南京大学黄硕团队Matter发文：纳米孔技术为酒类鉴别提供新方案

创作时间:

2025-01-22 00:04:44

作者:

@小白创作中心

南京大学黄硕团队Matter发文：纳米孔技术为酒类鉴别提供新方案

南京大学化学化工学院黄硕教授课题组在酒精饮料鉴别领域取得重要突破。该研究创新性地使用纳米孔技术为不同酒精饮料生成独特的条形码，实现了快速分析和鉴别。这一成果为酒精饮料的质量控制和食品安全管理提供了新的技术支持。

12月17日，南京大学化学化工学院黄硕教授课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上发表了题为“Nanopore signatures of major alcoholic beverages”的研究论文。研究团队针对常见的不同生物纳米孔道进行筛选评估后，最终基于单个苯硼酸修饰的异质耻垢分枝杆菌膜蛋白A（MspA）孔道（MspA-90PBA）首次实现了不同酒精饮料纳米孔指纹特征的快速分析，并为每个酒样生成独特的条形码。

研究背景与意义

酒精饮料，作为深植于人类历史长河的文化遗产，展现出了全球性的普及度和深远影响力。这类饮品的形成在于微生物发酵过程，通过将水果、谷物或乳制品中的天然糖分转化为乙醇和其他代谢产物，共同构建起了其独特的风味特征。酒精饮料可以通过微生物的直接发酵生产，也可以通过发酵后的蒸馏生产，分别产生两大类酒精饮料——发酵酒（如啤酒和葡萄酒）和蒸馏酒（如威士忌和伏特加）。

近年来，随着国际饮酒趋势的蓬勃发展，不法分子利用各种手段实施欺诈，如非法添加剂、擅自勾兑以及标签误导等，对消费者权益构成威胁。尽管资深品酒师能凭借敏锐的感官辨识真伪，但此方法往往受限于个体主观差异，且缺乏客观标准。传统色谱与光谱等技术虽已在这一领域取得一定成就，但在同时检测酒中多种化合物上却面临诸多挑战，比如色谱柱的选择与检测条件优化、目标物质提取前的预处理步骤繁琐，以及如何排除基质效应以保证数据准确性等问题，这些都限制了其应用范围。相比之下，基于比色法、荧光法、电化学传感等手段虽更为便捷，但在复杂样本分析时表现欠佳，难以兼顾多样性成分的同时测定需求。因此当前亟需开发一种无偏倚、简单快速且准确的酒精饮料检测系统，以实现产品的质控和监管。

纳米孔技术的优势

纳米孔是一种具有无标记、高灵敏优势的多功能传感器。通过引入合适的反应性适配器，生物纳米孔可以实现糖、神经递质及金属离子等小分子的快速传感分析。这种传感模式下，目标分析物和反应适配器发生特异性可逆相互作用，会产生高度特征性的纳米孔事件，从而可直接分析复杂样品中的多种成分。

研究方法与成果

近日，南京大学化学化工学院黄硕教授课题组针对常见的不同生物纳米孔道进行筛选评估后，最终基于单个苯硼酸修饰的异质耻垢分枝杆菌膜蛋白A（MspA）孔道（MspA-90PBA）首次实现了不同酒精饮料纳米孔指纹特征的快速分析，并为每个酒样生成独特的条形码（图 1）。

图1：酒精饮料的快速纳米孔分析

考虑到乙醇对于孔道及磷脂膜的破坏，作者首先采用M2MspA孔道进行了无水乙醇的耐受度测试。为了进一步证明哪种孔道更适合酒精饮料的分析，作者将半甜白葡萄酒作为模型样品并对多种生物纳米孔进行了筛选，包括WT α-HL，M2MspA以及单个适配器修饰的异质MspA孔道——MspA-90PBA，MspA-NTA-Ni和MspA-NTA-Cu。最终，MspA-90PBA可汇报出具有一致性特征的纳米孔信号，并被选作合适的传感器用于快速分析酒精饮料。

