周 方,張 洋,唐璐子,周珊珊,王雨婷

安徽國(guó)科檢測(cè)科技有限公司 (合肥 230041)

明膠是一種無(wú)色、無(wú)味、透明、可溶于水的膠狀物質(zhì),通常由動(dòng)物的結(jié)締組織(如骨頭、皮膚和軟骨)提取而來(lái)[1],目前已經(jīng)被官方認(rèn)定為一種安全材料[2-3],可以在食品、藥品、包裝等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4-6]。明膠通常用作食品添加劑,但由于其特殊的結(jié)構(gòu)組成和物理化學(xué)性質(zhì),使得其還具有許多優(yōu)點(diǎn),如可降解性強(qiáng)、易成膜、生物組織相容性良好等,可被用作制備人工組織、修復(fù)組織以及藥品膠囊的材料[7-9]。此外,明膠還可以用于制備藥物控釋系統(tǒng)和生物傳感器等生物醫(yī)學(xué)器件[9-10],廣泛用于醫(yī)藥和生物技術(shù)領(lǐng)域。

食用明膠主要采用新鮮動(dòng)物皮骨為原料,經(jīng)十幾道工序提取的膠原蛋白質(zhì),水解加工而成。食用明膠作為一種重要且廣泛應(yīng)用的食品添加劑,通常用于糖果、果凍、冰激凌、啤酒等食品的生產(chǎn)中,以改善產(chǎn)品的口感和質(zhì)地,因其特殊的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在乳制品生產(chǎn)過(guò)程中起到多種功能,能快速促進(jìn)乳制品等食品的消化,在乳制品行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[11-12]。

然而部分不法商家為了獲得更高的利潤(rùn),可能會(huì)使用一些不安全的或者低成本的膠來(lái)造假。常用于食用明膠造假的有工業(yè)明膠,這類明膠主要用在粘合劑、紗布、印刷等工業(yè)生產(chǎn)中。工業(yè)明膠與食用明膠有明顯不同[13],對(duì)人體健康有極大的危害,其在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)用到對(duì)人體有害物質(zhì)的原料,且重金屬鉻含量超標(biāo),并且會(huì)使用五氯苯酚作為防腐劑,不符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)。盡管已被國(guó)家禁止添加到食品中,但在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下,用工業(yè)明膠摻假現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,因此需要加強(qiáng)食品中食用明膠的鑒別和監(jiān)督管理。

食用明膠的傳統(tǒng)鑒別方法有分光光度法、原子吸收光譜法、紅外光譜技術(shù)、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法等,以及新型鑒別技術(shù),如同位素標(biāo)記、無(wú)標(biāo)記生物質(zhì)譜技術(shù)、酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法、太赫茲波譜技術(shù)等,本文主要對(duì)文獻(xiàn)中報(bào)道的食用明膠鑒別方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜述,以便為食品中食用明膠的鑒別及食品安全監(jiān)管提供參考依據(jù)。

1 食用明膠的傳統(tǒng)鑒別方法

1.1 分光光度法

分光光度法是一種利用食用明膠特有的物質(zhì)在特定波長(zhǎng)的吸收光譜,從而進(jìn)行定性和定量分析的方法。研究認(rèn)為動(dòng)物膠原蛋白特有的氨基酸是羥脯氨酸[14],根據(jù)顯色反應(yīng),可以對(duì)食用明膠或工業(yè)明膠進(jìn)行鑒別。張笑等[15]通過(guò)比色法測(cè)定明膠中的羥脯氨酸含量,食用明膠中的膠原蛋白經(jīng)濃酸高溫水解后分離出羥脯氨酸,經(jīng)氯胺T氧化可以生成吡咯環(huán)物質(zhì),再用高氯酸溶液除去多余的氯胺T,加入顯色劑對(duì)二甲氨基苯甲醛會(huì)生成紅色化合物[16],利用紫外分光光度計(jì)測(cè)定吸光值,與標(biāo)準(zhǔn)曲線定量比較。趙龍巖等[17]研究采用分光光度法檢測(cè)不同明膠原料的有害物質(zhì)殘留量,如五氯苯酚和重金屬鉻含量,并進(jìn)行對(duì)比,能快速鑒別出工業(yè)明膠。分光光度法不需要衍生、操作簡(jiǎn)便、不需要高昂的儀器設(shè)備,檢測(cè)成本低、應(yīng)用較廣,可以對(duì)大量樣品進(jìn)行檢測(cè),適用于快速篩查。但是,該方法的靈敏度較低,還無(wú)法鑒別食用明膠中的不同來(lái)源種類,前處理過(guò)程中還需要輔助一定的分離手段以提高檢驗(yàn)準(zhǔn)確度,有些情況下還需要使用有毒有害試劑。

