fā)檢測(cè)技術(shù)[22]，通過實(shí)踐來改進(jìn)方法，提高檢測(cè)的可靠性。