拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品中的應(yīng)用

曾 榮，陳偉強(qiáng)，何殊妍，高夢蝶，梁藝沛，白永亮

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528200）

目前，化學(xué)分析廣泛用于生化成分的檢測，包括高效液相色譜、氣相色譜及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等[1-2]。這些方法不僅耗時，對樣品存在一定的破壞，且需要專業(yè)的技術(shù)人員來處理特殊的程序協(xié)議和儀器。此外，很難獲得樣品中特定物質(zhì)的空間分布。拉曼光譜是一種光學(xué)分析方法，可以在不破壞樣品的情況下對關(guān)鍵化合物進(jìn)行即時、無標(biāo)記的檢測和定量。拉曼光譜可簡化分析過程，減少樣品的分析時間。

近年來，隨著拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)和食品分析中的應(yīng)用越來越廣泛。具有不同官能團(tuán)的生物分子由于振動模式不同，在拉曼光譜中表現(xiàn)出不同的特征峰，因此拉曼光譜可以提供細(xì)胞、組織或生物流體的化學(xué)指紋圖譜[3]。拉曼光譜現(xiàn)在在農(nóng)產(chǎn)品上被廣泛用于提供與化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及對各種植物材料的半定量和定量分析[4]。在農(nóng)業(yè)方面，存在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量評估[5]、作物生長監(jiān)測[6]、品質(zhì)評價及食品安全控制等各種需求。同時，在農(nóng)產(chǎn)品成分分析、摻偽摻假和分類識別、農(nóng)藥殘留檢測等方面越來越廣泛，在預(yù)測和分析食用品質(zhì)、發(fā)酵過程監(jiān)控、植物疾病鑒定、感官屬性預(yù)測、新鮮度檢測等各方面均有較大的應(yīng)用價值。

1 拉曼光譜簡介

拉曼（Raman） 是一種光的散射效應(yīng)，入射光子改變分子中電子與核的分布，導(dǎo)致分子極化率發(fā)生改變，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩，從而發(fā)生非彈性光散射[7]。能夠在分子運(yùn)動中掌握分子結(jié)構(gòu)和特性，幾乎每一種物質(zhì)都有其獨(dú)特的拉曼指紋圖譜。因此，可進(jìn)行定性或定量分析。近年來，隨著光譜的發(fā)展，拓展出了一系列拉曼光譜檢測手段，如傅里葉變換拉曼光譜技術(shù)、表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）、顯微拉曼光譜技術(shù)、差分拉曼光譜、共振拉曼光譜分析技術(shù)等。

拉曼分析幾乎是以最少的樣品預(yù)處理或無需預(yù)處理，因此可以被認(rèn)為是一種環(huán)保無損的分析方法。與同樣來自分子振動模式的紅外光譜相比，拉曼光譜的測量不受水分子的影響，并能進(jìn)行拉曼光譜成像，以獲得某些成分的空間分布。拉曼光譜通過對生物樣品產(chǎn)生結(jié)構(gòu)指紋揭示幾乎所有的化學(xué)成分，包括核酸、碳水化合物、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等的特性，并將其光譜指紋與食品的營養(yǎng)價值、摻假或質(zhì)量等獨(dú)特性狀聯(lián)系起來。

2 拉曼光譜在農(nóng)產(chǎn)品檢測的應(yīng)用

2.1 微生物及有害物檢測

食品安全是一個重要的民生問題，食品種類繁多，而伴隨的各種污染物問題也層出不窮，因此探究快速、靈敏度高的檢測方法至關(guān)重要。任菲等人[8]采用擦拭法提取薏苡仁表面的黃曲霉毒素G1，建立了薏苡仁中黃曲霉毒素G1的動態(tài)表面增強(qiáng)拉曼光譜的快速檢測方法，該方法線性范圍為8～320 μg/kg 檢測良好，檢出限為5.5 μg/kg，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為11%，能滿足黃曲霉毒素G1的快速檢測要求。楊雪倩等人[9]用拉曼光譜法檢測玉米中玉米赤霉烯酮和黃曲霉毒素B1，對AFB1 和ZEN 分別選取了22 和36 個特征波長建立了BPNN 模型來進(jìn)行預(yù)測，該模型對AFB1 和ZEN 含量預(yù)測值的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差分別為0.986 9，0.098 7 和0.967 3，0.092 2。談銘等人[10]利用便攜式拉曼光譜儀對5 種陽性和陰性酒樣本中烏頭堿的含量進(jìn)行了檢測，檢測限可達(dá)到10 mg/kg。許明翥[11]采用了差分拉曼和表面增強(qiáng)技術(shù)相結(jié)合的方法對表皮葡萄球菌、鹽單胞菌和耐鹽芽孢桿菌進(jìn)行檢測，并得到相應(yīng)其指紋圖譜，三類菌種在728 cm-1處均有拉曼增強(qiáng)，2 種嗜鹽菌在955 cm-1處有共同的增強(qiáng)峰，耐鹽芽孢桿菌在1 521 cm-1的類胡蘿卜素有增強(qiáng)，鹽單胞菌在558 cm-1，1 401 cm-1處海藻糖和四氫嘧啶有增強(qiáng)，這可以作為判別二種菌的依據(jù)。

