利用NMR检测咖啡掺假

简介

咖啡豆是一种价值极高的全球贸易，价值数十亿美元。几十年来，咖啡一直是世界上最受欢迎的饮料之一，而且其受欢迎程度还在不断攀升。相约喝咖啡已经成为许多社交和商务场合的一个关键部分。世界各地大街上越来越多的咖啡厅和咖啡店就反映了这一趋势。咖啡也是众所周知快速缓解疲劳的方法，或提高注意力的手段。适量饮用咖啡也能提升某些方面的健康水平，包括降低患神经退行性疾病、高血压或2型糖尿病的风险等^1,2。

咖啡豆市场有很大的经济潜力，这就导致一些咖啡商采取不正当的手段来提高利润率。常见的形式可以是在市场上销售的咖啡产品中加入成本较低的物质，如玉米、大麦，甚至是咖啡壳；或者将优质咖啡品种，如阿拉比卡咖啡豆，与不太理想的品种混合。随着咖啡贸易市场的迅速增长，随时发现这种欺诈行为是非常关键的，以便终止欺诈行为并保护真正供应商的生计。

咖啡贸易

巴西是世界上最大的咖啡生产国，2018年出口了200多万吨咖啡生豆，产生了超过50亿美元的收入。近年来，咖啡交易市场已经大大扩张。特别是，消费者越来越多地表现出对高品质咖啡的偏爱，尽管价格较高。随着消费者越来越愿意为优质咖啡产品支付更多费用，全球咖啡市场的规模预计将继续增长。

咖啡豆的两个主要品种是阿拉比卡（Coffea arabica L），约占市场的70%，以及罗布斯塔（Coffea canephora Pierre ex A. Froehner）³。阿拉比卡咖啡豆是最昂贵的，以其光滑、圆润的味道而闻名。尽管罗布斯塔的果实更抗病，但烘焙出的咖啡更粗糙，因此收购价格也更低。

咖啡豆掺假

遗憾的是，咖啡的高商业价值使它成为食品欺诈的目标[5]，也就是为了经济利益而故意替换、添加、掺杂或虚构食品成分的行为⁴。

为了实现利润最大化，一些不择手段的产商可能会在出售的咖啡中添加成本较低的材料，如玉米、大麦或咖啡壳，或者用低档的罗布斯塔咖啡豆代替优质阿拉比卡咖啡豆。根除这种掺假行为，以保护客户和信誉良好的生产商免受掺假的影响是非常重要的。由于涉及的成本很高，行业内已经实施了严格的规定，以确保咖啡产品的质量。

在巴西，国家卫生监督局（ANVISA）规定了咖啡中外来物质含量的最高允许限度为1%⁶。此外，业界也尝试了各种向客户保证所购咖啡质量的方式。由名为巴西咖啡工业协会（ABIC）的私营机构分析的咖啡产品，如果是纯正且没有掺假的，会被授予“ABIC纯度印章”。尽管有这样的良好愿望，但自1989年开始，ABIC并没有审查在验证咖啡纯度时采用的分析技术。因此，这些技术已经过时，并受到操作者错误的影响⁷。

咖啡产品掺假的检测

由于咖啡的经济重要性很高，辨别其纯度和检测外部杂质的能力仍然是一个关键目标。咖啡贸易商和进口商需要确信他们购买的咖啡是真实的，而且包装上的内容与标签上的一样。仅靠观察通常是不够的，因为即使是最便宜的填充物在颜色和质地上都与咖啡非常相似，所以需要更先进的分析技术来检测咖啡的质量。至关重要的是，这些技术能够迅速提供易于复制的咖啡纯度的非主观证据。

现在有几种技术可用于检测咖啡中的膨化剂，如玉米、黑麦和大麦。同样，可以通过确定是否存在一种只在罗布斯塔咖啡豆中发现的化合物——二萜类16-O-甲基卡夫斯托尔（16-OMC），来评估标有100%阿拉比卡咖啡的产品是否受到了污染^5,8,9.

