食品中食用明胶的鉴别方法研究进展

周 方,张 洋,唐璐子,周珊珊,王雨婷

安徽国科检测科技有限公司 (合肥 230041)

明胶是一种无色、无味、透明、可溶于水的胶状物质,通常由动物的结缔组织(如骨头、皮肤和软骨)提取而来[1],目前已经被官方认定为一种安全材料[2-3],可以在食品、药品、包装等领域广泛应用[4-6]。明胶通常用作食品添加剂,但由于其特殊的结构组成和物理化学性质,使得其还具有许多优点,如可降解性强、易成膜、生物组织相容性良好等,可被用作制备人工组织、修复组织以及药品胶囊的材料[7-9]。此外,明胶还可以用于制备药物控释系统和生物传感器等生物医学器件[9-10],广泛用于医药和生物技术领域。

食用明胶主要采用新鲜动物皮骨为原料,经十几道工序提取的胶原蛋白质,水解加工而成。食用明胶作为一种重要且广泛应用的食品添加剂,通常用于糖果、果冻、冰激凌、啤酒等食品的生产中,以改善产品的口感和质地,因其特殊的凝胶网状结构在乳制品生产过程中起到多种功能,能快速促进乳制品等食品的消化,在乳制品行业得到广泛应用[11-12]。

然而部分不法商家为了获得更高的利润,可能会使用一些不安全的或者低成本的胶来造假。常用于食用明胶造假的有工业明胶,这类明胶主要用在粘合剂、纱布、印刷等工业生产中。工业明胶与食用明胶有明显不同[13],对人体健康有极大的危害,其在生产过程中会用到对人体有害物质的原料,且重金属铬含量超标,并且会使用五氯苯酚作为防腐剂,不符合食品安全标准。尽管已被国家禁止添加到食品中,但在经济利益的驱使下,用工业明胶掺假现象时有发生,因此需要加强食品中食用明胶的鉴别和监督管理。

食用明胶的传统鉴别方法有分光光度法、原子吸收光谱法、红外光谱技术、高效液相色谱-串联质谱法等,以及新型鉴别技术,如同位素标记、无标记生物质谱技术、酶联免疫吸附测定法、太赫兹波谱技术等,本文主要对文献中报道的食用明胶鉴别方法的原理、优缺点进行综述,以便为食品中食用明胶的鉴别及食品安全监管提供参考依据。

1 食用明胶的传统鉴别方法

1.1 分光光度法

分光光度法是一种利用食用明胶特有的物质在特定波长的吸收光谱,从而进行定性和定量分析的方法。研究认为动物胶原蛋白特有的氨基酸是羟脯氨酸[14],根据显色反应,可以对食用明胶或工业明胶进行鉴别。张笑等[15]通过比色法测定明胶中的羟脯氨酸含量,食用明胶中的胶原蛋白经浓酸高温水解后分离出羟脯氨酸,经氯胺T氧化可以生成吡咯环物质,再用高氯酸溶液除去多余的氯胺T,加入显色剂对二甲氨基苯甲醛会生成红色化合物[16],利用紫外分光光度计测定吸光值,与标准曲线定量比较。赵龙岩等[17]研究采用分光光度法检测不同明胶原料的有害物质残留量,如五氯苯酚和重金属铬含量,并进行对比,能快速鉴别出工业明胶。分光光度法不需要衍生、操作简便、不需要高昂的仪器设备,检测成本低、应用较广,可以对大量样品进行检测,适用于快速筛查。但是,该方法的灵敏度较低,还无法鉴别食用明胶中的不同来源种类,前处理过程中还需要辅助一定的分离手段以提高检验准确度,有些情况下还需要使用有毒有害试剂。

1.2 原子吸收光谱法

原子吸收光谱法是一种测量特定气态原子对特征辐射的吸收来测定样品中的某元素的方法,这是测定明胶中铬含量的主要方法。由于不同明胶原料不同,工业明胶原料中含有较多重金属铬元素,通过比较铬含量差异可以区分食用明胶与工业明胶[18]。李志娟等[19]通过微波消解对明胶样品进行前处理,用石墨炉原子吸收法测定明胶中铬含量,结果表明在铬浓度为0～0.1 mg/L范围线性关系良好,这种方法简便、快速准确,检出限低,但此法在食品这类复杂基质的样品中,由于铬不是游离形态,而是与基质结合在一起,简单溶解或提取难以使铬从基质中释放,工业明胶样品还含有其他元素,基体背景干扰严重。王书舟等[20]建立了微波消解-混合基体改进剂石墨炉原子吸收光谱法进行铬的测定,能满足食品安全风险监测中大批量含明胶食品中铬监测要求。

