紅外吸收光譜在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

紅外吸收光譜法在食品檢測(cè)中的應(yīng)用食品學(xué)院09質(zhì)量20090803103何英摘
要
本文對(duì)紅外光譜在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述,簡(jiǎn)要介紹紅外光譜分析技術(shù),并著重闡述其在食品種類和產(chǎn)地鑒別、食品中有毒有害成分檢測(cè)及食品中農(nóng)藥殘留檢測(cè)和食品摻假鑒定等方面的應(yīng)用。紅外光譜在食品安全檢測(cè)中發(fā)揮重要的作用,且應(yīng)用前景廣闊。一、
工作原理近紅外光譜主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的。近紅外光譜記錄的是分子中單個(gè)化學(xué)鍵的基頻振動(dòng)的倍頻和合頻信息,它常常受含氫基團(tuán)X
H(XC、N、O)的倍頻和合頻的重疊主導(dǎo),所以在近紅外光譜范圍內(nèi),測(cè)量的主要是含氫基團(tuán)X
H振動(dòng)的倍頻和合頻吸收。獲得近紅外光譜主要應(yīng)用兩種技術(shù):透射光譜技術(shù)和反射光譜技術(shù)。透射光譜(波長(zhǎng)一般在700~1100nm范圍內(nèi))是指將待測(cè)樣品置于光源與檢測(cè)器之間,檢測(cè)器所檢測(cè)的光是透射光或與樣品分子相互作用后的光(承載了樣品結(jié)構(gòu)與組成信息)。若樣品是混濁的,樣品中有能對(duì)光產(chǎn)生散射的顆粒物質(zhì),光在樣品中經(jīng)過的路程是不確定的,透射光強(qiáng)度與樣品濃度之間的關(guān)系不符合Beer定律。對(duì)這種樣品應(yīng)使用漫透射分析法。反射光譜(波長(zhǎng)一般在1100~2500nm范圍內(nèi))是指將檢測(cè)器和光源置于樣品的同一側(cè),檢測(cè)器所檢測(cè)的是樣品以各種方式反射回來的光。物體對(duì)光的反射又分為規(guī)則反射(鏡面反射)與漫反射。規(guī)則反射指光在物體表面按入射角等于反射角的反射定律發(fā)生的反射;漫反射是光投射到物體后(常是粉末或其它顆粒物體),在物體表面或內(nèi)部發(fā)生方向不確定的反射。應(yīng)用漫反射光進(jìn)行的分析稱為漫反射光譜法。此外,還有把透射分析和漫反射分析結(jié)合在一起的綜合漫反射分析法和衰減全反射分析法等。由于倍頻和合頻躍遷幾率低,而有機(jī)物質(zhì)在NIR光譜區(qū)為倍頻與合頻吸收,所以消光系數(shù)弱,譜帶重疊嚴(yán)重。因此從近紅外光譜中提取有用信息屬于弱信息和多元信息,需要充分利用現(xiàn)有的光機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)技術(shù)主要包括光譜數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)。光譜數(shù)據(jù)處理是消除儀器因素(燈及測(cè)量方式等),環(huán)境因素(如溫度等)和樣品物態(tài)(如顏色、形態(tài)等)等對(duì)光譜的影響。常采用的方法有平滑、微分、基線漂移扣減、多元散射校正(MSC)和有限脈沖響應(yīng)濾波(FIR)等,也可以用小波變換來進(jìn)行部分處理。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)主要是化學(xué)計(jì)量學(xué)方法?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)的發(fā)展使多組分分析中多元信息處理理論和技術(shù)日益成熟,解決了近紅外光譜區(qū)重疊的問題。通過關(guān)聯(lián)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)近紅外光譜的快速分析。在近紅外光譜的應(yīng)用中我們所關(guān)心的是被測(cè)樣品的組成或各種物化性質(zhì),因此,如何提取這些有用信息是近紅外光譜分析的技術(shù)核心。現(xiàn)在的許多研究與應(yīng)用表明,利用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行近紅外光譜分析是非常有效的?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)理論在近紅外光譜儀器中的應(yīng)用對(duì)儀器的實(shí)用化是非常關(guān)鍵的。在近紅外光譜分析中,被測(cè)物質(zhì)的近紅外光譜取決于樣品的組成和結(jié)構(gòu)。樣品的組成和結(jié)構(gòu)和近紅外光譜之間有著一定的函數(shù)關(guān)系。使用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法確定出這些重要函數(shù)關(guān)系,即經(jīng)過校正,就可以根據(jù)被測(cè)樣品的近紅外光譜,快速計(jì)算出各種數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在常用的校正方法主要有,多元線性回歸(MLR),主成分分析(PCA),偏最小二乘法(PLS),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和拓?fù)?Topological)方法等。二、
