李 毅，辛家祥，朱 晶，王嘉琛，姚葉鋒

(華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院 上海市磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062)

我國(guó)是食用油消費(fèi)大國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，我國(guó)2017年植物性食用油年消費(fèi)量已超過(guò)3 000萬(wàn)t，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平進(jìn)一步提高，預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)植物性食用油消費(fèi)將達(dá)到3 500萬(wàn)t[1-2]。隨著我國(guó)食用油需求量的增加，食用油種類(lèi)、來(lái)源渠道也更加多樣化，但隨之而來(lái)的安全性問(wèn)題也日益突出。國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)出現(xiàn)了一系列針對(duì)食用油的摻假摻偽方式。對(duì)于植物性食用油來(lái)說(shuō)，摻假摻偽最主要的方式之一是在正常油品中摻入地溝油或高價(jià)油中摻入低價(jià)油等。由于地溝油經(jīng)高溫烹飪，又與環(huán)境中其他雜質(zhì)混合，因此含有大量有毒有害物質(zhì)，危害人體健康。高價(jià)油中摻入低價(jià)油雖然不會(huì)對(duì)人體健康帶來(lái)太大危險(xiǎn)，但卻嚴(yán)重侵害了消費(fèi)者權(quán)益。

對(duì)各類(lèi)食用油開(kāi)展準(zhǔn)確有效的檢測(cè)，判斷其是否添加過(guò)地溝油或其他偽劣油品，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)油品檢測(cè)方面的一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)?，F(xiàn)有的植物油摻假摻偽檢測(cè)分析方法主要集中于三大類(lèi)型。第1種是基于傳統(tǒng)的理化檢測(cè)法，如電導(dǎo)率法、顯色法等[3-4]，這些方法主要依賴(lài)于檢測(cè)發(fā)現(xiàn)油品中混入的某種或多種特定雜質(zhì)[5-6]；第2種是光譜法，主要包括各種紅外光譜、拉曼光譜等技術(shù)，對(duì)油品所含成分進(jìn)行測(cè)定[7-9]；第3種是采用氣相或液相色譜法，對(duì)不同種類(lèi)植物油中所含摻偽摻假組分進(jìn)行分離測(cè)定[10-11]。由于食用油中非法添加物的種類(lèi)繁多，上述方法常常存在漏檢、錯(cuò)檢的情況。更為重要的是，上述檢測(cè)方法大多需要樣品前處理，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，開(kāi)發(fā)更便捷、有效、可靠的食用油摻假摻偽的檢測(cè)技術(shù)與方法，已經(jīng)成為食用油行業(yè)和整個(gè)社會(huì)關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題。

核磁共振(NMR)技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于各類(lèi)食品檢測(cè)和研究[12-13]。食品檢測(cè)中的磁共振技術(shù)常常具有無(wú)需樣品前處理、無(wú)污染、快速簡(jiǎn)便等特點(diǎn)[14-16]。目前已有一些利用核磁共振技術(shù)檢測(cè)食用油摻假摻偽的報(bào)道[17-18]。從文獻(xiàn)報(bào)道看，現(xiàn)有技術(shù)主要集中在以下兩種方式：一種是通過(guò)高場(chǎng)譜儀，對(duì)食用油中的1H、13C以及31P等主要組成原子進(jìn)行一維或二維高分辨圖譜采集和分析，通過(guò)對(duì)譜圖采用多變量統(tǒng)計(jì)方法與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同油品的鑒別[19-21]；另一種方法是研究人員也嘗試使用低場(chǎng)核磁通過(guò)觀測(cè)食用油中1H的T2弛豫信號(hào)差異，并結(jié)合主成分分析(PCA)方法來(lái)對(duì)油品摻假情況進(jìn)行判斷[22-23]。但在實(shí)際使用過(guò)程中，上述兩種方法均存在一些不足。例如，第1種方法需要使用高分辨核磁共振譜儀，檢測(cè)成本高、周期長(zhǎng)，在一些油品的檢測(cè)上并不具備很好的區(qū)分能力[24]。對(duì)于第2種方法來(lái)說(shuō)，由于常見(jiàn)油品(以及包括正常和非正常油品)的1H T2弛豫差異不大，簡(jiǎn)單檢測(cè)食用油中1H的T2弛豫，常常無(wú)法實(shí)現(xiàn)食用油區(qū)分、鑒偽目的[25-27]。

