核磁共振技術在酒的質量檢測中的應用

李 堅,曾新安,郭時印,*

(1.湖南農業大學食品科技學院,湖南長沙 410128; 2.華南理工大學輕工與食品學院,廣東廣州 510640)

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核磁共振技術在酒的質量檢測中的應用

李 堅1,曾新安2,郭時印1,*

(1.湖南農業大學食品科技學院,湖南長沙 410128; 2.華南理工大學輕工與食品學院,廣東廣州 510640)

核磁共振檢測技術(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)是一種無損檢測技術,在食品領域應用越來越多。本研究從產地溯源、年份和摻假鑒別三個方面綜述了國內外核磁共振技術在酒的質量鑒定中的研究進展。核磁共振檢測技術利用同位素示蹤和成分分析來進行產地溯源;利用代謝物和氫鍵締合狀態分析來進行年份鑒別;利用全成分分析來進行摻假鑒別。但是核磁共振技術在酒的質量鑒定中還存在著信號重峰,沒有比對數據庫,設備昂貴等問題,需要改進以求更好的推廣該技術的應用。

核磁共振(NMR),酒,產地溯源,年份鑒定,摻假鑒別

核磁共振技術是一種無損檢測技術,在食品檢測中擁有很大的潛力。近年來,科學家們將核磁共振應用到食品中的油脂、水分、蛋白質分析檢測,以及水果品質檢測等方向,并都取得了一定的成果[1-5]。

酒作為人們喜愛的一種飲料,其質量問題一直是人們關注的重點。俗話說“物以稀為貴”,酒的價格也與其產地和陳釀年份有直接關系。就產地來說,高檔進口紅酒的質量明顯高于國內紅酒;就年份來說,年份酒與普通酒的價格相差幾倍甚至是幾十倍。一些不法份子瞄準了這塊市場,摻加造假,以低檔酒冒充進口酒、年份酒,更有甚者,以工業酒精勾兌出劣質產品直接在市場上銷售,賺取暴利。為了保護消費者身體健康,保障消費者合法權益,需要一種有效可靠的檢測酒質量的方法。為此研究者們做了很多研究,嘗試了用高效液相色譜、質譜、紅外光譜[6-7]等方法來檢測酒的品質,且取得了一定的成果。然而相較于上述方法,核磁共振技術有其特有的優勢。如與低場核磁共振技術相比,低場核磁共振更加簡單省時。由于生產工藝、地理位置、原料品種、陳釀時間不同等因素造成了不同產地和陳釀時間所生產出的酒是是有差異的。酒中的理化指標、物質含量都不同,這些參數就是酒所特有的“指紋”。核磁共振如“識別器”一樣,能很好的識別酒的“指紋”,從而對酒的質量進行鑒別。本文從產地溯源、鑒別年份和鑒別摻假三個方面介紹了核磁共振共振技術在酒的質量檢測中的應用。

表1 核磁共振檢測技術在酒的產地溯源中的應用

Table 1 Application of NMR in alcohol geographical origin traceability

產地樣品種類(數量)檢測方法分析方法區分指示物質優缺點參考文獻德國巴登、符登堡、薩克森等13個州的葡萄酒(718)1HNMRSNIF-NMRFDA，ICA，PLS-DA，LDA，PCA18O同位素13C同位素二者聯用在葡萄酒產地溯源預測上的正確率為100%，但SNIF-NMR比較耗時[8]中國沙城產區：混釀葡萄酒(2)，半干型干白(1)，干白(2)，干紅(6)昌黎產區：干紅(2)煙臺產區：干白(2)，干紅(4)1HNMRPCA醇類：乙醇、甲醇、甘油、正丙醇有機酸：乳酸、檸檬酸、蘋果酸等氨基酸：脯氨酸、絡氨酸、肌氨酸、丙氨酸糖類：葡萄糖、蔗糖、甘露糖樣品預處理簡單，節省時間，保護了樣品原有的性質，減少了預處理對實驗的誤差，區分效果較好[9]斯洛文尼亞白葡萄酒(10)1HNMR13CNMR分級群聚分析法氨基酸：脯氨酸、精氨酸、瓜氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、丙氨酸、纈氨酸其他：花青素、丁二醇、甘油、琥珀酸此方法檢測時不需要制定標準曲線，但是在檢測花青素時需要預濃縮和離析分離，并且沒有液相色譜靈敏[10]西班牙葡萄酒：RiojaAlcaesa(12)，RiojaAlta(65)，RiojaBaja(34)1HNMRiECVA異丁醇、異戊醇可以區分同一區域不同小產地的葡萄酒，精確度較高[11]意大利紅酒：阿普利亞產區北部(10)、中部(13)、南部(18)1HNMRPCA氨基酸：瓜氨酸、異亮氨酸、纈氨酸需要樣品量少，一次可以獲得大量數據，但會出現少量重峰[12]葡萄牙、英國等9個國家啤酒：全麥芽、清淡、無酒精(50)1HNMRPCA葡萄糖、麥芽糖、糊精樣品預處理簡單，節省時間，保護了樣品原有的性質，減少了預處理對實驗的誤差，區分效果較好。[13]