1.3 红外光谱技术

红外光谱技术是基于不同分子基团结构的化合物有特异性的指纹图谱,具有快速、简便、无损、量少等优点,是一种常用的鉴别方法。但仅分析红外光谱原始谱图通常难以实现样品的鉴别,往往还需要结合化学计量法进行处理。以往的研究采用红外光谱技术结合化学计量学方法(如主成分分析,聚类分析)对不同食品中的不同动物来源的明胶、明胶软糖进行区分,并得出可以有效鉴别的结论[21-22]。早期研究将傅里叶变换红外光谱与衰减全反射联用,以3 290～3 280 cm-1和1 660～1 200 cm-1这两个光谱范围作为校正模板,结合化学计量法对猪明胶和牛明胶进行区分[23],张浩等[24]通过近红外光谱,结合机器学习算法等方式,构建了多种判别模型,结果表明:这种方法可以对5种不同种类来源的食用明胶实现区分鉴别,不同模型判别效果也有差异。

1.4 高效液相色谱-串联质谱法

高效液相色谱-串联质谱法是以高效液相色谱、质谱分别作为分离系统和测定系统来对样品进行定性、定量分析的一种方法。因其分离效果好、灵敏度高,常用来对明胶进行鉴别[25]。早期研究[26]主要用胰蛋白酶对明胶样品酶解,形成多种肽段,用高效液相色谱-串联质谱对肽段进行标记检测,最后根据多肽的不同来确定其来源。该方法理论上来说是一种比较有效的鉴别方法,但实际过程中,因为明胶制作的工艺复杂,容易使得氨基酸发生一些变化,对检测结果产生影响或结果发生偏离。

随后有研究[27-28]对这种方法进行了方法改进,研究应用了超高效液相色谱-串联电喷雾电离-四极杆飞行时间质谱的方法,对标记肽段进行检测,然后对比已有的肽链序列进行分析,从而实现了乳制品中的明胶种类鉴别。该方法能有效鉴别明胶不同来源,但是在样品检测时,前处理和分析手段较为复杂,实际操作时需要专业的仪器设备和技术,不适合样品的快速检测,对不同种类混合的明胶样品鉴定效果不是很理想,因此未来还需要对此改进。

2 食用明胶的新型鉴别方法

2.1 同位素标记、无标记生物质谱技术

作为一个鉴别明胶来源种类的相对有效、准确度高的方法,高效液相色谱-串联质谱法受到很多学者的认可,基于质谱的定量分析也因此成为蛋白质组学研究的主要方法。为提高鉴别准确性,很多学者在此基础上进行改进,结合新型的技术来实现对明胶的鉴别。高效液相色谱-高分辨率质谱技术可以结合同位素标记法,无标记定量法对明胶进行定量分析。已有的研究发现,通过胰蛋白酶来降解样品,采用18O标记多肽,结合液相色谱质谱技术,能较为准确地定量纯明胶样品和混合物中的明胶[29-30],可用于食品的品质监测,但易受到食品复杂基质的影响,实验流程也比较复杂,成本较高。

无标记质谱技术主要是通过高效液相色谱-高分辨率质谱法检测时,选择离子检测模式,在定量研究中使用离子检测模式的靶向方法比全扫描模式更灵敏,准确性和特异性更高[31-32]。无标记技术,相比于同位素标记,可以节省样本标记处理阶段,且成本较低。近年来无标记定量法也逐渐用于定量肌浆蛋白和肉蛋白[33]。研究利用高效液相色谱-高分辨率质谱技术对明胶多肽进行分析,对比溯源数据库选择有定量潜力的多肽进行定量分析,最终建立无标记定量方法34],但这种方法对数据处理技术提出了更高的要求。

