近紅外光譜法在食品營養(yǎng)成分檢測中的應(yīng)用研究

摘 要：隨著食品行業(yè)的快速發(fā)展，消費者對食品營養(yǎng)成分的關(guān)注度日益提升，精準(zhǔn)檢測食品營養(yǎng)成分愈發(fā)重要。但傳統(tǒng)檢測手段常面臨操作復(fù)雜、耗時久等問題，難以滿足當(dāng)下高效檢測需求。近紅外光譜法因具備檢測速度快、能同時分析多種成分且對樣品無損等優(yōu)勢，逐漸被應(yīng)用于食品營養(yǎng)成分檢測領(lǐng)域，但其在應(yīng)用過程中易受環(huán)境、樣品特性及儀器等因素的干擾，影響檢測效果?；诖?，本文分析了近紅外光譜法在食品營養(yǎng)成分檢測中的應(yīng)用，探討近紅外光譜法檢測的影響因素，并提出了相應(yīng)的控制舉措，以期保障食品營養(yǎng)成分檢測質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：近紅外光譜法；食品營養(yǎng)成分檢測；應(yīng)用；影響因素

Research on the Application of Near-Infrared Spectroscopy in the Detection of Food Nutrients

GAO Hao， GAO Yuanhui， XUE Ying

（Taiyuan Customs Technical Center， Taiyuan 030021， China）

Abstract： With the rapid development of the food industry， consumers’ attention to the nutritional content of food is increasing day by day， and accurate detection of food nutritional content is becoming increasingly important. However， traditional detection methods often face problems such as complex operation and long time consumption， making it difficult to meet the current demand for efficient detection. Near infrared spectroscopy has gradually been applied in the field of food nutrition detection due to its advantages of fast detection speed， simultaneous analysis of multiple components， and non-destructive testing of samples. However， its application is affected by factors such as environment， sample characteristics， and instruments， which can affect the detection effect. Based on this， this article analyzes the application of near-infrared spectroscopy in the detection of food nutritional components， explores the influencing factors of near-infrared spectroscopy detection， and proposes corresponding control measures to ensure the quality of food nutritional component detection.

Keywords： near-infrared spectroscopy; food nutrient detection; application; influencing factors

隨著生活水平的不斷提高，消費者對食品的要求不再局限于口感與外觀，對其營養(yǎng)成分的關(guān)注度開始持續(xù)攀升。這一轉(zhuǎn)變促使食品營養(yǎng)成分檢測成為保障食品安全與質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的食品營養(yǎng)成分檢測方法雖然具有較高的準(zhǔn)確性，但往往伴隨著操作步驟煩瑣、檢測周期冗長等弊端，難以適應(yīng)大規(guī)?？焖贆z測的需求。近紅外光譜法的出現(xiàn)為食品營養(yǎng)成分的檢測帶來了新的發(fā)展方向，其基于物質(zhì)對近紅外光的吸收特性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、無損、多組分同時檢測，在食品行業(yè)中的應(yīng)用前景極為廣闊[1-2]。然而，近紅外光譜法在實際應(yīng)用時，檢測結(jié)果易受多種因素的干擾。因此，深入探究近紅外光譜法在食品營養(yǎng)成分檢測中的應(yīng)用具有極為重要的現(xiàn)實意義。

1 近紅外光譜儀的種類與技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 近紅外光譜儀的種類

近紅外光譜儀主要分為濾光片型、光柵色散型、傅里葉變換型等。濾光片型結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，通過特定濾光片選擇特定波長的近紅外光進(jìn)行檢測，適用于對精度要求不高的快速篩查場景，如小型食品加工廠的初步檢測。光柵色散型能提供較高分辨率的光譜，可精確分析不同波長的光吸收情況，適用于科研機(jī)構(gòu)對食品營養(yǎng)成分較為深入細(xì)致的研究工作。傅里葉變換型具有高光通量、高信噪比等優(yōu)點，在復(fù)雜食品體系檢測中表現(xiàn)出色，如在多成分混合的醬料類食品營養(yǎng)成分檢測時，能更精準(zhǔn)地獲取各成分的信息，被廣泛應(yīng)用于大型食品企業(yè)的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)以及專業(yè)檢測實驗室，光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 光譜采集技術(shù)

