JP6534985B2 - 水素安定同位体比分析方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、食品の産地等の物質の起源に関する起源情報を分析するために用いられる水素安定同位体比分析技術に関する。

一般に、食品の産地は、流通過程において文書管理されており、食品の産地偽装が疑われた場合のみ、分析機関等で科学的な裏付け調査が行われている。近年、産地表示の義務化の対象となる食品の種類が増えてきており、産地表示に対する関心が高まっている。一方、産地偽装問題は増加の傾向にあり、このような産地偽装を抑止するには、流通過程で産地情報に関する文書の管理に加えて、科学的な根拠に基づく産地判定を行うことが有効とされている。

従来より、食品に含まれる酸素や水素の安定同位体比は、産地推定の手がかりになることが報告されている（非特許文献１）。このような水素安定同位体比分析を行う場合、安定同位体比質量分析法（ＩＲＭＳ：Isotope Ratio Mass Spectrometry）や核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）を用いた、操作が複雑となる高価で大型の分析装置が必要となる。このため、分析に時間とコストがかかるという問題があり、これが普及を妨げる一つの要因となっていた。

近年、レーザ分光法における高感度化技術の進歩により、安定同位体比分析に利用できる高感度なレーザ分光装置が開発され注目されている。これを利用すると、安定同位体比分析を簡単に行うことができ、産地判別への応用も期待される（非特許文献２）。

なかでも、Ｐｉｃａｒｒｏ社のＢ２２２１−ｉ（非特許文献３）は、サンプルを燃焼することにより、二酸化炭素と水蒸気を発生させる燃焼装置と、発生させた二酸化炭素と水蒸気の光吸収をＣＲＤＳ法により測定し、炭素または水素、またはその両方の安定同位体比を分析するレーザ分光式安定同位体比分析装置とからなる分析システムであり、炭素や水素の安定同位体比分析を容易に行うことができる。このため、食品等の産地、製法、成分など、物質の起源に関する起源情報を判別・推定するのに有効な手段であると考えられ、注目されている。特に、Ｂ２２２１−ｉは、有機物中の水素安定同位体比を容易に測定できるため、米、麦、蜂蜜など様々な食品などの産地を推定するのに有用である。

特開２０１０−２７６４６６号公報

鈴木・中下・伊永，"安定同位体比分析による国内産米の産地及び有機栽培判別の可能性"，分析化学，Vol.58，No.12，pp.1053-1058，2009 吉村・神徳・藤井・阪本・界，"高感度レーザガスセンシング技術と安定同位体比分析応用"，NTT技術ジャーナル，Vol.26，No.2，pp.27-30，2014 B2221-iデータシート，Picarro社

しかしながら、物質中のヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ２）などの基に含まれる水素原子は、交換性を有することが知られており（特許文献１）。これらの基を含む物質では、これら基の交換性水素と保管や輸送の間に周囲の環境中に含まれている水素原子との交換が生じ、水素安定同位体比が経時変化を起こすことになる。したがって、産地偽装の対象となりやすい、コメ、麦、蜂蜜など多くの食品類は、これらの基を含むため、分析対象となるサンプルによって保管や輸送の違いにより、交換性水素による水素安定同位体比の経時変化にばらつきが生じ、水素安定同位体比の比較による産地等の推定精度が低下するという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、水素安定同位体比の経時変化に起因する産地等の推定誤差を低減できる安定同位体比分析技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる水素安定同位体比分析方法は、分析対象となる複数のサンプルに含まれる水素の安定同位体比を分析する水素安定同位体比分析方法であって、前記複数のサンプルのそれぞれを、空気中の水素安定同位体比が所定の標準比にある環境下で所定期間にわたり保管することにより、前記サンプルの交換性水素を前記空気中の水素と置換する水素置換ステップと、前記水素置換ステップで水素置換した前記複数のサンプルのそれぞれの水素安定同位体比を分析する安定同位体比分析ステップとを備えている。

また、本発明にかかる上記水素安定同位体比分析方法の一構成例は、前記水素置換ステップが、前記複数のサンプルのそれぞれを、水素安定同位体比が前記標準比である標準水から発生させた水蒸気で満たした水素置換容器内で、前記所定期間にわたり保管するステップからなるものである。

