拉曼光譜技術(shù)在食品分析中的應(yīng)用

劉晨，陳復(fù)生*，夏義苗，杜艷

河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院（鄭州 450001）

近年來，中國食品安全問題層出不窮，食品安全快速無損檢測技術(shù)逐漸受到關(guān)注。拉曼光譜技術(shù)基于食品組分特異性拉曼光譜，通過分析被測試食品中的分子結(jié)構(gòu)，對食品進(jìn)行無損檢測，具有樣品處理簡單、現(xiàn)場檢測、靈敏度高、操作簡單、高效、重復(fù)性好等優(yōu)勢[1-2]，被廣泛應(yīng)用于食品、材料、化學(xué)、生物化學(xué)、藥物等許多領(lǐng)域進(jìn)行定性或定量分析[3-5]。因此，介紹拉曼光譜的原理及幾種拉曼光譜分析技術(shù)，對拉曼光譜在食品成分檢測、食品真?zhèn)魏蛽郊贆z測檢測、農(nóng)藥殘留檢測、食品添加劑及毒素檢測的應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)闡述，以期為拉曼光譜技術(shù)在食品檢測方面的應(yīng)用前景提供參考。

1 拉曼光譜技術(shù)原理及特點(diǎn)

單色光的入射光光子與分子相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞，非彈性碰撞中存在能量交換，使光子的運(yùn)動(dòng)方向和頻道發(fā)生改變，這種散射過程以印度科學(xué)家拉曼命名——拉曼散射[6]。拉曼散射效應(yīng)能夠有效分析與入射光頻率不同的散射光譜，得到相應(yīng)分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面的信息，基于分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)信息獲得結(jié)構(gòu)、對稱性、化學(xué)鍵等相應(yīng)分子信息[7]。拉曼光譜又稱為“指紋譜”，不同物質(zhì)的拉曼光譜不一樣，可在拉曼效應(yīng)基礎(chǔ)上通過分析其拉曼峰位、峰強(qiáng)、線型、線寬及譜線數(shù)目達(dá)到從分子水平對樣品進(jìn)行定性和定量分析[8]。

拉曼光譜技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[9]：檢測樣品用量少，且無需處理，可用于痕量物質(zhì)的檢測；測定方法簡單，檢測速度快，儀器操作簡單，靈敏度高；檢測樣品狀態(tài)可以是氣體、固體或液體，可避免產(chǎn)生誤差，能滿足無損檢測的要求；水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜技術(shù)更適用于水溶液測定；檢測過程無需化學(xué)試劑輔助，注重環(huán)保，不會(huì)對樣品和環(huán)境造成污染。雖然拉曼光譜擁有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但是仍然存在不足：拉曼光譜儀器價(jià)值昂貴，只適用于科研，難以作為常規(guī)分析儀器使用；測定具有熒光性的物質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生熒光干擾。隨著拉曼效應(yīng)相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，衍生出一些新的拉曼光譜技術(shù)，可有效克服存在缺點(diǎn)。

2 拉曼光譜技術(shù)分類

2.1 表面增強(qiáng)拉曼光譜

表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）利用粗糙貴金屬（金、銀、銅等）表面、納米金屬顆粒表面和粗糙電極表面[10]，用激光激發(fā)金屬粒子的表面等離子體，將吸附在表面的痕量待測的拉曼活性分子散射信號增強(qiáng)104～106倍[11]。SERS探測異常靈敏，不受被測物形態(tài)影響，能直接分析水相樣品，基本無需樣品前處理過程，不需要與被測物直接接觸，不會(huì)污染到食品，可以做到不對某些食品開封就能進(jìn)行檢測，能滿足戶外現(xiàn)場檢測的需要[12-13]。

2.2 傅里葉變換拉曼光譜技術(shù)

