李占明，戴宇琪，宋嘉慧，賀光云，陳明煌，付才力 ，侯 雪,

（1.江蘇科技大學糧食學院，江蘇鎮(zhèn)江 212100；2.福建省檢驗檢疫技術研究重點實驗室，福建福州 350003；3.四川省農業(yè)科學院農業(yè)質量標準與檢測技術研究所，四川成都 610066；4.新加坡國立大學蘇州研究院，江蘇蘇州 215123；5.國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037）

近年來，人們對食品安全、質量、可追溯性和監(jiān)管的要求日益增長。食品科學領域致力于開發(fā)強有力的、非破壞性的分析方法，以便有效地分析食品成分，測量其理化性質和功能性[1]。核磁共振（Nuclear magnetic resonance，NMR）是一種基于原子核磁性的波譜技術，在化學動力學研究和有機化合物結構鑒定等諸多領域得到了廣泛應用[2]。NMR 可以提供關于代謝物的獨特結構信息，且因其無損性在食品領域具有巨大應用潛力[3]。

NMR 技術在食品科學領域中的應用初期主要用于研究水在食品中的狀態(tài)，后來逐漸應用于蛋白質結構、碳水化合物等方面的分析研究。食品的松脆度、多汁性、質感穩(wěn)定性等質構信息取決于食品組成成分的物理化學狀態(tài)及其三維結構，通常無法用常規(guī)分析方法進行研究，因此，運用非破壞性的NMR 技術研究食品的物理、化學性質已成為食品研究的一種趨勢。

基于核磁共振氫譜（1H NMR）的代謝組學技術結合多元統(tǒng)計分析方法建立的數(shù)學模型，能夠從復雜的數(shù)據(jù)中最大限度地提取信息，反映樣本分組的整體差異性的特點，能夠從未知樣品的1H NMR 圖譜得到樣品的代謝組分等信息[4]，適用于食品品質的相關研究。目前，對食品的地理來源、質量評定以及潛在的摻假等食品認證具有一定挑戰(zhàn)性，現(xiàn)有的食品摻假溯源方法主要集中在理化測試、分子生物學技術、大型儀器分析等方面，相關鑒別的準確性和靈活性有待提高。1H NMR 技術能以快速、無損的方式提供食品的成分和結構的信息，因此能夠成為食品質量分析和產(chǎn)地溯源等的有力工具[5]。鑒于此，本文對1H NMR組學技術在食品摻假及產(chǎn)地溯源等領域的應用進行了詳細的綜述，旨在為1H NMR 在食品品質分析檢測中的應用提供理論依據(jù)。

1 基于1H NMR 的食品代謝組學技術

1.11H NMR 的食品代謝組學原理

代謝組學技術概念自提出以來，便在食品領域通過分子生物學的手段用以檢測和分析食品中的代謝組分[6]。應用代謝組學技術進行研究的一般流程包括試驗設計和樣品準備，代謝物的采集、分離、檢測、數(shù)據(jù)處理及分析等[7]。其中檢測和數(shù)據(jù)處理部分較為重要，是代謝組學技術不可或缺的重要步驟[8]。1H NMR 便是其中較為重要的一種組學檢測技術，它是利用在靜磁場中具有磁性的原子核存在不同能級，用特定頻率的電磁波照射樣品，當電磁波能量等于能級差時原子核吸收電磁能躍遷產(chǎn)生共振吸收信號并通過記錄儀自動描記出圖譜的技術[9]。

食品基質的復雜性和可變性，這些常常反映在它們的NMR 譜中。NMR 技術中包括核磁共振氫譜（1H NMR）、核磁共振碳譜（13C NMR）、核磁共振氮譜（15N NMR）、核磁共振磷譜（31P NMR）等一些種類。其中，1H NMR 技術由于可以檢測所有含有質子的代謝成分，在食品代謝組學技術中運用最為廣泛[1,10]，在包括食品摻假和食品溯源在內的多個方面均有應用[11]。

1.2 基于1H NMR 的食品代謝組學技術的應用

應用1H NMR 技術在進行食品分析時，根據(jù)一定的規(guī)則或與標準氫譜進行比照可以直接鑒定出代謝物的化學成分，信號的相對強弱則反映了各成分的相對含量[12]。圖1 展示了基于NMR 的代謝組學技術在食品科學中應用的工作流程示意圖，其中，樣品的制備、光譜數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)預處理及模型構建等在食品代謝組學分析中的作用尤為重要。

圖1 基于1H NMR 的代謝組學技術在食品科學中應用的工作流程示意圖[15]Fig.1 Workflow diagram of application of1H NMR-based metabonomics technology in food science[15]