漫反射方式常用于固體食品樣本，如谷物、水果等。當(dāng)近紅外光照射到樣品表面時，光線在樣品內(nèi)部經(jīng)過多次反射、折射和散射后重新射出，通過檢測反射光獲取光譜信息，這種方式能反映樣品內(nèi)部不同深度的營養(yǎng)成分分布情況[3]。透射方式則適用于液體或半透明的食品樣品，如飲料、油脂等，光透過樣品時因不同營養(yǎng)成分對光的吸收程度不同而產(chǎn)生光譜變化，可據(jù)此分析食品中營養(yǎng)成分的含量。光纖光譜采集技術(shù)利用光纖的柔韌性和傳輸性，能對難以直接接觸或處于特殊環(huán)境中的食品進(jìn)行檢測，如實時監(jiān)測發(fā)酵罐內(nèi)食品在發(fā)酵過程中的營養(yǎng)成分動態(tài)變化，為精準(zhǔn)控制發(fā)酵工藝提供數(shù)據(jù)支持。

1.3 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理是提高檢測準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。平滑處理能有效降低光譜數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲干擾，通過對相鄰數(shù)據(jù)點進(jìn)行加權(quán)平均等算法，使光譜曲線更加平滑，便于后續(xù)分析。中心化處理則是將光譜數(shù)據(jù)的均值調(diào)整為零，這樣可以消除因儀器或測量條件引起的基線漂移問題，讓不同批次測量的數(shù)據(jù)能在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行比較。歸一化處理是把光譜數(shù)據(jù)的強(qiáng)度范圍進(jìn)行縮放，使其處于特定區(qū)間，例如將數(shù)據(jù)映射到0～1，有助于突出光譜特征之間的差異，在比較不同濃度或不同來源的食品樣品光譜時，能更加精準(zhǔn)地識別營養(yǎng)成分的微小變化，從而提高檢測模型的可靠性和穩(wěn)定性。

2 近紅外光譜法在食品營養(yǎng)成分檢測中的應(yīng)用

2.1 近紅外光譜法在碳水化合物檢測中的應(yīng)用

近紅外光譜法在碳水化合物檢測中具有顯著優(yōu)勢，其能快速掃描食品樣本，獲取光譜數(shù)據(jù)，通過建立特定的數(shù)學(xué)模型，精準(zhǔn)分析樣本中碳水化合物的含量。如在谷物檢測中，可對小麥、大米等中的淀粉含量進(jìn)行快速測定。與傳統(tǒng)化學(xué)檢測方法相比，無須煩瑣的樣品前處理和長時間的化學(xué)反應(yīng)過程，大大縮短了檢測時間。在面包制作等食品加工行業(yè)，利用近紅外光譜法可實時監(jiān)控面團(tuán)中碳水化合物的含量變化，以便及時調(diào)整配方與工藝，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。同時，近紅外光譜法還可用于檢測水果中的糖類物質(zhì)，如蘋果、葡萄中的果糖、蔗糖等含量，為水果的品質(zhì)分級和加工利用提供有力依據(jù)，有效推動了碳水化合物檢測在食品行業(yè)多領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

2.2 近紅外光譜法在蛋白質(zhì)檢測中的應(yīng)用

近紅外光譜法在蛋白質(zhì)檢測方面應(yīng)用范圍廣。在乳制品行業(yè)，近紅外光譜法可對牛奶、酸奶等乳制品中的蛋白質(zhì)含量進(jìn)行快速測定，無論是原料奶的驗收，還是成品奶制品的質(zhì)量監(jiān)控，都能高效完成[4]。近紅外光譜法的原理是基于蛋白質(zhì)中含有的氨基、羧基等官能團(tuán)對近紅外光的吸收特性，通過采集光譜并分析處理，將光信號轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)含量信息。在肉類食品檢測中，能準(zhǔn)確判斷牛肉、豬肉等肉品的蛋白質(zhì)含量，這對于評估肉品品質(zhì)和營養(yǎng)價值極為關(guān)鍵[5]。與傳統(tǒng)的凱氏定氮法相比，近紅外光譜法避免了復(fù)雜的消解、蒸餾等煩瑣操作，減少了化學(xué)試劑的使用，更加環(huán)保、便捷。而且，該方法可實現(xiàn)對大量樣品的批量檢測，適用于食品加工企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，有力保障了含蛋白質(zhì)食品的質(zhì)量與安全。

