基于光譜技術(shù)食藥用菌質(zhì)量控制的研究進(jìn)展

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(1.浙江工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程系,浙江杭州 310014; 2.杭州食品藥品檢測研究院,浙江杭州 310022; 3.湖州出入境檢驗(yàn)檢疫局綜合技術(shù)服務(wù)中心,浙江湖州 313000)

食藥用菌富含糖類、蛋白質(zhì)、多肽類、核酸、維生素及礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)[1-2],具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗菌、抗病毒、降血壓、降血糖等功能[3-4]。隨著人們生活水平的提高,人們越來越注重生活品質(zhì)和飲食健康,食藥用菌因其獨(dú)特的營養(yǎng)價(jià)值和醫(yī)療功效備受青睞。食藥用菌由于產(chǎn)地環(huán)境,菌種,基質(zhì)及加工過程的不同,造成其質(zhì)量參差不齊,因此需要對其進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)管。傳統(tǒng)的食藥用菌分析主要采用化學(xué)試劑結(jié)合常規(guī)的分析儀器,如高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)等。這些化學(xué)分析方法應(yīng)用于食藥用菌分析主要存在以下幾個(gè)問題:對原料造成一定的損耗;環(huán)境污染,分析成本昂貴,檢測耗費(fèi)時(shí)間長,無法實(shí)現(xiàn)多重有效成分同時(shí)分析。因此食藥用菌質(zhì)量監(jiān)管亟需快速、準(zhǔn)確的評價(jià)方法為其提供技術(shù)支持。

光譜技術(shù)是根據(jù)物質(zhì)的光譜來鑒別物質(zhì)及確定其化學(xué)組成和相對含量的方法[5],具有快速無損、高靈敏度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于各種食品的分析領(lǐng)域,如高亞文等[6]對光譜技術(shù)在水產(chǎn)品鮮度評價(jià)的應(yīng)用進(jìn)行綜述,張菊華等[7]綜述了光譜技術(shù)在食用油脂分析中的研究進(jìn)展。目前已有學(xué)者對紅外光譜技術(shù)在食用菌研究中的應(yīng)用進(jìn)行綜述[8],但是對于拉曼光譜、熒光光譜等其他光譜技術(shù)并未涉及,本文對紅外光譜、拉曼光譜、熒光光譜等光譜技術(shù)在食藥用菌研究方面的國內(nèi)外現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)展方面展開綜述,以期為食藥用菌的深入研究和資源的合理開發(fā)利用提供參考。

1 光譜技術(shù)在食藥用菌中的應(yīng)用

1.1 紅外光譜

紅外光譜技術(shù)是利用紅外光在不同樣本中發(fā)生吸收、反射、漫反射和透射等物理現(xiàn)象,結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法來反映不同樣品之間的差異,按照波長不同分為近紅外(0.75～2.5 μm)、中紅外(2.5～25 μm)和遠(yuǎn)紅外(25～300 μm)光譜。

近紅外光譜分析技術(shù)現(xiàn)階段已相對成熟,已廣泛應(yīng)用于食藥用菌的各個(gè)領(lǐng)域,特別是結(jié)合不同的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法,可以針對食藥用菌的不同品質(zhì)問題進(jìn)行檢測,一般分為產(chǎn)品品質(zhì)檢測、摻假檢測、植物源鑒別檢測、產(chǎn)地檢測,如Haiyan Fu,Qiaobo Yin等[9]利用近紅外光譜技術(shù),對25組不同的靈芝樣本,建立不同的樣本模型,從而鑒別出摻假樣本以及溯源地。與近紅外光譜相比,中紅外光譜主要反映分子振動(dòng)的基頻吸收,不同分子之間的吸收相對獨(dú)立,較容易提取待分析物的吸收信息,中紅外光譜現(xiàn)已被應(yīng)用于食藥用菌植物源鑒別檢測、產(chǎn)地檢測和摻假檢測,如Choong等[10]采用中紅外光譜技術(shù)對虎乳靈芝、茯苓、豬苓、側(cè)耳和雷丸五種藥用真菌進(jìn)行分析鑒別,通過二階導(dǎo)數(shù)光譜放大,將重疊的峰解析成更清晰的信號,觀察到五個(gè)樣本之間的顯著差異,整個(gè)過程有效、直接,可以用于真菌菌種的鑒別。紅外光譜在食藥用菌檢測中的應(yīng)用詳見表1。