注:PCA=principal component analysis主成分分析;LDA=linear discriminant analysis線性判別分析;FDA=factorial discriminant analysis多因素判別分析;ICA=independent component analysis獨立成分分析;PLS-DA=partial least squares-discriminant analysis偏最小二乘判別分析;iECVA=interval extended canonical variate analysis間隔延長典型變量分析。1 核磁共振檢測技術在酒的產地溯源中的應用

從表1中可以看出,選取的檢測樣品品種不同,相對應的指示物質,檢測效果也各有不同。SNIF-NMR與1H NMR技術二者聯用在產地溯源預測上的正確率達到100%,并且所選樣品數量龐大,產地來源廣,可以看出此項檢測技術重復性好,準確率高。SNIF-NMR技術也是目前葡萄酒行業進行產地溯源的主要手段。單獨使用核磁共振技術對酒進行成分分析,再與多元統計分析相結合,也能對不同產地起到很好的區分效果。核磁共振技術不僅能鑒別地理位置相差很遠的產地,通過調整檢測物質也能夠區分出同一產地中不同的小區域。相比較于SNIF-NMR,單獨使用低場核磁共振進行檢測時,樣品準備簡單,節省時間,在快速檢測中很有應用潛力。相比較于液相色譜,核磁共振技術在檢測花青素等物質時并不需要制定標準曲線,在缺少標準品的情況下選用核磁共振技術更為合適。但是在檢測過程中,核磁共振波譜上會出現少量重峰,不利于分析讀譜。核磁共振技術在檢測時幾乎不需要對樣品進行預處理,有效的保護了樣品原有的生物學性質和理化性質,減少了由于預處理對整體實驗所造成的誤差。

2 核磁共振檢測技術在酒的年份鑒定中的應用

Pereira等[14]嘗試利用1H NMR技術探究了不同采摘時間對葡萄皮中所含的代謝物的影響,結合歷年氣象數據分析了代謝物含量與天氣之間的相互關系。此研究為后續葡萄酒年份鑒別工作提供了一個研究方向。Jang-Eun Lee等[15]嘗試運用1H NMR對不同年份的葡萄酒進行成分分析,再結合歷年的氣象數據來鑒別葡萄酒年份,取得了一定的成果。Roberto[16],Ail[17],Anastasiadi[18]分別對阿馬羅尼葡萄酒,德國普爾法茲白葡萄酒,希臘紅酒進行了1H NMR檢測,檢測數據結合多元統計分析發現了不同年份酒中代謝物含量存在差異。曾新安[19]通過對催陳米酒的1H NMR分析,認為催陳米酒的氫鍵締合強度隨著貯藏時間增長而增強。Almeida等[20]用1H NMR對啤酒的釀造時間鑒定進行了探究。具體情況如表2所示。

表2 核磁共振檢測技術在酒的年份鑒定中的應用

Table 2 Application of NMR in alcohol vintage identification

年份樣品種類(數量)檢測方法分析方法區分指示物質優缺點參考文獻2002～2004年法國美樂、品麗珠、赤霞珠三個品種的葡萄(277)1HNMRPCA，PLS糖類：果糖、蔗糖、葡萄糖氨基酸：精氨酸、脯氨酸、纈氨酸、丙氨酸等有機酸：酒石酸、蘋果酸、檸檬酸、琥珀酸樣品預處理簡單，節約時間，減少了預處理對樣品的影響，但是在酚類物質檢測上沒有LC-NMR-MS靈敏[14]2006～2007年2006年，2007年自行采摘的山葡萄所制的葡萄酒1HNMRPCA氨基酸：伽馬氨基丁酸、丙氨酸、脯氨酸其他：丁二醇、乳酸、多酚樣品預處理簡單，節約時間，減少了預處理對樣品的影響，區分效果好[15]2005～2007年阿馬羅尼葡萄酒：2005年(18)，2006年(18)，2007年(10)1HNMRPCA，PLS-DA糖分：蔗糖、半乳糖、海藻糖其他：蘇氨酸、多酚、乳酸鹽樣品預處理簡單，節約時間，區分效果較好，但是沒有聯用色譜/質譜靈敏[16]2006～2007年德國普法爾茲白葡萄酒(59)1HNMRPCA，PLS，OPLS氨基酸：亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、脯氨酸、丙氨酸其他：檸檬酸鹽、琥珀酸鹽、蘋果酸鹽、多酚樣品預處理簡單，節約時間，減少了預處理對樣品的影響，區分效果較好[17]2005～2006年希臘產區不同品種的葡萄酒1HNMRPCA酚類物質能測出葡萄酒中所有芳香物質的信息，且不需要量化和標準識別某些色譜峰[18]PEF催陳廣東玉冰燒米酒1HNMR波譜峰形分析氫鍵締合樣品預處理簡單，節約時間，減少了預處理對樣品的影響，區分效果較好[19]不同釀造時間不同品牌的啤酒(27)1HNMRPCA乳酸、丙酮酸、糊精、腺苷酸/肌苷，尿苷，酪氨酸/酪醇，苯甲乙醇樣品預處理簡單，節約時間，減少了預處理對樣品的影響，區分效果較好[20]