核磁共振指紋譜技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)[28-29]。該技術(shù)基于綜合觀測(cè)樣品的多種弛豫信息，通過(guò)選擇性放大待測(cè)樣品中特定弛豫成分，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品弛豫特征的獲取。目前核磁共振指紋譜技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)核磁共振影響人體組織的觀察中[30-32]。本文中，筆者研發(fā)一種基于醫(yī)學(xué)指紋譜原理的食用油指紋譜檢測(cè)方法，通過(guò)放大待測(cè)樣品中弛豫差異，以實(shí)現(xiàn)對(duì)正常食用油和摻水、豬油、牛油等摻雜食用油及高溫處理食用油的區(qū)分。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

西王牌玉米胚芽油，山東西王食品有限公司；百鉆牌豬油，湖北安琪酵母股份有限公司；肖佬五牌牛油，重慶帥克食品有限公司。以上樣品均購(gòu)于市場(chǎng)。

摻雜玉米油樣品制備。準(zhǔn)備3份玉米胚芽油，再按質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的比例分別加入水、豬油、牛油，混合均勻。

高溫處理玉米胚芽油制備。取同一玉米胚芽油，高溫(178 ℃)加熱3 min。

1.2 磁共振實(shí)驗(yàn)

所有NMR實(shí)驗(yàn)均在Bruker AVANCE III 500 NMR核磁共振波譜儀上完成，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫。實(shí)驗(yàn)所用的探頭為Bruker HXY三通道探頭，1H的共振頻率為500.13 MHz。

1.3 指紋譜脈沖序列

針對(duì)食用油樣品開(kāi)發(fā)了一個(gè)新型的指紋譜脈沖序列(圖1)。在該脈沖序列中，首先施加90°脈沖，然后再施加[τ1-(180°)-τ1]n組合脈沖，等待20 μs后再施加90°脈沖，等待τ2時(shí)間后施加90°脈沖，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。其中，n、τ1和τ2均為實(shí)驗(yàn)中需改變的脈沖參數(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)信號(hào)采集方式，圖1的脈沖序列可給出2種不同類(lèi)型的指紋譜：①通過(guò)固定τ2可獲得包含樣品1H T2弛豫性質(zhì)的信號(hào)f(n,τ1)，將f(n,τ1)與參考函數(shù)F(n,τ1)相減可得到樣品T2分布指紋譜；②通過(guò)固定τ1可獲得包含樣品1H T1和T2弛豫性質(zhì)的信號(hào)f(n,τ2)，將f(n,τ2)與參考函數(shù)F(n,τ2)相減得到樣品T1-T2相關(guān)指紋譜。參考函數(shù)F(n,τ1)和F(n,τ2)可通過(guò)多種方式獲得。在本文中，參考函數(shù)F(n,τ1)和F(n,τ2)通過(guò)擬合對(duì)應(yīng)樣品的信號(hào)f(n,τ1)和f(n,τ2)獲得。在T2分布指紋譜實(shí)驗(yàn)中，參數(shù)τ1的取值范圍為20 μs～1 ms，參數(shù)τ2=2 ms固定不變。在T1-T2相關(guān)指紋譜實(shí)驗(yàn)中，參數(shù)τ1=20 μs固定不變，參數(shù)τ2的取值范圍10 ms～3 s，。兩組實(shí)驗(yàn)循環(huán)次數(shù)n的取值范圍均為1～40 000。

圖1 指紋譜脈沖序列

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米油指紋譜采集

2.1.1 二維T2分布指紋譜

圖2為通過(guò)圖1序列獲得的二維T2分布信號(hào)f(n,τ1)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)固定τ2=2 ms獲得。通過(guò)Matlab對(duì)f(n,τ1)進(jìn)行擬合獲得擬合函數(shù)F(n,τ1)。食用油T2分布指紋譜為f*(n,τ1)=f(n,τ1)-F(n,τ1)。文中出現(xiàn)的T2分布指紋譜中色標(biāo)右側(cè)的值即為f*(n,τ1)。

圖2 玉米油樣品的T2分布信號(hào)和分布指紋譜

2.1.2 二維T1-T2相關(guān)指紋譜

圖3為通過(guò)圖1序列獲得的二維T1-T2相關(guān)信號(hào)f(n,τ2)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)固定τ1=20 μs獲得。通過(guò)Matlab對(duì)f(n,τ2)進(jìn)行擬合獲得擬合函數(shù)F(n,τ2)。食用油T1-T2相關(guān)指紋譜為f*(n,τ2)=f(n,τ2)-F(n,τ2)。文中出現(xiàn)的T1-T2相關(guān)指紋譜中色標(biāo)右側(cè)的值即為f*(n,τ2)。

