酱香型白酒的稳定性同位素溯源体系研究

酱香型白酒的稳定性同位素溯源体系研究，有利于贵州省白酒行业扩大产能，提升整体产品质量控制水平，打击假冒伪劣提高产品安全性，进一步建设良好品牌形象。
关键词：气相色谱－飞行时间质谱（GC－TOF－MS）；连续流稳定同位素质谱（Isoprime GC－IRMS）；三元溯源技术体系研究；矿物元素分析技术；计量学分析技术。
    　溯源技术是食品安全监管、防止贸易欺诈、保护公平交易的重要手段，是重建消费者食品安全信心的重要措施，是保障“问题食品”快速、有效召回的基础。
    　食品追溯体系溯源技术主要分为两大类：一是电子编码信息技术，消费者通过包装上电子信息载体识别食品的产地来源。根据电子信息载体的不同，将电子信息编码技术主要分为条形码技术和RFID（Radio Fr－quency Identification D－vices 即无线射频识别技术）技术；二是综合溯源性技术，主要有矿物元素分析技术、稳定同位素技术和有机成分分析技术，以及生物方法如虹膜特征技术和 DNA溯源技术。这些技术以检测食品本身的成分作为主要手段，利用计量学分析技术处理数据，从而可以获得食品的加工、产地来源等信息。
    　2013年，笔者与中科院地化所共同主持了一个关于酱香型白酒的稳定性同位素溯源体系研究的重大科技项目，我们主要进行的是综合溯源性技术，且以稳定同位素技术及其他成分分析技术中用气相色谱－飞行时间质谱技术得到的有机风味特征物质化学成分分析为主，结合我们已初步建立的矿物元素分析技术，用计量学分析技术处理数据进行综合溯源。
研究背景
及国内外技术现状
    　稳定性同位素是生物体（包括食品）的一种自然指纹。自然界中，生物体的大多数化学元素都存在着多种稳定的同位素。同种元素的各种同位素由于质量或自旋核效应不同，其在一定程度上会引起元素的物理化学性质发生变化，称为同位素效应。同位素进行溯源主要是基于同位素的自然分馏效应。由于生物体在与外界环境进行物质交换时会受到气候、环境、生物代谢类型等因素的影响，导致其体内的同位素组成发生自然分馏效应，致使不同来源的生物体中同位素自然丰度存在差异，这种差异携带着环境因子的信息，能够反映生物体所处的环境，可为食品产地溯源提供一种独立、可靠的特征指纹信息，用于判断食品的产地来源，以及鉴定食品标签声明的真实性。
    　食品产地溯源中，C、N、H、O、S 和 Sr 是几种常用的同位素。不同的同位素组成受环境因素（地形、气候、土壤）的影响而发生的不同分馏作用，可反映不同的地域和膳食信息。
　　植物体中的碳同位素组成（13C/12C）主要与植物光合作用途径（C3、C4途径）有关，它的分布模式通过食物链传递到动物组织中，可反映动物的膳食信息。利用稳定性同位素的质量平衡原理可以估算动物营养中C3和C4食物的比例。植物中的氮同位素组成（15N/14N）与其固氮方式有关，同时受地域环境、农业施肥及土地利用方式的影响。
　　动物体中 δ15N 值同时受食物源和自身新陈代谢的影响，在不同营养级间发生富集作用。一般营养每升高一级，氮同位素平均富集 3‰～5‰。因此，稳定性氮同位素组成可用于确定生态系统中生物体所处的营养级，也可以作为食物来源的指示剂。
　　大气降水中的氢和氧同位素组成（2H/1H，18O/16O）具有明显的纬度效应、海拔效应、大陆效应和季节效应，有随纬度和海拔的升高而降低，随离海距离的增加而降低，随气温的升高而增大的变化趋势。动植物体不断从环境中获得水，其组织中的δD和δ18O值与当地降水密切相关，直接反映其生长的地域信息。
　　硫同位素组成(34S/32S)受其天然来源及人类活动来源的影响，有很大的变化范围。不同硫源生物体中的δ34S 可反映其地理来源信息。土壤和动植物中锶同位素组成（87Sr/86Sr）主要取决于其基岩的地质年龄和初始的 Rb/Sr值，而不受人类活动、气候、季节变化的影响。其变化范围与碳、氮、氢、氧等轻同位素不同，因此在地域鉴别方面将很有帮助。尤其是在气候环境类似的不同地区，其生物体中的H和O同位素组成类似，但由于其岩石结构的不同可能使 δ87Sr存在差异，因此Sr在判别微地区产品中非常有效。