2.3 近紅外光譜法在脂肪檢測中的應(yīng)用

對于脂肪檢測，近紅外光譜法表現(xiàn)出良好的性能。在油脂加工行業(yè)，可用于檢測各種植物油、動物油中的脂肪含量及脂肪酸組成成分。例如，在橄欖油生產(chǎn)過程中，能快速區(qū)分不同等級橄欖油的脂肪特征，保證產(chǎn)品符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。在堅果類食品檢測中，如杏仁、核桃等，通過近紅外光譜分析可以準(zhǔn)確得到堅果類食品的脂肪含量數(shù)據(jù)，有助于堅果產(chǎn)品的加工調(diào)配與質(zhì)量把控[6]。近紅外光譜法檢測脂肪的優(yōu)勢在于非破壞性，樣品無須經(jīng)過復(fù)雜的提取分離過程，完整的樣品即可進(jìn)行檢測，不僅節(jié)省了檢測時間，還避免了因樣品處理導(dǎo)致的誤差。此外，近紅外光譜法可結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法構(gòu)建脂肪檢測模型，不斷提高檢測的準(zhǔn)確性和精度，為食品行業(yè)中脂肪相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和監(jiān)管提供了可靠的技術(shù)支持。

3 近紅外光譜法檢測的影響因素

3.1 環(huán)境因素

環(huán)境因素對近紅外光譜法檢測有顯著影響。溫度變化會使儀器部件熱脹冷縮，改變光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致光譜采集出現(xiàn)偏差。例如，高溫環(huán)境可能會使光學(xué)元件輕微變形，影響光的傳播與聚焦。濕度則可能影響樣品的含水量，間接改變其對近紅外光的吸收特性，特別是對吸濕性強(qiáng)的食品樣品[7]。此外，光照強(qiáng)度與環(huán)境中的電磁干擾也會干擾光譜信號，降低信噪比，使檢測結(jié)果準(zhǔn)確性下降。在強(qiáng)光環(huán)境下，雜散光可能混入檢測光中，造成光譜數(shù)據(jù)異常，所以檢測時需嚴(yán)格控制環(huán)境溫濕度、避免強(qiáng)光直射與電磁干擾源，以確保檢測精度。

3.2 樣品特性因素

①樣品的顆粒大小與均勻度會影響光的散射與反射，從而影響檢測結(jié)果，不均勻的顆粒分布可能導(dǎo)致光譜采集出現(xiàn)波動，大顆粒樣品可能因光散射過強(qiáng)而掩蓋部分光譜信息。②樣品的物理形態(tài)也會影響檢測結(jié)果，液態(tài)樣品與固態(tài)樣品的分子排列和相互作用不同，對近紅外光吸收表現(xiàn)有差異。③食品中成分的復(fù)雜程度也會影響檢測結(jié)果，多種成分相互重疊吸收光譜會干擾目標(biāo)營養(yǎng)成分的準(zhǔn)確測定。綜上，在檢測前需針對樣品特性進(jìn)行適當(dāng)處理或采用特殊算法來降低其對檢測結(jié)果的影響。

