李 坚,曾新安,郭时印,*

(1.湖南农业大学食品科技学院,湖南长沙 410128; 2.华南理工大学轻工与食品学院,广东广州 510640)



核磁共振技术在酒的质量检测中的应用

李 坚1,曾新安2,郭时印1,*

(1.湖南农业大学食品科技学院,湖南长沙 410128; 2.华南理工大学轻工与食品学院,广东广州 510640)

核磁共振检测技术(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)是一种无损检测技术,在食品领域应用越来越多。本研究从产地溯源、年份和掺假鉴别三个方面综述了国内外核磁共振技术在酒的质量鉴定中的研究进展。核磁共振检测技术利用同位素示踪和成分分析来进行产地溯源;利用代谢物和氢键缔合状态分析来进行年份鉴别;利用全成分分析来进行掺假鉴别。但是核磁共振技术在酒的质量鉴定中还存在着信号重峰,没有比对数据库,设备昂贵等问题,需要改进以求更好的推广该技术的应用。

核磁共振(NMR),酒,产地溯源,年份鉴定,掺假鉴别

核磁共振技术是一种无损检测技术,在食品检测中拥有很大的潜力。近年来,科学家们将核磁共振应用到食品中的油脂、水分、蛋白质分析检测,以及水果品质检测等方向,并都取得了一定的成果[1-5]。

酒作为人们喜爱的一种饮料,其质量问题一直是人们关注的重点。俗话说“物以稀为贵”,酒的价格也与其产地和陈酿年份有直接关系。就产地来说,高档进口红酒的质量明显高于国内红酒;就年份来说,年份酒与普通酒的价格相差几倍甚至是几十倍。一些不法份子瞄准了这块市场,掺加造假,以低档酒冒充进口酒、年份酒,更有甚者,以工业酒精勾兑出劣质产品直接在市场上销售,赚取暴利。为了保护消费者身体健康,保障消费者合法权益,需要一种有效可靠的检测酒质量的方法。为此研究者们做了很多研究,尝试了用高效液相色谱、质谱、红外光谱[6-7]等方法来检测酒的品质,且取得了一定的成果。然而相较于上述方法,核磁共振技术有其特有的优势。如与低场核磁共振技术相比,低场核磁共振更加简单省时。由于生产工艺、地理位置、原料品种、陈酿时间不同等因素造成了不同产地和陈酿时间所生产出的酒是是有差异的。酒中的理化指标、物质含量都不同,这些参数就是酒所特有的“指纹”。核磁共振如“识别器”一样,能很好的识别酒的“指纹”,从而对酒的质量进行鉴别。本文从产地溯源、鉴别年份和鉴别掺假三个方面介绍了核磁共振共振技术在酒的质量检测中的应用。

表1 核磁共振检测技术在酒的产地溯源中的应用

Table 1 Application of NMR in alcohol geographical origin traceability

产地样品种类(数量)检测方法分析方法区分指示物质优缺点参考文献德国巴登、符登堡、萨克森等13个州的葡萄酒(718)1HNMRSNIF-NMRFDA，ICA，PLS-DA，LDA，PCA18O同位素13C同位素二者联用在葡萄酒产地溯源预测上的正确率为100%，但SNIF-NMR比较耗时[8]中国沙城产区：混酿葡萄酒(2)，半干型干白(1)，干白(2)，干红(6)昌黎产区：干红(2)烟台产区：干白(2)，干红(4)1HNMRPCA醇类：乙醇、甲醇、甘油、正丙醇有机酸：乳酸、柠檬酸、苹果酸等氨基酸：脯氨酸、络氨酸、肌氨酸、丙氨酸糖类：葡萄糖、蔗糖、甘露糖样品预处理简单，节省时间，保护了样品原有的性质，减少了预处理对实验的误差，区分效果较好[9]斯洛文尼亚白葡萄酒(10)1HNMR13CNMR分级群聚分析法氨基酸：脯氨酸、精氨酸、瓜氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、缬氨酸其他：花青素、丁二醇、甘油、琥珀酸此方法检测时不需要制定标准曲线，但是在检测花青素时需要预浓缩和离析分离，并且没有液相色谱灵敏[10]西班牙葡萄酒：RiojaAlcaesa(12)，RiojaAlta(65)，RiojaBaja(34)1HNMRiECVA异丁醇、异戊醇可以区分同一区域不同小产地的葡萄酒，精确度较高[11]意大利红酒：阿普利亚产区北部(10)、中部(13)、南部(18)1HNMRPCA氨基酸：瓜氨酸、异亮氨酸、缬氨酸需要样品量少，一次可以获得大量数据，但会出现少量重峰[12]葡萄牙、英国等9个国家啤酒：全麦芽、清淡、无酒精(50)1HNMRPCA葡萄糖、麦芽糖、糊精样品预处理简单，节省时间，保护了样品原有的性质，减少了预处理对实验的误差，区分效果较好。[13]

