光譜和光譜成像技術(shù)在食品檢測(cè)中的應(yīng)用分析

徐穎

摘 要：在農(nóng)畜產(chǎn)品、果蔬食品等各類食品檢測(cè)方面，應(yīng)用光譜分析技術(shù)可以取得理想成效?；诖耍瑢?duì)光譜和光譜成像技術(shù)展開了分析，探究了近紅外光譜、高光譜成像等不同光譜技術(shù)在食品檢測(cè)中的應(yīng)用情況，進(jìn)一步把握技術(shù)應(yīng)用簡便、準(zhǔn)確率高等優(yōu)勢(shì)，希望能夠推動(dòng)食品檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：光譜分析;光譜成像技術(shù);食品檢測(cè)

隨著物質(zhì)生活水平的提升，人們廣泛關(guān)注食品安全問題。而按照傳統(tǒng)的食品檢測(cè)流程，需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中采取各種檢測(cè)技術(shù)手段，處理流程煩瑣，需要耗費(fèi)較長時(shí)間，成本較高，給食品安全管理帶來了困難。光譜和光譜成像技術(shù)的出現(xiàn)，能夠做到快速完成食品無損檢測(cè)，逐步發(fā)展為主要的應(yīng)用技術(shù)。

1 光譜和光譜成像技術(shù)

隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，光譜檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠利用不同波段開展檢測(cè)工作，并通過獲取圖像信息和提取特征信息建立定量關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)快速、無損、高效、低成本的檢測(cè)。現(xiàn)階段，常用的光譜和光譜成像技術(shù)包含多種，如近紅外光譜技術(shù)、高光譜成像技術(shù)、熒光光譜技術(shù)、拉曼光譜技術(shù)等，采取的技術(shù)手段存在一定差異，也擁有各自的特點(diǎn)，如表1所示。根據(jù)不同的檢測(cè)需求，選取適合的光譜技術(shù)。

2 食品檢測(cè)中的光譜分析技術(shù)應(yīng)用

2.1 近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用

作為常見光譜技術(shù)，近紅外光實(shí)際為電磁波，可用于物質(zhì)定量分析和結(jié)構(gòu)加工處理，在不同結(jié)構(gòu)物質(zhì)中呈現(xiàn)不同傳播特性。對(duì)食品進(jìn)行檢測(cè)，可以根據(jù)特點(diǎn)函數(shù)關(guān)系對(duì)樣本結(jié)構(gòu)和特性展開定性和定量分析，根據(jù)性質(zhì)變化區(qū)分不同組分，生成光譜模型[1]。通過與已知光譜比較，能夠完成模型校正，獲得食品檢測(cè)數(shù)據(jù)。憑借良好傳導(dǎo)性，近紅外光譜可用于食品生產(chǎn)過程中開展多通道檢測(cè)，加強(qiáng)各節(jié)點(diǎn)的食品質(zhì)量把控，不會(huì)給食品物質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來傷害。無需預(yù)處理，可以提高檢測(cè)效率，同時(shí)設(shè)備維護(hù)成本和能耗均較低，不會(huì)給周圍環(huán)境帶來影響，屬于綠色檢測(cè)技術(shù)，符合食品綠色生產(chǎn)加工要求[1]。

在食品檢測(cè)領(lǐng)域，該技術(shù)多用于酒類、釀造類食品檢測(cè)。如檢測(cè)酒類食品中的乙醇、苯酚等含量，能夠?qū)ψ罴厌勗鞎r(shí)間進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)。在啤酒產(chǎn)品檢測(cè)中，可以測(cè)定還原糖、乙醇等物質(zhì)含量，確認(rèn)能否達(dá)到食品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。食用醋成分較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，完成復(fù)雜檢測(cè)步驟，但應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)能夠快速完成還原糖、總氨等成分測(cè)定。此外，該技術(shù)也可以用于乳制品、肉制品的檢測(cè)。如檢測(cè)牛乳制品，可以利用鑒別模型對(duì)食品中的營養(yǎng)含量進(jìn)行評(píng)估，并確定還原奶含量，完成食品摻假鑒別。對(duì)牛肉等肉制品進(jìn)行檢測(cè)，可以通過光譜分析獲得物質(zhì)含量數(shù)據(jù)，用于判斷食品嫩度、脂肪酸等情況，并完成藥物殘留超標(biāo)檢測(cè)，保證食品質(zhì)量。

但近紅外光譜技術(shù)容易受樣本所處環(huán)境和測(cè)定條件干擾，對(duì)多組分進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可能出現(xiàn)譜峰重疊情況。因?yàn)樵跈z測(cè)過程中，一個(gè)基因可能被多個(gè)波長吸收，導(dǎo)致測(cè)定精度與樣本性質(zhì)密切相關(guān)，最終造成檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度受到影響。因此用于食品檢測(cè)，還應(yīng)補(bǔ)充較多已知樣本光譜模型，有效提高檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性[2]。