紅外光譜在食品安全檢測(cè)中應(yīng)用21對(duì)糖類的分析糖是食品中的重要成分，是決定食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和口感的一個(gè)重要指標(biāo)，食品中的糖主要是指還原糖，包括葡萄糖和果糖等常用的糖含量測(cè)定方法有滴定法碘量法DNS法高效液相色譜法等但這些方法普遍存在誤差范圍大等缺點(diǎn)，采用近紅外光譜法，可以預(yù)先利用樣品集建立模型，再利用模型快速檢測(cè)待測(cè)樣品，陸登俊等利用近紅外光譜法，預(yù)先使用165清汁樣品組成標(biāo)準(zhǔn)樣品集，建立定標(biāo)方程，就可以快速檢驗(yàn)待測(cè)樣品中還原糖含量JanMaartendebruijn.利用近紅外光譜法，收集樣品后，建立甜菜中糖含量的標(biāo)準(zhǔn)方程，在不損壞甜菜的情況下，快速鑒別甜菜的質(zhì)量，此法應(yīng)用于甜菜生產(chǎn)行業(yè)中。22
食品中有毒有害成分的檢測(cè)食品中的添加劑的使用,特別是一些對(duì)人體健康不利的添加劑,必須嚴(yán)格加以限量。（1）回瑞華

等采用紅外示差光譜定量分析奶粉中防腐劑苯甲酸鈉的含量。從溴化鉀
苯甲酸鈉紅外譜圖中減去溴化鉀
奶粉紅外譜圖,得到特征分析峰(1555cm
1),在該波數(shù)下測(cè)定濃度等梯度變化的標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)溶液的吸光度,并以此吸光度數(shù)值為縱坐標(biāo),以相應(yīng)的濃度為橫坐標(biāo),繪制工作曲線,結(jié)果苯甲酸鈉的濃度在0~2
5mg/g范圍內(nèi)吸光度與濃度之間呈良好的線性關(guān)系,可按標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行定量分析。本法的回收率為103
6%,RSD小于1
20。方法的準(zhǔn)確度與精密度均令人滿意,而且操作簡(jiǎn)便易行。（2）劉清福
等用紅外光譜法對(duì)有毒和無毒豆角進(jìn)行分析,找到一種操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的定性鑒別有毒豆角的方法。（3）史永剛等討論水中有機(jī)污染物的近紅外光譜,指出不同的有機(jī)污染物在近紅外光譜區(qū)表現(xiàn)出不同的特征,用該特征結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)可快速對(duì)有機(jī)污染物做出鑒別。（4）Rodriguez.Saona
等已經(jīng)成功地用近紅外定量模型預(yù)測(cè)食物中CMB(castorbeanmeal,一種含有有毒的蛋白質(zhì)霉素的物質(zhì))的含量。23對(duì)油脂類的分析目前，油脂調(diào)和油的出現(xiàn)使植物油脂的識(shí)別研究越來越迫切，油脂結(jié)構(gòu)中的CH和C-C對(duì)近紅外光譜中的合頻信息有較大貢獻(xiàn)，而CH2和C=C的數(shù)量變化是不同種類油脂中脂肪酸的主要差異，即碳鏈長(zhǎng)度和不飽和度差異構(gòu)成油脂的組成不同李娟采用近紅外技術(shù)結(jié)合主要分析方法對(duì)138個(gè)植物油脂樣品進(jìn)行分析檢測(cè)，得到100%的分析精度和驗(yàn)證準(zhǔn)確度根據(jù)科學(xué)家們多年的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，反式脂肪酸易誘發(fā)心腦血管疾病及影響嬰幼兒的生長(zhǎng)發(fā)育，MagdiMMossoba利用衰減全反射紅外光譜迅速測(cè)定反式脂肪酸含量倪昕路等將食品中提取的脂肪或油脂樣品直接置于紅外光譜儀的水平衰減全反射（HATR）部件的槽式ZnSe晶體上，通過966cm-1處反式雙峰的特征峰進(jìn)行定性，由峰面積與反式脂肪酸含量的線性校準(zhǔn)曲線定量計(jì)算反式脂肪酸在油脂中的百分含量測(cè)得的結(jié)果證明此方法簡(jiǎn)單快速準(zhǔn)確，適用于食品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)簽的測(cè)定。24測(cè)定食品中防腐劑的含量苯甲酸作為防腐劑，是食品工業(yè)里最重要的添加劑之一，在食品保存過程中具有抑制或殺滅微生物的作用，苯甲酸的最大使用量為0.5g/kg，其是否超標(biāo)已被消費(fèi)者日益關(guān)注目前苯甲酸含量的測(cè)定普遍采用分子分光光度計(jì)法回瑞華采用紅外波譜技術(shù)，以最佳定量準(zhǔn)確性和速度從溴化鉀-苯甲酸紅外譜圖中減去溴化鉀-奶粉紅外光譜圖，得到特征峰（1555cm-1），在該波數(shù)下測(cè)定濃度等梯度變化的標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)溶液的吸光度，并以此吸光度數(shù)值為縱坐標(biāo)，以相應(yīng)的濃度為橫