基于特征標志物的糧油食品摻假鑒別技術研究進展

趙璐瑤， 段曉亮， 張 東， 劉建壘， 常 柳， 商 博， 孫 輝

(國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037)

糧油食品是我們日常生活中很重要的一部分，對其正確的摻假鑒別對食品的安全性和真實性都具有重要意義。利益驅動的糧油食品摻假行為不僅危及食品市場的公平秩序，還侵犯了消費者的合法權益。目前，常見的食品摻假行為包括冒充、稀釋、違法添加非標注成分等，其中，冒充和稀釋大多為質量和營養問題，如低值菜籽油冒充高值橄欖油、普通大米冒充有機大米等，而摻雜不符合衛生和安全標準的低值食品則存在安全問題。同時，違法添加非標注成分也存在安全問題，如在食用油中添加地溝油等。另外，五常稻花香大米作為地理標志食品，其摻假普通大米的現象還涉及原產地問題。有機大米、橄欖油及全麥粉等是糧油食品摻假最為常見的食品，開展食品摻假鑒別技術研究已經引起全球食品質量安全領域的廣泛關注[1, 2]。

糧油食品摻假鑒別分析主要依賴于糧油食品中的特異標志物(詳見表1)。與糧油食品地域相關的標志物，包括與土壤和環境相關的礦物元素指標，以及與水源相關的H和O同位素指標等[3]；與品種等有關但受多種因素影響的標志物，包括糧油食品的總化學成分、遺傳物質、感官特性等[4, 5]。糧油食品基質具有復雜性，隨著食品產業的迅速發展，摻假方式也逐漸隱蔽化，亟須具有可預測性和非目標性的檢測技術對糧油食品的真實屬性進行有效鑒定。

表1 糧油食品摻假鑒別特異性標志物

目前，分子生物學分析、元素分析、同位素分析、色譜-質譜分析等技術均已被用于糧油食品摻假鑒別的標志物的研究中。元素差異分析技術[6]主要應用于地理標志性食品鑒別和微生物表征[7]，一般適用于不同產地來源的未加工糧油食品原料的鑒別，具有較高的準確性?；贒NA指紋圖譜的鑒別技術對于不同品種的糧油食品原料的鑒別具有準確度高的優點，但由于DNA在加工如焙烤、煎炸等過程中極易被破壞，因此不太適用于糧油加工食品摻假鑒別分析。代謝組學分析[8]則基于糧油食品體系內所有小分子代謝產物同時進行定性和定量分析，感官差異[9]的本質也源自糧油食品體系內的各類小分子代謝物的差異，可同時應用于糧油食品原料和加工糧油制品的分析，尤其是復雜糧油食品體系的真實性鑒別研究，在摻假行為日漸隱蔽的現狀下，具有很好的應用前景。本文綜述了近年來基于糧油食品中特征標志物的摻假鑒別技術的研究進展，并展望了未來該領域的研究趨勢。

1 元素分析技術

目前，基于元素的摻假鑒別分析技術主要依賴于同位素質譜(IR-MS)和電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)兩大類儀器，通過對不同來源糧油食品中的元素特征進行分析，再結合建模軟件，從而確定可以實現摻假鑒別分析的特征標志物。常見的摻假鑒別標志物有穩定同位素如δ2H、δ13C、δ15N等，以及無機元素Cu、Fe、Co、Ni、Sr、Se、Rh、Eu、Pr等。

1.1 穩定同位素質譜技術 (IR-MS)

IR-MS技術[10]主要通過對糧油食品中不同元素同位素豐度的差異來將不同來源的糧油食品進行鑒別。通常，糧油食品原料中同位素組成受氣候、地形、土壤及生物代謝類型等因素的影響會發生自然分餾效應，從而使不同來源糧油食品原料中的同位素自然豐度存在差異。因此，對于具有地理標志的糧油食品，通過原料內同位素豐度的差異可以反映食品地源性特征，穩定同位素作為標志物能為糧油食品地理標志提供更為有用的信息。目前，IR-MS技術在食品摻假鑒別領域應用廣泛，如蜂蜜、動物性食品、果汁等[11-13]食品的鑒別，在糧油食品領域中主要應用于大米和食用油的摻假鑒別。