光学和电子显微镜是用于检测烘烤和研磨咖啡中的掺假的传统方法。然而，这些方法需要对样品进行耗时的预处理，并依赖于用户的评价，而这种评价可能是非常主观的。最近，一系列潜在的更可靠和更可重复的分析技术已经被开发出来，通常也能更广泛地应用。然而，研究发现，许多此类技术并没有提供足够的通用性和稳健性来精确识别和量化咖啡掺假中使用的不同掺杂物。

核磁共振（NMR）波谱学已被证明是识别许多食品和饮料中掺杂物的通用和强大工具^10,11。因此，NMR可能代表了快速、简单和可靠地识别咖啡掺假的迫切需要的技术。

NMR验证咖啡真实性

咖啡含有数百种不同有机化合物的复杂混合物，这让识别外来物种变得极为复杂。由于核磁共振能够在采用最小的样品量的同时，非破坏性地识别和量化复杂混合物的所有成分，它似乎非常适合这项任务。事实上，NMR已经表明，阿拉比卡咖啡的真实性可以通过低场1H NMR来确认¹²。

最近的一项研究评估了1H NMR检测咖啡样品中膨化掺杂物的能力¹³。使用布鲁克Avance III HD 600核磁共振波谱仪对含有六种不同掺杂物（大麦、玉米、咖啡壳、大豆、大米和小麦）的咖啡样品进行了1H NMR分析。数据分析和信号整合由布鲁克TopSpin 3.2软件进行。对纯咖啡和掺假咖啡样品的核磁谱图进行了比较，并采用主成分分析（PCA）和类比软独立建模（SIMCA）进行模式识别，以确定掺假的样品。

1H NMR方法成功地应用于来自不同产地和不同烘烤程度的几种商业研磨咖啡混合物，而不需要任何预分离程序。在中度和深度烘焙的咖啡中都达到了令人满意的检测极限（0.31-0.86%）。

使用SIMCA模型，掺假的咖啡样品可以100%成功识别。纯净的和掺假的样品之间的信号差异主要是由于淀粉的存在。因此，这个信号可以用来识别和量化咖啡样品中常用的膨化掺杂物，如玉米、大麦、小麦和大米的存在。

这项最新的研究表明，核磁共振代表了对咖啡样品进行常规质量评估的一种强有力的分析方法。

参考文献：

1. George SE, et al. Critical Reviews in Food Science and Nutrition 2008;48(8):464–486. https://doi.org/10.1080/10408390701522445
2. Carlstro M, Larsson SC. Nutrition Reviews 2018;76(6):395–417. https://doi.org/10.1093/nutrit/nuy014.
3. Belitz HD, et al. Food Chemistry. 4th Edition 2009, Springer Science and Business Media
4. Tibola CS, et al. Journal of Food Science 2018;83(8):2028–2038. https://doi.org/10.1111/1750-3841.14279.
5. Tocia AT, et al. Critical Reviews in Analytical Chemistry 2016;46(2):106–115. http://dx.doi.org/10.1080/10408347.2014.966185
6. ANVISA - Agência Nacional de Vigilância Sanitária. Portaria no 377;26 de abril de 1999. http://www.anvisa.gov.br/anvisalegis/portarias/377_99.htm,
7. Amboni RD, et al. Ciência e Tecnologia de Alimentos 1999;19(3):1–6. https://doi.org/10.1590/s0101-20611999000300002.
8. Sezer B, et al. Coffee arabica adulteration: Detection of wheat, corn and chickpea. Food Chemistry 2018;264:142-148. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308814618308288
9. Monakhova YB, et al. Food Chemistry 2015;182:178–184. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25842325/
10. Spiteri M, et al. Food Chemistry 2015;189:60–66.
11. Gómez-Caravaca AM, et al. Analytica Chimica Acta 2016;3:1 21.
12. Defernez M, et al. Food Chem. 2017;216:106‐113. doi:10.1016/j.foodchem.2016.08.028
13. Milani MI, et al. Food Control 2020;112:107104. https://www.sciencedirect.com/science/journal/09567135