以上結(jié)果表明，拉曼光譜技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品中黃曲霉毒素G1的現(xiàn)場實(shí)時快速分析具有良好的應(yīng)用潛力，該技術(shù)能夠快速檢測糧食作物中真菌毒素，不同菌種和毒素的光譜差別明顯，可通過拉曼光譜特征峰進(jìn)行判別。

2.2 病蟲害檢測

冷小梅等人[12]用拉曼光譜技術(shù)檢測了水稻稻瘟病，與正常水稻莖稈相比，稻瘟病病菌侵染造成了水稻組織內(nèi)碳水化合物、蛋白質(zhì)、核酸等分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在7 個主要拉曼特征峰繪制的ROC 曲線下，面積（AUC） 最小為0.83，說明該方法診斷性較明顯，能為稻瘟病早期檢測提供參考依據(jù)。蘋果在貯藏和運(yùn)輸過程中容易受到擠壓和碰撞而造成機(jī)械損傷，尤其是早期輕微損傷，在外觀上與完好部位區(qū)別不大，肉眼很難識別，陳思雨等人[13]應(yīng)用拉曼光譜結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法基于線性和多項(xiàng)式核函數(shù)建立了對蘋果早期輕微損傷進(jìn)行快速識別的SVM 分類模型，模型準(zhǔn)確率可達(dá)到97.8%。郭志明等人[14]采集了蘋果表層組織不同侵染階段的拉曼光譜圖像，分別構(gòu)建了多糖、果膠和纖維素等主要成分分布的偽彩圖像，并建立了5 種優(yōu)勢腐敗菌侵染蘋果組織不同階段的判別模型，模型的校正集和預(yù)測集識別精度均達(dá)95%以上。

2.3 農(nóng)藥殘留

我國大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都會應(yīng)用化肥和農(nóng)藥，在保證農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化的同時，也會帶來一些農(nóng)藥殘留問題，農(nóng)藥殘留是影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[15]。拉曼光譜能夠快速、高效的識別不同農(nóng)藥分子，根據(jù)不同農(nóng)藥的拉曼指紋圖譜進(jìn)行定性定量分析。

在農(nóng)藥殘留檢測上，陳念念等人[16]建立了一種果蔬中多菌靈殘留的表面增強(qiáng)拉曼光譜快速定性測定方法，多菌靈的拉曼特征位于630±5 cm-1，728±5 cm-1，1 002±5 cm-1，1 224±5 cm-1，1 264±5 cm-1，1 316±5 cm-1，結(jié)合檢出概率模型（POD），確定出了多菌靈在柑橘、蘋果等水果中的檢出限為0.5 mg/kg，在辣椒等蔬菜中的檢出限為1.0 mg/kg。廉帥等人[17]通過785 nm 拉曼激光光源對聯(lián)苯菊酯進(jìn)行檢測，位于659 cm-1，948 cm-1，993 cm-1和1 292 cm-1處拉曼活性峰為鑒別聯(lián)苯菊酯的特征峰。朱曉宇等人[18]采用表明增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)分析了綠茶中甲萘威農(nóng)藥殘留，以1 557 cm-1處峰強(qiáng)度建立了甲萘威殘留濃度在0.28～5.56 mg/kg 范圍內(nèi)的定量分析，最低檢出濃度0.83 mg/kg，符合國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)1 mg/kg。劉燕德等人[19]用共聚焦顯微拉曼光譜儀對臍橙表面亞胺硫磷和毒死蜱混合農(nóng)藥使用偏最小二乘（PLS） 和主成分回歸（PCR） 建模算法結(jié)合不同的光譜預(yù)處理方法，建立了定量數(shù)學(xué)模型，對混合農(nóng)藥進(jìn)行定性與定量分析。