大米是人類膳食最重要的谷物之一，是全球一半以上人口的主食。從真實性的角度評估大米的地理來源對于保護消費者免受信息誤導和欺詐非常重要。利用礦物元素分析技術對原產地進行分析時，需要對多個元素進行綜合分析，才能得出比較可靠的結論。大米中穩定性同位素(如δ13C、δ15N、δ18O、δ2H、δ87Sr等)受氣候、環境、生物代謝類型等因素影響會產生自然分餾效應，使不同來源的食品中同位素的自然豐度呈現差異，是鑒別大米原產地的良好標志物。Chung等[14]研究了利用碳、氮、氧、硫穩定同位素比值分析和化學計量學方法，對亞洲不同國家種植的同一水稻品種的地理起源進行了鑒別。結果顯示，糙米的δ15N AIR值、δ18O VSMOW值和δ34S VCDT值受地理來源的影響明顯大于δ13C VPDB值，尤其是δ18O VSMOW和δ34S VCDT的組合比其他組合更能有效地鑒別大米的來源。Chung等[15]研究探討了δ13C和δ15N作為鑒別韓國有機大米的潛在工具的可行性。結果顯示，δ13C和δ15N可作為鑒別韓國有機大米的特征標志物。

總之，在同位素質譜分析中，糧油食品原料中的氫同位素比值與生產區降水和地下水的氫同位素比值顯著相關。碳氮同位素比值受種植方式和氣候的影響。硫同位素比值受產地地理位置和地表地質條件的影響?；谕凰乇戎禈酥疚锏膿郊勹b別分析，可以準確地反映糧油食品的來源。由于同位素比值標志物的測定依賴大型儀器同位素質譜，且其知名度和儀器市場占有率沒有質譜聯用技術高，因此限制了該摻假鑒別技術的發展。

1.2 等離子發射光譜-質譜法(ICP-MS)

作為質譜聯用技術的一種，ICP-MS[16]能夠在痕量和超痕量水平上，對糧油食品中的金屬或非金屬元素進行定量檢測和分析。由于各糧油食品原料產地的環境，如地質、氣候和栽培方式等的不同，結合化學計量學方法能夠獲得糧油食品獨特的元素標志物，從而達到對糧油食品摻假鑒別的目的。該技術與IR-MS類似，都是通過反映食品原料的地理特征[3]，來達到摻假鑒別的目的。但是在對地理來源特別接近的糧油食品進行摻假鑒別時，則難以達到預期效果。

ICP-MS具有檢測限低，分析速度快和多元素同時分析等優點，被越來越多的研究者應用到糧油食品摻假鑒別分析中。Endler等[17]采用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)對巴西50份大米(包括18份有機大米和32份普通大米)進行了20種元素含量的分析，結果有機大米的砷、硼、鋇、鈷、鉻、銅、錳、磷、鋅含量較高，而普通大米中的鉀、鈣、鉬、銣、硒含量較低。主成分分析(PCA)、類類比軟獨立建模(SIMCA)、層次聚類分析(HCA)和K-近鄰(KNN)統計結果顯示這些元素指紋圖譜均能很好地區分有機和普通大米，可作為區分有機和普通大米的特征標志物，成為常規鑒別有機大米的替代方法。

大米是中國傳統主食，其營養、加工品質不僅與品種有關，還受當地氣候、土壤等特殊條件的影響。目前，我國有許多地理標志產品，如中國的稻花香大米、盤錦大米、延邊大米、珍寶島大米等。這些大米具有獨特的地理特征和品質，在進出口貿易中可享受減免關稅等方面的優惠。相信隨著大米摻假鑒別技術的不斷發展和提升，未來能夠開發出更加有效鑒別有機大米和地理標志大米真實性的技術，切實保障市場公平競爭，保護消費者和合法企業的利益，促進食品產業的健康發展。