2.2 高光譜成像技術(shù)應(yīng)用

高光譜成像技術(shù)擁有較高分辨率，成像清晰，可以保證獲得的數(shù)據(jù)精確可靠，最早用于地質(zhì)勘探。從原理上來看，將光譜探測(cè)與成像技術(shù)結(jié)合在一起，能夠同時(shí)獲取待測(cè)物光譜信息和空間圖像特征，達(dá)到對(duì)待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量分析的目標(biāo)[2]。①在食品檢測(cè)方面，能夠用于食品新鮮類、污染、水分等各方面檢測(cè)，為食品分級(jí)、分類管理提供支持。②在食品新鮮檢測(cè)上，應(yīng)用該技術(shù)可以對(duì)冷凍、冷藏處理的鱈魚等食品進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)肌紅蛋白和血紅蛋白的不同光譜表現(xiàn)獲得可靠的檢測(cè)效果，為食品品質(zhì)判定提供依據(jù)。③在果蔬類食品檢測(cè)上，可以對(duì)各種高光譜成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分辨，如用于芒果隱性損傷檢測(cè)，能夠達(dá)到97%以上的準(zhǔn)確度。④在食品污染監(jiān)測(cè)上，可以對(duì)雞肉、豬肉等各種肉類食品進(jìn)行在線檢驗(yàn)，確定假單胞菌等細(xì)菌數(shù)量，通過篩選有效波長展開分析獲得準(zhǔn)確結(jié)果，判斷食品細(xì)菌繁殖情況。⑤對(duì)谷物類食品開展檢測(cè)，不同于酶聯(lián)免疫吸附等傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)需要完成復(fù)雜檢測(cè)步驟，應(yīng)用高光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)降維分析，如在玉米真菌檢測(cè)方面可以使用最小顯著差檢驗(yàn)方法，可達(dá)到95%的置信水平。此外，應(yīng)用高光譜技術(shù)也能對(duì)肉類水分、pH等信息進(jìn)行檢測(cè)，如對(duì)牛羊肉中的蛋白質(zhì)、含水量等進(jìn)行檢驗(yàn)，反映食品質(zhì)量情況[3]。

作為綜合替代方法，高光譜成像可以獲得豐富待測(cè)樣品信息，并結(jié)合信息與參考值間的關(guān)系進(jìn)行科學(xué)分析，提供詳細(xì)成分、含量等數(shù)據(jù)，做到快速、精準(zhǔn)地生成食品檢測(cè)報(bào)告。憑借結(jié)果精準(zhǔn)、無損、覆蓋全面等優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)近年來在食品檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用日漸廣泛。

2.3 其他光譜技術(shù)的應(yīng)用

在食品檢測(cè)方面，也可以應(yīng)用熒光光譜技術(shù)，通過偏振光對(duì)熒光分子進(jìn)行激發(fā)，根據(jù)分子發(fā)射的波長和激光輻射波長進(jìn)行物質(zhì)檢測(cè)。如在肉類食品檢測(cè)上，可以利用該技術(shù)對(duì)雞肉等肉制品嫩度、彈性等實(shí)施檢測(cè)，并為肉色分級(jí)提供支持。418.3～478.9 nm等波段是特殊波段，可以使用偏最小二乘法建立模型，分析獲得鴨肉嫩度信息。對(duì)黃酒、葡萄酒等食品進(jìn)行檢測(cè)，可以根據(jù)三聚氰胺等人工合成添加劑的熒光光譜特性進(jìn)行檢測(cè)，在無損條件下準(zhǔn)確測(cè)定物質(zhì)含量。該方法的靈敏度較高，在有機(jī)化合物檢測(cè)上優(yōu)勢(shì)顯著，但目前在食品檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較少，尚未得到廣泛、深入研究[4]。

采用拉曼光譜技術(shù)對(duì)果蔬類食品的胡蘿卜素等營養(yǎng)物質(zhì)含量進(jìn)行測(cè)量，無需預(yù)處理過程，能夠完成樣品的快速分析，具有較高的靈敏度。從相關(guān)研究來看，應(yīng)用該技術(shù)可以對(duì)果蔬類、谷物類食品的農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測(cè)，如采用主成分回歸分析、多元線性分析等方法可以對(duì)氧樂果含量進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)臍橙等水果表面混合農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測(cè)，主要能夠完成定性分析。在定量分析方面，需要建立預(yù)測(cè)模型進(jìn)行空間分布可視化處理，要求建立較好的分析模型[5]。

在食品中蘇丹紅等添加劑檢測(cè)方面，太赫茲波譜技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)，頻率范圍在0.1～10 THz，能夠利用量化計(jì)算方法建立食品添加劑指紋譜數(shù)據(jù)庫，為相關(guān)物質(zhì)檢測(cè)提供依據(jù)。針對(duì)奶粉等食品進(jìn)行檢測(cè)，也可以對(duì)山梨酸鉀、苯甲酸等物質(zhì)進(jìn)行光譜探測(cè)，將獲得的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)域或頻域光譜進(jìn)行分析，根據(jù)不同物質(zhì)光譜特征進(jìn)行分辨。該技術(shù)具有透視性、安全性等特點(diǎn)，在食品安全領(lǐng)域擁有一定發(fā)展前景。

3 結(jié)語

開展食品檢測(cè)工作，需要根據(jù)不同檢測(cè)目的對(duì)不同組分、物質(zhì)等進(jìn)行檢測(cè)，而光譜成像技術(shù)可以提供多元化檢測(cè)手段，滿足不同檢測(cè)要求。在實(shí)踐工作中，可以根據(jù)食品加工質(zhì)量管控、分級(jí)分類檢測(cè)等不同需求選取適合的檢測(cè)技術(shù)，通過建立科學(xué)的模型獲得準(zhǔn)確檢測(cè)結(jié)果，充分體現(xiàn)光譜分析技術(shù)在食品檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[5]董泳江.光譜和光譜成像技術(shù)在食品檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.