第1臺(tái)近紅外激發(fā)傅里葉變換拉曼光譜儀于1987年由Perkin Elmer公司推出[14]，波長1 064 nm的激光照射樣品可以消除熒光干擾，通過傅里葉變換對信號進(jìn)行收集，運(yùn)用傅里葉變換技術(shù)得到拉曼光譜對樣品進(jìn)行分析，此技術(shù)檢測速度快、精度好、靈敏度高，可用于色深樣品。傅里葉變換拉曼光譜技術(shù)對樣品的結(jié)構(gòu)分析較為準(zhǔn)確，適用于生物及中藥活性成分結(jié)構(gòu)的分析和監(jiān)測[15]。

2.3 顯微拉曼光譜技術(shù)

顯微拉曼光譜分析技術(shù)是將拉曼光譜分析技術(shù)和顯微分析技術(shù)結(jié)合的一種新型分析技術(shù)[16]。顯微拉曼光譜儀具有很好的空間分辨率，分析樣品時(shí)入射光通過顯微鏡被聚焦到樣品上，周圍其他物質(zhì)的干擾很小，可以精確獲得所分析樣品各種拉曼光譜信息（如化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、分子相互作用及分子取向）。

2.4 共振拉曼光譜分析技術(shù)

共振拉曼光譜分析技術(shù)是建立在共振拉曼效應(yīng)基礎(chǔ)上的一種激光拉曼光譜技術(shù)。激光共振拉曼光譜是入射光頻率接近或重合于樣品量子點(diǎn)吸收峰時(shí)，某個(gè)或某些拉曼譜帶的強(qiáng)度會(huì)增加104～106倍[17]，并可觀察到正常拉曼散射中難以出現(xiàn)，強(qiáng)度可與基頻相比擬的泛音及組合振動(dòng)光譜。該技術(shù)所需樣品濃度低，可實(shí)現(xiàn)定量分析，尤其適用于生物樣品的監(jiān)測分析[18]。

3 拉曼光譜在食品中應(yīng)用

3.1 拉曼光譜在食品成分檢測中的應(yīng)用

拉曼光譜技術(shù)在食品成分檢測中發(fā)揮積極作用，主要用于食品主要成分含量及結(jié)構(gòu)分析，既可以定性分析被測物質(zhì)所含成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的變化，又可以定量檢測食品某些成分含量[19]。

3.1.1 碳水化合物

碳水化合物屬于具有許多同分異構(gòu)體的大分子物質(zhì)，其拉曼光譜較為明確，能提供準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)信息，特別是C＝N、C＝S、C—C、C—H等基團(tuán)的拉曼光譜較為明顯。蘇東林等[20]采用拉曼光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法快速檢測蜂蜜的果糖、葡萄糖、蔗糖和麥芽并進(jìn)行定量分析。李水芳等[21]用拉曼光譜技術(shù)對3個(gè)不同年份所采集10個(gè)省份的16種蜂蜜樣本中果糖和葡萄糖進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，果糖含量與拉曼光譜之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，而葡萄糖含量與拉曼光譜之間則呈現(xiàn)線性關(guān)系。Szymańska-Chargot等[22]利用拉曼成像技術(shù)觀察蘋果在果實(shí)發(fā)育和衰老過程中細(xì)胞壁多糖分布的變化。

3.1.2 蛋白質(zhì)分析

蛋白質(zhì)作為食品中的主要原料成分之一，是衡量食品品質(zhì)、營養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)。通過對蛋白質(zhì)拉曼譜圖中特征峰位置、峰面積和峰強(qiáng)度的分析，得到蛋白質(zhì)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子振動(dòng)信息、化學(xué)鍵變化等信息。毛曉婷[23]通過分析豬肉在不同的冷凍-解凍處理過程中豬肉拉曼光譜的變化發(fā)現(xiàn)，豬肉經(jīng)冷凍處理后，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，拉曼光譜可以表征這種變化，可通過拉曼光譜技術(shù)檢測豬肉冷凍解凍次數(shù)及豬肉新鮮程度。呂博等[24]利用拉曼光譜對蛋白分子的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，揭露低壓均質(zhì)處理使得大豆分離蛋白表現(xiàn)出先解聚后聚合的性質(zhì)。江連州等[25]利用拉曼光譜分析超聲、高壓均質(zhì)作用于大豆蛋白-磷脂酰膽堿復(fù)合體系中的各種功能鍵與復(fù)合磷脂酰膽堿后蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的變化。