圖3 玉米油樣品的二維T1-T2相關(guān)信號(hào)和相關(guān)指紋譜

2.2 利用T2分布指紋譜檢測(cè)不同食用油樣品

一些非正常植物性食用油中常常會(huì)有較高的含水量。水含量的增加會(huì)導(dǎo)致樣品信號(hào)弛豫特性的改變。為了模仿?lián)剿钦Ｊ秤糜?，筆者制備了摻雜1%水的玉米油樣品。圖4為玉米油樣品和摻雜1%水的玉米油樣品的T2分布指紋譜，H區(qū)域?yàn)楣P者挑選的對(duì)比區(qū)域。由圖4可以看到，摻雜樣品中H區(qū)域的顏色與正常樣品相比明顯偏紅，該特征對(duì)比區(qū)域可作為T(mén)2分布指紋譜鑒別摻水玉米油的特征或標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)從圖4中也可以看到，除了H區(qū)域以外，T2分布指紋譜中也有其他可選擇的對(duì)比區(qū)域，如I區(qū)域，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同樣品的分辨。在之后的討論中，筆者選擇區(qū)別較為明顯的H區(qū)域進(jìn)行比較和討論。

圖4 玉米油和摻雜1%水的玉米油樣品的T2分布指紋譜

一些非正常植物性食用油(如地溝油或摻雜地溝油)中可能會(huì)含有飽和脂肪酸比例較高的豬油、牛油等動(dòng)物性脂肪。這些動(dòng)物性脂肪組分的加入常常會(huì)影響樣品在核磁共振測(cè)試中的弛豫特征。為了模仿該類(lèi)非正常食用油，在2份玉米油樣品中分別添加了1%豬油和1%牛油來(lái)模擬地溝油樣品。圖5為玉米油樣品和分別摻雜1%豬油和1%牛油的玉米油樣品的T2分布指紋譜，H區(qū)域?yàn)槲覀兲暨x的對(duì)比區(qū)域。由圖5可以看到，摻雜樣品中H區(qū)域的顏色與正常樣品相比有明顯差別，該特征對(duì)比區(qū)域可作為T(mén)2分布指紋譜鑒別摻豬油和牛油玉米油的特征。

圖5 玉米油和摻雜動(dòng)物性脂肪組分玉米油樣品的T2分布指紋譜

食用油在長(zhǎng)期放置過(guò)程中自身逐漸會(huì)發(fā)生氧化。部分氧化的過(guò)期油也常常是非正常食用油的一個(gè)來(lái)源。為了模仿該類(lèi)非正常食用油，對(duì)食用油進(jìn)行高溫處理，利用高溫處理會(huì)加速氧化過(guò)程。圖6為玉米油樣品和高溫處理玉米油樣品獲得的T2分布指紋譜，H區(qū)域?yàn)楣P者為這組樣品挑選的敏感區(qū)域。由圖6可以看到，經(jīng)高溫處理的玉米油樣品中H區(qū)域的顏色與純玉米油樣品該區(qū)域的顏色相比有較為明顯的差別，高溫油H區(qū)域的顏色偏紅，說(shuō)明高溫油該區(qū)域的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)曲面的差值大于純玉米油樣品。這結(jié)果說(shuō)明T2分布指紋譜能夠有效分辨經(jīng)高溫處理的玉米油樣品。由此可見(jiàn)，此方法有望用來(lái)檢測(cè)過(guò)期油。

圖6 玉米油樣品與高溫處理玉米油樣品的T2分布指紋譜

2.3 利用T1-T2相關(guān)指紋譜檢測(cè)不同食用油樣品

利用圖1所示脈沖序列，還可以獲得T1-T2相關(guān)指紋譜。圖7為玉米油樣品和摻雜1%水的玉米油樣品獲得的T1-T2相關(guān)指紋譜，J、K、L區(qū)域?yàn)楣P者挑選的T1-T2相關(guān)指紋譜的對(duì)比區(qū)域。由圖7可以看到，摻雜樣品中J、K、L區(qū)域的顏色較玉米油樣品中的相同區(qū)域顏色偏紅明顯。因此，J、K、L可以作為T(mén)1-T2相關(guān)指紋譜的特征對(duì)比區(qū)域用于鑒別摻水玉米油。為了方便討論，在后面的討論中，筆者選擇J區(qū)域進(jìn)行對(duì)比和討論。

圖7 玉米油樣品與摻雜1%水的玉米油樣品的T1-T2相關(guān)指紋譜

圖8分別為玉米油樣品、摻雜1%豬油和1%牛油的玉米油樣品最終獲得的T1-T2相關(guān)指紋譜，J區(qū)域?yàn)?種樣品T1-T2相關(guān)指紋譜的對(duì)比區(qū)域。由圖8可看到，摻雜樣品中J區(qū)域的顏色與玉米油樣品中的相同區(qū)域顏色有明顯差別，這說(shuō)明T1-T2相關(guān)指紋譜對(duì)地溝油潛在的鑒別區(qū)分能力。