拉曼光譜方法對農(nóng)藥殘留的檢測，操作簡單、快速準(zhǔn)確，從樣品前處理到結(jié)果顯示僅需數(shù)分鐘就可完成。根據(jù)農(nóng)藥分子特征峰可進(jìn)行定性和定量分析。定量檢測線可達(dá)到國標(biāo)檢測要求，可應(yīng)用于果蔬中農(nóng)殘的現(xiàn)場快速檢測。

2.4 品質(zhì)鑒定和分類

拉曼光譜被認(rèn)為是監(jiān)測食品品質(zhì)和質(zhì)量的有效檢測技術(shù)。例如，可以研究蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)如酰胺I（1 650～1 680 cm-1）、酰胺II（1 262～1 313 cm-1） 區(qū)域，以及C-C 基團(tuán)（940～1 070 cm-1）、C-H 基團(tuán)（1 440～1 457 cm-1） 和氨基酸（640，850 cm-1） 的修飾，此外，拉曼光譜還被廣泛應(yīng)用于肉品感官特性、腐敗、pH 值的測定。譚航彬等人[20]采用拉曼光譜檢測了0～40 d 雞蛋蛋黃和蛋清的拉曼光譜并對光譜進(jìn)行預(yù)處理，通過主成分-線性判別（PCA-LDA） 和正交矯正的偏最小二乘-線性判別（OPLS-LDA） 分類模型，對雞蛋品質(zhì)進(jìn)行分類。PCA-LDA 模型對蛋黃和蛋清的品質(zhì)分類準(zhǔn)確率分別達(dá)到96.3%和96.7%，OPLS-LDA 模型對蛋黃和蛋清的品質(zhì)分類準(zhǔn)確率分別達(dá)到98.6%和99.2%。蘇東林等人[21]通過拉曼檢測蜂蜜中果糖、葡萄糖、蔗糖和麥芽糖含量，并對4 種糖分進(jìn)行了定量分析。綠原酸和蕓香苷的含量是煙草品質(zhì)的重要指標(biāo)，黃天雄等人[22]采集了120 個煙草溶液樣本的拉曼光譜，所建立的偏最小二乘法（PLS）多元校正模型可對煙草中多酚類化合物綠原酸和蕓香苷含量實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的預(yù)測。

這些研究表明，拉曼光譜對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測具有良好的應(yīng)用效果。拉曼系統(tǒng)已被開發(fā)用于肉類、煙草等農(nóng)副產(chǎn)品質(zhì)量和新鮮度等品質(zhì)的檢測，結(jié)合化學(xué)計量學(xué)分析在質(zhì)量監(jiān)測和分類模型中具有很高準(zhǔn)確率。

2.5 摻偽摻假

匡俊豪等人[23]以稻米油、玉米油和大豆油作為摻假樣品摻入山茶油中，并對樣品進(jìn)行拉曼光譜檢測，結(jié)合主成分分析-線性判別分析（PCA-LDA） 法能夠有效鑒別山茶油摻假，在山茶油三元摻假模型中，訓(xùn)練樣品的分類準(zhǔn)確率為99.2%，預(yù)測樣品的判別準(zhǔn)確率為96.8%。萬恒興等人[24]將玉米油、花生油、大豆油和葵花籽油摻入葡萄籽油中，按照不同體積比配置摻偽油樣224 個，建立了基于拉曼光譜的葡萄籽油摻偽快速定量檢測方法。使用SPXY 法按3∶1比例劃分校正集和預(yù)測集，對葡萄籽油摻偽能較好的進(jìn)行區(qū)分，不同分析方法的相對分析誤差（RPD）均大于4。

拉曼光譜結(jié)合化學(xué)計量學(xué)分析方法可以有效區(qū)分不同種類的植物油，快速定量檢測油中摻偽含量和摻雜物，建立的摻偽模型具有較高的預(yù)測精度。

2.6 中藥材鑒別和分析

近年來，采用拉曼光譜用于對中藥材產(chǎn)品的真?zhèn)舞b別和地域性分析比較多見。孫彩霞等人[25]對浙江省5 個浙貝母主產(chǎn)區(qū)不同生產(chǎn)基地的浙貝母拉曼圖譜進(jìn)行一階求導(dǎo)，并對樣品的特征拉曼峰進(jìn)行歸屬，初步判定在800～2 000 cm-1位移處的9 個特征峰作為鑒別浙貝母品質(zhì)、產(chǎn)地和溯源的手段。彭艷等人[26]采用拉曼光譜測試了河南、河北、廣西及安徽等地的部分山藥選片、飲片和麩炒山藥的拉曼圖譜，判別分析可明顯區(qū)別廣西和其他3 個產(chǎn)地的山藥；通過對照標(biāo)準(zhǔn)山藥藥材和可溶性淀粉拉曼圖譜，確定了478，866，941，1 460 cm-1處的峰為山藥片的特征峰，并驗(yàn)證了山藥根莖部的主要成分是淀粉，麩炒后的山藥在478 cm-1處的拉曼峰強(qiáng)度變化可作為山藥飲片麩炒過程中的動態(tài)變化特征峰。孫佳慧等人[27]用SERS 和計量學(xué)方法對冬蟲夏草和蛹蟲草進(jìn)行分析鑒別，主成分分析和聚類分析都能很好的區(qū)別兩者之間的特征。拉曼光譜已成功應(yīng)用于快速鑒別藥材類別、真?zhèn)?、?yōu)劣及產(chǎn)地溯源等方面。

