Trends in the development of analytical methods for determination of the quality and authenticity of foodstuffs

• Konstantin I. Eller
• Irina B. Perova

Abstract

The review presents several results of investigations carried out at the Federal Research Centre for Nutrition, Biotechnology and Food Safety on the development and application of modern chemical-analytical methods for determining the quality indicators, nutritional and biological value of foodstuffs. Particular attention is paid to methodological approaches to the determination of biologically active substances of dietary supplements of plant origin, to the definition of criteria for authenticity and methods to disclose falsification of food and dietary supplements. The practical application of modern analytical techniques (capillary GLC, capillary electrophoresis, HPLC with a mass spectrometric detection, UV/VIS diode-array detection, etc), combining high efficiency and selective separation and detection for identification and qualitative and quantitative determination of components in complex matrix of foodstuffs and dietary supplements is shown.

Keywords:analytical chemistry, biologically active substances, dietary supplements, authenticity, falsification of foodstuffs, GLC, HPLC, mass spectrometry

Основной задачей аналитической химии пищевых продуктов традиционно было обеспечение их безопасности для потребителя. Вопросы безопасности остаются актуальными в связи с растущим загрязнением окружающей среды, широким применением в сельском хозяйстве пестицидов, химических удобрений, антибиотиков, ветеринарных лекарств, в пищевой промышленности - пищевых добавок и технологических вспомогательных средств. Кроме проблем безопасности не менее важны для потребителей вопросы качества, пищевой и биологической ценности пищевых продуктов. В настоящее время отмечается также растущий интерес к питанию как одному из основных факторов здорового образа жизни. Это расширяет круг задач пищевой аналитической химии с целью определения целого спектра минорных биологически активных веществ (БАВ) пищи в обогащенных продуктах, функциональных ингредиентах, нутрицевтиках и биологически активных добавках (БАД) к пище. Производство и реализация фальсифицированной продукции наряду с намеренным введением потребителя в заблуждение относительно свойств и происхождения продуктов может наносить прямой ущерб здоровью населения и способствует недобросовестной конкуренции на продовольственном рынке. Кроме того, в последнее время становится все более актуальной проблема ложной или вводящей в заблуждение маркировки пищевых продуктов. Неправильные и необоснованные заявления изготовителей при этикетировании продукции могут касаться существенных характеристик, пищевой ценности, т.е. непосредственно затрагивать сферу безопасности и законных прав потребителей. Это обусловило необходимость разработки соответствующих методик выявления фальсификации.

В последние 20 лет постоянно расширяются и совершенствуются различные методические подходы к анализу пищевых продуктов. Эти методы включают спектроскопические, такие как спектрофотометрия в ультрафиолетовой (УФ) и видимой областях, спек-трофлуориметрия, масс-спектрометрия (МС), ядерный магнитный резонанс, инфракрасная спектрометрия, атомная адсорбционная спектроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия. Расширилось применение биологических методов, таких как полимеразная цепная реакция, иммуноферментные (ELISA), энзиматические методы и биосенсоры. Существенное развитие получили различные виды разделения, такие как высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), капиллярная газовая и газожидкостная хроматография (ГХ и ГЖХ), капиллярный электрофорез, суперкритическая флюидная хроматография. Существенно расширилось применение более экономичных, менее трудозатратных методов пробоподготовки, таких как твердофазная экстракция, экстракции жидкости под давлением и с помощью микроволнового излучения, применение аффинных сорбентов.

В ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" постоянно проводятся систематические исследования по разработке и внедрению в практику лабораторий надзорных органов современных методик по определению безопасности, качества и подлинности пищевых продуктов [1-4]. Некоторые примеры исследований по разработке и применению современных аналитико-химических подходов для оценки качества и подлинности различных групп пищевых продуктов приведены ниже.

