食品中食用明膠的鑒別方法研究進展

周 方,張 洋,唐璐子,周珊珊,王雨婷

安徽國科檢測科技有限公司 (合肥 230041)

明膠是一種無色、無味、透明、可溶于水的膠狀物質,通常由動物的結締組織(如骨頭、皮膚和軟骨)提取而來[1],目前已經被官方認定為一種安全材料[2-3],可以在食品、藥品、包裝等領域廣泛應用[4-6]。明膠通常用作食品添加劑,但由于其特殊的結構組成和物理化學性質,使得其還具有許多優點,如可降解性強、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和生物傳感器等生物醫學器件[9-10],廣泛用于醫藥和生物技術領域。

食用明膠主要采用新鮮動物皮骨為原料,經十幾道工序提取的膠原蛋白質,水解加工而成。食用明膠作為一種重要且廣泛應用的食品添加劑,通常用于糖果、果凍、冰激凌、啤酒等食品的生產中,以改善產品的口感和質地,因其特殊的凝膠網狀結構在乳制品生產過程中起到多種功能,能快速促進乳制品等食品的消化,在乳制品行業得到廣泛應用[11-12]。

然而部分不法商家為了獲得更高的利潤,可能會使用一些不安全的或者低成本的膠來造假。常用于食用明膠造假的有工業明膠,這類明膠主要用在粘合劑、紗布、印刷等工業生產中。工業明膠與食用明膠有明顯不同[13],對人體健康有極大的危害,其在生產過程中會用到對人體有害物質的原料,且重金屬鉻含量超標,并且會使用五氯苯酚作為防腐劑,不符合食品安全標準。盡管已被國家禁止添加到食品中,但在經濟利益的驅使下,用工業明膠摻假現象時有發生,因此需要加強食品中食用明膠的鑒別和監督管理。

食用明膠的傳統鑒別方法有分光光度法、原子吸收光譜法、紅外光譜技術、高效液相色譜-串聯質譜法等,以及新型鑒別技術,如同位素標記、無標記生物質譜技術、酶聯免疫吸附測定法、太赫茲波譜技術等,本文主要對文獻中報道的食用明膠鑒別方法的原理、優缺點進行綜述,以便為食品中食用明膠的鑒別及食品安全監管提供參考依據。

1 食用明膠的傳統鑒別方法

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在特定波長的吸收光譜,從而進行定性和定量分析的方法。研究認為動物膠原蛋白特有的氨基酸是羥脯氨酸[14],根據顯色反應,可以對食用明膠或工業明膠進行鑒別。張笑等[15]通過比色法測定明膠中的羥脯氨酸含量,食用明膠中的膠原蛋白經濃酸高溫水解后分離出羥脯氨酸,經氯胺T氧化可以生成吡咯環物質,再用高氯酸溶液除去多余的氯胺T,加入顯色劑對二甲氨基苯甲醛會生成紅色化合物[16],利用紫外分光光度計測定吸光值,與標準曲線定量比較。趙龍巖等[17]研究采用分光光度法檢測不同明膠原料的有害物質殘留量,如五氯苯酚和重金屬鉻含量,并進行對比,能快速鑒別出工業明膠。分光光度法不需要衍生、操作簡便、不需要高昂的儀器設備,檢測成本低、應用較廣,可以對大量樣品進行檢測,適用于快速篩查。但是,該方法的靈敏度較低,還無法鑒別食用明膠中的不同來源種類,前處理過程中還需要輔助一定的分離手段以提高檢驗準確度,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量特定氣態原子對特征輻射的吸收來測定樣品中的某元素的方法,這是測定明膠中鉻含量的主要方法。由于不同明膠原料不同,工業明膠原料中含有較多重金屬鉻元素,通過比較鉻含量差異可以區分食用明膠與工業明膠[18]。李志娟等[19]通過微波消解對明膠樣品進行前處理,用石墨爐原子吸收法測定明膠中鉻含量,結果表明在鉻濃度為0～0.1 mg/L范圍線性關系良好,這種方法簡便、快速準確,檢出限低,但此法在食品這類復雜基質的樣品中,由于鉻不是游離形態,而是與基質結合在一起,簡單溶解或提取難以使鉻從基質中釋放,工業明膠樣品還含有其他元素,基體背景干擾嚴重。王書舟等[20]建立了微波消解-混合基體改進劑石墨爐原子吸收光譜法進行鉻的測定,能滿足食品安全風險監測中大批量含明膠食品中鉻監測要求。

