Nowoczesne metody badań autentyczności produktów spożywczych i regionu pochodzenia
ALEKSANDER KUBIAK / Przemysł Spożywczy 5/2005 str 34-35
Ocena autentyczności produktów spożywczych i regionu lub kraju pochodzenia to jeden z ważniejszych kierunków badań prowadzonych w Unii Europejskiej, Instytucjami powołanymi do ich realizacji są Wspólnotowe Centra Badawcze (JRC - Joint Research Center). Centra te znajdują się w Hiszpanii, Włoszech, Belgii, Niemczech oraz Holandii i są finansowane bezpośrednio z budżetu Unii Europejskiej.
Streszczenie. W publikacji przedstawiono główne kierunki badań auten tyczności produktów spożywczych przeprowadzanych w krajach Unii Ewo pejskiej. Szczególna uwagę poświęcono metodzie badania autentyczności żywności opartej na wyznaczaniu stosunków izotopów stabilnych w produk tach spożywczych.
Summary. This paper presents the main directions in rcseardi conceming authenticity offood products carried out in the European Union Manher States. Particular attention is paid to the method offood authcnUctiy baw.! on the determination ofthe ratio ofstable isotopes in food products
Wspólnotowe Centra Badawcze obejmują swoim działaniem europejską przestrzeń badawczą i zajmują się przygotowywaniem dla Parlamentu Europejskiego regulacji prawnych, ekspertyz i opinii dotyczących zdrowia, środowiska naturalnego, energetyki jądrowej i żywności. Zadaniem Centrów jest również aktywny udział w procesie powiększania Unii o nowe kraje członkowskie poprzez organizację seminariów, szkoleń, przyznawanie stypendiów naukowych w celu upowszechniania metod badawczych stosowanych w krajach członkowskich UE.
Badania związane z żywnością i bezpieczeństwem jej konsumentów prowadzone są w Instytucie Zdrowia i Ochrony Konsumenta (IHCP Institute for Health and Consumer Protection) z siedzibą w Isprze we Włoszech oraz Instytucie Referencyjnych Materia lów i Pomiarów (IRMM Institute for Reference Materials and Mcasuremenls) znajdującym się w Geel w Belgii.
Główne zadania badawcze instytutów to:
· opracowanie, standaryzacja i walidacja metod analitycznych, umożliwiających ocenę autentyczności i oryginalności (braku zafałszowali) produktów spożywczych;
· standaryzacja i walidacja alternatywnych metod badań bezpieczeństwa produktów (in rilro), opartych na wykorzystaniu techniki kultur komórkowych i tkankowych, które umożliwiłyby wyeliminowanie konieczności przeprowadzania testów na zwierzętach;
· identyfikacja i detekcja genetycznie modyfikowanych składników żywności;
· zapewnienie bezpieczeństwa w obrocie niebezpiecznymi związkami chemicznymi;
· opracowanie metod badawczych umożliwiających ocenę wpływu na organizm człowieka wszystkich szkodliwych czynników środowisko wych (chemicznych, biologicznych i fizycznych).
Metody oceny autentyczności produktów spożywczych
W Instytucie Zdrowia i Ochrony Konsumenta w Isprze (Wło chy) trwają intensywne prace nad opracowaniem metod badawczych umożliwiających ocenę autentyczności produktów spożywczych poprzez analizę zmian stosunków izotopowych wybranych pierwiastków. Wielkości te (stosunki izotopowe) mogą być badane technikami opartymi na spektroskopii masowej stosunków izotopowych (IRMS - Isotopic Ratio Mass Spectromcter) oraz nuklearnym rezonansie magnetycznym SNIF NMR (Site Sr.ecific NaUirai Isotope Fractionation Nuclear Magnetic Resonance)
Technika IRMS polega na rozdziale różnych izotopów w stałym, silnym polu magnetycznym, co umożliwia wyznaczenie stosunku wybranych izotopów w zjonizowanyeh gazach, takich jak: CX)> H2, N2 L3], Spektrometria masowa stosunków izotopów stabilnych w badaniach żywności najczęściej wykorzystywana jest do wyznaczania następujących stosunków: 13C/12C, D/H i l8O/'l6O.