また、本発明にかかる上記水素安定同位体比分析方法の一構成例は、前記安定同位体比分析ステップが、前記複数のサンプルのそれぞれを燃焼させることにより二酸化炭素および水蒸気を発生させる燃焼ステップと、前記燃焼ステップで発生させた二酸化炭素および水蒸気に対してレーザ光を照射してレーザ分光することにより、前記サンプルに含まれる水素の安定同位体比を前記複数のサンプルごとに測定するレーザ分光式安定同位体比測定ステップとからなるものである。

また、本発明にかかる水素安定同位体比分析システムは、分析対象となる複数のサンプルに含まれる水素の安定同位体比を分析する水素安定同位体比分析システムであって、前記サンプルのそれぞれを、空気中の水素安定同位体比が所定の標準比にある環境下で所定期間にわたり保管することにより、前記サンプルの交換性水素を前記空気中の水素と置換する水素置換容器と、前記水素置換容器で水素置換した前記複数のサンプルのそれぞれの水素安定同位体比を分析する安定同位体比分析装置とを備えている。

本発明によれば、保管や輸送により、サンプルのうち空気中の水素原子と交換された交換性水素に関する水素安定同位体比が、サンプル間で一律に標準比に近づけられることになる。このため、サンプル間における保管や輸送の違いの影響を受けた交換性水素に関する水素安定同位体比が、ほぼ標準比となるため、同一産地のサンプルであれば、ほぼ同じ水素安定同位体比を示すことになる。したがって、水素安定同位体比の経時変化に起因する産地等の推定誤差を低減することができ、食品の産地等の物質の起源に関する起源情報を正確に分析することが可能となる。

水素安定同位体比分析システムを示す説明図である。 水素安定同位体比の変化を示すグラフである。 水素置換による水素安定同位体比の時間依存性を示すグラフである。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［水素安定同位体比分析システム］
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態にかかる水素安定同位体比分析システム１について説明する。図１は、水素安定同位体比分析システムを示す説明図である。

この水素安定同位体比分析システム１は、食品の産地等の物質の起源に関する起源情報を分析する際に用いられて、サンプルに含まれる水素安定同位体の比率を測定して分析するシステムである。
図１に示すように、水素安定同位体比分析システム１は、主な構成として、水素置換容器１０と安定同位体比分析装置２０とを備えている。

水素置換容器１０は、ガラス瓶などの密封容器からなる。サンプルＳを水素置換容器１０で保管する場合には、水素置換容器１０内に、袋１３に入れたサンプルＳと、水素安定同位体比が標準比である標準水１１と、サンプルＳが標準水１１に直接濡れないように施した試料台１２とを入れた後、蓋１４を閉めて密封する。

安定同位体比分析装置２０は、例えばＰｉｃａｒｒｏ社のＢ２２２１−ｉなど、一般的なレーザ分光式安定同位体比分析装置からなり、燃焼部２１、レーザ光源２２、ガスセル２３、光検出器２４、および安定同位体比測定部２５が設けられている。

燃焼部２１は、水素置換容器１０で水素置換されたサンプルＳを粉末化したものを燃焼し、発生した水蒸気さらには二酸化炭素をガスセル２３へ供給する機能を有している。
レーザ光源２２は、可変波長のレーザ光Ｌをパルス状に出射する機能を有している。

ガスセル２３は、内部に複数のミラーが設けられており、レーザ光源２２からのレーザ光Ｌをこれらミラーで繰り返し反射させて燃焼部２１から供給された水蒸気さらには二酸化炭素に照射することにより、光学キャビティを形成する機能と、水蒸気さらには二酸化炭素を通過したレーザ光Ｌ’を外部に出力する機能とを有している。

光検出器２４は、フォトダイオードからなり、ガスセル２３から出力されたレーザ光Ｌ’の光強度を検出する機能を有している。
安定同位体比測定部２５は、光検出器２４で検出された光強度に基づいて、レーザ光Ｌのパルス終端時に測定した減衰時間から吸収率を計算する機能と、得られた吸収率がピークとなる光吸収スペクトルに応じて、水蒸気さらには二酸化炭素に含まれる同位体の種別と濃度を特定する機能と、これら計測結果から安定同位体比を分析する機能とを有している。
なお、具体的な安定同位体比計測方法については、前述したキャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ：Cavity Ring-Down Spectroscopy）以外の公知の手法を用いてもよい。

［発明の原理］
次に、本発明の原理について説明する。
前述したように、コメ、麦、蜂蜜など多くの食品類は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ２）など、水素原子を持つ基を多く含んでいる。食品の産地等の物質の起源に関する起源情報を分析する場合には、これらの基に含まれる水素原子の安定同位体比を分析することになる。

