紅外光譜技術(shù)及其在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

◎ 曾鳳仙，周道志

（湛江國(guó)聯(lián)水產(chǎn)開(kāi)發(fā)股份有限公司，廣東 湛江 524022）

食品安全問(wèn)題不斷突顯，這引起了社會(huì)各界的關(guān)注，同時(shí)對(duì)于食品檢測(cè)也提出了更高的要求。相關(guān)部門就需要與檢測(cè)的實(shí)際情況結(jié)合起來(lái)，引進(jìn)先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，如紅外光譜技術(shù)就可以在很大程度上解決食品安全問(wèn)題。

1 紅外光譜技術(shù)的原理及分類

1.1 原理

當(dāng)連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光通過(guò)物質(zhì)，其物質(zhì)分子中的某一個(gè)基團(tuán)振動(dòng)頻率或者是轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與紅外光頻率能夠保持一致，其分子就吸收能量，從原本的基態(tài)振動(dòng)能級(jí)躍遷到能量較高的振動(dòng)能級(jí)，分子吸收紅外輻射后發(fā)生振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，該處波長(zhǎng)的光就被物質(zhì)吸收。因此，紅外光譜法實(shí)際上就是按照分子內(nèi)部原子之間的相對(duì)振動(dòng)以及分子轉(zhuǎn)動(dòng)等對(duì)應(yīng)的信息，從而對(duì)分子結(jié)構(gòu)加以確定，對(duì)化合物進(jìn)行鑒別分析的一種方法[1]。

1.2 分類

紅外光譜技術(shù)包含遠(yuǎn)紅外光譜技術(shù)、近紅外光譜技術(shù)、傅里葉變換紅外光譜技術(shù)等。其中，遠(yuǎn)紅外光譜技術(shù)是利用遠(yuǎn)紅外區(qū)物體吸收光譜，該區(qū)域光源能量偏弱，吸收譜帶以純轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷、液體里重原子伸縮振動(dòng)為主，通常不會(huì)對(duì)遠(yuǎn)紅外廣譜區(qū)開(kāi)展定量分析工作；近紅外光譜技術(shù)具備四種形式的能量，分別是平動(dòng)能與振動(dòng)能、轉(zhuǎn)運(yùn)能、電子能。近紅外倍頻與合頻吸收比中紅外更弱一些，由于背景較為復(fù)雜，很容易發(fā)生譜峰重疊的問(wèn)題，要利用化學(xué)計(jì)量獲取有效信息。傅里葉變換紅外光譜技術(shù)，其光譜技術(shù)是快速的，無(wú)損食品分析的檢測(cè)技術(shù)，主要是利用化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法來(lái)相互結(jié)合，從而做出定量與定性分析。

2 紅外光譜技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

在食品檢測(cè)中，紅外光譜技術(shù)能滿足檢測(cè)不同物質(zhì)的需求，這樣的檢測(cè)方式能保證極高的效率與準(zhǔn)確率。通過(guò)紅外光譜技術(shù)，不需要操作人員掌握多么高的操作技術(shù)就可以熟練使用。與其他的食品檢測(cè)方法相比，紅外光譜技術(shù)檢測(cè)食品基本沒(méi)有污染，能更好地滿足保護(hù)環(huán)境的現(xiàn)實(shí)需要。另外，通過(guò)紅外光譜技術(shù)來(lái)檢測(cè)食品，可以確保食品的完整性，并且還不會(huì)破壞食品本身的結(jié)構(gòu)，從而可以提升食品安全檢測(cè)工作的質(zhì)量。

2.2 缺點(diǎn)

利用紅外光譜技術(shù)檢測(cè)食品時(shí)，要基于光譜圖將檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)，這就對(duì)工作人員提出了比較嚴(yán)格的專業(yè)技術(shù)要求。與此同時(shí)，利用紅外光譜技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，還需要重點(diǎn)分析其靈敏度問(wèn)題。此外，針對(duì)紅外光譜技術(shù)來(lái)檢測(cè)食品安全，不會(huì)受到外界的影響與干擾，確保了檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。

3 紅外光譜技術(shù)在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 近紅外光譜技術(shù)

近紅外光譜技術(shù)可用于不同食品的檢測(cè)，如是否在純牛奶里面摻加還原奶，通過(guò)建立模型就能形成鑒別還原奶的模型，正確率為90%～100%。針對(duì)原料奶酸度以及pH值構(gòu)建最小二乘法定量模型來(lái)校正，兩種預(yù)測(cè)值之間的平均誤差低于0.5%。通過(guò)多元散射校正作為主要的處理方式，再與偏最小二乘法建立牛奶之中氯霉素殘留定量分析的校正模型，利用縮減模型，可預(yù)測(cè)樣品之中的氯霉素含量。PLS是對(duì)紅外漫反射光譜重疊進(jìn)行分析的重要信息，能科學(xué)合理地規(guī)避各種各樣的干擾因素。基于以上實(shí)驗(yàn)，能構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)。并且，在這一個(gè)系統(tǒng)之中，基于600～1050 nm獲取非均脂牛奶的近紅外光譜，就可以對(duì)牛奶中乳糖、脂肪及蛋白質(zhì)等成分加以檢測(cè)。

3.2 定量檢測(cè)