Жиры, масла

Применение современных аналитических методов контроля значительно расширило возможности достоверного подтверждения качества, оценки пищевой ценности и выявления фальсификации жиров, масел и продуктов на их основе. Важными гигиеническими характеристиками качества жировых продуктов наряду с общими показателями безопасности и качества, предусмотренными требованиями Технического регламента Таможенного союза ТР ТС 021/2011 "О безопасности пищевой продукции" и Технического регламента ТР ТС 024/2011 "Технический регламент на масложировую продукцию", являются концентрация и состав жирных кислот, стеринов и жирорастворимых витаминов. Эти показатели не только характеризуют пищевую ценность, но и служат критериями подлинности и выявления фальсификации. В последние годы существенно обновлена методическая база, позволяющая исследовать жиры и масла по этим показателям (табл. 1) [3, 5-7].

Таблица 1. Государственные стандарты на определение жирных кислот и стеринов в пищевых продуктах

Table 1. State Standards for the determination of fatty acids and sterols in foods

Пищевая ценность и натуральность растительных масел, животных жиров, а также комбинированных жировых продуктов могут быть оценены по соответствию их жирнокислотного и стеринового состава показателям, приведенным в международном стандарте Кодекса Алиментариус "Растительные жиры, масла и производные продукты" (Совместная программа ФАО/ВОЗ по стандартам на пищевые продукты [8]).

Эти методики позволяют определить также наличие недекларированных гидрогенизированных масел по содержанию транс-изомеров ненасыщенных жирных кислот, оценивать подлинность нетрадиционных и дорогостоящих растительных масел повышенной пищевой ценности. В качестве примеров можно привести установление подлинности масла семян граната, где до 85% составляет уникальная ω-5 линоленовая (пунико-вая) кислота, и натуральности масла кедрового ореха по наличию 5,9,12-октадекатриеновой (пиноленовой) кислоты. Важным применением является также возможность качественной и количественной оценки в рыбных жирах полиненасыщенных жирных кислот семейства ω-3. В связи с растущим производством функциональных и обогащенных жировыми компонентами продуктов повышенной пищевой ценности приобретает особое значение применение современных методик анализа для качественного и количественного определения с помощью ГЖХ- и ВЭЖХ-методик состава фитостеринов (β-ситостерина, кампестерина, стигмастерина и др.). Анализ стериновой фракции успешно применяется также для выявления недекларированного добавления растительного масла в молочный жир, например в сливочное масло, сгущенное молоко, сметану, сыры и другие жировые продукты животного происхождения. Сотрудники ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" продолжают исследования по оценке качества, выявлению фальсификаций и оценке безопасности масложировых продуктов и жировых пищевых ингредиентов.

В настоящее время продолжаются начатые в 2015 г. исследования токсичности индивидуальных продуктов вторичного окисления, разработаны методы выявления добавления заменителей молочного жира в молочных продуктах. В результате разработки, проведенной с использованием методов хромато-масс-спектрометрии, внедрен в практику работы Роспотребнадзора метод определения глицидиловых эфиров и монохлорпропандиола [7].

Соковая продукция

В последнюю декаду существенно обновлен набор аналитических методик для оценки качества и выявления возможной фальсификации соковой продукции. Российским союзом производителей соков (РСПС) и ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" подготовлено российское издание "Свод правил для оценки качества фруктовых и овощных соков AIJN (Европейская ассоциация производителей фруктовых соков)" [9]. В сборнике приведены 27 полных справочных руководств для основных фруктовых, ягодных и овощных соков. В каждом руководстве приведены такие специфические для данного сока параметры, как содержание сухих веществ (Brix), профиль углеводов, органических кислот, профиль антоцианиновых пигментов для красных и фиолетовых соков, состав минеральных веществ, свободных аминокислот, изотопные соотношения. Для методического обеспечения контроля данных показателей ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" совместно с РСПС разработаны соответствующие ГОСТы (табл. 2).

