应用傅里叶变换近红外光谱法（FT-NIR）和化学计量分析技术快速识别糖的来源并分类棕色糖

《Food Control》：Application of FT-NIR Spectroscopy and Chemometric Analysis for Rapid Identification of Sugar Origin and Classification of Brown Sugars

　　• FT-NIR技术为糖的真实性评估提供了快速支持。
• 白甜菜糖和甘蔗糖 berhasil dibedakan dengan jelas。
• Brown-type甘蔗糖表现出较高的成分异质性。

**引言**
糖仍是全球食品系统中最重要的商品原料之一，而其市场结构正变得越来越多样化。根据美国农业部（USDA-FAS，2025年）的数据，2025/26营销年度的世界离心糖产量预计为1.893亿公吨（原始价值），而人类国内消费量预计为1.781亿公吨。巴西和印度将推动全球产量的增长。根据欧盟委员会（European Commission，2026a）的数据，2025/26年度欧盟的糖平衡表显示，糖产量为1600万公吨（白糖当量），进口量为140万公吨，消费量为1370万公吨，出口量为380万公吨，最终库存为230万公吨。同时，欧盟委员会的数据表明，在2024/25年度，欧盟总共进口了约150万公吨的糖（白糖当量），其中包括约60万公吨以糖的形式交易和约80万公吨包含在加工产品中。在这些进口量中，以糖形式交易的糖包括不同类型的产品，主要是约40万公吨的白糖和约20万公吨的原糖。在同一营销年度，欧盟的糖出口总量约为400万公吨，其中约160万公吨以糖的形式出口，约260万公吨以加工产品的形式出口（欧盟委员会，2026b）。糖的进出口平衡显示净贸易顺差约为100万公吨。因此，尽管欧盟糖市场仍受到额外供应的显著影响，但近年的特点是净出口状况。这与2022/23年度形成鲜明对比，当时欧盟的净贸易逆差接近180万公吨（欧盟委员会，2026b）。

目前，欧盟糖市场正面临由全球贸易自由化和不断发展的监管框架所驱动的深刻变化。其中，欧盟-南方共同市场（EU-Mercosur）贸易协定的预期实施将显著增加欧盟境内甘蔗糖产品的供应，从而加剧与国产甜菜糖的竞争（欧盟委员会，2026c）。在这种情况下，甘蔗糖产品的进口在经济上具有重要意义，同时在政治上也非常敏感。欧盟委员会表示，临时性的欧盟-南方共同市场贸易协定将于2026年5月1日起实施，敏感农业部门仍受保护措施约束。对于糖而言，该协定没有设定新的巴西配额；而是为精炼目的提供了18万吨免关税的原糖配额（在现有的0.364百万公吨特定关税配额下），以及额外的1万吨免关税配额给巴拉圭，而特种糖则被明确排除在外（欧盟委员会，2026c）。同时，欧盟委员会的贸易统计数据显示，欧盟糖进口来自多个甘蔗生产国，其中中美洲的贡献最大，此外EPA、南非和乌克兰也是进口来源（欧盟委员会，2026a）。因此，当前的挑战不仅仅是进口糖的数量，还包括在不同贸易体制下进入欧盟市场的多样化甘蔗糖的日益增长的竞争性和分析意义。

市场上的糖产品种类日益增加，尤其是在甘蔗糖类别中。商业上可获得的糖产品从未加工的原糖和未精制的甘蔗糖到各种白精制糖和棕糖不等，后者是通过将精制蔗糖晶体与糖蜜或糖浆混合物混合制成的。在许多情况下，这些产品被标榜为“棕糖”，但没有透明信息说明结晶蔗糖是来自甜菜还是甘蔗（Wojtczak等人，2014年）。从消费者的角度来看，棕糖通常被认为比精制白糖更天然、加工程度更低。然而，这一类别本身具有高度的异质性。作为棕糖销售的商业产品可能在植物来源、制造工艺、颜色和糖蜜含量上存在差异。实际上，不同技术背景的产品可能具有相似的外观，但在质量相关参数上存在显著差异。这带来了分析上的挑战，特别是在需要快速区分甘蔗糖和甜菜糖或不同类型的棕糖时。这种产品多样性增加了对能够支持来源分类和常规质量控制的快速分析工具的需求。与几乎独家以精制白糖形式销售的甜菜糖不同，甘蔗糖以多种形式销售，包括精制白糖、直接在糖厂生产的种植园白糖以及残余母液和杂质含量各异的多种棕糖（Wojtczak等人，2012年）。

精制白糖的质量要求受到欧盟法规1308/2013（欧洲议会和理事会，2013年）的严格监管，该法规规定了最低蔗糖含量（≥99.7%）、最大水分含量（≤0.04%）、最大灰分含量（≤0.04%）、还原糖含量限制（≤0.06%）和颜色（≤45 IU），确保无论植物来源如何都能保持一致的技术和商业质量。相比之下，棕糖的成分变化较大，反映了原材料、加工强度和糖蜜含量的差异。根据食品法典（Codex Alimentarius Commission，1999年），棕糖可能含有95% – 99%的蔗糖，水分含量最高可达5%，并且含有不同程度的转化糖和灰分。颜色从浅棕色到深棕色不等，这取决于残留的糖蜜，糖蜜也赋予了其独特的风味（食品法典委员会，1999年）。

