基于光譜的食品安全快速檢測關(guān)鍵技術(shù)研究

◎ 李 卓，朱 潔，周 優(yōu)

（天津市乳品食品監(jiān)測中心，天津 300381）

食品安全問題屢屢發(fā)生，此問題受到社會民眾的持續(xù)關(guān)注，問題產(chǎn)生的原因以及如何減少甚至杜絕此類現(xiàn)象的出現(xiàn)，是值得深思的問題。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平以及生活質(zhì)量越來越高。各類食品充斥在民眾周圍，在有力地促進(jìn)相關(guān)行業(yè)發(fā)展背后的同時卻也間接帶來了一些難以解決的、劣根性的問題。由于監(jiān)管措施不夠完善以及食品安全檢測技術(shù)落后，“毒奶粉”“地溝油”與“毒缸豆”等多起惡性典型事故，給社會的穩(wěn)定發(fā)展帶來了負(fù)面影響，并且影響了民眾生活的質(zhì)量。食品安全問題頻出且難以得到妥善解決，經(jīng)過調(diào)查，總結(jié)消費(fèi)者對食品安全問題的看法，如圖1所示。

圖1 消費(fèi)者對食品安全問題是否得到改善的調(diào)查結(jié)果圖

食品安全問題并不單單是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的問題，其也反映出國內(nèi)食品監(jiān)督行業(yè)監(jiān)管措施與體制的不完善。比如，相關(guān)部門對食品加工過程中的監(jiān)管力度較小，食品安全檢測技術(shù)與檢測設(shè)備儀器落后，如果需要確保食品安全，就需要利用先進(jìn)、高效的檢測技術(shù)對食品進(jìn)行快速檢測。

傳統(tǒng)的食品安全檢測技術(shù)需要大量的時間，價格也比較高昂，處理步驟非常復(fù)雜，操作難度高。而且，許多檢測手段都是接觸式的，需要與食品接觸才能有效采樣，獲得檢測指標(biāo)。在這個過程中，食品的質(zhì)量有可能受到無法逆轉(zhuǎn)的損害，并且檢測時間較長，不利于流水線快速生產(chǎn)，降低了食品生產(chǎn)到出廠的速度，延長了工作周期。另外，一個較大的弊端在于傳統(tǒng)食品安全檢測技術(shù)的效果差，某種檢測手段可能在實(shí)驗(yàn)室模擬外部環(huán)境的條件下或許能夠取得不錯的檢測效果，但當(dāng)該項(xiàng)技術(shù)被投入到工廠中的檢測第一線時，卻往往會因?yàn)閺?fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境而對檢測結(jié)果產(chǎn)生不可預(yù)估、不可控制的影響，造成結(jié)果準(zhǔn)確性較低。而隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，許多新的檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。例如，光譜檢測技術(shù)具有許多傳統(tǒng)食品安全檢測技術(shù)達(dá)不到的優(yōu)點(diǎn)，比如簡便、準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、效率高，逐漸成為現(xiàn)代食品安全快速檢測技術(shù)。

與傳統(tǒng)檢測手段相比，光譜檢測技術(shù)是一種高科技新興技術(shù)，它克服了許多傳統(tǒng)食品檢測的缺點(diǎn)，比如可靠性強(qiáng)，只要是光譜檢測技術(shù)得到的檢測結(jié)果，準(zhǔn)確率一般在90%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)食品檢測手段的準(zhǔn)確率；再比如，效率高，光譜食品檢測技術(shù)需要的時間極短，恰好符合生產(chǎn)流水線的快速生產(chǎn)速度，這是傳統(tǒng)手段不能夠比擬的；另外，結(jié)果顯示清晰，可以實(shí)現(xiàn)非接觸檢測，不會對食品自身質(zhì)量與性質(zhì)造成影響、損壞等[1]。這些顯而易見的優(yōu)點(diǎn)使得光譜食品安全檢測技術(shù)逐漸成為最受歡迎的檢測手段之一。光譜檢測技術(shù)是許多光譜技術(shù)的合稱，雖然檢測效果相較于傳統(tǒng)的檢測技術(shù)有較大的提升，但是不同的光譜檢測技術(shù)卻有不同的檢測原理與常見的應(yīng)用領(lǐng)域，比較常見的食品安全光譜快速檢測手段有近紅外光譜檢測技術(shù)（near infrared spectroscopy detection technology）、拉曼光譜檢測技術(shù)（Raman spectroscopy detection technique）、熒光光譜檢測技術(shù)（fluorescence spectrum detection technology）等，本文主要的研究目的就是介紹這幾種不同的光譜檢測技術(shù)的基本原理與檢測特點(diǎn)，并簡單介紹各種光譜檢測技術(shù)手段的應(yīng)用案例。

1 近紅外光譜檢測技術(shù)