Таблица 2. Государственные стандарты на определение показателей в соковой продукции

Table 2. State Standards for the determination of indicators in juice products

РСПС при сотрудничестве с ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" проведено исследование соковой продукции, представленной на российском рынке, с целью получения актуальной информации о ее химическом составе. На основании полученных результатов в совокупности с данными справочников подготовлено издание "Нутриентные профили соков" [10], где приведены нутриентные профили 10 наиболее популярных видов соков: яблочного, апельсинового, томатного, грейпфрутового, ананасового, виноградного, вишневого, персикового, гранатового, морковного. С 2017 по 2020 г. в журнале "Вопросы питания" вышла серия публикаций, посвященных нутриентным профилям этих видов соков [11-20]. Отдельно следует остановиться на важности состава антоцианиновых пигментов, присутствующих в красных и фиолетовых ягодных соках. Для комплексного исследования антоцианинов в соковой продукции при участии ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" был разработан ГОСТ 32709-2014 "Продукция соковая. Методы определения антоцианинов". В основе суммарного определения содержания антоцианинов с помощью pH-дифференциальной спектрофотометрии лежит специфическое для антоцианинов изменение поглощения в зависимости от рН раствора. В кислой среде (рН 1,0) антоцианины находятся в форме катиона флавилия, имеющего интенсивную красную окраску; при рН 4,5 антоцианины превращаются в форму бесцветного карбинола. Специфичность методики позволяет не только оценить реальную концентрацию мономерных антоцианинов в соковой продукции, но и выявить недекларированное добавление синтетических красных и синих красителей, которые не изменяют своей окраски при изменении рН. Для того чтобы выявить фальсификацию дешевым антоцианин-содержащим сырьем (экстракты бузины, черной моркови, гибискуса), а также путем недекларированного добавления другого ягодного сырья, в ГОСТе предусмотрена методика определения специфического для каждых окрашенных ягод и фруктов профиля индивидуальных антоцианинов с помощью ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием в видимой области при длинах волн от 500 до 530 нм.

Определение биологически активных веществ

Применение современного аппарата аналитической химии: капиллярная ГЖХ, ГЖХ-времяпролетная-МС и ГЖХ-MC/МС, ВЭЖХ с диодно-матричным УФ-видимым спектрофотометрическим детектором (ДМД), рефрактометрическим, флуориметрическим и МС-детекторами, капиллярный электрофорез с ДМД, - позволило существенно расширить список исследуемых минорных БАВ и получить принципиально новые данные как о качественном и количественном составе БАВ, так и об их новых растительных источниках. В ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" разработан и адаптирован целый ряд ВЭЖХ-методик для идентификации и количественной оценки биологически активных компонентов, определяющих пищевую ценность и/или фармакологический эффект, а также являющихся индикаторными веществами БАД к пище, критериями их подлинности и стандартизации. Полученные с помощью современных аналитических методик данные необходимы для оценки уровня потребления БАВ, для определения качества и подлинности исходного сырья и готовой продукции, для стандартизации готовой продукции, для поиска новых растительных источников БАВ и их химико-таксономической классификации. На основании анализа наиболее актуальных растительных объектов (растительные сборы, фиточаи, БАД к пище на растительной основе) и оценки в них индикаторных биологически активных фитоингредиентов разработаны или адаптированы оптимальные условия экстракции, очистки, хроматографического разделения и селективного спектрофотометрического и МС-детектирования. По результатам подготовлен сборник [4], включающий 51 методику определения минорных БАВ, относящихся к разным группам: флавоноиды (флаванолы, флавоны, халконы, флаваноны, катехины, флаволигнаны, анто-цианины), полифенольные соединения нефлавоноид-ной природы (гидроксикоричные кислоты, простые фенолы, фенолокислоты, фенолоспирты, стильбеноиды, ксантоны), проантоцианидины, индольные и пуриновые алкалоиды, элеутерозиды элеутерококка и панаксо-зиды женьшеня, схизандрин лимонника и др. Ряд методик сборника переведен в соответствующие межгосударственные стандарты, например, по определению проантоцианидинов (ГОСТ 32623-2019 "Продукция пищевая специализированная, биологически активные добавки к пище. Метод определения проантоцианидинов") и кверцетина (ГОСТ Р 57990-2017 "Продукция пищевая специализированная, биологически активные добавки к пище. Метод определения кверцетина"), эта работа продолжается в настоящее время.