Metoda rezonansu magnetycznego SNIF-NMR wykorzystywana jest do wyznaczenia stosunku deuteru do wodoru (D/M) oraz położenia deuteru wewnątrz danej cząstki (molekuły), np. alkoholi, etylowego. W celu identyfikacji produktu lub weryfikacji informacji o nim samym (kraju pochodzenia, rocznika, deklarowanego składu) niezbędne jest spełnienie następujących wymogów:
· opracowanie systemu umożliwiającego monitorowanie naturalnych zmian w proporcjach izotopów znajdujących się w po szczególnych surowcach, produktach i regionach, z których po chodzi dany produkt;
· przygotowanie certyfikowanych materiałów referencyjnych, które umożliwią znalezienie punktu odniesienia dla wszystkich laboratoriów zajmujących się badaniami stosunków izotopowych w żywności.
Wykorzystanie międzynarodowych standardów izotopów pozwą la na przedstawienie małych zmian wartości stosunków izotopowych jako odchylenie 8 od wielkości standardowej [2|:
δ*X = [(*X/X)próby/(*X/X)standard-l] · 1000
gdzie:
(*X/X)próby - stosunek izotopu pierwiastka X w badanej próbie,
(*X/X)standard - stosunek izotopu pierwiastka X w standardzie.
Korzystając z powyższej zależności, można wyrazić w promilach zmienność danego izotopu w badanym produkcie.
Wykorzystując metodę stosunków izotopowych, dobre rezultaty uzyskuje się już na podstawie analizy zmienności jednego pierwiastka. Coraz częściej jednak możliwy jest pomiar stosunków izotopowych kilku pierwiastków jednocześnie, co umożliwia wykorzystanie bardziej złożonych metod klasyfikacji. Rozpoznanie oryginalności (autentyczności) danego produktu lub określenie kraju pochodzenia, przy ograniczonej liczbie danych wejściowych, wymaga zastosowania odpowiednich metod obliczeniowych. Jedną z takich metod jest metoda najbliższego sąsiada (NN - Nearest Neighbor).
W metodzie tej o przynależności do danej klasy produktów decyduje zespół wartości zdefiniowanych w ciągu uczącym. Ciąg uczący to zbiór informacji o charakterystycznych stosunkach izotopowych pierwiastków występujących w badanym surowcu, półprodukcie, produkcie w zależności od regionu uprawy, czy też lat, v których prowadzone był)' badania. Metoda NN należy do metod minimalnoodległościowych, w której o przynależności badanego obiektu do danej klasy decyduje odległość w przestrzeni cech (stosunków izotopowych), do której wyznaczania służy odpowiednia metryka. Do obliczeń najczęściej wykorzystywana jest uogólniona metryka euklidesowa [4]:
- odległość między obiektami opisanymi przez wektor:
a obiektem opisanym przez wektor
n - liczba parametrów opisujących pojedynczy obiekt,
- mnożnik standaryzacyjny.
Skuteczność rozpoznania można ocenić m.in. metodą minus jednego elementu (leave one out method). Zaletą tej metody jest możliwość oceny poprawności rozpoznania w przypadku ograniczonej liczby danych, które mogą być wykorzystane do uczenia. W metodzie tej do uczenia wykorzystuje się wszystkie elementy ciągu uczącego minus jeden element. Następnie ocenia się poprawność rozpoznania tego elementu, który nie był wykorzystany do obliczeń. Czynność tę powtarza się ze wszystkimi pozostałymi elementami ciągu uczącego. Skuteczność rozpoznania ocenia się, obliczając iloraz poprawnych rozpoznań i liczbę wszystkich elementów ciągu uczącego.