注:PCA=principal component analysis主成分分析;LDA=linear discriminant analysis线性判别分析;FDA=factorial discriminant analysis多因素判别分析;ICA=independent component analysis独立成分分析;PLS-DA=partial least squares-discriminant analysis偏最小二乘判别分析;iECVA=interval extended canonical variate analysis间隔延长典型变量分析。1 核磁共振检测技术在酒的产地溯源中的应用

从表1中可以看出,选取的检测样品品种不同,相对应的指示物质,检测效果也各有不同。SNIF-NMR与1H NMR技术二者联用在产地溯源预测上的正确率达到100%,并且所选样品数量庞大,产地来源广,可以看出此项检测技术重复性好,准确率高。SNIF-NMR技术也是目前葡萄酒行业进行产地溯源的主要手段。单独使用核磁共振技术对酒进行成分分析,再与多元统计分析相结合,也能对不同产地起到很好的区分效果。核磁共振技术不仅能鉴别地理位置相差很远的产地,通过调整检测物质也能够区分出同一产地中不同的小区域。相比较于SNIF-NMR,单独使用低场核磁共振进行检测时,样品准备简单,节省时间,在快速检测中很有应用潜力。相比较于液相色谱,核磁共振技术在检测花青素等物质时并不需要制定标准曲线,在缺少标准品的情况下选用核磁共振技术更为合适。但是在检测过程中,核磁共振波谱上会出现少量重峰,不利于分析读谱。核磁共振技术在检测时几乎不需要对样品进行预处理,有效的保护了样品原有的生物学性质和理化性质,减少了由于预处理对整体实验所造成的误差。

2 核磁共振检测技术在酒的年份鉴定中的应用

Pereira等[14]尝试利用1H NMR技术探究了不同采摘时间对葡萄皮中所含的代谢物的影响,结合历年气象数据分析了代谢物含量与天气之间的相互关系。此研究为后续葡萄酒年份鉴别工作提供了一个研究方向。Jang-Eun Lee等[15]尝试运用1H NMR对不同年份的葡萄酒进行成分分析,再结合历年的气象数据来鉴别葡萄酒年份,取得了一定的成果。Roberto[16],Ail[17],Anastasiadi[18]分别对阿马罗尼葡萄酒,德国普尔法兹白葡萄酒,希腊红酒进行了1H NMR检测,检测数据结合多元统计分析发现了不同年份酒中代谢物含量存在差异。曾新安[19]通过对催陈米酒的1H NMR分析,认为催陈米酒的氢键缔合强度随着贮藏时间增长而增强。Almeida等[20]用1H NMR对啤酒的酿造时间鉴定进行了探究。具体情况如表2所示。