表1 紅外光譜在食藥用菌檢測中的應(yīng)用Table 1 Application of Infrared Spectroscopy in the detection of edible and medicinal mushrooms

紅外光譜具有整體指紋性的特點(diǎn),能夠全面映射出復(fù)雜的化學(xué)體系,在食藥用菌質(zhì)量控制中具有無損鑒別、全組分分析的優(yōu)點(diǎn),是一種非常有潛力的質(zhì)量控制和鑒別手段。但是紅外光譜技術(shù)依然存在一些問題,如有效信息提取率低,易受環(huán)境因素影響,模型通用性差,痕量分析誤差大等。在未來,隨著紅外光譜及相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,在食藥用菌研究領(lǐng)域會(huì)有更廣闊的前景,對其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用。

1.2 紫外光譜

紫外光譜的波長范圍為10～380 nm,是目前應(yīng)用最廣泛的測定分子結(jié)構(gòu)的方法之一,是依據(jù)不同物質(zhì)所含成分的不飽和程度不同,因而其紫外吸收曲線的形態(tài)、峰位、峰強(qiáng)度也不同,以此來達(dá)到鑒別的目的,具有快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),可以用于鑒別不同的物質(zhì)體系[25]。

目前已有學(xué)者利用紫外光譜技術(shù)結(jié)合不同的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法檢測食藥用菌。李濤等[26]采用紫外光譜技術(shù),結(jié)合夾角余弦、歐氏距離和主成分分析等分析方法用于不同產(chǎn)地、種類牛肝菌的快速鑒別和質(zhì)量控制。楊天偉等[27]采用紫外指紋圖譜技術(shù),結(jié)合歐氏距離和主成分分析法對云南9個(gè)不同地區(qū)絨柄牛肝菌進(jìn)行鑒別,結(jié)果表明,9個(gè)不同產(chǎn)地的絨柄牛肝菌紫外指紋圖譜相似,但是紫外圖譜的峰強(qiáng)、峰位等存在一定的差異,原因是絨柄牛肝菌的主要化學(xué)組分相似,但含量不同。因此,紫外光譜技術(shù)結(jié)合歐氏距離和主成分分析法能夠鑒別不同產(chǎn)地絨柄牛肝菌,為野生食用菌的產(chǎn)地鑒別和質(zhì)量控制提供參考。

目前,應(yīng)用紫外光譜技術(shù)檢測食藥用菌的品質(zhì)已取得一定成效,但是還無法實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜樣品的準(zhǔn)確分析,因此仍處于探索研究發(fā)展階段。

1.3 拉曼光譜

拉曼光譜作為一種分子光譜,具有快速響應(yīng)、高特異性等優(yōu)點(diǎn),另外,由于其只需要很少的樣品量且對樣品的損傷極小[28],使得該方法非常適合生物樣品的研究。實(shí)際上,這些特征對于這類研究很重要,因?yàn)樯飿悠吠ǔ１容^復(fù)雜,含有水分組成,并且組成會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。先前對微生物的振動(dòng)光譜研究表明該技術(shù)能夠分析、檢測和表征微生物[29-31]。

隨著20世紀(jì)70年代和80年代拉曼儀器的改進(jìn)[32],使得拉曼光譜可以用于真菌分析。Kris等[33]采用拉曼光譜分析乳菇孢子的組成,不同物質(zhì)在拉曼帶中的位置不同,通過分析得到拉曼譜圖,他們指出,乳菇孢子中脂質(zhì)的含量很高,主要的脂肪酸是油酸,除了不同類型的脂質(zhì)之外,還檢測到了甲殼質(zhì)和支鏈淀粉,海藻糖由于譜帶位置的重疊,不能清晰地分辨出來。由此可見,拉曼光譜可以用于分析食用菌的組成。賴鈞灼等[34]采用光鑷?yán)庾V分析單個(gè)金福菇孢子的組成,結(jié)果表明,其拉曼光譜圖基本能呈現(xiàn)金福菇孢子所含物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)信息,其主要成分為脂類物質(zhì)。這就為采用光鑷?yán)庾V技術(shù)研究食用菌孢子萌發(fā)機(jī)理提供了一個(gè)新的思路。王桂文等[35]采用拉曼鑷子技術(shù)分析單個(gè)紅菇擔(dān)孢子的組成,以及不同儲(chǔ)存方式對擔(dān)孢子組成的影響,結(jié)果表明,紅菇擔(dān)孢子孢內(nèi)主要成分是脂類物質(zhì),且孢子經(jīng)過多年儲(chǔ)存,其胞內(nèi)的主要成分不變,但是這種方法對于紅菇屬內(nèi)不同種類的孢子無法加以區(qū)分。拉曼光譜在食藥用菌檢測中的應(yīng)用詳見表2。