Wykorzystanie metody stosunków izotopowych
Duża skuteczność rozpoznania niepożądanych dodatków na podstawie składu izotopów stabilnych oparta jest na różnicach procesów metabolicznych, występujących w surowcach pochodzenia roślinnego. Różnorodność tych procesów powodują zmiany w stosunkach izotopów takich jak 13C/12C, czy D/H. Jednym z głównych mechanizmów biosyntezy roślin jest mechanizm C4 (Hatch-Slack), dla którego zmiany pierwotnych wartości stosunku izotopów węgla 13C/12C wynoszą δ ok. -10‰. Do tej grupy roślin należą np. trzcina cukrowa i kukurydza.
Innymi właściwościami charakteryzuje się mechanizm C3, dla którego zmiana pierwotnych wartości stosunku izotopów węgla 13C/12C waha się w granicach od -28‰ do -23‰ Do tej grupy roślin należą winogrona, buraki cukrowe, ziemniaki, trawy, jęczmień i pszenica. Wanilia, agawa czy ananas należą do trzeciej grupy roślin o metabolizmie pośrednim między C3 i C4 określanym jako CAM (Crassulacean Acid Metabolism). Wartość δ dla tych roślin zmienia się w przedziale od -18‰ do -12‰ [1]- Znajomość mechanizmu biosyntezy badanych surowców oraz gotowych produktów pozwala na wykrycie dodatków substancji wyprodukowanych z roślin o innym mechanizmie.
Pierwsza oficjalna baza danych, zawierająca informacje o stosunkach izotopowych pierwiastków w winogronach, moszczu i winach wytrawnych gronowych, powstała w Unii Europejskiej w 2001 r. pod nazwą BEVAP i wykorzystywana jest do oceny autentyczności win w krajach Unii Europejskiej.
Inne przykłady wykorzystania tych metod w przemyśle spożywczym to identyfikacja łososia pochodzącego z hodowli, detekcja zafałszowań tłuszczów smarownych czy dodatków olejów nieszlachetnych do oleju z oliwek. Metoda analizy składu izotopów stabilnych okazała się również skuteczna do identyfikacji dodatku glicerolu do win gronowych, jednak minimalna ilość glicerolu „obcego" pochodzenia stanowić musi 15% ogółu glicerolu występującego w badanym winie [3].
Aplikacja
Rodzaj określanych stosunków izotopowych
Ocuia autentyczności regionu pochodzenia i roc/mka l3C/12C, D/H, win grontiwYch na podstawie składu izotopów stabilnych - IRMS
Identyfikacja zafałszowali win i wysokogatunkowych wó- ' 3C/12C, D/ll !**O/16O dek (grappa, whisky) przez dodatek w procesie produkcji - IRMS cukru pochodzącego z buraków cukrowych, trzciny cukrowej lub syropu klonowego
Identyfikacja zafałszowali win glicerolem otrzymanym syn- D/H SNIF- N MR, tetycznie lub pochodzenia roślinnego, czy zwierzęcego 1&O/16O, i3C/'2C
- IRMSC
Identyfikacja sztucznego nawadniania winnic, co zgodnie 18O/1()O IRMS z prawem Unii Europejskiej jest zabronione
Identyfikacja dodatkowej wody w sokach owocowych lsO/lfiO - IRMS
Identyfikacja fałszerstw soków owocowych dodatkowo l!C/12C IRMS dosładzanych: innymi sokami owocowymi, syropem kto-nowym, cukrem pochodzącym /. buraków cukrowych jub trzciny cukrowej
Identyfikacja wanilii otrzymanej w sposób naturalny (me- 13C/12C' - IRMS tabolizm CAM) lub syntetyczny (zmiany pierwotnych D/H •- SNIF-NMR wartości stosunku izotopów 8 zależą od surowców wykorzystanych do jej syntezy)
...
milek8_89