3.1.3 脂類

拉曼光譜技術(shù)在脂類方面主要用于檢測油脂中脂肪酸組成及含量、順反結(jié)構(gòu)和不飽和度，可以實(shí)現(xiàn)對脂類的快速檢測和識別，具有無損、靈敏度高、快速等優(yōu)點(diǎn)[26]。通過拉曼光譜能夠監(jiān)測脂質(zhì)單分子的結(jié)構(gòu)變化，亞油酸在自氧化過程中，拉曼光譜的譜型和峰強(qiáng)均有變化，可以反映到分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化[27]。項(xiàng)延楠[28]利用拉曼光譜法直接檢測孢子油中氧化酸敗過程中不飽和雙鍵特征峰的變化規(guī)律，確立快速檢測靈芝孢子油的氧化酸敗程度試驗(yàn)操作標(biāo)準(zhǔn)方法。Beattie等[29]利用拉曼光譜技術(shù)檢測澄清奶油中脂肪酸含量。

3.1.4 其他組分

劉文涵等[30]利用拉曼光譜技術(shù)分析維生素C在激光拉曼光譜中的峰值與溶液中的水峰值之間關(guān)系，直接測定維生素C質(zhì)量濃度。拉曼光譜對色素的研究主要集中在類胡蘿卜素方面。王濤等[31]用拉曼光譜技術(shù)對枇杷內(nèi)β-胡蘿卜素的含量進(jìn)行檢測，此技術(shù)操作簡單、分析快速、預(yù)測精度高。Radu等[32]將表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于瞬時(shí)檢測谷物中維生素B2和B12。Hara等[33]采用拉曼光譜法對番茄中類胡蘿卜素濃度進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，532 nm激發(fā)的拉曼光譜可用于類胡蘿卜素的定性分析，785 nm是對類胡蘿卜素進(jìn)行定量分析最合適的激發(fā)波長。Wang等[34]采用拉曼顯微鏡來量化乳液輸送系統(tǒng)中α-生育酚，并觀測及其在可視化水包油穩(wěn)定乳液中分布。

3.2 食品真?zhèn)魏蛽郊贆z測

食品摻假是一個(gè)世界性的問題，摻假食品不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對健康產(chǎn)生不利影響，甚至危害生命[35]。黎遠(yuǎn)鵬[36]通過對合格植物油及劣質(zhì)食用油的拉曼光譜進(jìn)行檢測分析，為合格油與劣質(zhì)食用油的鑒別及橄欖油摻雜劣質(zhì)食用油的定性、定量分析提供一種較為快速準(zhǔn)確的方法。近年來大米市場管理不夠完善，品種信息不全，產(chǎn)地冒充、摻假現(xiàn)象嚴(yán)重。田芳明[37]以東北地區(qū)大米為研究對象，利用拉曼光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法及計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，針對地域相近大米產(chǎn)地和品種無損檢測分類難的問題，研究單籽粒大米產(chǎn)地、品種檢測方法，預(yù)防大米摻假。Zhang等[38]利用拉曼光譜技術(shù)對不同企業(yè)乳品進(jìn)行鑒別發(fā)現(xiàn)，乳品的拉曼化學(xué)特征能夠?qū)崿F(xiàn)乳制品的質(zhì)量控制和鑒別分析。Mandrile等[39]采用傅里葉變換拉曼光譜技術(shù)，利用拉曼光譜的特殊化學(xué)指紋鑒別葡萄品種、產(chǎn)地及陳化時(shí)間。Richardson等[40]將拉曼光譜與化學(xué)計(jì)量學(xué)相結(jié)合能夠識別椰子汁中糖含量的微小異常。