Разработанные в ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" аналитические подходы используются для выявления все чаще встречающейся в последнее время фальсификации БАД к пище и ингредиентов для различных формул специализированных диет для лиц, контролирующих массу тела. Одним из наиболее распространенных видов фальсификации является добавление синтетических ингибиторов фосфодиэстеразы 5-го типа (иФДЭ-5) в БАД к пище для мужчин с целью повышения эффективности продукта. Обычно такие БАД к пище содержат экстракты растений, витамины, микроэлементы. По результатам исследований наряду с перечисленными компонентами в составе таких БАД к пище были обнаружены недекларированные фармацевтические субстанции из группы синтетических иФДЭ-5 и/или их структурные аналоги. Нелегальное включение синтетических иФДЭ-5 в состав БАД к пище может привести к развитию серьезных побочных эффектов и представляет значительную угрозу для здоровья потребителей. В целях защиты здоровья населения и обеспечения качества и безопасности БАД к пище для мужчин в 2015 г. Роспотребнадзор начал мониторинг возможных случаев фальсификации синтетическими иФДЭ-5. В ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" была разработана и метрологически аттестована методика измерений массовой доли синтетических иФДЭ-5 (тадалафила, варденафила и силденафила) в многокомпонентном матриксе БАД к пище методом ВЭЖХ с УФ-спектрофотометрическим МС-детектированием [21]. С помощью разработанной методики было проанализировано более 200 БАД к пище для мужчин [22]. Проведенные исследования показали, что 26% БАД к пище для мужчин содержат недекларированные синтетические иФДЭ-5, по результатам мониторинга БАД указанного типа были сняты с реализации. При государственной регистрации новых БАД к пище проводится их обязательная проверка на содержание недекларированных синтетических иФДЭ.

В последние годы другой актуальной проблемой, связанной с фальсификацией БАД к пище, стало недекларированное добавление сибутрамина в БАД к пище для похудения с целью повышения эффективности продукта. Сибутрамин представляет собой высокоэффективный анорексигенный лекарственный препарат, применяемый для лечения алиментарного ожирения, коррекции массы тела у пациентов с дислипопротеинемией и сахарным диабетом 2 типа. Прием сибутрамина может вызывать многочисленные побочные эффекты: повышение систолического и/или диастолического артериального давления и частоты сердечных сокращений, головные боли, расстройства желудочно-кишечного тракта, возможно появление судорог и острого психоза. В ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" была разработана и метрологически аттестована методика определения сибутрамина в БАД к пище методом обращенно-фазовой ВЭЖХ с УФ- и МС-детектированием [23]. По разработанной методике проанализировано порядка 100 БАД к пище для похудения, в некоторых был обнаружен сибутрамин.

Приведенные в настоящем обзоре отдельные примеры проводимых в ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" химико-аналитических исследований пищевых продуктов показывают основные тенденции в развитии аналитической пищевой химии:

- широкое развитие методов, обеспечивающих наряду с показателями безопасности определение показателей, характеризующих пищевую и биологическую ценность продуктов;

- разработка и внедрение методических подходов к определению подлинности и выявлению фальсификации пищевых продуктов, включая БАД к пище и специализированные пищевые продукты;

- развитие методической базы аналитической химии пищевой продукции за счет внедрения современных инструментальных методик, таких как капиллярная ГЖХ и ВЭЖХ с МС-детекторами, капиллярного электрофореза, иммуноферментных (ELISA) и изотопных методов анализа.

References

1. Eller K.I. Methods for determination of quality and safety of food products. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal [Russian Chemical Journal]. 1994; 38 (1): 92–7. (in Russian)

2. Tutelyan V.A., Skurikhin I.M. (eds). Guidelines for methods of analysis of food quality and safety. Moscow: Brandes, 1998: 337 p. (in Russian)

4. Tutelyan V.A., Eller K.I. (eds). Methods of analysis of minor biologically active substances of food. Moscow: Dynastiya, 2010: 28–41. (in Russian)

5. Makarenko М.А., Malinkin А.D., Bokov D.О., Bessonov V.V. Monochloropropanediols, glycidol and their esters in baby food. Voprosy detskoy dietologii [Problems of Pediatric Nutrition]. 2019; 17 (1): 38–48. (in Russian)