2 色譜-質譜聯用技術

色譜-質譜聯用法通常包括液相色譜-質譜聯用技術和氣相色譜-質譜聯用技術，可充分發揮色譜的高效分離性能和質譜的高靈敏度優勢，通過色譜的時間分離和質譜的空間分離的有機結合從而實現對糧油食品中特征標志物的分析和檢測，進而實現對不同糧油食品的摻假鑒別分析?；谏V-質譜聯用法的適用性，常見的特征標志物包括黃酮類、多酚類、氨基酸、揮發物、脂質等小分子等[18, 19]，通過分別對真偽糧油食品中不同物質的含量進行測定，進而發現可以實現摻假鑒別分析的特征標志物是常見的研究思路。

2.1 高效液相色譜-質譜(HPLC-MS/MS)

HPLC-MS/MS[20]是以高效液相色譜為分離手段，以質譜為檢測工具的一種分離分析技術。因其適用范圍廣、靈敏度高、定性定量能力強等諸多優點[21]，在糧油食品摻假鑒別分析領域中被廣泛使用，尤其適用于糧油食品中特征小分子化合物的分析和檢測，如多酚類和黃酮類物質等。但是由于目前糧油食品中一些特征化合物的商用標品不夠全面，導致在對一些特征標志物的定性和定量方面缺乏依據。

除此以外，新型小品種油也正進入大眾視野，由于其價格昂貴，因此亟需相應的摻假鑒別技術的研究和應用。Shi等[22]通過測定脂肪酸、角鯊烯和植物甾醇等物質的含量，結合化學計量學方法，對摻雜有棕櫚油、精制橄欖油、高油酸向日葵油、葵花油、玉米油、米糠油、米油、花生油、芝麻油、豆油以及菜籽油的山茶油進行了分析檢測。結果顯示，山茶油具有較高的三萜醇的特征，PCA顯示其與其他植物油有明顯區別。采用偏最小二乘判別分析(PLS-DA)，將不同質量分數(5%～100%)的棕櫚油等摻入山茶油中進行分類，當摻偽率大于30%時，可將其準確分類，且準確率為92.31%。因此，基于脂肪酸、角鯊烯和甾醇等多類組分混合的特征標志物進行植物油的摻假鑒別具有準確度高的優點，不失為一種很好的鑒別山茶油的研究方法。

隨著加工技術的不斷進步和消費者需求的日益增長，小麥粉的種類和價格也逐漸多樣化，由此引起的摻假問題正引起科研人員的關注。全麥面粉相比普通面粉營養更為豐富全面，Ping等[23]建立了區分全麥粉與精制小麥粉制作的面包的方法，采用正離子-常壓化學電離(APCI)技術，對面包樣品的化學成分進行了UPLC-HRAM-MS分析。PCA和類類比軟獨立模型(SIMCA)揭示了全麥粉和精制小麥粉制作的面包樣品的化學差異，結果表明醇酰間苯二酚是鑒別兩種面粉的特征標志物，甘油三酯(DGs)和磷脂酰乙醇胺(PE)也對分類有顯著的貢獻。醇酰間苯二酚并不是小麥粉中常見的組分，可見質譜技術在找到特異標志物方面具有相當大的優勢。

這些結果表明，代謝組學方法是一種可靠、準確、有效的實現糧油食品摻假鑒別方法?；诖x組學的研究通過非靶向和靶向的方式可以找到不同糧油食品中的潛在的特征標志物，但是該技術需要大型分析儀器，造價高，且需要專業人員操作分析，不利于方法的推廣。同時，由于配套的小分子化合物信息仍在完善中，實現更多高靈敏度的特征標志物的定性定量分析是該類方法發展的方向。

2.2 氣相色譜-質譜法(GC-MS/MS)

近些年來，氣相質譜聯用技術不斷發展，檢測靈敏度不斷提高，尤其是在頂空進樣和二維氣相等技術的不斷發展和應用[24]，該技術逐漸在分析揮發性成分，從而進行糧油食品摻假鑒別研究方面的優勢日益顯著。GC-MS/MS適用于糧油食品中一些易揮發小分子特征標志物的檢測和分析[25]，對于一般非極性標志物，在測定時需要衍生。因此該技術的適用范圍不如HPLC-MS/MS廣。