    　从20世纪80年代开始，以C、N、O、H等轻同位素为主的同位素指纹分析已广泛应用于食品原料如饮料、葡萄酒、乳品等的溯源和鉴别工作，如鉴别产品真假。
　　美国学者Wllite. J. W首次提出了采用稳定同位素比值分析法检验蜂蜜的真假，Whlte博士研究发现几乎所有的蜜源植物属C3植物，其δ13C值大约在-30‰～-22‰，自然界中在这个范围之外的蜜源植物寥寥无几。Whlte分析了500多个来自不同国家和地区的纯正天然蜂蜜样品，也分析了大量人工制备的掺有不同比例高果糖玉米糖浆的蜂蜜样品。通过对这些蜂蜜样品测试结果的分析统计，得出的结论是：δ13C值负于-23.5‰的蜂蜜是没有掺假的纯正蜂蜜，δ13C值大于-21.5‰的蜂蜜，假蜜的概率为99.996%。
　　C、N、H和O同位素可用于鉴别橄榄油的产地。Sr同位素是判别果汁、咖啡产地来源的有效参数。Dordevic等通过对2000年至2010年间产于意大利的5220个葡萄酒样中水和乙醇的D/H，及13C/12C and 18O/16O稳定同位素比例分析，及数据统计，得到了很好的地域区分效果。Sieper等提出了对同一样品中C、H、N、S同位素进行同时测定的分析系统，对水、果汁、奶酪及酒中乙醇进行了测定，并统计分析，极大地缩短了分析时间，结果满意。
　　Asfaha等将金属锶同位素与C、N、O、S轻同位素结合，多元素同位素谱对产于欧洲的谷物类样品进行了溯源研究，结果显示，可以对15处产地进行溯源。
　　由于仅依靠同位素分析只能大致划分瑞士葡萄酒产区，并不能实现产区的准确溯源，Gremaud等将同位素比值（2H/1H乙醇，18O/16O葡萄酒水分）、元素含量（B、Sr等9种元素）和化学成分含量（甲醇、酸度、苹果酸、果糖等）3种变量结合，采用线性判别分析实现了瑞士国内相距较近的产区间的判别，单因素分析发现18O/16O葡萄酒水分、Sr、Rb和甲醇含量对鉴别的贡献率较大，多因素分析将瑞士分为4个红酒产区，如此高的鉴别能力尚属首次。
    　国内在稳定同位素溯源方面的研究较少，主要在植物和动物样品方面，如在不同省份茶叶中C、H稳定同位素的鉴别技术研究，以及C同位素在蜂蜜打假中的研究，结果显示不甚理想；结合矿物元素的C、N、Sr稳定同位素在我国牛肉产地溯源可行性研究；应用C、N、H、O同位素对肉鸡，及其喂养饲料和水的研究，以进行有效溯源；以及C、N、H同位素结合矿物元素及近红外光谱对羊肉产地进行溯源的研究；尚未见以有机风味特征物质化学组分结合C、H、N、S同位素、矿物元素及相应主要生产原料相关指标一起，并结合化学计量学方法进行酱香型白酒风味特征组成及溯源的相关研究。
研究目标与内容
    　本项目的主要目文章来源华夏酒报标为：对酱香型白酒的风味物质特征组分及特征生物标识物的C、H、N、S及Sr等同位素，并结合酒中常微量元素以及生产中主要生产原料水、高粱、小麦等的相关成分进行分析，并进行多变量统计分析下的溯源研究，以对酱香型白酒的主体风味物质特征及可追溯性拟定关键组分、特征生物标识物及相应指标、规范或标准，以更有利于其产品质量提升与控制以致产量提高，对其质量安全体系建设、打假、品牌建设以及以茅台为代表的我省酱香型白酒的风味特征组分的确定做出贡献。
    　项目主要研究内容为：用气相色谱－飞行时间质谱（GC－TOFMS）等相关技术，如顶空进样、液液萃取、固相微萃取等，对酱香系列产品的风味物质特征化学组分结合相关标准物质进行分离及定性定量分析，在此基础下，结合已有研究报道及相关资料，计算酱香型白酒产品中各组分的OAV(odor activity value)值，OAV高的物质确定为其特征关键香气组分，并通过感官试验验证结论。将其中组分分类成酯类、酸类、羰基化合物、醇类、杂环类等物质，通过主成分分析探寻组分与香型之间的关联。鉴于其他香型白酒的主体特征风味组分都已明确，将选择与1～2种其他传统香型，如浓香或清香型白酒进行比较研究，探寻香型与香型间组分的关联，同时也是对相关技术方案、路线及实验手段的实验印证。
