红外吸收光谱在食品检测中的应用 红外吸收光谱法在食品检测中的应用 食品学院 09 质量 20090803103 何英 摘 要 本文对红外光谱在食品安全检测中的应用进行综述, 简要介绍红外光谱分析技 术,并着重阐述其在食品种类和产地鉴别、 食品中有毒有害成分检测及食品中农药残留检 测和食品掺假鉴定等方面的应用。 红外光谱在食品安全检测中发挥重要的作用, 且应用 前景广阔。 一、 工作原理 近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。 近红外光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息, 它常常受含氢基团 X H( X C、 N、 O) 的倍频和合频的重叠主导,所以在近红外光谱范围内, 测量的主要是含氢基团 X H 振动的倍频和合频吸收。 获得近红外光谱主要应用两种技术: 透射光谱技术和反射光谱技术。透射光谱( 波长一般在 700 1100nm 范围内)是指将待测样品置于光源与检测器之间, 检测器所检测的光是透射光或与样品分子相互作用后的光( 承载了样品结构与组成信息)。若样品是混浊的,样品中有能对光产生散射的颗粒物质,光在样品中经过的路程是不确定的, 透射光强度与样品浓度之间的关系不符合 Beer 定律。对这种样品应使用漫透射分析法。 反射光谱( 波长一般在 1100 2500nm 范围内)是指将检测器和光源置于样品的同一侧,检测器所检测的是样品以各种方式反射回来的光。物体对光的反射又分为规则反射(镜面反射) 与漫反射。 规则反射指光在物体表面按入射角等于反射角的反射定律发生的反射;漫反射是光投射到物体后(常是粉末或其它颗粒物体) ,在物体表面或内部发生方向不确定的反射。 应用漫反射光进行的分析称为漫反射光谱法。此外,还有把透射分析和漫反射分析结合在一起的综合漫反射分析法和衰减全反射分析法等。 由于倍频和合频跃迁几率低, 而有机物质在 NIR 光谱区为倍频与合频吸收, 所以消光系数弱, 谱带重叠严重。因此从近红外光谱中提取有用信息属于弱信息和多元信息, 需要充分利用现有的光机技术、 电子技术和计算机技术进行处理。 计算机技术主要包括光谱数据处理和数据关联技术。光谱数据处理是消除仪器因素(灯及测量方式等) ,环境因素( 如温度等)和样品物态(如颜色、 形态等)等对光谱的影响。常采用的方法有平滑、 微分、 基线漂移扣减、 多元散射校正( MSC) 和有限脉冲响应滤波( FIR) 等, 也可以用小波变换来进行部分处理。 数据关联技术主要是化学计量学方法。 化学计量学的发展使多组分分析中多元信息处理理论和技术日益成熟,解决了近红外光谱区重叠的问题。 通过关联技术可以实现近红外光谱的快速分析。 在近红外光谱的应用中我们所关心的是被测样品的组成或各种物化性质, 因此, 如何提取这些有用信息是近红外光谱分析的技术核心。 现在的许多研究与应用表明,利用化学计量学方法进行近红外光谱分析是非常有效的。 化学计量学理论在近红外光谱仪器中的应用对仪器的实用化是非常关键的。在近红外光谱分析中,被测物质的近红外光谱取决于样品的组成和结构。样品的组成和结构和近红外光谱之间有着一定的函数关系。 使用化学计量学方法确定出这些重要函数关系,即经过校正, 就可以根据被测样品的近红外光谱,快速计算出各种数据。现在常用的校正方法主要有, 多元线性回归( MLR) , 主成分分析( PCA) , 偏最小二乘法( PLS) , 人工神经网络( ANN) 和拓扑( Topological) 方法等。 二、 红外光谱在食品安全检测中应用 2 1 对糖类的分析 糖是食品中的重要成分，是决定食品的营养价值和口感的一个重要指标， 食品中的糖主要是指还原糖，包括葡萄糖和果糖等 常用的糖含量测定方法有滴定法 碘量法 DNS 法 高效液相色谱法等 但这些方法普遍存在误差范围大等缺点， 采用近红外光谱法，可以预先利用样品集建立模型，再利用模型快速检测待测样品，陆登俊等利用近红外光谱法，预先使用 165 清汁样品组成标准样品集，建立定标方程，就可以快速检验待测样品中还原糖含量 Jan Maarten de bruijn.利用近红外光谱法，收集样品后，建立甜菜中糖含量的标准方程，在不 损坏甜菜的情况下，快速鉴别甜菜的质量，此法应用于甜菜生产行业中。 