ここで、これらの基に含まれる水素原子は、交換性を有する交換性水素であるため、これら交換性水素と、収穫されてから保管や輸送の間に、周囲の環境中に含まれている水素原子との交換が生じ、交換性水素が持つ元の安定同位体比が経時変化することになる。これにより、サンプルによって保管や輸送の状況が異なるため、同一種であっても、サンプル間で安定同位体比の経時変化にばらつきが生じ、結果として、水素安定同位体比の比較による産地推定精度が低下することになる。

ここで、このような保管や輸送の間に発生する交換性水素の交換は、サンプル全体で発生するのではなく、空気に晒されるサンプルの表面に近い部分で発生しやすいと考えられる。このため、サンプル内部における水素安定同位体比は保管や輸送においてあまり変化せず、サンプル表面における水素安定同位体比が変化しやすいものと推定される。したがって、サンプル表面における水素安定同位体比の変化が、サンプル間における安定同位体比の経時変化のばらつきの主たる原因であると考えられる。

本発明は、このようなサンプルにおける交換性水素の交換メカニズムに着目し、水素安定同位体比測定の前処理として、空気中の水素安定同位体比が所定の標準比にある環境下で、サンプルを所定期間にわたり保管することにより、サンプルの交換性水素を標準比に近づくよう強制的に置換するようにしたものである。
これにより、保管や輸送において変化したサンプル表面における水素安定同位体比を、各サンプル間で一律に標準比近くまで強制的に変化させることができる。

例えば、ある産地のコメＸの収穫時におけるコメ表面およびコメ内部の水素安定同位体比が等しくδＤ_X1であるとし、コメ表面およびコメ内部の水素安定同位体比の全体に対する寄与率が仮に規定できるものとしてＰ_I，Ｐ_Sとすると、収穫時におけるコメ全体の水素安定同位体比δＤ_Xは、δＤ_X＝δＤ_X1×Ｐ_I＋δＤ_X1×Ｐ_Sで求められる。
一方、このコメＸを保管・輸送したことにより、コメ内部の水素安定同位体比はほぼδＤ_X1であるが、コメ表面の水素安定同位体比はδＤ_X2に変化したものとすると、保管・輸送後のコメ全体の水素安定同位体比δＤ_X’は、δＤ_X’＝δＤ_X1×Ｐ_I＋δＤ_X2×Ｐ_Sで求められる。

ここで、コメ表面の水素安定同位体比δＤ_X2は、保管・輸送の過程が異なるコメＸのサンプル間でばらつくことになり、実際にはδＤ_X21，δＤ_X22，δＤ_X23，…となるため、各サンプルの保管・輸送後の水素安定同位体比δＤ’も、δＤ_X1’，δＤ_X2’，δＤ_X3’，…となる。これがサンプル間における安定同位体比の経時変化のばらつきの主たる原因となる。

本発明によれば、水素安定同位体比測定の前処理として、空気中の水素安定同位体比が所定の標準比δＤ₀にある環境下で、コメＸの各サンプルが保管されるため、コメ表面の水素安定同位体比δＤ_X21，δＤ_X22，δＤ_X23…は、サンプル間で一律にδＤ₀近くまで強制的に変化することになる。このため、水素置換後のコメ全体の水素安定同位体比δＤ_X”は、サンプル間で共通してほぼδＤ_X”＝δＤ_X1×Ｐ_I＋δＤ₀×Ｐ_Sとなる。
これにより、収穫時におけるコメ全体の水素安定同位体比δＤ_Xとは異なるものの、水素置換後のコメ全体の水素安定同位体比は、保管・輸送の過程が異なるサンプルであっても、コメＸであれば共通してδＤ_X”となる。

このことは、産地の異なるコメＹでも同様であり、収穫時におけるコメ表面およびコメ内部の水素安定同位体比がδＤ_y1であるとし、Ｐ_I，Ｐ_SがコメＹでも同程度であるとすると、水素置換後のコメＹ全体の水素安定同位体比δＤ_Y”は、δＤ_Y”＝δＤ_y1×Ｐ_I＋δＤ₀×Ｐ_Sとなる。
したがって、産地の異なるコメＸ，Ｙの水素置換後の水素安定同位体比δＤＸ”，δＤ_Y”には、収穫時における水素安定同位体比δＤＸ₁，δＤ_y1による差異が含まれており、これら差異により産地を判定することができる。