注:PCA=principal component analysis主成分分析;PLS=partial least squares偏最小二乘法;PLS-DA=partial least squares-discriminant analysis偏最小二乘判別分析;OPLS=orthogonal projections to latent structures analysis正交投影潛在結構分析。

如表2所示,核磁共振技術在年份鑒別當中所選區分指示物多為有機酸、氨基酸、糖類、多酚等風味物質。這些物質隨著陳釀過程會發生復雜的化學物理變化,影響著酒的風味口感,這也是年份酒與新酒主要差別所在。在檢測過程會發現有些品牌的葡萄酒老酒中多酚、芳香物質含量少于新酒,而有些品牌的葡萄酒則相反。這是因為葡萄酒都有其最佳飲用時間,過了這個時間,酒的口感品質就開始走下坡路。每種葡萄酒的最佳飲用期都不同,才造成了這種現象[21-22]。因此在分析的時候,應注意區分,同時也迫切需要建立一個數據庫,收集不同葡萄酒信息方便以后比對規整。在檢測多酚物質時,1H NMR不如液相色譜,質譜等儀器靈敏,但勝在樣品準備簡單,在檢測時不需要量化和標準識別某些色譜峰,比較省時。在分析數據時選擇合適的分析方法也非常重要,如PCA(主成分分析)是用來探索數據集的變化情況;PLS-DA(偏最小二乘判別分析)可以用來區分樣品之間的差別。因為這兩種分析方法比較適合區分樣品,所以文獻中所介紹的實驗,大多選用了這兩種方法分析數據?！熬喓险f”認為陳釀之后的酒比新酒口感柔和是由于氫鍵締合的影響,隨著陳釀時間的增長,氫鍵締合的強度也增加[23]。氫鍵締合強度與陳釀時間的關系如何目前還存在著一些爭議[24-25],曾新安[19]實驗所用的樣品為電場催陳米酒,與正常陳釀米酒還是存在著一定差別,當樣品換為陳釀米酒后實驗效果如何還有待進一步研究。表2中其他實驗所用樣品,年份跨度都在2～3年以內,可以嘗試檢測一些年份跨度更大的樣品,來檢驗核磁共振技術的重現性,可靠性。核磁共振在年份鑒別上的應用目前大多集中于葡萄酒上,關于國內特有的白酒,黃酒的研究報道很少,可以在此方向進行拓展[26-27]。

表3 核磁共振檢測技術在酒的摻假鑒別中的應用

Table 3 Application of NMR in alcohol adulteration identification

樣品檢測方法分析方法檢測物質優缺點參考文獻鹿龜酒1HNMRPLS-DA全成分分析樣品的生產時間跨度長達三年，能充分反映鹿龜酒實際情況，但建立模型需求樣本量大，測量時有少量重峰[28]不同香型的白酒：濃香、醬香、清香1HNMR波譜峰形分析甲基、亞甲基質子峰位移和峰數不需要預處理樣品，方便快速，很好的保護了樣品原有的性質，但是只能測量酒精度比較低的白酒，測量高度白酒時，出現強峰壓制的問題[29]不同品種的白葡萄酒：夏敦埃、雷司令、灰比諾、長相思、維歐尼1HNMRGC-TOF-MSPLS氨基酸、糖類、有機酸、醇類、酚類物質二者聯用除了能得到葡萄酒中物質的詳細清單，還能得到酒的黏性口感模型，但是GC-TOF-MS預處理復雜，檢測耗時長[30]不同類型的葡萄酒：桃紅葡萄酒、白葡萄酒、紅酒1HNMRFT-NIRPLS-DA芳香物質、花青素1HNMR檢測花青素的效果優于FT-NIR，并且樣品預處理簡單，方便快速，保護了樣品原有性質，檢測成本也低于FT-NIR[31]