2.7 動態(tài)監(jiān)測

拉曼技術(shù)是檢測植物生理狀態(tài)，評估作物品質(zhì)和植物成熟度的有力工具，具有非侵入、無需標(biāo)記的檢測優(yōu)點(diǎn)。Chylińska M 等人[28]研究了細(xì)胞壁多糖含量、酚類化合物、抗壞血酸和果膠酶活性等對番茄果實(shí)生理發(fā)育過程中細(xì)胞壁微觀結(jié)構(gòu)及多糖分布變化的影響。共聚焦拉曼光譜能夠可視化植物細(xì)胞壁，包括中心片層區(qū)域中多糖的空間分布變化。在成熟的綠色番茄中，果膠濃度特別是在細(xì)胞角質(zhì)層中可見，而在成熟的紅色番茄中，果膠在細(xì)胞壁中均勻分布。Lopez-Sanchez M 等人[29]利用拉曼光譜技術(shù)來評估橄欖果實(shí)生長和成熟過程中發(fā)生的變化，測量了橄欖果實(shí)（皮、肉和核） 不同部位在不同發(fā)育階段的光譜，觀察到類胡蘿卜素和酚類化合物在橄欖生長期間增加，在成熟階段減少。不同光譜波段的演變與橄欖成分的含量有關(guān)，如甘油三酯、水、類胡蘿卜素和酚類化合物。Qin J 等人[30]報道了利用拉曼光譜可視化檢測番茄中主要的類胡蘿卜素番茄紅素的含量，對果實(shí)成熟過程中番茄紅素含量的變化進(jìn)行成像，能夠監(jiān)測番茄成熟期成分的動態(tài)變化和采后過程中的內(nèi)部分布。Martin D 等人[31]開發(fā)了一種基于類胡蘿卜素拉曼光譜振動帶的番茄成熟模型，利用532 nm 激光對番茄果實(shí)生長期和采后成熟期進(jìn)行分析，構(gòu)建了描述番茄成熟過程階段的模型，并能準(zhǔn)確評估采后果實(shí)品質(zhì)。Langer R 等人[32]首次使用手持拉曼光譜儀對辣椒進(jìn)行了類似的研究，描述了辣椒果實(shí)中典型的類胡蘿卜素的拉曼信號，并跟蹤了在成熟過程中的演變。并建立一種多元化學(xué)計量學(xué)模型和一種簡單的一維模型，得到一種用于辣椒果實(shí)成熟度分級的四點(diǎn)量表，從而以自動化的方式確定分類過程中的成熟度。

以上研究結(jié)果表明，拉曼光譜方法可在農(nóng)作物生長成熟階段對生化成分快速監(jiān)測，在發(fā)酵過程方面具有很好的應(yīng)用前景，在實(shí)時動態(tài)監(jiān)測上具有良好的可行性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

拉曼光譜技術(shù)是一種無損、靈敏的檢測和分析工具，在農(nóng)作物研究中，特別集中于拉曼光譜監(jiān)測植物生理狀態(tài)、評估作物成熟度和品質(zhì)、植物病理學(xué)及鑒定植物種類方面的應(yīng)用；同時，可以快速檢測農(nóng)產(chǎn)品的生物和非生物脅迫，還可以用于對植物果實(shí)和種子等的營養(yǎng)價值和品質(zhì)進(jìn)行非侵入性的評估，此外，可以作為植物育種和選擇的先進(jìn)方法，是數(shù)字農(nóng)學(xué)的理想工具。拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步加強(qiáng)了對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全的檢測。

拉曼光譜對未來數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展具有很大的潛力，所呈現(xiàn)的農(nóng)業(yè)優(yōu)勢將會越來越明顯。將拉曼技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以顯著提高農(nóng)業(yè)管理、作物質(zhì)量評估以及生物和化學(xué)污染物檢測的能力，從而促進(jìn)食品安全及農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力和盈利能力。