1.3 紅外光譜技術

紅外光譜技術是基于不同分子基團結構的化合物有特異性的指紋圖譜,具有快速、簡便、無損、量少等優點,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現樣品的鑒別,往往還需要結合化學計量法進行處理。以往的研究采用紅外光譜技術結合化學計量學方法(如主成分分析,聚類分析)對不同食品中的不同動物來源的明膠、明膠軟糖進行區分,并得出可以有效鑒別的結論[21-22]。早期研究將傅里葉變換紅外光譜與衰減全反射聯用,以3 290～3 280 cm-1和1 660～1 200 cm-1這兩個光譜范圍作為校正模板,結合化學計量法對豬明膠和牛明膠進行區分[23],張浩等[24]通過近紅外光譜,結合機器學習算法等方式,構建了多種判別模型,結果表明:這種方法可以對5種不同種類來源的食用明膠實現區分鑒別,不同模型判別效果也有差異。

1.4 高效液相色譜-串聯質譜法

高效液相色譜-串聯質譜法是以高效液相色譜、質譜分別作為分離系統和測定系統來對樣品進行定性、定量分析的一種方法。因其分離效果好、靈敏度高,常用來對明膠進行鑒別[25]。早期研究[26]主要用胰蛋白酶對明膠樣品酶解,形成多種肽段,用高效液相色譜-串聯質譜對肽段進行標記檢測,最后根據多肽的不同來確定其來源。該方法理論上來說是一種比較有效的鑒別方法,但實際過程中,因為明膠制作的工藝復雜,容易使得氨基酸發生一些變化,對檢測結果產生影響或結果發生偏離。

隨后有研究[27-28]對這種方法進行了方法改進,研究應用了超高效液相色譜-串聯電噴霧電離-四極桿飛行時間質譜的方法,對標記肽段進行檢測,然后對比已有的肽鏈序列進行分析,從而實現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源,但是在樣品檢測時,前處理和分析手段較為復雜,實際操作時需要專業的儀器設備和技術,不適合樣品的快速檢測,對不同種類混合的明膠樣品鑒定效果不是很理想,因此未來還需要對此改進。

2 食用明膠的新型鑒別方法

2.1 同位素標記、無標記生物質譜技術

作為一個鑒別明膠來源種類的相對有效、準確度高的方法,高效液相色譜-串聯質譜法受到很多學者的認可,基于質譜的定量分析也因此成為蛋白質組學研究的主要方法。為提高鑒別準確性,很多學者在此基礎上進行改進,結合新型的技術來實現對明膠的鑒別。高效液相色譜-高分辨率質譜技術可以結合同位素標記法,無標記定量法對明膠進行定量分析。已有的研究發現,通過胰蛋白酶來降解樣品,采用18O標記多肽,結合液相色譜質譜技術,能較為準確地定量純明膠樣品和混合物中的明膠[29-30],可用于食品的品質監測,但易受到食品復雜基質的影響,實驗流程也比較復雜,成本較高。

無標記質譜技術主要是通過高效液相色譜-高分辨率質譜法檢測時,選擇離子檢測模式,在定量研究中使用離子檢測模式的靶向方法比全掃描模式更靈敏,準確性和特異性更高[31-32]。無標記技術,相比于同位素標記,可以節省樣本標記處理階段,且成本較低。近年來無標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-高分辨率質譜技術對明膠多肽進行分析,對比溯源數據庫選擇有定量潛力的多肽進行定量分析,最終建立無標記定量方法34],但這種方法對數據處理技術提出了更高的要求。