注:PLS-DA=partial least squares-discriminant analysis偏最小二乘判別分析;PLS=partial least squares偏最小二乘法。3 核磁共振技術在酒的摻假鑒別中的應用

研究者們對核磁共振技術在鑒別酒是否摻假的問題上也做了相應研究。冉堅[28]對鹿龜保健酒合格品、殘次品進行了1H NMR分析,數據由PLS-DA(偏最小二乘判別分析)分析,通過散點圖區分合格品和殘次品。韓興林[29]分析了不同工藝白酒的質子峰。Skogerson等[30]通過1H NMR和氣相耦合渡越時間質譜法(GC-TOF-MS)比較了不同品種葡萄所釀的白葡萄酒之間的區別。Ferrari等[31]嘗試了用FT-NIR和1H NMR對葡萄酒花青素造假問題進行了研究。具體情況請見表3。

由表3知,Skogerson等[30]的研究從黏性口感的方向來區分不同類型的葡萄酒,這是一個研究方向。在葡萄酒摻假鑒別的研究上,多選用單一品種葡萄所釀的葡萄酒,如果選用混釀產品,區分效果如何還有待進一步研究。

4 結論

以上介紹了核磁共振技術在鑒別酒的產地、年份、摻假中的應用。此技術還存在一些問題需要重視:酒中成分復雜且屬于醇水體系,核磁共振在醇水環境中檢測一些物質時,波譜會出現重峰的現象。同時,在酒中有些物質的核磁共振信號過于強烈,不利于分析圖譜。因此應改進技術,減小誤差。在鑒別過程中應選擇合適的檢測方法。如文中涉及的三個方面的鑒別,常規核磁共振(NMR)及低場核磁共振(LF-NMR)都可以實現,文中的提到的均為定性分析,在考慮成本及穩定性的條件下后者更具有吸引力,這也是大多數人選擇用低場核磁共振技術的原因。分析數據時應選擇合適的方法?；诤舜殴舱竦木祁愘|量鑒別,本質來看還是要歸結到T1、T2弛豫譜峰分析,化學位移分析及基于序列的定性分析,在涉及到定向分析時需要涉及復雜的數據分析,結果準確性對分析方法有很大依賴性。針對種類繁多的酒產品,應盡早建立一個數據庫,對不同產地、不同年份、不同品牌和不同種類的酒的參數進行規整,方便分類比對確認。核磁共振檢測檢測酒的質量這一方面的研究大多集中在葡萄酒、啤酒上。國內特有的白酒、黃酒等產品研究較少,可以加強此塊領域的研究,彌補技術空白。核磁共振設備價格昂貴,維護費用高,分析專業技術要求高等原因,目前還只在大型企業中得到應用。應降低設備成本,改進技術,使其能夠在中小型企業中也能得到推廣。

核磁共振技術雖然在檢測一些物質時沒有氣相色譜、液相色譜和質譜靈敏,但是核磁共振技術具有操作相對簡單、樣品準備時間短、一次可以檢測多種物質以及無損檢測等特點,在酒的品質快速檢測中,具有很大的發展潛力,應該繼續研究下去。

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Application of nuclear magnetic resonance technology in alcohol quality detection

LI Jian1,ZENG Xin-an2,GUO Shi-yin1,*

(1.College of Food Sciences,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China; 2.College of Light Industry and Food Sciences,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

NuclearMagneticResonance(NMR)technologyisakindofinspectingtechnologyandiscurrentlywidelyusedinfooddetection.TheapplicationoftheNMRinalcoholqualitydetectionwerereviewedfromthreeaspects:geographicalorigintraceability,vintageandadulterationidentification.IsotopictraceandcomponentanalysiswereutilizedbyNMRforgeographicalorigintraceability.MetabolitesandhydrogenbondingstructuresanalysiswereutilizedbyNMRforvintageidentification.IngredientanalysiswasusedbyNMRforidentificationadulterated.Meanwhilesomeproblemslikesignalsoverlap,lackofdatabaseandexpensiveofequipmentpriceinNMRstillexistandshouldberesolved.

nuclearmagneticresonance(NMR);alcohol;geographicalorigintraceability;vintageidentification;identificationadulterated

2016-03-18

李堅(1992-)，男，碩士，研究方向:營養與食品衛生學,E-mail：13242871087@163.com。

*通訊作者:郭時印(1975-),男，博士，副教授，研究方向：營養與食品衛生學，E-mail：gsy@hunau.net。

廣東省科技項目(2015A030312001)；國家自然科學基金項目(21576099，21376094)。

TS207.7

A

1002-0306(2016)19-0396-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.069