圖8 玉米油和摻雜動(dòng)物性脂肪組分玉米油樣品的T1-T2相關(guān)指紋譜

圖9為玉米油樣品和高溫處理玉米油樣品的T1-T2相關(guān)指紋譜。與上面的分析方法類(lèi)似，高溫油T1-T2相關(guān)指紋譜上對(duì)比區(qū)域J的顏色比玉米油明顯偏紅，說(shuō)明在這一區(qū)間內(nèi)高溫處理樣品的弛豫結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)曲面出現(xiàn)較大偏離，從而使其得以與普通正常樣品有所區(qū)分。由此可見(jiàn)，利用T1-T2相關(guān)指紋譜對(duì)過(guò)期油實(shí)現(xiàn)鑒別檢測(cè)，具有可行性。

圖9 玉米油樣品和高溫處理的玉米油樣品的T1-T2相關(guān)指紋譜

綜上可知，T2分布指紋譜和T1-T2相關(guān)指紋譜均能夠?qū)τ衩子偷膿诫s進(jìn)行有效區(qū)分。對(duì)于玉米油來(lái)說(shuō)，T2分布指紋譜對(duì)摻雜的敏感程度似乎低于T1-T2相關(guān)指紋譜。與純油樣品的T1-T2相關(guān)指紋譜相比，各個(gè)摻雜樣品的T1-T2相關(guān)指紋譜表現(xiàn)出了非常明顯的差異。不過(guò)，T2分布指紋譜和T1-T2相關(guān)指紋譜在鑒別食用油類(lèi)型和摻雜方面能力的差異性還需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在相同實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及外加磁場(chǎng)穩(wěn)定的條件下，不同食用油樣品指紋譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)出較為顯著的差異，并且能與樣品類(lèi)型相對(duì)應(yīng)；但是測(cè)試儀器或者外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，可能會(huì)導(dǎo)致得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所差異。同時(shí)，T1-T2相關(guān)指紋譜對(duì)摻雜物質(zhì)更為敏感，有望通過(guò)劃分更多的敏感區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)食用油樣品的精準(zhǔn)區(qū)分。不過(guò)，T2分布指紋譜或T1-T2相關(guān)指紋譜對(duì)摻雜食用油檢測(cè)的靈敏度應(yīng)該與待測(cè)食用油樣品性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也與標(biāo)準(zhǔn)參考曲面的選擇有關(guān)。

目前，由于本研究中關(guān)于摻偽樣品的檢測(cè)并未用更多的平行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，因此，如要更好地評(píng)價(jià)T2分布指紋譜和T1-T2相關(guān)指紋譜的鑒別區(qū)分能力，在后期指紋譜庫(kù)的建立中，一方面需要大量來(lái)源可靠的不同類(lèi)型食用油相關(guān)數(shù)據(jù)的積累，建立更為可靠的標(biāo)準(zhǔn)曲面；另一方面，也需要通過(guò)平行實(shí)驗(yàn)獲取更多樣品的檢測(cè)數(shù)據(jù)，展開(kāi)比對(duì)分析，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)整測(cè)試相關(guān)參數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證指紋譜方法的有效性。

3 結(jié)論與展望

以市售常見(jiàn)植物性食用油作為研究對(duì)象，研發(fā)了一套基于核磁共振原理的指紋譜技術(shù)。與傳統(tǒng)方法相比，本方法對(duì)摻雜食用油具有較高的區(qū)分度，在對(duì)一系列摻雜食用油的檢測(cè)中，核磁共振指紋譜方法取得了較為理想的結(jié)果。所開(kāi)發(fā)的T2分布指紋譜和T1-T2相關(guān)指紋譜均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同摻雜食用油的有效分辨檢測(cè)與區(qū)分，但是T1-T2相關(guān)指紋譜對(duì)摻雜物質(zhì)更為敏感。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性的測(cè)試中，以相同的玉米油為樣品，進(jìn)行了連續(xù)2次平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示2次實(shí)驗(yàn)的T2分布指紋譜和T1-T2相關(guān)指紋譜基本保持一致，驗(yàn)證了這一測(cè)試方法的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

綜上所述，本文中，筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的新方法方便快捷、直觀性強(qiáng)，為食用油摻偽摻假的快速檢測(cè)提供了一種非常有潛力的新手段，也可應(yīng)用于食用油生產(chǎn)銷(xiāo)售環(huán)節(jié)，為食用油上下游的品控管理提供一種可靠的質(zhì)控方法，在食用油生產(chǎn)、油品質(zhì)量控制以及摻偽鑒定等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。