6. Makarenko М.А., Bessonov V.V. Approaches to the identification of the composition of milk fat substitutes in fat-and-oil and milk-containing products. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2015; 84 (S5): 50. (in Russian)

7. Determination of 3-monochloropropanediol, 2-monochloropropanediol and glycidol content in edible vegetable oils and animal fats MUK 4.1.3547-19. 2019. 17 p.(in Russian)

8. Codex Alimentarius. Fats, oils and related products. 2004.

9. Code of Practice for Evaluation of Fruit and Vegetables Juices. AIJN. Translated into Russian by RSPS. Moscow: Planeta, 2019: 224 p. (in Russian)

10. Nutritional profiles of juices. Reference document. Moscow: Planeta, 2020: 224 p. (in Russian)

11. Ivanova N.N., Khomich L.М., Perova I.B. Apple juice nutritional profile. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2017; 86 (4): 125–36. DOI:https://doi.org/10.24411/0042-8833-2017-00068 (in Russian)

12. Ivanova N.N., Khomich L.М., Perova I.B. Orange juice nutritional profile. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2017; 86 (6): 103–13. DOI:https://doi.org/10.24411/0042-8833-2017-00012 (in Russian)

13. Ivanova N.N., Khomich L.М., Beketova N.A. Tomato juice nutritional profile. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2018; 87 (2): 53–64. DOI:https://doi.org/10.24411/0042-8833-2018-10019 (in Russian)

14. Ivanova N.N., Khomich L.М., Perova I.B., Eller K.I. Cherry juice nutritional profile. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2018; 87 (4): 78–86. DOI:https://doi.org/10.24411/0042-8833-2018-10045 (in Russian)

15. Ivanova N.N., Khomich L.М., Perova I.B., Eller K.I. Grapefruit juice nutritional profile. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2018; 87 (5): 85–94. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2018-10057 (in Russian)

16. Ivanova N.N., Khomich L.М., Perova I.B., Eller K.I. Grape juice nutritional profile. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2018; 87 (6): 95–105. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2018-10071 (in Russian)

17. Ivanova N.N., Khomich L.М., Perova I.B., Eller K.I. Pineapple juice nutritional profile. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2019; 88 (2): 76–85. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2019-10020(in Russian)

18. Khomich L.М., Perova I.B., Eller K.I. Pomegranate juice nutritional profile. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2019; 88 (5): 80–92. DOI:https://doi.org/10.24411/0042-8833-2019-10057 (in Russian)

19. Khomich L.М., Perova I.B., Eller K.I. Peach juice-puree nutritional profile. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2019; 88 (6): 100–9. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2019-10070 (in Russian)

20. Khomich L.М., Perova I.B., Eller K.I. Carrot juice nutritional profile. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2020; 89 (1): 92–101. DOI:https://doi.org/10.24411/0042-8833-2020-10010 (in Russian)

21. Methods for the measurement of mass concentration of synthetic phosphodiesterase-5 inhibitors (tadalafil, vardenafil and sildenafil) in food dietary supplements by high performance liquid chromatography with ultraviolet and mass spectrometric detection: Guidelines. Moscow: Federal Center for State Sanitary and Epidemiological Supervision of the Ministry of Health of Russia, 2016: 22 p. (in Russian)

22. Perova I.B., Eller K.I., Tumol`skaya E.V. Screening results for non-declared synthetic phosphodiesterase-5 inhibitors being added to dietary supplements of plant origin. Analiz riska zdorov’yu [Health Risks Analysis]. 2019; (3): 50–9. DOI: https://doi.org/10.21668/health.risk/2019.3.06 (in Russian)

23. Sukhanova A.M., Perova I.B., Rodionova G.M., Eller K.I., Gegechkori V.I. Use of sibutramin in pharmaceutical drugs and anorexic dietary supplements. Razrabotka i registratsiya lekarstvennykh sredstv [Drug Development and Registration]. 2019; 8 (1): 97–101. DOI: https://doi.org/10.33380/2305-2066-2019-8-1-97-101 (in Russian)

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.