由于通過代謝組學技術得到的信息量復雜，需要對原始數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理，將多維分散的數(shù)據(jù)進行總結歸類和降維處理，排除多余的干擾因素。代謝組學技術的數(shù)據(jù)處理及分析主要包括物質的定性定量和統(tǒng)計學分析[13]。如表1 所示，1H NMR 技術結合統(tǒng)計學分析可實現(xiàn)大豆油、橄欖油、玉米、食醋等典型食品的儲存、成分分析、質量檢測、地理溯源等問題的分析。代謝組學技術涉及的數(shù)據(jù)分析以多維數(shù)據(jù)分析（Multivariate data analysis，MVDA）為主，包括主成分分析（Principal component analysis，PCA）、聚類分析（Cluster analysis，CA）和偏最小二乘法-判別分析（Partial least squares discriminant analysis，PLSDA）等[14]。

表1 基于1H NMR 的代謝組學技術在食品科學中應用Table 1 Application of1H NMR-based metabonomics technology in food science

2 食品摻假鑒別

1H NMR 可以做到對食品的無損檢測，在不破壞食品樣品結構的同時獲得食品樣品的信息，由于1H NMR 在食品摻假應用方面的突出優(yōu)勢，目前利用該技術在蜂蜜、糧油食品摻假等方面的研究較多[24]。

隨著消費者需求擴大和對產(chǎn)品要求增多，蜂蜜市場逐漸暴露出以次充好、摻假等問題[25]。1H NMR檢測技術具有簡單、快速、準確的優(yōu)點，成為當下市場解決蜂蜜摻假問題的有效手段之一。利用1H NMR 結合OPLS-DA 模型和PLS 模型等，可對洋槐蜜中摻入油菜蜜，以及洋槐蜜和劣質蜂蜜的蔗糖含量進行鑒別[26]。陳雷等[27]利用OPLS 分析方法進行蜂蜜果葡糖漿核磁共振譜圖分析，通過建立真假蜂蜜模型，實現(xiàn)對油菜蜜樣品和果葡糖漿摻假蜂蜜樣品的區(qū)分，訓練集和測試集樣品的總體判別正確率分別為98.40%和98.24%。而對于蜂蜜中相對難以檢測糙米糖漿，Musharraf 等[28]利用基于濃度轉換因子快速、簡便的定量1H NMR 方法實現(xiàn)了糙米糖漿中蜂蜜的摻假鑒別。

1H NMR 具有高通量、重現(xiàn)性好、操作簡便、結構信息豐富等優(yōu)點，在油脂摻假檢測中有良好的應用前景。通過比較1H NMR 圖譜分析純茶油與純大豆油及玉米油之間存在的差異譜峰，并結合PCA、PLS-DA 以及PLS 等化學計量學方法對未知茶油進行摻假鑒別，可有效地區(qū)分純茶油和摻假茶油[29]。Ozren 等[30]對純油及其混合物的1H NMR 譜進行了定量分析的研究表明，1H NMR 波譜結合多元統(tǒng)計方法可以快速有效地測定常用摻偽油中摻偽血紅素油的脂肪酸組成和摻偽程度。

除此之外，1H NMR 技術結合數(shù)據(jù)分析在肉制品摻假等領域也得到了良好的應用。冷拓[31]通過對1H NMR 譜圖反映出的摻偽牛肉在甘油三酯以及亞油酸等物質含量上的差異的分析，建立牛肉摻偽的PLS定量預測模型來鑒別摻假牛肉。Schmitt 等[32]利用1H NMR 波譜分析，通過計算同信號強度下的標準差，實現(xiàn)了花生雜質的定性檢測。利用1H NMR 譜和化學計量學方法成功地量化兩種不同烘焙程度的咖啡中六種最重要的摻假成分[33]。有研究利用1H NMR 波譜作為指紋圖譜，結合PCA 法對處理過的咖啡樣品進行分析，結果表明烘焙咖啡的化學成分與大麥、大豆、玉米和咖啡殼樣品的成分顯著不同[34]。

3 食品產(chǎn)地溯源

食品受品種、產(chǎn)地、生長等因素影響，在不同的土壤氣候條件下，代謝譜有明顯的地理依賴性。1H NMR 方法是一種簡單、快速和經(jīng)濟有效的鑒別產(chǎn)地的方法。包括地理性標志產(chǎn)品在內的食品產(chǎn)地溯源，有助于維持食品的產(chǎn)地屬性以及經(jīng)濟價值。Tomassini 等[35]通過1H NMR 波譜和多元統(tǒng)計分析，根據(jù)其代謝組分的不同實現(xiàn)對不同產(chǎn)地的胡蘿卜的加工產(chǎn)品的鑒定。有研究利用1H NMR 光譜，結合PCA 法對來自多個國家的237 個白蘆筍樣品的地理來源進行分類，總準確率達91.5%[36]。