目前，已有很多關于大米中揮發物研究的報道，如煮熟大米中揮發物的分析鑒定，糙米和大米中揮發成分的差異分析，香米和普通大米的揮發成分差異分析等[26, 27]，也有研究集中在對大米的摻假鑒別分析等領域。Chevallier等[28]研究了一種頂空氣相色譜-質譜(GC-MS)方法，用于表征大米中揮發性有機化合物(VOCs)的組成和含量，以區分中國、印度和越南的大米樣品。結果顯示，基于PLS-DA模型找到了一組鑒別中國、印度和越南的大米樣品的揮發組分標志物，包括1-己醇、庚醛、戊酸、己酸、長葉烯等，且具有良好的判別效果(R2=0.981 82，Q2=0.972 2，準確度=1.0)。

橄欖油因含有多種不飽和脂肪酸，受到了消費者的追捧，由于價格較其他食用油偏高，由此引起的摻假事件頻繁發生。目前，橄欖油的摻假技術研究引起了國內外的廣泛關注。由于受生長環境的影響，不同地域來源的橄欖油中，蛋白質、淀粉、脂質等有機成分的含量和組成存在一定的差異，可作為橄欖油原產地和品種鑒別的標志物。此外，油中的特征揮發物、多酚物質、脂肪酸和甾醇等目前也作為特征標志物應用于各類食用油的摻假鑒別中。Mildner等[25]研究了3種快速揮發性成分分析方法來區分摻有榛子油的初榨橄欖油樣品。分析方法包括SPME-GC-FID技術、MOS電子鼻(HS-Enose)技術、SPME-MS技術。結果顯示，SPME-GC/MS和HS-Enose方法均可實現對橄欖油摻假鑒別分析，而SPME-MS技術對橄欖油鑒別的準確度最高，也最耗時?；赟PME-MS技術的特征標志物包括乙酸、乙酸乙酯、1-丁醇、3-戊酮、2-戊酮、戊醛等，表明基于揮發組分標志物的鑒別摻雜榛子油的橄欖油技術是可行的。

氣質聯用技術主要針對糧油食品中一些特征揮發物進行檢測來實現對食品的摻假鑒別分析，由于只適用于小分子揮發物的分析，因此適用范圍沒有液質聯用技術廣泛。與液質聯用技術類似，該研究需要依賴大型儀器，對人員的要求也高，不利于技術和方法的推廣。同時，高靈敏度揮發性標志物的發現和鑒別也是其未來的方向。

2.3 液相色譜-飛行時間質譜(HPLC-qTOF/MS)

隨著高分辨質譜的不斷發展及各種小分子譜庫的不斷完善[29]，HPLC-qTOF/MS逐漸應用于糧油食品基質中小分子的分析和檢測，尤其適用于未知成分及復雜成分的糧油食品的摻假鑒別分析，對于篩選糧油食品中的特征標志物，具有較好的發展前景。該技術尤其擅長分析糧油食品中的未知組分，通過非靶向的檢測方式進行差異分析，因此通量更高。同時，高分辨質譜具有較高的靈敏度，有利于發現一些未知高靈敏的特征摻假鑒別標志物。

目前，國內外消費者對有機食品的需求正日益增長，因此，迫切需要開發更準確的有機糧油食品認證方法，以確保公平貿易和食品安全。有機大米價格高，一些不法商販通常在有機大米中摻雜普通大米，或者用普通大米冒充有機大米，來獲得高利潤，嚴重危害了消費者的權益。Xiao等[30]建立了分析常規大米和有機大米樣品的代謝物分析方法，采用UPLC-qTOF/MS，應用正交偏最小二乘判別分析法(OPLS-DA)對關鍵成分進行了鑒定，結果顯示，錦葵花甙、松脂醇、兔膽堿、葡萄糖醛酸、香豆素和氫化辛可寧等8個次生代謝物可作為鑒別有機大米和常規大米的潛在生物標志物。