なお、本発明において測定する水素の安定同位体比は、水素の天然に存在する非放射性同位体についての比を用いればよく、水素安定同位体比としては¹ＨとＤ（²Ｈ）の比を用いればよい。この安定同位体比は、通常、絶対比ではなく、標準試料の同位体比からの千分偏差としてそれぞれ以下の式（１）で示されるδ値で表現される。なお、式中、ＳＡＭＰは試料における同位体比を示し、ＳＴＤは標準試料における同位体比を示す。

水素安定同位体比の標準試料は、通常、標準平均海水（Vienna Standard Mean Ocean Water：ＶＳＭＯＷ）を用いて表記される。

［測定例］
次に、図２を参照して、本実施の形態にかかる水素安定同位体比分析システム１の測定例について説明する。図２は、水素安定同位体比の変化を示すグラフである。

この測定例では、国内産のコメＸと外国産のコメＹを準備し、これらコメＸ，Ｙをそれぞれ２つのグループに分けて４種類のサンプルＳ_X1，Ｓ_X2，Ｓ_Y1，Ｓ_Y2とし、それぞれ異なる環境で約１年間保管することにより、交換性水素による水素安定同位体比の経時変化にばらつきを生じさせた。
このようにして１年間保管した４種類のサンプルＳ_X1，Ｓ_X2，Ｓ_Y1，Ｓ_Y2を、まずは、水素置換せずにミルで粉末化して凍結乾燥した後、Ｐｉｃａｒｒｏ社Ｂ２２２１−ｉを用いて水素安定同位体比δＤ_VSMOWを測定した。これにより、図２の水素置換前ＴＡにプロットされているような次の測定結果が得られた。

国内産コメＸのサンプルＳ_X1：−３７．８‰
国内産コメＸのサンプルＳ_X2：−２６．５‰
外国産コメＹのサンプルＳ_Y1：−７２．５‰
外国産コメＹのサンプルＳ_Y2：−６１．３‰
これら測定結果から分かるように、産地が同一のコメＸ（Ｙ）であっても保管状態が異なるサンプルＳ_X1，Ｓ_X2（Ｓ_Y1，Ｓ_Y2）間では、水素安定同位体比の測定誤差ε_AX（ε_AY）が１０‰以上あり、水素安定同位体比を用いて産地等を推定する際の推定精度が低下する要因になることが分かる。

次に、本発明にかかる水素置換を適用して、交換性水素による影響を補償した場合について説明する。
まず、水素安定同位体比測定の前処理として、図１に示したように、水素置換容器１０に標準水１１を入れ、サンプルＳが標準水１１に直接濡れないように試料台１２を設け、その上に袋１３に入れたサンプルＳを置いた。ここでは、標準水１１として、標準比とする水素安定同位体比δＤ_VSMOW＝−７４．４‰の水を用いた。

次に、この水素置換容器１０を、温度５０℃に設定した恒温槽に入れて約１分間放置し、容器内部を標準水１１の蒸気で満たした後、蓋１４を閉めて密封し、サンプルＳを水素置換容器１０内で約１０時間にわたり、水素安定同位体比が標準比にある蒸気中に保管することにより、サンプルＳの交換性水素を標準比に近づくよう強制的に置換した。この水素置換は、サンプルＳ_X1，Ｓ_X2，Ｓ_Y1，Ｓ_Y2ごとに、個別の水素置換容器１０を用意して行った。

このようにして、水素置換を行った後、前回と同様に４種類のサンプルＳ_X1，Ｓ_X2，Ｓ_Y1，Ｓ_Y2を、水素置換せずにミルで粉末化して凍結乾燥した後、Ｐｉｃａｒｒｏ社Ｂ２２２１−ｉを用いて水素安定同位体比δＤ_VSMOWを測定した。これにより、図２の水素置換後ＴＢにプロットされているような次の測定結果が得られた。

国内産コメＸのサンプルＳ_X1：−４２．５‰
国内産コメＸのサンプルＳ_X2：−３９．５‰
外国産コメＹのサンプルＳ_Y1：−７３．５‰
外国産コメＹのサンプルＳ_Y2：−７１．１‰
これら測定結果から分かるように、本発明による水素置換を前処理として実施することにより、産地が同一のコメＸ（Ｙ）であれば保管状態が異なるサンプルＳ_X1，Ｓ_X2（Ｓ_Y1，Ｓ_Y2）間であっても、水素安定同位体比の測定誤差ε_BX（ε_BY）が５‰以内となった。