    　在酱香风味特征关键香气组分基础上，应用连续流稳定同位素质谱（IRMS－MAT253、Isoprime GC－IRMS）进行酱香型白酒产品C、N、H、S稳定同位素比值及Sr表面热电离质谱同位素比值测定（Is－Probe－T），风味特征关键香气组分单分子的C、N、H同位素比值测定，以及主要原料水、高粱、小麦等的C、N、H、S及Sr稳定同位素比值分析测定。
    　对酱香型白酒产品应用AAS、ICP－MS、ICP－AES等仪器进行常微量矿物元素分析测定，同时主要原料水、高粱、小麦等进行相关常微量矿物元素进行分析测定。
    　从三个层次对上述数据进行主成分分析、聚类分析和判别分析等在内的多变量统计分析，建立溯源技术体系。
    　（一）分别进行：
　　①酱香型白酒产品有机化学组成及特征风味组成及含量指纹图谱等的化学成分分析的溯源研究；
　　②酱香型白酒产品矿物常微量元素含量的化学成分分析的溯源研究，以及与主要原料水、高粱、小麦等的相关性研究；
　　③酱香型白酒产品C、N、H、S及Sr同位素比值，以及风味特征关键香气组分单分子的C、N、H同位素比值溯源研究，以及与主要原料水、高粱、小麦等相应同位素的相关性研究。
    　（二）分别进行：
　　①多同位素比值分析+矿物元素含量分析；
　　②多同位素比值分析+有机化学组成及特征风味组成及含量指纹图谱分析；矿物元素含量分析+有机化学组成及特征风味组成及含量指纹图谱分析；两两溯源技术体系研究。
    　（三）多同位素比值分析+矿物元素含量+机化学组成及特征风味组成及含量指纹图谱分析的三元溯源技术体系研究。
研究的经济与社会价值
    　白酒是贵州省的主要经济支柱产业之一，以茅台酒为代表的酱香型白酒是目前国内销售增长最快的白酒，也是假制仿冒最多的白酒，严重扰乱了市场次序，对消费者的健康和消费心理也产生了严重影响，进而影响相关企业的生产和品牌建设，制约其进一步发展。
　　本研究项目利用气相色谱－飞行时间质谱（GC－TOF－MS）及连续流稳定同位素质谱（Isoprime GC－IRMS）等进行酱香型白酒系列产品的风味物质特征及特征生物标识物的C、H、N、S及Sr等同位素，并结合酒中常微量元素以及生产中主要原料的相关成分进行溯源研究，对酱香型白酒的主体风味物质特征及可追溯性拟定关键组分、规范或标准指标，以更有利于其产品质量提升与控制，提高产量，对其质量安全体系建设、打假、品牌建设以及以茅台为代表的我省酱香型白酒的风味特征组分的确定做出贡献。
　　项目完成后取得的成果可在贵州省白酒行业的相关企业推广实施，有利于企业扩大产能，提升整体产品质量控制水平，打击假冒伪劣提高产品安全性，进一步建设良好品牌形象。
四化发展，
抱团提升科技水平
    　中国酱香白酒科技发展历史，经过了“黄金十年”，正在向着“白金十年”挺进，我们白酒技术人一直在尊重传统工艺的前提下，坚持科技创新，为酱香型白酒朝着“标准化，自动化，数字化，科技化”四化方向发展而努力。现在提出的标准化、自动化、数字化都是立足于科技化，未来无论如何发展，科技化始终是白酒行业发展的立足点与重要动力。白酒生产企业将会在继承传统工艺的基础上，坚持科技创新，这将是白酒行业发展的重要动力。
    　酱香型白酒的稳定性同位素溯源体系研究反映了酱香型白酒的研究许多是有着共性关键技术的，大家都面临着相似或者共同的技术问题，比如说丢糟的综合处理利用、酱香型白酒的主体香成分研究以及溯源等等。
　　贵州的很多白酒企业历史悠久，文化底蕴深厚，但是科技研发力量大多薄弱，撇开茅台不说，其他的酒厂真正有实力进行研发的很少，而站在行业的角度上，白酒行业内的重大共性问题是必须要诸多酒厂一起联合来研究的。现在是发出“全中国酱酒联合起来”的时代强音时候了，让我们破冰逆行，迎接科技白酒的春天，迎接酱香白酒的春天！