2.2 酶聯免疫吸附法

酶聯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記,利用抗原-抗體反應發生特異性結合,酶催化發生顯色反應的一種檢測方法[35]。Venien[36]和Doi等[37]分別采用了間接ELISA法和夾層ELISA法對不同動物來源的明膠進行了有效鑒別。該方法樣品制備相對簡便,并且具有特異性強、靈敏性高的優點,但由于不同動物的膠原蛋白序列高度相同,而抗體對物種間特異性敏感度較低,而且實際操作還需要專業儀器設備,成本較高,在鑒別明膠不同種類時的應用受到了一定的局限。

2.3 太赫茲波譜技術

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的相互作用(吸收、散射、反射等)可以研究物質的結構、成分和動力學過程。太赫茲波譜技術作為一種新興的檢測技術,近年來廣泛應用于生物醫藥、化工、食品各個領域[38]。相比于傳統的技術,太赫茲波譜技術有很多優越的特性,如便捷有效,成像分辨率更高,安全性更高。研究對明膠樣品進行研磨等前處理,采用太赫茲透射式實驗,可看出食用明膠和工業明膠的太赫茲測定圖譜存在顯著差異[39]。馬品[40]對不同鉻含量的明膠樣品烘干處理后,進行太赫茲光譜檢測,結果表明樣品鉻含量與吸收系數具有正相關線性關系,可實現明膠樣品中鉻定量檢測。但現有的太赫茲時域光譜系統及成像系統設備不僅價格昂貴,信息處理過程也很復雜,尚未得到廣泛應用。

3 結束語

食用明膠作為一種重要且應用廣泛的食品添加劑,在食品行業中具有廣闊的應用前景,不斷增長的市場需求使得明膠摻假現象時有發生,因此,食品中食用明膠的快速且準確鑒別是市場發展的趨勢,對于保護消費者健康、保障食品質量安全具有非常重要的價值意義。傳統的分光光度法、原子吸收光譜法、紅外光譜技術、高效液相色譜-串聯質譜法等光譜技術和色譜技術,一定程度上可以實現對食品中的食用明膠有效鑒別,通過膠原蛋白中特有羥脯氨酸的檢測可以實現食用明膠的快速鑒別。而同位素標記、無標記生物質譜技術、酶聯免疫吸附測定法、太赫茲波譜技術等新型鑒別技術,以其準確度、靈敏度、安全性更高等特點成為食用明膠鑒別的重點研究方向,但因為新型檢測技術需要的實驗儀器比傳統檢測的儀器設備更加昂貴,成本相比較來說更高,不易進行推廣應用。未來可以重點關注開發一種集傳統與新型檢測技術優點于一體,性能穩定、靈敏度高、可靠性強的快速鑒別的便攜設備。

綜合以上方法的優缺點,可以發現不同方法在明膠鑒別的靈敏度、準確性、操作難度、分析時間、成本等方面都有所差異。在實際應用中,需要根據具體情況和要求來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管的重要途徑,具有重要的現實意義,是一個不斷發展和完善的過程,未來的研究方向和重點還有很多,需要不斷進行探索和創新。下一步的研究方向和重點可以從以下幾個方面展開。

(1)鑒別方法的改進和完善?，F有的明膠鑒別方法雖然已經能夠滿足大部分的需求,但是在靈敏度、特異性、準確性、操作難度等方面還存在一定的不足,需要進一步改進和完善。例如,通過改進樣品提取純化方法、優化檢測條件、提高儀器靈敏度等方式,進一步提高傳統鑒別方法的準確性和靈敏度。

(2)建立鑒別方法的標準化體系。目前食品中明膠的鑒別方法尚無統一的國家標準、行業標準等,盡管在文獻中有明膠檢測方法的相關報道,但因儀器設備、人員操作等原因,檢測的標準化、規范性程度不高,檢測結果的有效性、準確性難以保證,需要建立一套標準化體系,以保證不同實驗室檢測水平的穩健。

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