定量檢測(cè)用于解析油脂類食品，通過(guò)使用碘的量判斷油脂脂肪酸的不飽和程度，酸值則利用油脂的酸敗度進(jìn)行判斷，過(guò)氧化值利用氧化度來(lái)分析，不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸可以直接利用食用油的品質(zhì)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，據(jù)此可以對(duì)食用油的優(yōu)劣進(jìn)行判定。如果利用常規(guī)的試驗(yàn)方法來(lái)對(duì)數(shù)值進(jìn)行測(cè)定，不但會(huì)增加化學(xué)試劑的使用量，同時(shí)還會(huì)浪費(fèi)樣品，無(wú)法確定測(cè)定的具體時(shí)間，要投入大量的人力和物力。然而，利用紅外光譜技術(shù)、化學(xué)計(jì)量學(xué)，就能形成校正模型，檢測(cè)油脂脂肪酸與過(guò)氧化值等，達(dá)到檢測(cè)和鑒別食品的目的。

3.3 定性鑒別

FITR檢測(cè)技術(shù)能用于檢測(cè)黑木耳、黑牛肝菌、銀耳等菌類食品，只是光譜反映效果有區(qū)別。對(duì)于紅外光譜技術(shù)，分析譜峰數(shù)據(jù)，黑木耳和銀耳譜峰較為接近，它們和黑牛肝菌比起來(lái)還存在一定的差異。通過(guò)對(duì)吸收強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析，就可以直接區(qū)分出銀耳與黑木耳。通過(guò)紅外線指紋圖譜技術(shù)結(jié)合成分分析法對(duì)山藥進(jìn)行檢測(cè)，就可以區(qū)分山藥的種類。通過(guò)聚類分析的方法，可以形成二線線性投影圖，這樣就可以使其鑒別更加直觀。通過(guò)FTIR方法來(lái)對(duì)小麥品種根部進(jìn)行紅外光譜分析，也能清楚了解不同小麥品種紅外光譜圖存在較大的差異，這一種方法在小麥類的食品檢測(cè)之中應(yīng)用較為廣泛[3]。

4 近紅外光譜技術(shù)在嬰幼兒食品檢測(cè)中的應(yīng)用

在對(duì)食品檢測(cè)之中紅外光譜技術(shù)的原理、種類與應(yīng)用進(jìn)行分析之后，針對(duì)嬰幼兒食品檢測(cè)，利用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行具體的應(yīng)用分析。

4.1 在奶粉檢測(cè)中的應(yīng)用

奶粉理化指標(biāo)包含了水分、蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖等，并且還有少量的鈣、鐵、鋅等礦物質(zhì)，這些指標(biāo)決定了奶粉的品質(zhì)與級(jí)別，直接關(guān)系嬰幼兒的生長(zhǎng)發(fā)育。所以，對(duì)于奶粉之中的指標(biāo)成分進(jìn)行檢測(cè)，并且鑒別奶粉摻假具有重要的意義。通過(guò)近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)，可以直接建立鑒別市場(chǎng)銷售奶粉是否摻假行為的模型。如果摻加物含量超過(guò)1%，建立的模型的預(yù)測(cè)及判別率達(dá)到100%。利用傅里葉近紅外光譜技術(shù)，先建立嬰幼兒奶粉脂肪酸含量的近紅外模型，接著通過(guò)外部檢驗(yàn)、交互驗(yàn)證，就可以分析模型本身的可靠性，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，近紅外模型擁有良好的預(yù)測(cè)能力，因此逐漸成為嬰幼兒配方奶粉之中脂肪酸快速篩查的一種有效方法。通過(guò)近紅外光譜技術(shù)結(jié)合混合變量選擇方法，從而對(duì)奶粉之中的鐵鋅含量加以預(yù)測(cè)，通過(guò)連續(xù)投影算法、無(wú)信息變量消除法等方式來(lái)選擇波長(zhǎng)變量，再結(jié)合偏最小二乘支持向量機(jī)法，就可以建立出鐵與鋅的近紅外光譜定量模型。結(jié)果顯示，運(yùn)用UVE-SPA選擇變量之后，再使用LS-SVM就可以對(duì)奶粉鋅含量加以預(yù)測(cè)；通過(guò)運(yùn)用UVE選擇變量，也可以通過(guò)LS-SVM建模來(lái)預(yù)測(cè)奶粉之中的鐵含量。

4.2 在米粉檢測(cè)中的應(yīng)用

米粉，作為嬰幼兒食品的一類，其食用量較大。商家為了延長(zhǎng)米粉的保質(zhì)期，一般會(huì)進(jìn)行輻照滅菌處理，雖然隨著輻射劑量的增多，滅菌的效果會(huì)進(jìn)一步提升，但過(guò)量的輻射劑量會(huì)影響食品的品質(zhì)，從而影響米粉的安全性。因此，國(guó)家也直接規(guī)定嬰幼兒的食品不能使用輻射來(lái)進(jìn)行處理。所以，對(duì)于嬰幼兒米粉之中輻射劑量進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于確保嬰幼兒米粉安全有重要的意義。近紅外光譜技術(shù)憑借其高效準(zhǔn)確、快速及無(wú)損樣品等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用到米粉輻射劑量分析中。另外，基于可見(jiàn)-近紅外光譜技術(shù)的無(wú)損檢測(cè)、快速檢測(cè)，利用主成分分析法來(lái)進(jìn)行聚類分析，就可以建立不同米粉樣品的定性分析模型，滿足不同劑量輻照處理的米粉快速鑒定，進(jìn)而對(duì)米粉類產(chǎn)品是否經(jīng)過(guò)輻照滅菌或者是實(shí)際的處理劑量進(jìn)行檢測(cè)[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)紅外光譜技術(shù)來(lái)對(duì)食品的安全性進(jìn)行檢測(cè)，能夠提升食品安全檢測(cè)質(zhì)量其準(zhǔn)確率。但是，在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域，紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用還沒(méi)有達(dá)到極致，只有通過(guò)更進(jìn)一步的研究，才能夠提供強(qiáng)大的支持，更好地輔助食品安全質(zhì)量檢測(cè)工作的持續(xù)開(kāi)展。