結合數(shù)據(jù)分析技術，1H NMR 方法對食品產(chǎn)地溯源鑒別的準確性可以進一步提高。表2 總結了包括葡萄酒、蜂蜜、水稻、核桃等在內的不同食品的產(chǎn)地鑒別，表明1H NMR 方法結合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可以用于食品的產(chǎn)地溯源研究。Longobardi 等[37]結合PLSDA 和SIMCA 軟件對扁豆樣品的地理來源進行分類的研究表明，PCA-LDA 的平均識別率為100%，表明1H NMR 譜結合化學計量方法在扁豆溯源的準確性和高預測性。Satoru 等[38]利用1H NMR 代謝譜對日本和新西蘭生長的五個蘋果品種進行了表征，采用非靶向多步PCA 和PLS-DA 分析1H NMR 譜，發(fā)現(xiàn)了一種以前未確認的次要代謝物L-鼠李糖醇，具備作為蘋果產(chǎn)地認證標志化合物的潛力。Hazel 等[39]利用1H NMR 波譜結合PCA 和PLS-DA 對澳大利亞、臺灣和中國三個產(chǎn)地芹菜提取物樣品進行了分析。結果表明，甘露醇是鑒別芹菜產(chǎn)地的一個重要代謝物，可用以區(qū)分芹菜的地理來源。

表2 基于1H NMR 的代謝組學技術在食品產(chǎn)地溯源中應用Table 2 Application of1H NMR-based metabonomics technology in food traceability

近年來，1H NMR 和穩(wěn)定同位素比值質譜（IRMS）相結合的方法建立統(tǒng)計模型，顯著提高了鑒別準確率。Federica 等[40]采用多元統(tǒng)計方法，將同位素組成與1H NMR 數(shù)據(jù)相結合，得到了一個能夠區(qū)分意大利橄欖油和突尼斯進口橄欖油的統(tǒng)計模型，對其地理來源界定的準確率高達98%。采用基于PCA 和CA 的分類方法，對來自三個不同國家的特級初榨橄欖油樣本樣品的1H NMR 圖譜進行了統(tǒng)計分析，對96%的獨立樣本進行了正確分類[41]。利用PCA 和PLS-DA 等模式識別技術，對初榨橄欖油及其不皂化組分的1H NMR 波譜數(shù)據(jù)和H、C 同位素進行了分析，并利用dH 和/或dC 數(shù)據(jù)為PLS-DA 二元分類模型中的1H NMR 數(shù)據(jù)提供補充地理信息，結果表明，基于1H NMR 數(shù)據(jù)和分析原油及其不皂化組分的C 同位素的方法優(yōu)于以往的分類模型，測定準確率達到了93%以上[42]。

4 結論與展望

由于食品的復雜性和可變性，因此，對食品的地理來源、質量評定以及潛在的摻假等食品認證具有一定的挑戰(zhàn)性，1H NMR 技術能以快速、無損的方式提供食品的成分和結構信息，目前已成功應用于代謝組學，主要是因為其高再現(xiàn)性和最小化樣品制備要求等優(yōu)點，已成為食品質量分析和產(chǎn)地溯源等的有力工具。本文對各類食品的質量檢測、摻假鑒別和產(chǎn)地溯源進行了一個較為詳細的綜述，闡述了1H NMR 技術在農產(chǎn)食品摻假及溯源分析中的應用，表明1H NMR 有望進一步應用于了解食物代謝以及評估各種食品的品質。

核磁共振波譜提供純化合物和多復雜混合物的結構信息。盡管如此，化合物的鑒定仍舊非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是復雜的食品成分對化合物鑒定產(chǎn)生了巨大的干擾。在代謝組學中使用1H NMR 譜的最大障礙是缺乏通過相關數(shù)據(jù)庫自動識別代謝物的能力。盡管核磁共振波譜缺乏質譜（MS）的靈敏度，但NMR 和MS 或可以通過多種方式實現(xiàn)聯(lián)用：a.通過物理連接NMR 和MS 硬件；b.通過同位素標記代謝物追蹤穩(wěn)定同位素；c.使用組合化學信息技術進行精確和快速分析；d.通過基于多元統(tǒng)計的方法實施特定的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘技術。MS/NMR 的聯(lián)用可以顯著增加代謝組學的覆蓋范圍，提高代謝組學鑒定的準確性，從而提高代謝組學數(shù)據(jù)的質量和準確性。

盡管具有巨大的優(yōu)勢，但由于成本高、易受食品基質影響等原因，1H NMR 技術在食品領域仍然未得到充分地利用。近年來，隨著二維核磁共振儀器等的更新，加上數(shù)據(jù)采集和處理軟件的深入發(fā)展，聯(lián)合多元統(tǒng)計分析方法，1H NMR 技術在食品科學領域具有廣闊的應用前景。