3.3 藥物殘留檢測

魏曉暉[41]應(yīng)用拉曼光譜檢測技術(shù)對蘋果和梨表面殘留敵百蟲農(nóng)藥進(jìn)行檢測，檢出限分別為480和48 mg/kg。王海陽等[42]利用共焦顯微拉曼光譜儀檢測臍橙上亞胺硫磷和樂果兩種農(nóng)藥殘留。陳文等[43]利用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)、PCA和PLS方法實(shí)現(xiàn)對西瓜內(nèi)部殺螟硫磷農(nóng)藥殘留量的定性定量檢測。Liou等[44]利用吸附在纖維素納米纖維上的納米銀SERS襯底檢測蘋果中的噻苯達(dá)唑，最低檢測濃度為0.000 5%，低于水果最大耐受含量0.001%。Jian等[45]對雞體內(nèi)丙酸睪酮和去甲睪酮2種雄激素進(jìn)行快速篩選，利用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)對4組雞樣本（對照組、丙酸睪酮、去甲睪酮、丙酸睪酮和去甲睪酮聯(lián)合組）進(jìn)行分類，準(zhǔn)確性達(dá)96.9%。

3.4 食品添加劑

違規(guī)添加和濫用食品添加劑是制約食品安全的主要問題之一，嚴(yán)重威脅食品安全，是亟須需要解決的問題。倪偉全等[46]利用便攜式拉曼光譜儀可簡單、準(zhǔn)確檢測出辣椒粉、辣椒油、豆瓣醬中的違禁添加劑羅丹明B。雷皓宇等[47]利用拉曼光譜技術(shù)可對奶粉中的三聚氰胺或二聚氰胺進(jìn)行定性檢出及定量分析。天然著色劑和人工著色劑感官差異不明顯，鑒別需要根據(jù)其化學(xué)成分信息。Gukowsky等[48]利用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)對人工和天然著色劑進(jìn)行鑒別，方法能夠快速、高效地鑒別人工和天然著色劑。Ai等[49]利用表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）快速定性和定量檢測檸檬黃、日落黃和酸性紅等食品著色劑，是一種實(shí)用的食品著色劑痕量檢測方法。

3.5 有害成分檢測

吳正宗[50]采用拉曼光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對黃酒中痕量水平的2種關(guān)鍵有害化學(xué)組分（氨基甲酸乙酯和組胺）和黃酒中存在的致病菌建立超靈敏的檢測方法。Wu等[51]利用拉曼光譜技術(shù)結(jié)合電子束斜角沉積制備出銀納米棒基底，獲得不同濃度黃曲霉毒素B1、B2、G1、G2的SERS光譜圖。Lee等[52]利用拉曼光譜儀對接種過黃曲霉毒素的玉米進(jìn)行分析得到拉曼光譜，為黃曲霉毒素的快速檢測提供依據(jù)。Yuan等[53]利用表面增強(qiáng)拉曼散射快速檢測農(nóng)產(chǎn)品中霉菌毒素脫氧雪腐鐮刀菌烯醇。Fu等[54]采用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)對無標(biāo)簽食用油中苯并吡進(jìn)行定性、定量分析，該技術(shù)避免油樣的復(fù)雜預(yù)處理，快速，靈敏度高。

4 結(jié)語與展望

在食品檢測領(lǐng)域中，拉曼光譜無損檢測的特點(diǎn)使其被廣泛應(yīng)用于食品成分分析、原料質(zhì)量、農(nóng)藥留檢測、超標(biāo)微生物、摻假食品及有毒物質(zhì)的檢測等方面。拉曼光譜屬于無損檢測，具有不需要制備樣品，不受水分子干擾，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，儀器輕便等優(yōu)勢。隨著拉曼技術(shù)的發(fā)展，檢測對象和檢測指標(biāo)將會(huì)更廣泛；拉曼光譜技術(shù)不僅需要加強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)研究開發(fā)，需進(jìn)一步結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)，在光譜預(yù)處理和建立數(shù)學(xué)模型等方面進(jìn)行深入探討；小型化、操作簡便、受環(huán)境干擾影響小、模型穩(wěn)定精度高、低成本的便攜式拉曼光譜分析儀將是儀器研發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)。拉曼光譜技術(shù)作為一種先進(jìn)的檢測技術(shù)和分析手段，更好造福于人類健康、食品安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)。