表2 核磁共振检测技术在酒的年份鉴定中的应用

Table 2 Application of NMR in alcohol vintage identification

年份样品种类(数量)检测方法分析方法区分指示物质优缺点参考文献2002～2004年法国美乐、品丽珠、赤霞珠三个品种的葡萄(277)1HNMRPCA，PLS糖类：果糖、蔗糖、葡萄糖氨基酸：精氨酸、脯氨酸、缬氨酸、丙氨酸等有机酸：酒石酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸样品预处理简单，节约时间，减少了预处理对样品的影响，但是在酚类物质检测上没有LC-NMR-MS灵敏[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：伽马氨基丁酸、丙氨酸、脯氨酸其他：丁二醇、乳酸、多酚样品预处理简单，节约时间，减少了预处理对样品的影响，区分效果好[15]2005～2007年阿马罗尼葡萄酒：2005年(18)，2006年(18)，2007年(10)1HNMRPCA，PLS-DA糖分：蔗糖、半乳糖、海藻糖其他：苏氨酸、多酚、乳酸盐样品预处理简单，节约时间，区分效果较好，但是没有联用色谱/质谱灵敏[16]2006～2007年德国普法尔兹白葡萄酒(59)1HNMRPCA，PLS，OPLS氨基酸：亮氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸、丙氨酸其他：柠檬酸盐、琥珀酸盐、苹果酸盐、多酚样品预处理简单，节约时间，减少了预处理对样品的影响，区分效果较好[17]2005～2006年希腊产区不同品种的葡萄酒1HNMRPCA酚类物质能测出葡萄酒中所有芳香物质的信息，且不需要量化和标准识别某些色谱峰[18]PEF催陈广东玉冰烧米酒1HNMR波谱峰形分析氢键缔合样品预处理简单，节约时间，减少了预处理对样品的影响，区分效果较好[19]不同酿造时间不同品牌的啤酒(27)1HNMRPCA乳酸、丙酮酸、糊精、腺苷酸/肌苷，尿苷，酪氨酸/酪醇，苯甲乙醇样品预处理简单，节约时间，减少了预处理对样品的影响，区分效果较好[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偏最小二乘判别分析;OPLS=orthogonal projections to latent structures analysis正交投影潜在结构分析。

如表2所示,核磁共振技术在年份鉴别当中所选区分指示物多为有机酸、氨基酸、糖类、多酚等风味物质。这些物质随着陈酿过程会发生复杂的化学物理变化,影响着酒的风味口感,这也是年份酒与新酒主要差别所在。在检测过程会发现有些品牌的葡萄酒老酒中多酚、芳香物质含量少于新酒,而有些品牌的葡萄酒则相反。这是因为葡萄酒都有其最佳饮用时间,过了这个时间,酒的口感品质就开始走下坡路。每种葡萄酒的最佳饮用期都不同,才造成了这种现象[21-22]。因此在分析的时候,应注意区分,同时也迫切需要建立一个数据库,收集不同葡萄酒信息方便以后比对规整。在检测多酚物质时,1H NMR不如液相色谱,质谱等仪器灵敏,但胜在样品准备简单,在检测时不需要量化和标准识别某些色谱峰,比较省时。在分析数据时选择合适的分析方法也非常重要,如PCA(主成分分析)是用来探索数据集的变化情况;PLS-DA(偏最小二乘判别分析)可以用来区分样品之间的差别。因为这两种分析方法比较适合区分样品,所以文献中所介绍的实验,大多选用了这两种方法分析数据。“缔合说”认为陈酿之后的酒比新酒口感柔和是由于氢键缔合的影响,随着陈酿时间的增长,氢键缔合的强度也增加[23]。氢键缔合强度与陈酿时间的关系如何目前还存在着一些争议[24-25],曾新安[19]实验所用的样品为电场催陈米酒,与正常陈酿米酒还是存在着一定差别,当样品换为陈酿米酒后实验效果如何还有待进一步研究。表2中其他实验所用样品,年份跨度都在2～3年以内,可以尝试检测一些年份跨度更大的样品,来检验核磁共振技术的重现性,可靠性。核磁共振在年份鉴别上的应用目前大多集中于葡萄酒上,关于国内特有的白酒,黄酒的研究报道很少,可以在此方向进行拓展[26-27]。