1.2 原子吸收光譜法

原子吸收光譜法是一種測(cè)量特定氣態(tài)原子對(duì)特征輻射的吸收來(lái)測(cè)定樣品中的某元素的方法,這是測(cè)定明膠中鉻含量的主要方法。由于不同明膠原料不同,工業(yè)明膠原料中含有較多重金屬鉻元素,通過(guò)比較鉻含量差異可以區(qū)分食用明膠與工業(yè)明膠[18]。李志娟等[19]通過(guò)微波消解對(duì)明膠樣品進(jìn)行前處理,用石墨爐原子吸收法測(cè)定明膠中鉻含量,結(jié)果表明在鉻濃度為0～0.1 mg/L范圍線性關(guān)系良好,這種方法簡(jiǎn)便、快速準(zhǔn)確,檢出限低,但此法在食品這類復(fù)雜基質(zhì)的樣品中,由于鉻不是游離形態(tài),而是與基質(zhì)結(jié)合在一起,簡(jiǎn)單溶解或提取難以使鉻從基質(zhì)中釋放,工業(yè)明膠樣品還含有其他元素,基體背景干擾嚴(yán)重。王書(shū)舟等[20]建立了微波消解-混合基體改進(jìn)劑石墨爐原子吸收光譜法進(jìn)行鉻的測(cè)定,能滿足食品安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)中大批量含明膠食品中鉻監(jiān)測(cè)要求。

1.3 紅外光譜技術(shù)

紅外光譜技術(shù)是基于不同分子基團(tuán)結(jié)構(gòu)的化合物有特異性的指紋圖譜,具有快速、簡(jiǎn)便、無(wú)損、量少等優(yōu)點(diǎn),是一種常用的鑒別方法。但僅分析紅外光譜原始譜圖通常難以實(shí)現(xiàn)樣品的鑒別,往往還需要結(jié)合化學(xué)計(jì)量法進(jìn)行處理。以往的研究采用紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法(如主成分分析,聚類分析)對(duì)不同食品中的不同動(dòng)物來(lái)源的明膠、明膠軟糖進(jìn)行區(qū)分,并得出可以有效鑒別的結(jié)論[21-22]。早期研究將傅里葉變換紅外光譜與衰減全反射聯(lián)用,以3 290～3 280 cm-1和1 660～1 200 cm-1這兩個(gè)光譜范圍作為校正模板,結(jié)合化學(xué)計(jì)量法對(duì)豬明膠和牛明膠進(jìn)行區(qū)分[23],張浩等[24]通過(guò)近紅外光譜,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法等方式,構(gòu)建了多種判別模型,結(jié)果表明:這種方法可以對(duì)5種不同種類來(lái)源的食用明膠實(shí)現(xiàn)區(qū)分鑒別,不同模型判別效果也有差異。

1.4 高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法

高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法是以高效液相色譜、質(zhì)譜分別作為分離系統(tǒng)和測(cè)定系統(tǒng)來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行定性、定量分析的一種方法。因其分離效果好、靈敏度高,常用來(lái)對(duì)明膠進(jìn)行鑒別[25]。早期研究[26]主要用胰蛋白酶對(duì)明膠樣品酶解,形成多種肽段,用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜對(duì)肽段進(jìn)行標(biāo)記檢測(cè),最后根據(jù)多肽的不同來(lái)確定其來(lái)源。該方法理論上來(lái)說(shuō)是一種比較有效的鑒別方法,但實(shí)際過(guò)程中,因?yàn)槊髂z制作的工藝復(fù)雜,容易使得氨基酸發(fā)生一些變化,對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響或結(jié)果發(fā)生偏離。

