利用基于智能手机的可持续数字比色法快速测定赤砂糖中还原糖的含量

《Food Chemistry》：Rapid determination of reducing sugars in demerara sugar using a sustainable smartphone-based digital colorimetry approach

　　基于智能手机的数字化图像比色法（DIC）能够快速分析原糖（Demerara糖）中的还原糖。这种绿色方法经过验证，具有优异的灵敏度、准确性和精密度。该方法能够在商业糖产品中定量分析痕量还原糖（0.29–0.74%（w/v））。通过标准添加法校准最大限度地减少了基质效应。适用于常规质量控制和监管现场应用。**引言**甘蔗是巴西制糖的主要原料。它含有多种生物活性化合物，包括矿物质、维生素和类黄酮，以及天然糖类（主要是蔗糖），赋予其重要的营养价值和功能多样性。这种组成特征推动了低加工糖的开发与消费，符合日益注重健康的消费者偏好（Barbosa等，2015；Cifuentes等，2021）。甘蔗汁通过压榨获得，保留了甘蔗茎秆中大部分营养成分，因此这些化合物天然存在于手工甘蔗制品中（Jaffé，2015；Sampaio等，2020）。在这些产品中，原糖以其保留的重要营养特性而著称。它通过甘蔗汁直接结晶制成，不使用化学漂白或精炼步骤，被归类为低加工产品。在生产过程中，残留一层薄薄的糖蜜，使其呈现黄色调，晶体更大，矿物质含量高于精制糖（Sampaio等，2022；Souza Silva & de Souza Silva & da Cruz，2016）。原糖主要由蔗糖组成，纯度通常高于96%。然而，残留的糖蜜部分含有少量还原糖，主要是葡萄糖和果糖，含量为0.05至0.3%（Bettani等，2014；MAPA，2018）。这些来自甘蔗液态部分的单糖在结晶过程中未被完全去除，具有反应性醛基，可参与氧化还原反应和非酶促褐变反应，如美拉德反应（Abu-Baker等，2014；Srinivasan Damodaran，2018）。还原糖（RS）含量是含糖产品的重要质量属性，反映了加工条件和产品纯度。此外，RS水平影响储存稳定性和工业性能（Sampaio等，2022）。RS浓度升高可促进热加工步骤中的美拉德型反应，特别是在高可溶性固形物浓度下的蒸发过程，导致类黑精形成并因此颜色加深（Bento，2009）。因此，RS定量是评估原糖质量的关键分析参数。RS浓度的变化会改变产品外观，影响结晶动力学（Leite，2000），并加速储存过程中的非酶促褐变，最终损害感官特性和整体稳定性（Martins等，2000）。传统还原糖分析方法已得到确立，但在灵敏度、选择性和常规适用性方面存在局限性。色谱方法具有高精度和选择性（Filip等，2016；Georgelis等，2018；Ouyang等，2020；Yeganeh-Zare等，2022），但成本高昂、耗时长且在低浓度下灵敏度不足，限制了其在现场分析中的应用（Chaichi & Ehsani，2015）。分光光度法，如酚-硫酸法（PSA）和3,5-二硝基水杨酸法（DNS），是广泛使用的替代方案（Ba?kan等，2016；Negrulescu等，2012；Teixeira & Santos，2022），基于羰基氧化和发色团络合反应（DuBois等，1956；Melander等，2007；Miller，1959），以及紫外光谱范围的直接测量或核磁共振光谱法（Hagos等，2023；Yisak等，2022）。然而，这些方法易受基质干扰，需要使用有害试剂，缺乏标准化，依赖高成本仪器，且可能受其他还原性化合物的影响（dos Santos等，2019；Ramachandran & Gupta，1992；Schlesner等，2022）。斐林滴定法是食品法典委员会正式认可的用于富含糖分的食品和饮料中还原糖分析的古典容量法（AOAC. 国际官方分析化学家协会，1923；Commission，1999；IAL. 阿道夫·鲁兹研究所，2008；国际标准化组织，1981；MAPA. 农业部，2013）。尽管成本低、操作简单，但易受基质干扰，分析时间长时试剂会发生热降解，且可能出现过高或过低估计误差（Berg等，2023；Courtin等，2000）。其他替代方法，如逆氧化或金属离子络合（McFeeters，1980；Nelson，1944），通常灵敏度较低且分析时间更长。为克服这些局限性，数字化图像比色法（DIC）作为战略性替代方案脱颖而出，具有便携性、低成本和现场分析的可能性（Fan等，2021；Soares等，2023）。