1.1 近紅外光譜檢測原理

近紅外光（NIR）是一種存在于可見光（VIS）和中紅外光（IR）中間的電磁波，美國材料檢測學(xué)會ASTM給它下的定義是波長在780～2 526 nm、波數(shù)為12 820～3 959 cm-1的光譜區(qū)間。近紅外光譜反映的是有機(jī)物分子中單個化學(xué)鍵的基頻振動的倍頻及合頻的重疊主導(dǎo)，所以利用該檢測手段測量的目標(biāo)一般為含氫基因H-X（C、N、O）的倍頻與合頻重合。當(dāng)利用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行檢測時，如果檢測對象是由不同有機(jī)物分子構(gòu)成的，不同的分子對近紅外光譜各波長的吸收率不同，會有差別地顯示出波峰與波谷，這樣就起到了甄別的作用。在進(jìn)行食品安全檢測時，不同的有機(jī)物分子對近紅外光譜各個波長的吸收率都存在一定的區(qū)別，在光譜上表現(xiàn)出特定的波峰和波谷，也正是因?yàn)檫@個檢測基本原理，所以紅外光譜檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍也十分具有針對性，主要是針對有機(jī)物進(jìn)行定性鑒定和定量分析。

1.2 近紅外光譜檢測技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

近紅外光譜技術(shù)檢測食品的效率較高，一般而言，食品安全檢測的流程通常在1 min之內(nèi)就可以完成，分析效率高的同時也能夠?qū)κ称返亩鄠€組分性質(zhì)進(jìn)行并行測量，且提供定性定量結(jié)果，測試效果好，適用性樣品范圍廣，可以直接測液態(tài)、固態(tài)、膠態(tài)等各種不同物理狀態(tài)的樣品，且能夠?qū)崿F(xiàn)不與檢測對象接觸，不產(chǎn)生任何無法逆轉(zhuǎn)的損害，也就是常說的無損檢測。

有優(yōu)點(diǎn)，自然也存在一定缺陷。①近紅外光譜技術(shù)要求被測對象含量必須大于0.1%，所以在靈敏度方面還存在一定的局限。②近紅外光譜穩(wěn)定性也不夠高，比如樣品未經(jīng)檢測預(yù)處理，那么食品樣品狀態(tài)、測定方法以及測定條件都會影響測量結(jié)果。③如果待檢測樣品的某種基因在近紅外光譜區(qū)的多個波長處都有吸收能力，就會導(dǎo)致多組分樣品在同一個波長處出現(xiàn)多個譜峰重疊的復(fù)雜現(xiàn)象[2]。

1.3 近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

在牛奶生產(chǎn)過程中，為了滿足出廠產(chǎn)品一致化，在生產(chǎn)流水線上就直接完成食品安全檢測目的，提高生產(chǎn)效率，就可以采用近紅外光譜檢測技術(shù)手段。近紅外光譜檢測技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)檢測與生產(chǎn)的自然銜接。另外，利用近紅外光譜技術(shù)在對兒童高鈣奶粉進(jìn)行測定時，選擇多元線性回歸法，可以分別建立高鈣奶粉各組分的高效檢測模型，達(dá)到檢測目標(biāo)。將近紅外法的測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法的測定結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果是一致的，這充分證明了近紅外光譜技術(shù)的可靠性。

近紅外光譜還被應(yīng)用于鑒別牛奶是否摻假，可以對牛奶的主要成分含量進(jìn)行準(zhǔn)確快速的測量評定，比如利用判別分析的方法建立還原奶的鑒別模型。對還原奶摻入量在50%以上的樣品可實(shí)現(xiàn)百分之百檢測，實(shí)現(xiàn)零失誤；還可以選擇定性判斷的檢測方法建立牛奶新鮮度判別模型以及識別摻堿牛奶模型，都可以達(dá)到95%以上的檢測效率，這是近紅外光譜檢測技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)還原奶摻假的鑒別以及原料奶新鮮度快速鑒定的直接證明。

2 拉曼光譜檢測技術(shù)

2.1 拉曼光譜檢測技術(shù)原理

拉曼光譜檢測的物理原理是拉曼效應(yīng)，拉曼效應(yīng)反映的是拉曼效應(yīng)分子的振動和轉(zhuǎn)動，所以采用拉曼光譜檢測技術(shù)手段時，可以收集檢測對象的分子振動能級和轉(zhuǎn)動能級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。拉曼散射一般分為兩種：斯托克斯散射和反斯托克斯散射。可以利用虛態(tài)能級概念說明拉曼效應(yīng)，如圖2所示。不同的物質(zhì)具有不同的能級數(shù)據(jù)信息，所以會對拉曼光譜做出不同的反應(yīng)。利用各種物質(zhì)的拉曼光譜特征不同，結(jié)合數(shù)據(jù)庫資料匹配，完成拉曼光譜檢測，還可以利用拉曼光譜特定譜峰強(qiáng)弱程度來有效實(shí)現(xiàn)半定量分析。

圖2 拉曼效應(yīng)的振動能級圖

2.2 拉曼光譜檢測技術(shù)特點(diǎn)