隨后有研究[27-28]對(duì)這種方法進(jìn)行了方法改進(jìn),研究應(yīng)用了超高效液相色譜-串聯(lián)電噴霧電離-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜的方法,對(duì)標(biāo)記肽段進(jìn)行檢測(cè),然后對(duì)比已有的肽鏈序列進(jìn)行分析,從而實(shí)現(xiàn)了乳制品中的明膠種類鑒別。該方法能有效鑒別明膠不同來(lái)源,但是在樣品檢測(cè)時(shí),前處理和分析手段較為復(fù)雜,實(shí)際操作時(shí)需要專業(yè)的儀器設(shè)備和技術(shù),不適合樣品的快速檢測(cè),對(duì)不同種類混合的明膠樣品鑒定效果不是很理想,因此未來(lái)還需要對(duì)此改進(jìn)。

2 食用明膠的新型鑒別方法

2.1 同位素標(biāo)記、無(wú)標(biāo)記生物質(zhì)譜技術(shù)

作為一個(gè)鑒別明膠來(lái)源種類的相對(duì)有效、準(zhǔn)確度高的方法,高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法受到很多學(xué)者的認(rèn)可,基于質(zhì)譜的定量分析也因此成為蛋白質(zhì)組學(xué)研究的主要方法。為提高鑒別準(zhǔn)確性,很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),結(jié)合新型的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)明膠的鑒別。高效液相色譜-高分辨率質(zhì)譜技術(shù)可以結(jié)合同位素標(biāo)記法,無(wú)標(biāo)記定量法對(duì)明膠進(jìn)行定量分析。已有的研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)胰蛋白酶來(lái)降解樣品,采用18O標(biāo)記多肽,結(jié)合液相色譜質(zhì)譜技術(shù),能較為準(zhǔn)確地定量純明膠樣品和混合物中的明膠[29-30],可用于食品的品質(zhì)監(jiān)測(cè),但易受到食品復(fù)雜基質(zhì)的影響,實(shí)驗(yàn)流程也比較復(fù)雜,成本較高。

無(wú)標(biāo)記質(zhì)譜技術(shù)主要是通過(guò)高效液相色譜-高分辨率質(zhì)譜法檢測(cè)時(shí),選擇離子檢測(cè)模式,在定量研究中使用離子檢測(cè)模式的靶向方法比全掃描模式更靈敏,準(zhǔn)確性和特異性更高[31-32]。無(wú)標(biāo)記技術(shù),相比于同位素標(biāo)記,可以節(jié)省樣本標(biāo)記處理階段,且成本較低。近年來(lái)無(wú)標(biāo)記定量法也逐漸用于定量肌漿蛋白和肉蛋白[33]。研究利用高效液相色譜-高分辨率質(zhì)譜技術(shù)對(duì)明膠多肽進(jìn)行分析,對(duì)比溯源數(shù)據(jù)庫(kù)選擇有定量潛力的多肽進(jìn)行定量分析,最終建立無(wú)標(biāo)記定量方法34],但這種方法對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)提出了更高的要求。

2.2 酶聯(lián)免疫吸附法

酶聯(lián)免疫吸附法是一種新型免疫分析方法,主要是將抗體用酶標(biāo)記,利用抗原-抗體反應(yīng)發(fā)生特異性結(jié)合,酶催化發(fā)生顯色反應(yīng)的一種檢測(cè)方法[35]。Venien[36]和Doi等[37]分別采用了間接ELISA法和夾層ELISA法對(duì)不同動(dòng)物來(lái)源的明膠進(jìn)行了有效鑒別。該方法樣品制備相對(duì)簡(jiǎn)便,并且具有特異性強(qiáng)、靈敏性高的優(yōu)點(diǎn),但由于不同動(dòng)物的膠原蛋白序列高度相同,而抗體對(duì)物種間特異性敏感度較低,而且實(shí)際操作還需要專業(yè)儀器設(shè)備,成本較高,在鑒別明膠不同種類時(shí)的應(yīng)用受到了一定的局限。

2.3 太赫茲波譜技術(shù)

太赫茲波是介于微波和紅外波段之間的電磁波,利用太赫茲波與物質(zhì)的相互作用(吸收、散射、反射等)可以研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、成分和動(dòng)力學(xué)過(guò)程。太赫茲波譜技術(shù)作為一種新興的檢測(cè)技術(shù),近年來(lái)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、化工、食品各個(gè)領(lǐng)域[38]。相比于傳統(tǒng)的技術(shù),太赫茲波譜技術(shù)有很多優(yōu)越的特性,如便捷有效,成像分辨率更高,安全性更高。研究對(duì)明膠樣品進(jìn)行研磨等前處理,采用太赫茲透射式實(shí)驗(yàn),可看出食用明膠和工業(yè)明膠的太赫茲測(cè)定圖譜存在顯著差異[39]。馬品[40]對(duì)不同鉻含量的明膠樣品烘干處理后,進(jìn)行太赫茲光譜檢測(cè),結(jié)果表明樣品鉻含量與吸收系數(shù)具有正相關(guān)線性關(guān)系,可實(shí)現(xiàn)明膠樣品中鉻定量檢測(cè)。但現(xiàn)有的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)及成像系統(tǒng)設(shè)備不僅價(jià)格昂貴,信息處理過(guò)程也很復(fù)雜,尚未得到廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