これは、前述したように、これらサンプルＳ_X1，Ｓ_X2，Ｓ_Y1，Ｓ_Y2のヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ２）などの基に含まれる水素原子が、前処理である水素置換処理により、水素安定同位体比が標準比にある水蒸気に晒されたため、サンプルＳ_X1，Ｓ_X2，Ｓ_Y1，Ｓ_Y2のうち交換性水素に関する水素安定同位体比が、強制的に標準比に近づけられたためと考えられる。

図３は、水素置換による水素安定同位体比の時間依存性を示すグラフである。ここでは、コメＸのサンプルＳ_X1，Ｓ_X2について、水素置換の時間長を変えて水素安定同位体比を測定したものである。このグラフから分かるように、５時間程度の水素置換で、交換性水素の置換量が飽和しており、コメの場合には、５時間の放置で十分効果が得られることが分かった。なお、物質によって水素置換時間が多少変化することも考えられるため、分析対象とする物質について予め交換性水素の置換量が飽和する時間を確認し、十分な水素置換時間を設定するようにしてもよい。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、サンプルＳのそれぞれを、空気中の水素安定同位体比が所定の標準比にある環境下で所定期間にわたり保管することにより、サンプルＳの交換性水素を標準比に近づくよう強制的に置換した後、これらサンプルＳのそれぞれについて、安定同位体比分析装置２０により水素安定同位体比を分析するようにしたものである。より具体的には、サンプルＳのそれぞれを、水素安定同位体比が標準比である標準水１１から発生させた水蒸気で満たした水素置換容器１０内で、所定期間にわたり保管することにより、水素置換を行うようにしたものである。

これにより、保管や輸送により、サンプルのうち空気中の水素原子と交換された交換性水素に関する水素安定同位体比が、サンプル間で一律に標準比に近づけられることになる。このため、サンプル間における保管や輸送の違いの影響を受けた交換性水素に関する水素安定同位体比が、ほぼ標準比となるため、同一産地のサンプルであれば、ほぼ同じ水素安定同位体比を示すことになる。したがって、水素安定同位体比の経時変化に起因する産地等の推定誤差を低減することができ、食品の産地等の物質の起源に関する起源情報を正確に分析することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１…水素安定同位体比分析システム、１０…水素置換容器、１１…標準水、１２…試料台、１３…袋、１４…蓋、２０…安定同位体比分析装置、２１…燃焼部、２２…レーザ光源、２３…ガスセル、２４…光検出器、２５…安定同位体比測定部、Ｓ…サンプル。

Claims (4)

1. 分析対象となるサンプルに含まれる水素の安定同位体比を分析する水素安定同位体比分析方法であって、
   前記サンプルを空気中の水素安定同位体比が所定の標準比にある環境下で所定期間にわたり保管することにより、前記サンプルの交換性水素を前記空気中の水素と置換する水素置換ステップと、
   前記水素置換ステップで水素置換した前記サンプルの水素安定同位体比を分析する安定同位体比分析ステップと
   を備えることを特徴とする水素安定同位体比分析方法。
2. 請求項１に記載の水素安定同位体比分析方法において、
   前記水素置換ステップは、前記サンプルを、水素安定同位体比が前記標準比である標準水から発生させた水蒸気で満たした水素置換容器内で、前記所定期間にわたり保管するステップからなることを特徴とする水素安定同位体比分析方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の水素安定同位体比分析方法において、
   前記安定同位体比分析ステップは、
   前記サンプルを燃焼させることにより二酸化炭素および水蒸気を発生させる燃焼ステップと、
   前記燃焼ステップで発生させた二酸化炭素および水蒸気に対してレーザ光を照射してレーザ分光することにより、前記サンプルに含まれる水素の安定同位体比を測定するレーザ分光式安定同位体比測定ステップと
   を含むことを特徴とする水素安定同位体比分析方法。
4. 分析対象となるサンプルに含まれる水素の安定同位体比を分析する水素安定同位体比分析システムであって、
   前記サンプルを空気中の水素安定同位体比が所定の標準比にある環境下で所定期間にわたり保管することにより、前記サンプルの交換性水素を前記空気中の水素と置換する水素置換容器と、
   前記水素置換容器で水素置換した前記サンプルの水素安定同位体比を分析する安定同位体比分析装置と
   を備えることを特徴とする水素安定同位体比分析システム。

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