亞麻籽油和和芝麻油因其良好的營養價值而聞名。Brigante等[31]提出了一種基于非靶向代謝組學的分析亞麻籽和芝麻種子中多酚成分的分析方法，采用HPLC-qTOF/MS對2種不同種子中的多酚類物質進行了鑒定?；诨瘜W計量學結果，最終選擇了12種化合物包括奎寧酸、酒石酸、色氨酸、咖啡酸、阿魏酸、丹酚酸等特征標志物用來鑒別2種植物油。

基于HPLC-qTOF/MS的非靶向代謝組學技術尤其適用于復雜基質糧油食品的摻假鑒別分析，尤其對于糧油食品中未知添加物的鑒別分析具有顯著優勢。但是目前，HPLC-qTOF/MS技術還是受限于小分子數據庫的完善度，相信隨著數據庫的不斷發展和進步，該技術在糧油食品食品鑒別分析中的應用越來越多，未來也會有更多靈敏度高、特異性強的特征標志物被鑒定出來用于食品溯源分析中。

3 DNA指紋圖譜技術

DNA指紋圖譜技術是建立在DNA分子標記的基礎上，以生物個體間核苷酸序列變異為基礎的遺傳標記。DNA 指紋技術可應用于動、植以及微生物源性食品的真偽鑒定、摻假鑒別以及名特優產品的摻假鑒別。糧油食品中的特征SSR ( Simple sequence repeat )和SNP ( Single nucleotide polymorphism)等均是實現摻假鑒別的有效標志物?；贒NA的摻假鑒別技術依賴于糧油食品原料的標記進行摻假分析，準確度更高，但是適用范圍不廣。比如一些食品在加工過程中，其DNA會被破壞，如烘焙、輻照等均可以對DNA造成傷害。

對于糧油食品來說，不同地域適合種植的品種不同，不同品種糧油食品中的遺傳物質不同，利用此差異可對糧油食品進行摻假鑒別。因此，采用特異引物，建立各地區糧油食品中的特征性分子指紋圖譜，可用于糧油食品的原產地和品種鑒別，且準確度較高。目前，DNA指紋圖譜技術已應用于橄欖油的鑒別分析中。Uncu等[32]比較了DNA條形碼分析和脂肪酸分析在鑒定橄欖油的植物來源上的優勢。對籽油混合物建立了基于PCR的毛細管電泳(PCR-CE)方法。同時，采用氣相色譜技術分析了脂肪酸組成。結果顯示，基于trnL(UAA)內含子的多態性建立的PCR-CE方法在檢測摻雜大豆油、棕櫚油、油菜籽油、向日葵油、芝麻油、棉籽油和花生油的橄欖油摻假方面與氣相色譜分析同樣有效。此外，基于DNA的方法可正確鑒別出橄欖油中摻雜的榛子油，而通過脂肪酸譜分析不能得到很好的鑒別結果。Costa等[33]研究了DNA標記技術在優質橄欖油和其他油鑒別中的應用，認為利用遺傳標記在食用油鑒別中具有較好的前景，也著重分析了DNA提取在整個過程中的關鍵作用。

近年來，分子標記技術也被廣泛應用于谷物食品的摻假鑒別中。Pegels等[34]報道了用于小麥、大麥、黑麥和燕麥四種谷物真偽鑒別的實時熒光定量PCR方法。該研究針對小麥、大麥和燕麥的ITS1區DNA片段的多態性，以及黑麥MIPS基因的特異性，設計特異性引物/探針進行了檢測。實時熒光定量PCR結果顯示，該方法在小麥粉二元混合模型中的相對檢出限為0.000 01%～0.01%。進一步應用于實際樣品分析，檢測270種食品和寵物食品中是否有小麥、大麥、黑麥和燕麥等原料，準確率為100%?？梢?，ITS1區DNA片段和MIPS基因可以作為鑒別四種麥的特征標志物，且準確度較高。

相比元素分析和質譜技術，基于DNA的摻假鑒別技術準確度更高。但是食用油因其成分復雜，且經歷了精煉等過程，使得遺傳物質大量損失。因此基于DNA的摻假鑒別技術更適用于糧油食品原料的鑒別。同時，有的食用油原料種子中存在轉基因，由于堿基序列未知，使得基于DNA分析的食用油鑒別技術需要進一步改進和提升。同時，與DNA分析技術想配套的快檢技術如能同步研發并成功運用，將利于現場糧油食品監測工作的推進。