食用明膠作為一種重要且應(yīng)用廣泛的食品添加劑,在食品行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景,不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求使得明膠摻假現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,因此,食品中食用明膠的快速且準(zhǔn)確鑒別是市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì),對(duì)于保護(hù)消費(fèi)者健康、保障食品質(zhì)量安全具有非常重要的價(jià)值意義。傳統(tǒng)的分光光度法、原子吸收光譜法、紅外光譜技術(shù)、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法等光譜技術(shù)和色譜技術(shù),一定程度上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)食品中的食用明膠有效鑒別,通過(guò)膠原蛋白中特有羥脯氨酸的檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)食用明膠的快速鑒別。而同位素標(biāo)記、無(wú)標(biāo)記生物質(zhì)譜技術(shù)、酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法、太赫茲波譜技術(shù)等新型鑒別技術(shù),以其準(zhǔn)確度、靈敏度、安全性更高等特點(diǎn)成為食用明膠鑒別的重點(diǎn)研究方向,但因?yàn)樾滦蜋z測(cè)技術(shù)需要的實(shí)驗(yàn)儀器比傳統(tǒng)檢測(cè)的儀器設(shè)備更加昂貴,成本相比較來(lái)說(shuō)更高,不易進(jìn)行推廣應(yīng)用。未來(lái)可以重點(diǎn)關(guān)注開(kāi)發(fā)一種集傳統(tǒng)與新型檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一體,性能穩(wěn)定、靈敏度高、可靠性強(qiáng)的快速鑒別的便攜設(shè)備。

綜合以上方法的優(yōu)缺點(diǎn),可以發(fā)現(xiàn)不同方法在明膠鑒別的靈敏度、準(zhǔn)確性、操作難度、分析時(shí)間、成本等方面都有所差異。在實(shí)際應(yīng)用中,需要根據(jù)具體情況和要求來(lái)選擇最合適的鑒別方法。食品中食用明膠鑒別方法的研究是食品安全監(jiān)管的重要途徑,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,是一個(gè)不斷發(fā)展和完善的過(guò)程,未來(lái)的研究方向和重點(diǎn)還有很多,需要不斷進(jìn)行探索和創(chuàng)新。下一步的研究方向和重點(diǎn)可以從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。

(1)鑒別方法的改進(jìn)和完善?，F(xiàn)有的明膠鑒別方法雖然已經(jīng)能夠滿足大部分的需求,但是在靈敏度、特異性、準(zhǔn)確性、操作難度等方面還存在一定的不足,需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。例如,通過(guò)改進(jìn)樣品提取純化方法、優(yōu)化檢測(cè)條件、提高儀器靈敏度等方式,進(jìn)一步提高傳統(tǒng)鑒別方法的準(zhǔn)確性和靈敏度。

(2)建立鑒別方法的標(biāo)準(zhǔn)化體系。目前食品中明膠的鑒別方法尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等,盡管在文獻(xiàn)中有明膠檢測(cè)方法的相關(guān)報(bào)道,但因儀器設(shè)備、人員操作等原因,檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范性程度不高,檢測(cè)結(jié)果的有效性、準(zhǔn)確性難以保證,需要建立一套標(biāo)準(zhǔn)化體系,以保證不同實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)水平的穩(wěn)健。

(3)新的鑒別技術(shù)和方法的研究和應(yīng)用。隨著科技水平的不斷進(jìn)步,新的鑒別技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn),如基于生物傳感器的檢測(cè)技術(shù)、基于納米材料的檢測(cè)技術(shù)、基于人工智能的檢測(cè)技術(shù)等。這些新技術(shù)和方法在食用明膠鑒別方面的應(yīng)用和研究,將會(huì)成為未來(lái)的研究方向。