接着，作者将MspA-90PBA孔道用于蒸馏酒中DL-乳酸（DL-LA）的快速分析（图 2）。6种国际知名的蒸馏酒被选作代表进行实验，包括中国白酒、白兰地、威士忌、朗姆酒、伏特加以及金酒。结果表明不同种类的蒸馏酒的纳米孔指纹图谱具有显著性差异，且同一种类不同品牌的蒸馏酒中DL-LA含量也存在不同。

图2：蒸馏酒中DL-乳酸的快速识别

为了进一步拓宽纳米孔分析酒精饮料的适用范围，作者将机器学习辅助MspA-90PBA孔道的分析策略应用于保留有更多营养物质的发酵酒中，如红酒、白葡萄酒以及啤酒（图 3）。作者基于7种模型分析物构建了机器学习模型，包括DL-乳酸（DL-LA）、甘油（GLY）、L-苹果酸（L-MA）、L-酒石酸（L-TA）、D-果糖（D-FRU）、D-葡萄糖（D-GLC），并将其应用于纳米孔事件的预测分析中。结果表明，除模型分析物之外，在不同的发酵酒中还检测出了相应聚簇的unknown（未知）事件（以红色箭头标注），而这些信息共同构成了发酵酒独特的指纹条码（barcode）。可以发现，相似发酵酒（如red wine 1-2）的barcode完全不同，这将为酒精饮料的质量控制和鉴别提供强有力的支撑。最后，作者将该技术成功应用于葡萄酒的甜度分级和非法添加剂（蔗糖和D-酒石酸）检测中，展示了其在酒精饮料生产和食品安全管理方面的重要意义。

图3：发酵酒的快速纳米孔分析

研究亮点

硼酸修饰的纳米孔道适用于酒精饮料的快速分析
不同酒精饮料可产生独特的纳米孔条形码指纹
纳米孔技术可应用于葡萄酒甜度分级和添加剂检测

专家解读

黄硕教授表示：“酒精饮料风味差异源于化学成分组合不同。经筛选评估，MspA-90PBA纳米孔最适用于酒精饮料的快速分析。其传感分析物的事件信息能够为酒样创建独特的指纹条形码，区分相似的酒精饮料。此外，该技术也适用于葡萄酒甜度分级和添加剂检测，并可直接集成于便携式设备分析，为酒精饮料质控与安全管理提供有力技术支持。”

在研究过程中，团队面临的主要挑战是酒精饮料基质的复杂性，其中含有大量可能干扰分析的物质。为解决这一问题，研究团队采用了outlier分析和聚簇分析相结合的策略，成功分离并识别了代表性和干扰性分析物事件，最终构建出不同酒样的独特指纹条形码，为酒样掺假鉴定提供了重要数据支持。

未来展望

黄硕教授透露，团队的下一步研究计划包括：

开发由其他适配器修饰的纳米孔道，以实现多组分分析物的同时检测，如醛类、酯类等，进而对当前的酒精饮料数据集进行扩展。
计划在未来研究中将纳米孔道直接集成于阵列芯片中，实现高通量、多组分且低成本的酒精饮料快速分析，与现代酒厂工艺接轨。
持续关注酒精饮料相关的前沿工作，为酒样快速成分分析和掺假鉴定等研究贡献力量。

作者简介

黄硕，南京大学化学化工学院教授，博士生导师。2015年获得国家海外引才（青年项目），同年加入南京大学组建独立科研团队。2017年入选江苏省双创人才，2020年江苏省“双创团队”领军人才，同年获得江苏省“杰出青年基金”，2022年获得国家自然科学基金杰出青年基金。研究方向主要包括：基于仿生纳米孔道的单分子分析技术研究，具体包括新型纳米孔测序技术、高通量纳米孔成像技术、纳米孔道单分子化学和生物大分子结构分析。