4 多技術關聯分析

部分糧油食品基質比較復雜，基于單一的技術確定的特征標志物難以對糧油食品實現準確的摻假鑒別，往往需要聯合2種及以上技術進行糧油食品中成分和元素等特征標志物的分析，達到對糧油食品準確鑒別的目的。多技術的復合應用，尤其適用于對復雜糧油食品，或者地源很近的地標糧油食品鑒別分析，通過聯合不同水平和種類的特征標志物，可以大大提高鑒別的準確度。

小麥是一種在世界范圍內廣泛種植的谷物，小麥粉是人類的主食之一。根據意大利的規定，在生產面食時，硬粒小麥(DW)中最高允許添加3%的普通小麥(CW)。因此，需要有效的方法來檢測含CW的DW產品中CW的添加量，防止由于CW的過度添加。Casazza等[35]從形態學指標、近紅外光譜、蛋白質含量指標和玻璃核/非玻璃核比值4個方面對鑒別DW和CW的方法進行了研究。采用PLS-DA建立了判別模型，準確率達99%。該研究從包括蛋白質含量的4個方面對普通小麥和硬粒小麥進行了鑒別，雖然準確度高，但方法包含指標較多，較難推廣應用。如將蛋白質組學技術運用于該研究中，可能會找到特異的蛋白質標志物，并取得較好的判別結果。

隨著糧油食品摻假鑒別領域新技術的不斷涌現，結合已成熟的技術，不僅可以提高分析通量，還可以提高特征標志物的準確度和范圍。Pattemore等[36]應用MALDI-TOF/MS技術，開發了一組SNP標志物，結果顯示，只有一個品種不能與其他品種進行區分。不同于傳統的DNA測序技術，MALDI-TOF/MS技術為鑒定SNP位點提供了一種新的思路。此外，Franz等[37]對62個普通小麥品種和14個軟質小麥品種的γ-醇溶蛋白基因進行了部分測序，進而以γ-醇溶蛋白基因序列為基礎，建立了基于DNA的軟小麥和普通小麥的鑒別方法，通過PCR-限制性片段長度(RFLP)分析，可以實現對小麥粉中軟質小麥的快速檢測。與芯片毛細管電泳(LOC-CE)相結合，可以估計軟小麥粉的添加比例。因此，RFLP-LOC-CE聯合分析技術是鑒別軟小麥粉摻假的有力工具。

基于基因中的SNP和特征序列用于已知糧油食品的摻假鑒別具有較高的準確度，但是，這種方法比較適合于對已知糧油食品原料品種的摻假鑒別，對于未知摻假物的鑒別則沒有優勢。而前面提到的基于色譜-質譜的代謝組學技術為擴大特征標志物篩選范圍，提高摻假鑒別準確度，鑒別隱蔽摻假糧油食品，提供了新的思路。多技術的聯合使用，雖檢測流程更加復雜，但其鑒別準確度更高，尤其適用于單一摻假鑒別技術無法準確鑒別的情形。

5 總結與展望

通過色譜-質譜分析、礦物元素分析、穩定同位素分析和 DNA 指紋分析等找到特征標志物進行糧油食品摻假鑒別的方法有其確證性。由于糧油食品摻假方式較多，需根據食品特點選擇合適的鑒別技術和特征標志物，才能達到預期的效果。高分辨色譜-質譜技術和代謝組學技術不斷發展，大大擴大了特征標志物的選擇范圍，有較好的應用前景。根據當前的研究現狀，未來有必要基于標志物建立用于不同種類糧油食品摻假鑒別的穩定、實用、有效的方法。鑒于當前糧油食品摻假方式日漸隱蔽的嚴峻形勢，建立多種高靈敏的特征標志物的同步檢測技術，促進鑒別技術的標準化、判別模型及相應數據庫的信息化也是糧油食品摻假鑒別技術的主要發展方向。