表2 拉曼光譜在食藥用菌檢測中的應(yīng)用Table 2 Application of Raman Spectra in the detection of edible and medicinal mushrooms

拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于食藥用菌品質(zhì)安全檢測具有快速、簡單、無損和直接檢測樣品等優(yōu)點(diǎn),和其他各項(xiàng)無損檢測技術(shù)一起推動(dòng)了食藥用菌產(chǎn)品無損檢測的發(fā)展。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中測量的準(zhǔn)確度、精密度和重復(fù)性都有待進(jìn)一步提高。

1.4 原子光譜

原子光譜分析通常是指根據(jù)氣態(tài)自由原子所產(chǎn)生的發(fā)射、吸收及熒光信號進(jìn)行元素分析的一類儀器分析方法,被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)無機(jī)元素分析。近兩年多來,原子光譜分析的研究與應(yīng)用仍以原子發(fā)射光譜法(AES)為主,原子吸收光譜法(AAS)次之,其中,以電感耦合等離子體(ICP)為光源的ICP-AES應(yīng)用最為廣泛[38]。原子光譜技術(shù)在食藥用菌檢測中的應(yīng)用詳見表3。

表3 原子光譜在食藥用菌檢測中的應(yīng)用Table 3 Application of Atomic Spectroscopy in the detection of edible and medicinal mushrooms

原子吸收光譜法主要是指通過氣態(tài)原子對一定波長的光輻射進(jìn)行吸收,以此來使原子外層的電子從基態(tài)變化為激發(fā)態(tài),從而能夠有效檢測出樣品中的物質(zhì)。原子吸收光譜具有檢測速度快、精確度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能夠有效地對樣品中的微量元素進(jìn)行分析,近年來被廣泛用于食藥用菌中重金屬的檢測。但是原子吸收光譜也存在著一定的不足,如實(shí)驗(yàn)結(jié)果容易受預(yù)處理手段的影響。為了可以更準(zhǔn)確和快速地測定樣品中的金屬元素,原子吸收光譜可以與其他檢測手段聯(lián)用,比如高效液相色譜、氣相色譜、毛細(xì)管電泳等。

原子熒光光譜作為痕量和超痕量元素分析中最有效、最重要的方法之一[39],已被廣泛應(yīng)用于食品、環(huán)境、水產(chǎn)品等樣品中的元素形態(tài)分析。應(yīng)用原子熒光光譜法能夠?qū)κ乘幱镁猩椤⒐?、硒和銻等金屬元素進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測定。但是,由于食藥用菌中金屬元素含量較低,金屬形態(tài)也不盡相同,因此還需進(jìn)一步提高檢測靈敏度和方法的重現(xiàn)性。

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜是一種用等離子體餡產(chǎn)生的高溫激發(fā)光源作為原子發(fā)射光譜的激發(fā)光源的一種儀器分析方法,目前廣泛用于多元素痕量分析中。齊景凱等[40]采用微波消解-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜測定白玉菇、香菇、雙孢蘑菇、金針菇和糙皮側(cè)耳中砷、汞、鎘、鉛、錫、鈷、鉬、硒、鎂、鈣、鉀、磷、鐵、鋅、鈉、錳、銅、鋁、鋇和鈦20種元素的含量。結(jié)果表明,各元素的平均回收率在95.58%～105.65%之間,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.84%～4.13%,檢出限為0.015～10.20 μg/L。該方法快速、簡便、準(zhǔn)確,適用于食藥用菌中多種元素的同時(shí)測定。

1.5 高光譜技術(shù)(HSI)

高光譜技術(shù)是一種新型的分析檢測技術(shù),借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)將光譜技術(shù)和圖像技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起,可以同時(shí)測得樣品的空間信息和光譜信息,具有波段多、分辨率高和圖譜合一的特點(diǎn)。它不僅能像可見-近紅外光譜技術(shù)一樣能夠檢測物質(zhì)成分,而且它還具備機(jī)器視覺技術(shù)的功能。由此,高光譜技術(shù)可以通過分析圖像信息和光譜信息,進(jìn)而來檢測待檢測樣品的內(nèi)部成分含量、空間分布等信息[49]。這項(xiàng)技術(shù)最初是為遙感開發(fā)的,但后來在不同領(lǐng)域如天文學(xué)、制藥、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。