表3 核磁共振检测技术在酒的掺假鉴别中的应用

Table 3 Application of NMR in alcohol adulteration identification

样品检测方法分析方法检测物质优缺点参考文献鹿龟酒1HNMRPLS-DA全成分分析样品的生产时间跨度长达三年，能充分反映鹿龟酒实际情况，但建立模型需求样本量大，测量时有少量重峰[28]不同香型的白酒：浓香、酱香、清香1HNMR波谱峰形分析甲基、亚甲基质子峰位移和峰数不需要预处理样品，方便快速，很好的保护了样品原有的性质，但是只能测量酒精度比较低的白酒，测量高度白酒时，出现强峰压制的问题[29]不同品种的白葡萄酒：夏敦埃、雷司令、灰比诺、长相思、维欧尼1HNMRGC-TOF-MSPLS氨基酸、糖类、有机酸、醇类、酚类物质二者联用除了能得到葡萄酒中物质的详细清单，还能得到酒的黏性口感模型，但是GC-TOF-MS预处理复杂，检测耗时长[30]不同类型的葡萄酒：桃红葡萄酒、白葡萄酒、红酒1HNMRFT-NIRPLS-DA芳香物质、花青素1HNMR检测花青素的效果优于FT-NIR，并且样品预处理简单，方便快速，保护了样品原有性质，检测成本也低于FT-NIR[31]

注:PLS-DA=partial least squares-discriminant analysis偏最小二乘判别分析;PLS=partial least squares偏最小二乘法。3 核磁共振技术在酒的掺假鉴别中的应用

研究者们对核磁共振技术在鉴别酒是否掺假的问题上也做了相应研究。冉坚[28]对鹿龟保健酒合格品、残次品进行了1H NMR分析,数据由PLS-DA(偏最小二乘判别分析)分析,通过散点图区分合格品和残次品。韩兴林[29]分析了不同工艺白酒的质子峰。Skogerson等[30]通过1H NMR和气相耦合渡越时间质谱法(GC-TOF-MS)比较了不同品种葡萄所酿的白葡萄酒之间的区别。Ferrari等[31]尝试了用FT-NIR和1H NMR对葡萄酒花青素造假问题进行了研究。具体情况请见表3。

由表3知,Skogerson等[30]的研究从黏性口感的方向来区分不同类型的葡萄酒,这是一个研究方向。在葡萄酒掺假鉴别的研究上,多选用单一品种葡萄所酿的葡萄酒,如果选用混酿产品,区分效果如何还有待进一步研究。

4 结论

以上介绍了核磁共振技术在鉴别酒的产地、年份、掺假中的应用。此技术还存在一些问题需要重视:酒中成分复杂且属于醇水体系,核磁共振在醇水环境中检测一些物质时,波谱会出现重峰的现象。同时,在酒中有些物质的核磁共振信号过于强烈,不利于分析图谱。因此应改进技术,减小误差。在鉴别过程中应选择合适的检测方法。如文中涉及的三个方面的鉴别,常规核磁共振(NMR)及低场核磁共振(LF-NMR)都可以实现,文中的提到的均为定性分析,在考虑成本及稳定性的条件下后者更具有吸引力,这也是大多数人选择用低场核磁共振技术的原因。分析数据时应选择合适的方法。基于核磁共振的酒类质量鉴别,本质来看还是要归结到T1、T2弛豫谱峰分析,化学位移分析及基于序列的定性分析,在涉及到定向分析时需要涉及复杂的数据分析,结果准确性对分析方法有很大依赖性。针对种类繁多的酒产品,应尽早建立一个数据库,对不同产地、不同年份、不同品牌和不同种类的酒的参数进行规整,方便分类比对确认。核磁共振检测检测酒的质量这一方面的研究大多集中在葡萄酒、啤酒上。国内特有的白酒、黄酒等产品研究较少,可以加强此块领域的研究,弥补技术空白。核磁共振设备价格昂贵,维护费用高,分析专业技术要求高等原因,目前还只在大型企业中得到应用。应降低设备成本,改进技术,使其能够在中小型企业中也能得到推广。

核磁共振技术虽然在检测一些物质时没有气相色谱、液相色谱和质谱灵敏,但是核磁共振技术具有操作相对简单、样品准备时间短、一次可以检测多种物质以及无损检测等特点,在酒的品质快速检测中,具有很大的发展潜力,应该继续研究下去。

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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

李坚(1992-)，男，硕士，研究方向:营养与食品卫生学,E-mail：13242871087@163.com。

*通讯作者:郭时印(1975-),男，博士，副教授，研究方向：营养与食品卫生学，E-mail：gsy@hunau.net。

广东省科技项目(2015A030312001)；国家自然科学基金项目(21576099，21376094)。

TS207.7

A

1002-0306(2016)19-0396-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.069