3.3 儀器因素

儀器自身性能與狀態(tài)對檢測結(jié)果至關(guān)重要。光譜儀的波長范圍與分辨率決定了其對不同營養(yǎng)成分光譜特征的分辨能力，若波長范圍不足或分辨率低，可能遺漏關(guān)鍵的光譜信息，無法準(zhǔn)確識別待測成分。光源的穩(wěn)定性直接影響光強(qiáng)的一致性，不穩(wěn)定的光源會使光譜強(qiáng)度產(chǎn)生波動，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)誤差增大。探測器的靈敏度與噪聲水平也會影響信號的采集質(zhì)量，低靈敏度探測器可能無法捕捉微弱的光譜信號，而高噪聲會干擾真實信號，所以需定期對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)與維護(hù)，確保光源穩(wěn)定、波長準(zhǔn)確、探測器正常工作，保障檢測數(shù)據(jù)的可靠性與精確性。

4 近紅外光譜法檢測的控制措施

4.1 環(huán)境控制

為保障近紅外光譜檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行環(huán)境控制至關(guān)重要。需將檢測環(huán)境的溫度穩(wěn)定在特定范圍，一般為20～25 ℃，可借助空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，減少溫度波動對儀器光學(xué)部件及樣品的影響。濕度應(yīng)保持在相對較低水平，一般為40%～60%，可使用除濕機(jī)避免濕度過高使樣品受潮或儀器部件受潮損壞。檢測室應(yīng)進(jìn)行遮光處理，安裝避光窗簾阻擋外界強(qiáng)光，防止雜散光干擾光譜信號。同時，要遠(yuǎn)離大型電機(jī)、變壓器等電磁干擾源，或采用屏蔽措施，確保電磁環(huán)境穩(wěn)定，為近紅外光譜儀的正常運行和精準(zhǔn)檢測創(chuàng)造良好條件。

4.2 樣品處理

合適的樣品處理有助于提升檢測效果。針對固體樣品，需進(jìn)行粉碎、過篩等操作，使樣品顆粒大小均勻，如將谷物樣品粉碎至特定目數(shù)，保證光在樣品中的散射和反射均勻穩(wěn)定。對于液體樣品，要充分混合均勻，防止分層或沉淀導(dǎo)致局部成分差異影響檢測結(jié)果。對于成分復(fù)雜的樣品，可采用化學(xué)分離、萃取等預(yù)處理方法，減少雜質(zhì)對檢測結(jié)果的干擾，但要確保處理過程不改變目標(biāo)營養(yǎng)成分的結(jié)構(gòu)與含量。此外，可通過添加內(nèi)標(biāo)物等方式校正樣品處理過程中的誤差，使樣品在檢測時能更好地呈現(xiàn)其真實營養(yǎng)成分信息。

4.3 儀器校準(zhǔn)與維護(hù)

儀器的校準(zhǔn)與維護(hù)是保障檢測精度的關(guān)鍵。定期使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對近紅外光譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)，如含有已知濃度碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的標(biāo)準(zhǔn)樣品，依據(jù)其光譜特征調(diào)整儀器參數(shù)，確保波長準(zhǔn)確性和光強(qiáng)穩(wěn)定性。對儀器的光學(xué)部件，如透鏡、光柵等定期進(jìn)行清潔，防止灰塵和污漬影響光的傳播與色散。檢查光源的發(fā)光強(qiáng)度和穩(wěn)定性，及時更換老化或不穩(wěn)定的光源。對探測器進(jìn)行性能檢測和校準(zhǔn)，降低噪聲水平，提高信號采集的靈敏度。同時，建立儀器維護(hù)檔案，記錄校準(zhǔn)、維護(hù)的時間、內(nèi)容和結(jié)果，以便及時發(fā)現(xiàn)儀器潛在問題并進(jìn)行處理，延長儀器使用壽命。

5 結(jié)語

在食品營養(yǎng)成分檢測中，采用近紅外光譜法能簡化檢測流程，提高檢測效率。隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，有望研發(fā)出更穩(wěn)定精準(zhǔn)、抗干擾性強(qiáng)的近紅外光譜儀，數(shù)據(jù)處理技術(shù)也將更為智能高效，能更精準(zhǔn)地解析復(fù)雜光譜信息，從而進(jìn)一步提升檢測的準(zhǔn)確性與可靠性，在食品行業(yè)深度扎根，成為保障食品營養(yǎng)品質(zhì)的核心力量。

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