这种方法在各种食品基质中已被证明行之有效，如饮料、水果和乳制品（Franco等，2021；Malho Alves等，2023；Silva & Rocha，2022；Teixeira & Santos，2022），基于使用智能手机等电子设备拍摄图像，随后转换为色彩空间（RGB、HSV、CMYK），从而实现蔗糖和还原糖的定量分析（Fan等，2021；Woolf等，2021）。在本研究中，采用本尼迪克特反应作为分析基础。在该反应中，还原糖的醛基在加热碱性介质中被氧化，同时Cu2?离子被还原为Cu?，形成Cu?O。该还原反应产生特征性的砖红色沉淀，其强度与还原糖浓度相关（Benedict，1909）。与斐林试剂相比，本尼迪克特试剂稳定性更高，因为用碳酸钠取代了氢氧化钠，并用柠檬酸钠取代了钠钾酒石酸盐作为螯合剂。与直接紫外-可见分光光度法相比，它还具有成本低、毒性低和广泛的工业适用性等优点（Eriklioglu等，2023；Miller，1959）。该方法最初开发用于还原糖的定性检测（Benedict，1909），后来被改编用于定量分析，首先通过滴定残余CuSO?实现（Benedict，1911），最近则通过740 nm处的直接分光光度检测实现（Hernández-López等，2020）。此外，数字化图像比色法（DIC）可以捕捉颜色变化，通过分析从图像中提取的色彩变量强度来定量还原糖含量（Teixeira & Santos，2022）。据我们所知，这是首次将本尼迪克特反应与数字化图像比色法结合定量应用于原糖等固体未精制糖基质中低含量还原糖的测定。尽管本尼迪克特反应应用已久，但以往研究主要集中在含糖量远高于原糖的食品上。由于传统方法固有的灵敏度限制，这种侧重点限制了那些方法向低水平（< 2%）的分析外推。为解决这一局限，本研究开发并验证了一种基于本尼迪克特反应的新型智能手机数字化图像比色法（DIC-本尼迪克特法），用于定量原糖中的低水平还原糖。该方法提供快速、低成本、环境可持续的传统技术替代方案，具有更高的分析灵敏度和简化操作，因此适用于工业和监管实验室应用。**分节摘要****采样**在2024年至2025年间，从超市、其他实体零售店和电商平台共收集了20个原糖样品，以覆盖不同的产区并确保该类型糖全国生产的地理多样性和变异性。每个样品被分配唯一识别码，由缩写"DS"后跟阿拉伯数字组成，并随机抽取。这些样品代表了巴西主要产糖地区。**试剂用量、比色响应和图像采集的优化**对与苯尼迪克特试剂反应的混合物以及按1:1（v/v）比例与葡萄糖溶液反应后的图像进行分析，通过提取颜色强度值进行评估。特别地，从颜色直方图数据中计算了红绿通道比（R/G）。在0.2–0.6%（w/v）范围内观察到R/G比与葡萄糖含量之间存在线性关系，表明可以使用该比率作为分析参数准确估算还原糖含量。**结论**本研究中开发并验证的DIC-本尼迪克特法，被证明是测定原糖中低水平还原糖的快速、经济且环保的方法。它克服了传统技术的局限性，如高成本、操作复杂、使用有害试剂和废物产生。它提供了适合原位和常规实验室分析的便携式解决方案。该方法的优化……**作者贡献声明****Vandressa Alves：** 审阅与编辑、初稿撰写、验证、方法论、调查、正式分析、概念化。**Isabel M.P.L.V.O. Ferreira：** 审阅与编辑、指导、资源、经费获取。**Maria L. Felsner：** 审阅与编辑、验证、指导、软件、资源、项目管理、经费获取、数据整理。**未引用参考文献**AOAC. 国际官方分析化学家协会，2023Commission, C. A, 1999欧洲委员会，卫生与食品安全总司，2021de Franco, Suarez, dos Santos and Resque, 2021IAL. 阿道夫·鲁兹研究所，2008ICH协调指南，2022de Malho Alves, Martins and Rocha, 2023MAPA. 农业、畜牧业和食品供应部，2013MAPA. 农业、畜牧业和食品供应部，2018Zia-Ud-Din and Rasool, 2015**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**作者感谢巴西科学与技术发展委员会（CNPq）和巴西高级人员进修协调处（CAPES）提供的财政支持。**资金**本研究得到巴西高级人员进修协调处（CAPES）[资助代码001]的支持。本研究通过UID/50006/2025项目获得葡萄牙国家资金（FCT/MECI，科学与技术基金会，及教育、科学与创新部）的财政支持——绿色化学联合实验室——清洁技术与工艺。Vandressa Alves|Isabel M.P.L.V.O. Ferreira|Maria L. Felsner