2.2 酶联免疫吸附法

酶联免疫吸附法是一种新型免疫分析方法,主要是将抗体用酶标记,利用抗原-抗体反应发生特异性结合,酶催化发生显色反应的一种检测方法[35]。Venien[36]和Doi等[37]分别采用了间接ELISA法和夹层ELISA法对不同动物来源的明胶进行了有效鉴别。该方法样品制备相对简便,并且具有特异性强、灵敏性高的优点,但由于不同动物的胶原蛋白序列高度相同,而抗体对物种间特异性敏感度较低,而且实际操作还需要专业仪器设备,成本较高,在鉴别明胶不同种类时的应用受到了一定的局限。

2.3 太赫兹波谱技术

太赫兹波是介于微波和红外波段之间的电磁波,利用太赫兹波与物质的相互作用(吸收、散射、反射等)可以研究物质的结构、成分和动力学过程。太赫兹波谱技术作为一种新兴的检测技术,近年来广泛应用于生物医药、化工、食品各个领域[38]。相比于传统的技术,太赫兹波谱技术有很多优越的特性,如便捷有效,成像分辨率更高,安全性更高。研究对明胶样品进行研磨等前处理,采用太赫兹透射式实验,可看出食用明胶和工业明胶的太赫兹测定图谱存在显著差异[39]。马品[40]对不同铬含量的明胶样品烘干处理后,进行太赫兹光谱检测,结果表明样品铬含量与吸收系数具有正相关线性关系,可实现明胶样品中铬定量检测。但现有的太赫兹时域光谱系统及成像系统设备不仅价格昂贵,信息处理过程也很复杂,尚未得到广泛应用。

3 结束语

食用明胶作为一种重要且应用广泛的食品添加剂,在食品行业中具有广阔的应用前景,不断增长的市场需求使得明胶掺假现象时有发生,因此,食品中食用明胶的快速且准确鉴别是市场发展的趋势,对于保护消费者健康、保障食品质量安全具有非常重要的价值意义。传统的分光光度法、原子吸收光谱法、红外光谱技术、高效液相色谱-串联质谱法等光谱技术和色谱技术,一定程度上可以实现对食品中的食用明胶有效鉴别,通过胶原蛋白中特有羟脯氨酸的检测可以实现食用明胶的快速鉴别。而同位素标记、无标记生物质谱技术、酶联免疫吸附测定法、太赫兹波谱技术等新型鉴别技术,以其准确度、灵敏度、安全性更高等特点成为食用明胶鉴别的重点研究方向,但因为新型检测技术需要的实验仪器比传统检测的仪器设备更加昂贵,成本相比较来说更高,不易进行推广应用。未来可以重点关注开发一种集传统与新型检测技术优点于一体,性能稳定、灵敏度高、可靠性强的快速鉴别的便携设备。

综合以上方法的优缺点,可以发现不同方法在明胶鉴别的灵敏度、准确性、操作难度、分析时间、成本等方面都有所差异。在实际应用中,需要根据具体情况和要求来选择最合适的鉴别方法。食品中食用明胶鉴别方法的研究是食品安全监管的重要途径,具有重要的现实意义,是一个不断发展和完善的过程,未来的研究方向和重点还有很多,需要不断进行探索和创新。下一步的研究方向和重点可以从以下几个方面展开。

(1)鉴别方法的改进和完善。现有的明胶鉴别方法虽然已经能够满足大部分的需求,但是在灵敏度、特异性、准确性、操作难度等方面还存在一定的不足,需要进一步改进和完善。例如,通过改进样品提取纯化方法、优化检测条件、提高仪器灵敏度等方式,进一步提高传统鉴别方法的准确性和灵敏度。

(2)建立鉴别方法的标准化体系。目前食品中明胶的鉴别方法尚无统一的国家标准、行业标准等,尽管在文献中有明胶检测方法的相关报道,但因仪器设备、人员操作等原因,检测的标准化、规范性程度不高,检测结果的有效性、准确性难以保证,需要建立一套标准化体系,以保证不同实验室检测水平的稳健。

(3)新的鉴别技术和方法的研究和应用。随着科技水平的不断进步,新的鉴别技术和方法不断涌现,如基于生物传感器的检测技术、基于纳米材料的检测技术、基于人工智能的检测技术等。这些新技术和方法在食用明胶鉴别方面的应用和研究,将会成为未来的研究方向。