2 2 食品中有毒有害成分的检测 食品中的添加剂的使用, 特别是一些对人体健康不利的添加剂,必须严格加以限量。 （1） 回瑞华 等采用红外示差光谱定量分析奶粉中防腐剂苯甲酸钠的含量。从溴化钾 苯甲酸钠红外谱图中减去溴化钾 奶粉红外谱图, 得到特征分析峰( 1555cm 1) , 在该波数下测定浓度等梯度变化的标准固态溶液的吸光度,并以此吸光度数值为纵坐标,以相应的浓度为横坐标, 绘 制 工 作 曲 线 , 结 果 苯 甲 酸 钠 的 浓 度 在 02 5mg/g 范围内吸光度与浓度之间呈良好的线性关系,可按标准曲线法进行定量分析。本法的回收率为 103 6%, RSD 小于 1 20。方法的准确度与精密度均令人满意,而且操作简便易行。 （2）刘清福 等用红外光谱法对有毒和无毒豆角进行分析, 找到一种操作简便、 经济实用的定性鉴别有毒豆角的方法。 （3） 史永刚 等讨论水中有机污染物的近红外光谱, 指出不同的有机污染物在近红外光谱区表现出不同的特征, 用该特征结合化学计量学技术可快速对有机污染物做出鉴别。 （4）Rodriguez. Saona 等已经成功地用近红外定量模型预测食物中 CMB ( castor beanmeal,一种含有有毒的蛋白质霉素的物质) 的含量。 2 3 对油脂类的分析 目前，油脂调和油的出现使植物油脂的识别研究越来越迫切，油脂结构中的 CH 和 C- C 对近红外光谱中的合频信息有较大贡献， 而 CH2和 C=C 的数量变化是不同种类油脂中脂肪酸的主要差异， 即碳链长度和不饱和度差异构成油脂的组成不同 李娟采用近红外技术结合主要分析方法对 138 个植物油脂样品进行分析检测，得到 100%的分析精度和验证准确度 根据科学家们多年的实验研究发现， 反式脂肪酸易诱发心脑血管疾病及影响婴幼儿的生长发育，Magdi MMossoba 利用衰减全反射红外光谱迅速测定反式脂肪酸含量 倪昕路等将食品中提取的脂肪或油脂样品直接置于红外光谱仪的水平衰减全反射 （HATR ） 部件的槽式 ZnSe 晶体上，通过 966 cm- 1 处反式双峰的特征峰进行定性，由峰面积与反式脂肪酸含量的线性校准曲线定量计算反式脂肪酸在油脂中的百分含量 测得的结果证明此方法简单 快速 准确， 适用于食品营养标签的测定。 2 4 测定食品中防腐剂的含量 苯甲酸作为防腐剂，是食品工业里最重要的添加剂之一， 在食品保存过程中具有抑制或杀灭微生物的作用，苯甲酸的最大使用量为 0.5 g/kg，其是否超标已被消费者日益关注 目前苯甲酸含量的测定普遍采用分子分光光度计法 回瑞华采用红外波谱技术， 以最佳定量准确性和速度从溴化钾 - 苯甲酸红外谱图中减去溴化钾 - 奶粉红外光谱图，得到特征峰 （1 555 cm- 1） ，在该波数下测定浓度等梯度变化的标准固态溶液的吸光度，并以此吸光度数值为纵坐标，以相应的浓度为横坐标，绘制工作曲线，将待测样品的吸光度代入回归方程， 从而计算苯甲酸在奶粉中的含量。 2 5 食品中浓药残留检测 食品中农药残留分析离不开农药标准品, 而标准品研制中一般须经红外光谱进行结构征。 （1）邹明强 等利用红外光谱与其它技术对其制备的广灭灵农药标准品的结构进行确认,红外光谱(见图 1)。 由图 1 从一些特征波数, 可分析出苯环上不饱和 C H 伸缩振动、 苯环的骨架伸缩振动、 CH3 的反对称和对称伸缩振动、 C C 骨架伸缩振动、 CH2 的反对称伸缩振动、 与苯环相连的 C C1 伸缩振动、 C= O 伸缩振动等振动形式,进而可判断出样品分子的存在。 （2）李文秀 等对常用高残留农药敌敌畏、 敌百虫在蔬菜汁溶剂中的中红外衰减全反射光(ATR)数据进行研究。 实验结果表明,农药在蔬菜汁溶液中与在标准试剂溶液中反映出基本相同性， 应用红外光谱技术可以直接对蔬菜上的农药残留进行检测, 通过农药在水中的吸收建立模型来模拟其在蔬菜体内的吸收, 为实现对蔬菜上的农药残留进行快速检测提供一条可能途径。 （3） 周向阳 等采用FTIR法对十字花科、 旋药科、 菊科、 伞形花科、 苋科等 20 余种叶菜类中有机磷农药残留的鉴别进行系统研究,以农药甲胺磷为主要研究对象,结合其他 3 种高、中、 低毒有机磷类进行分析测试, 讨论各种蔬菜样品谱图的差异, 利用含磷基团在倍频区特征吸收,采用差谱技术、 导数预处理等进行指认, 与GC MS 法比对,取得满意的鉴别效果,有机磷农药残留的快速分析提供一种简便、 快速、 可靠的手段。 （4） 徐琳 等用 FTIR 技术对青菜表面残留的氯氰菊酯进行定性、 定量分析,并研究氯氰菊酯在白菜类蔬菜表面残留情况。结果表明,该法测定蔬菜表面农残的灵敏度高于透射光谱法, 具有快速、 简便、 无需预处理等优点。 2 6 食品掺假的鉴定 市场上的橄榄油大致可分为:特纯、 纯和精练 3 个等级, 向高品质油中掺杂较便宜的同类低档或不同种类价低的葵花油、 玉米油、 菜籽油等变成为一种获利方式。 （1）Yoke W. Lai 等 根据油脂多次甲基链中 C- H 和 C- O 在中红外光谱区振动方式和振动频率不同, 因而反映油型信息不同的特性, 利用 FTIR 技术, 采用 PCA 和判别式分析检测橄榄油、 葵花油、 玉米油、 菜籽油、 核桃油等 8 种不同油在 3100 2800cm 1 和 1800 1000cm 1 内的数据,利用光谱信息对油型进行聚类分析, 发现橄榄油型紧密聚集在一起,与其他油型区别明显;当把品的基础数据与光谱信息相关联建立校正模型后,便可以对未知掺假橄榄油进行快速定量检测。 （2）李彦文 等利用 FTIR 分析仪,分别测定酸枣仁与其伪品滇枣仁的红外指纹图谱。 结果 KBr 直接压片法测定所得的图谱,在 1800 960cm 1 间, 酸枣仁与其伪品的红外吸收峰的峰数、 峰位、 峰形和峰强等,存在明显差异可作为酸枣仁与滇枣仁的重要区别。 本文法快速准确,专属性强,重现性好, 操作简便,红外图谱具有特征性和指纹性, 且谱峰显著,可为酸枣仁与伪品滇枣仁的真伪鉴别提供红外光谱的鉴别指标。蜂蜜中掺入的物质多种多样, 为其统一检测带来一定难度, 常用的方法有:薄层层析、 高效液相色谱、 毛细管气相色谱、 离子交换液相色谱、 核磁共振等, 然而这些方法既费时费力, 又有一定使用限制,如稳态同位素分析( SCIRA)虽然在许多国家应用于检测蜂蜜中的蔗糖或玉米糖已有 10 多年时间,但它不能检测出掺入甜菜转化糖的蜂蜜, 而 FTIR 能快速、 无损获取样品的生物化学指纹,从而方 便的用于掺假产品的检测。 （3）S Sivakesa va 等 以 0 5%的递增量至 25% ,向菊花蜜、 三叶草蜜、 荞麦蜜中分别掺入不同重量的甜菜转化糖, 各自所得的 50 个样品中, 34 个用于建立校正模型, 剩余 16 个作为验证集。光谱分析前, 将蜜样放于 50 恒温水浴中以便蔗糖晶体溶化,然后混匀样品, 室温下进行 FTIR 分析。混合物用全反射 FTIR 进行扫描,选取 1500 900cm 1 处的光谱,用PLS、回归建立校正模型,模型相关系数 R 0 9, 用此模型对验证集样品进行验证, 三种蜂蜜的预测值和实际值间的相关系数分别为 0 946, 0 964 和 0 956, 预测值准差 SEP 在 2 1% 4 4%; 此外, S Sivakesava 等还用 PCA、 LDA 和经典方差分析( CVA)检测了蜜样中甜菜转化糖的水平, 以 CVA 法所得结果最好,准确率达 94%, 分析时间 3 4min。 （4） 张耀武 等论述利用红外光谱对涂有和掺有矿物的大米进行定性鉴别的方法和测试步骤; 实际分析中具有用量小、 准确度高的特点, 该法适用于对大米、 饼干、 瓜子和食用油中是否掺加工业矿物油的鉴定。 2 7 测定食品中蛋白质含量 目前国际上测定食品中蛋白质含量普遍采用凯氏定氮法，该方法虽然方便快捷，但容易给不法分子有机可乘， 如添加三聚氰胺等物质提高氮含量采用近红外光谱技术， 可以预先建立某食品中蛋白质的标准分析模型， 将待测食品与标准分析模型进行比较， 便可得知其蛋白质含量是否符合标准 李慧用傅立叶变换近红外光谱技术，建立了腐乳中总酸 蛋白质和水分的分析模型 测定 32 份腐乳的近红外光谱数据， 得到原始光谱信息 通过光谱预处理方法消除原始光谱噪声，最后采用偏最小二乘法建立回归方程 最终得到总酸 蛋白质和水分近红外光谱分析模型，用 11 个样品作为检验值， 表明建立的模型检测结果很好， 能满足腐乳中总酸蛋白质和水分的检测精度要求 李璐使用傅里叶变换红外光谱法，对 3 个不同厂商生产的牛奶巧克力进行检测，根据其蛋白质特征峰的出峰强度不同， 可以快速检测巧克力中蛋白质含量。