拉曼光譜技術(shù)的誕生是現(xiàn)代檢測技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)。由前文可知，拉曼光譜反映的是檢測對象的分子振動或者轉(zhuǎn)動能級結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)信息，這說明不需要針對不同的檢測對象而去準(zhǔn)備不同的檢測材料，降低了檢測過程的繁瑣程度，體現(xiàn)了現(xiàn)代檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。食品安全檢測技術(shù)流程的簡化，也就意味著效率的提升與成本的降低。傳統(tǒng)的食品安全檢測技術(shù)如溶劑提取法等，對不同的檢測對象進(jìn)行定量、定性檢測時，時間花費(fèi)多，成本高，利用拉曼光譜檢測技術(shù)便可以避免以上缺點(diǎn)。

2.3 拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

食品安全檢測技術(shù)中，針對三聚氰胺的檢測技術(shù)有很多，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)比如氣相色譜法等，檢出限可達(dá)0.05 mg/kg。類似的傳統(tǒng)檢測技術(shù)雖然在檢測結(jié)果上可以達(dá)到合格的目標(biāo)，但是速度上卻存在重大缺陷，不能滿足快速生產(chǎn)的要求。如果利用拉曼光譜檢測技術(shù)來對三聚氰胺位于708～714 cm-1的拉曼光譜特征峰及其強(qiáng)度進(jìn)行分析，對三聚氰胺進(jìn)行定性及半定量快速檢測，檢出限可以達(dá)到2.0 mg/L，對于常見的含氮化合物如尿素、亞硝酸鹽等物質(zhì)，利用拉曼光譜技術(shù)可以在很大程度上減小誤差，并且時間短，從開始檢測到得到檢測結(jié)果，只需10 min。拉曼光譜分析技術(shù)還可用于鑒別牛奶中是否含有三聚氰胺，在三聚氰胺的特征峰710 cm-1強(qiáng)度和濃度之間建立校正模型，檢出限為0.5 mg/kg。

3 熒光光譜檢測技術(shù)

3.1 熒光光譜檢測基本原理

熒光光譜法發(fā)展時間較長，種類很多，包括高效液相色譜-熒光法、熒光分光光度法、薄層色譜-熒光法等。熒光光譜檢測過程中，利用特定波長入射光檢測物體，食品原子在熒光光譜能量的激勵下從基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，并相應(yīng)發(fā)出波長長于入射光波的出射光，當(dāng)停止光照時，失去能量來源，被測對象不再發(fā)光，這就是熒光現(xiàn)象。熒光光譜檢測技術(shù)主要依靠被測對象的熒光強(qiáng)度、熒光發(fā)射波長及激發(fā)波長3方面光譜信息來完成檢測目標(biāo)，靈敏度高，選擇性好。

3.2 熒光光譜檢測技術(shù)的特征

熒光光譜檢測技術(shù)的靈敏度較高，可以達(dá)到0.001～0.1 mg/L；測量時所需要的試樣量較少，過程簡單，效率高，成本低；不需要準(zhǔn)備工作，省去預(yù)處理階段，綠色環(huán)保；能夠在波長為200～800 nm提供被測對象三維立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息，再由化學(xué)以及計(jì)量學(xué)的結(jié)合來進(jìn)行定量定性分析。

3.3 熒光光譜檢測技術(shù)在食品安全檢測中的應(yīng)用

肉制品的質(zhì)量與口感是消費(fèi)者極為關(guān)心的事情，而肉制品的質(zhì)量與口感取決于其脂質(zhì)氧化程度。肉制品如果存在問題，有時會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，危害人體健康。對于這種情況，常利用熒光光譜檢測技術(shù)來對肉制品氧化現(xiàn)象進(jìn)行安全檢測。肉制品氧化時會產(chǎn)生一定量的熒光性物質(zhì)，其熒光光譜就是肉制品食品安全氧化狀態(tài)的檢測指標(biāo)。熒光光譜檢測技術(shù)還被應(yīng)用于魚類食品安全檢測，在利用該技術(shù)研究魚制品在不同激發(fā)發(fā)射波長下的熒光特性時，隨著食品加工時間的延長，溫度升高，脂質(zhì)氧化的程度越深，熒光峰就朝著長波的方向移動，而且在393～463 nm及327～415 nm處，熒光的強(qiáng)度比值同魚的質(zhì)量之間的線性關(guān)系較好[3]。

4 結(jié)語

本文從如何解決食品安全問題的角度出發(fā)，提出優(yōu)化食品快速檢測技術(shù)可以在一定程度上緩解食品安全問題，在傳統(tǒng)的食品檢測方法的基礎(chǔ)上提出了簡便、高效、準(zhǔn)確的光譜快速檢測技術(shù)，并且依次介紹了近紅外光譜檢測技術(shù)、拉曼光譜檢測技術(shù)、熒光光譜檢測技術(shù)的原理、特性與應(yīng)用，以期能為相關(guān)工作者提供參考。