因此，可靠的糖来源和加工历史认证不仅对质量保证和市场监督至关重要，也对公平贸易、可追溯性和正确的消费者信息至关重要。关于糖真实性的研究表明，同位素分析可以通过利用植物生理和环境影响的差异有效区分甜菜糖和甘蔗糖。具体来说，稳定同位素比率（如13C/12C）的测定可以明确区分来自C3植物（例如甜菜）和C4植物（例如甘蔗）的糖，因为它们的光合作用途径会产生不同的同位素特征（Degenhardt，2016年；Rodushkin等人，2011年；Rojas-Rioseco等人，2024年）。尽管同位素比率技术具有很高的可靠性，但其应用需要专门的仪器、劳动密集型的样品制备和专门的实验室，限制了其在实际中的快速筛选应用。因此，人们仍然需要快速、非破坏性的分析方法，在确认性同位素分析之前进行初步分类。因此，越来越多的注意力转向了近红外光谱技术，特别是傅里叶变换近红外（FT-NIR）光谱技术，这种技术提供了快速、非破坏性的分析，并且样品制备要求最低（Ozaki等人，2021年）。在过去几十年中，NIR已成功应用于糖和食品行业，用于估算成分参数、支持过程监控和分类原材料。早期研究展示了其快速分析甜菜糖质量的潜力，包括蔗糖含量、干物质、果胶和含氮化合物，与传统参考方法有很强的相关性（Huijbregts等人；1996年；Batten，1998年）。Vaccari等人（1996年）进一步强调了光谱方法在评估工业甜菜质量方面的相关性，将成分参数与加工性能联系起来。Huijbregts等人（2006年）和Bahrami等人（2020年）也展示了类似的应用，显示了与常规参考方法非常良好的相关性，用于测定甜菜中的蔗糖（主要是甜菜提取物、甜菜汁和压榨汁）以及确定干物质、糖蜜糖、提取指数、氨基氮、甜菜碱和还原糖等参数。后续研究扩展了NIR在糖加工多个阶段的应用。NIR光谱技术可以有效地应用于原材料、中间产品和最终结晶糖，确定蔗糖、干物质、还原物质、水分和颜色，且具有较高的测定系数（Antczak-Chrobot等人，2016年）。

FT-NIR光谱技术在糖行业中得到了广泛应用，既用于成分分析，也用于实时监控工艺过程。Huijbregts等人（1996年）首次展示了使用NIR测定甜菜中的蔗糖、干物质、果胶和α-氨基氮，随后证明经过适当校准的模型还可以预测甜菜提取物、甜菜汁、糖浆甚至整个甜菜中的甜菜碱、甜菜碱和葡萄糖水平。Harbeck等人（2004年）利用NIR光谱测定糖蜜中的甜菜碱含量，而Vaccari等人（1996年）则通过分析甜菜汁和原汁来评估甜菜的质量。在分析原糖样品时，Edye和Clarke（1995年）使用NIR测量颜色、极性、灰分、右旋糖酐和总多糖。NIR光谱技术也成功应用于甘蔗加工中的在线监控。Tewari等人（2003年）使用该技术测定甘蔗汁中的蔗糖、葡萄糖和果糖。Sch?ffler等人（2003年）将这种方法扩展到同时监测中间产品中的极性、水分和灰分。Ordonez等人（2025年）利用近红外（NIR）光谱结合偏最小二乘（PLS）回归和k折交叉验证技术，确定了甘蔗的关键质量参数，包括折射率干物质、极性和水分含量。Simpson和Oxley（2008年）在连续系统中使用NIR光谱监测甘蔗中间产品中的果糖、葡萄糖、蔗糖、极性、干物质和电导率灰分。此外，Antczak等人（2016年）使用FT-NIR光谱技术监测糖制造过程中的甜菜汁微生物污染。Abraham等人（2025年）的新研究展示了NIR光谱在糖生产中实时监测关键质量参数的应用，表明开发的NIR传感器和校准模型能够实现自动化过程控制，减少实验室工作量，并提供有关各种成分的信息，如微生物多糖。

甜菜糖和甘蔗糖之间的差异并非来自蔗糖本身（两者在化学上相同），主要是由于伴随化合物的少量差异，如含氮物质、有机酸、酚类和残余糖蜜成分。这些成分可能通过基质效应和颜色相关的吸收间接影响光谱。因此，本研究的目的是评估FT-NIR光谱结合化学计量分析作为一种快速工具，用于识别白糖的来源和评估棕糖类型的品质差异。任务的目的是确定光谱特征是否有助于区分不同产品组，并作为一种快速的 authenticity 评估筛选方法。

**样本**
研究材料包括几组在植物来源、工艺处理和商业分类上有所不同的糖样品。为了开发区分甜菜和甘蔗来源的白糖的定性模型，校准集包含了50个从加工甜菜的糖厂收集的甜菜白糖（BWS）样品和15个从加工原糖的糖厂收集的甘蔗白糖（CWS）样品。

**FT-NIR反射率和透射率的获取**
糖样品的反射率光谱以吸光度与波数的形式记录。每次测量前，都会收集一个背景光谱以消除环境干扰，如水蒸气和二氧化碳，最终光谱是样品信号与背景信号的比值。图2展示了反射率光谱（A）和所有校准后的白糖样品光谱（B）。

**结论**
总之，FT-NIR光谱结合化学计量分析显示出作为一种快速、非破坏性的方法，用于区分糖的来源和表征市售棕糖的潜力。对于白糖的分类，应用于糖晶体反射率光谱的主成分判别分析提供了最佳的整体性能，特别是在提高甜菜糖的识别率方面。阿涅塔·安特扎克-赫罗布特（Aneta Antczak-Chrobot）：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化处理、调查研究、形式分析、数据整理
未引用的参考文献：
欧洲议会与欧盟理事会，2013年；Sh?ffler等人，2003年；美国农业部外国农业服务局，2025年。

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作者名单：
Maciej Wojtczak | 阿涅塔·安特扎克-赫罗布特 | 阿格尼斯卡·帕皮耶夫斯卡（Agnieszka Papiewska）