目前隨著高光譜技術(shù)的不斷發(fā)展,利用該技術(shù)對食藥用菌的檢測日趨成熟。Gowen等[50]使用推掃式線掃描高光譜儀在400～1000 nm的波長范圍內(nèi)獲得蘑菇樣品的高光譜圖像。從蘑菇表面的各個(gè)位置獲得來自每個(gè)蘑菇樣品的反射光譜,并使用標(biāo)準(zhǔn)正常變異(SNV)轉(zhuǎn)化進(jìn)行預(yù)處理。在儲(chǔ)存期間測量蘑菇樣品的重量損失(WL)和亨特左值(L)。結(jié)果表明,在解凍初期,冷凍樣品在外觀上相似,WL和L值與未受損害的蘑菇相似,而凍融24 h后冷凍損傷的蘑菇中WL和L值變化明顯。結(jié)合主成分分析和線性判別分析,對新鮮蘑菇和凍結(jié)損傷蘑菇的分類正確率分別為100%和97.9%。因此,使用這種方法,可以以高準(zhǔn)確度(>95%正確分類)對冷凍損壞的蘑菇在解凍45分鐘后(23±2 ℃)進(jìn)行分類,并且凍融破壞不明顯。Taghizadeh等[51]使用高光譜成像技術(shù)對不同聚合物薄膜包裝的蘑菇的保質(zhì)期進(jìn)行研究,結(jié)果表明,孔徑為1 mm的PET薄膜更有利于蘑菇的保鮮。本研究表明HSI可用于蘑菇品質(zhì)的快速評價(jià),從而促進(jìn)蘑菇無損包裝的發(fā)展,以延長蘑菇的保質(zhì)期。

綜上,基于高光譜技術(shù)對食藥用菌品質(zhì)進(jìn)行無損檢測是可行的,但高光譜數(shù)據(jù)因其波段數(shù)眾多,數(shù)據(jù)量大,建模的計(jì)算工作量繁瑣,直接影響建模的速度;光譜間存在強(qiáng)相關(guān)性,冗余信息多,影響建模的精度和穩(wěn)定性。因此,對高光譜技術(shù)的光譜預(yù)處理、建模、特征波長選擇等數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行探索性研究是十分必要的,在實(shí)際工作中,可以通過選擇適合的光譜預(yù)處理、建模(定性和定量)方法以提高預(yù)測精度;選擇適合的特征波長提取算法以提高檢測速度和精度。

2 結(jié)論與展望

光譜技術(shù)在食藥用菌質(zhì)量檢測和安全評定方面,體現(xiàn)出巨大潛在的價(jià)值。與此同時(shí),存在的問題和不足也慢慢顯現(xiàn),如近紅外光譜技術(shù)對食藥用菌的分析結(jié)果易受外界因素的影響,進(jìn)而其準(zhǔn)確性也有所不足。拉曼光譜技術(shù)數(shù)據(jù)庫的建立和熒光干擾方面有所欠缺,需進(jìn)一步研究才能進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段。近紅外光譜、拉曼光譜、熒光光譜等光譜技術(shù)目前在食藥用菌檢測中發(fā)展迅速,檢測方向從外部品質(zhì)檢測發(fā)展為內(nèi)外部品質(zhì)同時(shí)檢測、從靜態(tài)檢測發(fā)展為動(dòng)態(tài)檢測。

從發(fā)展前景來看,今后光譜技術(shù)應(yīng)用于食藥用菌檢測的研究重點(diǎn)在于以下兩個(gè)方面:一方面,將光譜技術(shù)與其他新技術(shù)有機(jī)融合,實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)檢測。另一方面,不斷完善食藥用菌檢測方法,深入研究提高食藥用菌檢測精度,開發(fā)出相應(yīng)生產(chǎn)線的在線檢測設(shè)備?；诠庾V技術(shù)自身的優(yōu)點(diǎn),其作為一種品質(zhì)評價(jià)的客觀手段在食藥用菌行業(yè)中必將得到實(shí)現(xiàn)和拓展。