傅立葉變換中紅外光譜在食品快速分析與檢測(cè)中的應(yīng)用

O 王會(huì) 白靜（河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 河南 450000）

傅立葉變換中紅外光譜在食品快速分析與檢測(cè)中的應(yīng)用

O 王會(huì) 白靜
（河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 河南 450000）

近年來，隨著人們生活水平的提高與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)食品的要求也越來越高，食品安全與質(zhì)量成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問題，不僅影響人類健康也在一定程度上影響社會(huì)發(fā)展。傅立葉變換中的紅外光譜因其屬于無(wú)損且快速檢測(cè)技術(shù)而得到廣泛應(yīng)用，在食品工業(yè)中紅外光譜的應(yīng)用范圍與頻率越來越大。因此，本文主要闡述了傅立葉變換中的紅外光譜原理、數(shù)據(jù)處理方法以及實(shí)際應(yīng)用，并對(duì)傅立葉變換中的紅外光譜在實(shí)際應(yīng)用中的不足與缺陷進(jìn)行分析。

食品快速分析與檢測(cè)；傅立葉變換中紅外光譜；紅外光譜

在食品中其主要的成分包括碳水化合物、水、脂肪以及蛋白質(zhì)等，在紅外線區(qū)域范圍內(nèi)這些成分均有吸收光譜，但由于在高含水量的樣品中難以檢測(cè)出低于0．1g/100g的成分，因而檢測(cè)出的均為主要成分。食品中所具有的不均勻特性在一定程度上影響了傳統(tǒng)光譜的使用范圍，而紅外光譜在實(shí)際應(yīng)用的過程中能夠反映出樣品的結(jié)構(gòu)與組成部分。若為相同樣品則在檢測(cè)的過程中具有相同光譜，若樣品存在差異，則紅外光譜也不同。因此，在食品檢測(cè)中采用紅外光譜分析技術(shù)能夠確保食品質(zhì)量的一致性，從而更好地確保食品在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量與安全。

1.傅立葉變換中紅外光譜原理與特征

紅外光譜主要包括近紅外、中紅外與遠(yuǎn)紅外三個(gè)區(qū)域，其中近紅外區(qū)域范圍在4000-14000cm-1之間，中紅外區(qū)域范圍在4000-14000cm-1之間，遠(yuǎn)紅外區(qū)域范圍在4000-14000cm-1之間。在食品檢測(cè)的過程中，大部分有機(jī)化合物基團(tuán)振動(dòng)頻率處于中紅外區(qū)域范圍內(nèi)，比如酯中單鍵區(qū)域范圍在700-1500cm-1之間，雙鍵區(qū)域范圍在1500-1800cm-1之間，淀粉O–H伸縮振動(dòng)吸收帶的區(qū)域范圍在3200-3600cm-1之間。所以在臨床上紅外光譜對(duì)于物質(zhì)的研究最為廣泛，積累了許多的研究資料。

根據(jù)傅立葉變換基本原理而形成的傅立葉變換中紅外光譜技術(shù)，主要是利用邁克遜干涉儀按照一定速度變化復(fù)色紅外光將兩束光程差進(jìn)行相互干涉，從而形成干涉光，再與食品樣品形成作用。干涉信號(hào)被檢測(cè)器收集到后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅立葉變換，然后將干涉圖還原成光譜圖。此種紅外光譜技術(shù)在應(yīng)用的過程中具有以下5個(gè)特點(diǎn)：(1)具有高的信噪比。FTMIR在實(shí)際檢測(cè)的過程中具有多路傳輸與高光通量的特點(diǎn)，但由于在檢測(cè)中缺乏棱鏡或者光柵等分光器，因而會(huì)在一定程度上降低光損耗，并且通過干涉來對(duì)光信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，從而能夠增強(qiáng)到達(dá)檢測(cè)器的輻射強(qiáng)度。(2)具有高的分辨率。全光譜分辨率可以達(dá)到0．1cm–1，甚至能夠達(dá)到0．001cm–1。(3)掃描速度快。在食品檢測(cè)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集進(jìn)行的平均處理后得到的光譜，并且采集一次數(shù)據(jù)速度快，僅需要數(shù)秒。(4)具有好的重現(xiàn)性。He–Ne激光器監(jiān)控干涉儀的穩(wěn)定度與運(yùn)動(dòng)速度，具有較好的重現(xiàn)性，重復(fù)性可達(dá)0．001cm–1。(5)能夠擴(kuò)展更多附件。

2.食品檢測(cè)中的應(yīng)用狀況

(1)油脂類檢測(cè)

相關(guān)研究資料表明，對(duì)膳食補(bǔ)充劑中的大豆油與卵磷脂含量采用傅立葉中紅外光譜結(jié)合最小偏二乘法進(jìn)行檢測(cè)，可以得出卵磷脂與大豆油相關(guān)系數(shù)波段分別在932．1-1251．8cm–1之間、911．5-1245．0cm–1與1．700．1-1773．8cm–1之間，在加樣回收率驗(yàn)證過程中，卵磷脂與大豆油相對(duì)偏差在0．08-0．8%之間。有相關(guān)學(xué)者對(duì)10種不同的油脂采用傅立葉中紅外光譜并集合化學(xué)計(jì)量法進(jìn)行鑒別的過程中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有較為明顯的油脂光譜吸收特征，并且在中紅外光譜中的鑒別基礎(chǔ)為不飽和雙鍵。對(duì)分析與處理光譜選用典型變量分析與線性鑒別方法，表明此種鑒別方法的準(zhǔn)確度較高，準(zhǔn)確度在98%左右。在對(duì)菜籽油中的磷脂進(jìn)行檢測(cè)的過程中，采用中紅外光譜結(jié)合PLS回歸分析定量的方法，中紅外光譜波段在862-1759cm-1之間，加樣回收率在96．2-101．8%之間，標(biāo)準(zhǔn)誤差在0．24-0．72%之間。在橄欖油中加入葵花籽油、菜籽油以及棉籽油進(jìn)行鑒別中，采用傅立葉中紅外光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量法，建立模型中兩個(gè)波段分別為2521-3619cm-1與676-1874．8cm-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于橄欖油中的摻假檢測(cè)限可以達(dá)到5%左右。其中葵花籽油摻假檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差為1．5%、菜籽油摻假檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差為1．03%以及棉籽油摻假檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤差為1．33%。在橄欖油中加入榛子油、芥菜籽油以及葵花籽油進(jìn)行鑒別中，采用傅立葉中紅外光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量法，建立模型中兩個(gè)波段分別為3806．4-2839．8cm-1與1877．2-1104．8cm-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)方法LOD和LOQ分別0．001-0．015和0．004-0．047之間。

(2)肉蛋奶類檢測(cè)

相關(guān)研究人員對(duì)瑞士Gruyere PDO與L'Etivaz PDO奶酪采用傅立葉變換中紅外光譜進(jìn)行鑒別，中紅外光譜波段處于2801-2998cm-1與901-1498cm-1之間，Gruyere PDO奶酪誤判率為9．5%，Gruyere PDO奶酪的誤判率為9．1%。從春季、夏季與冬季分別采收奶油提取黃油，采用傅立葉變換中紅外光譜結(jié)合主成分分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)與分析，能夠成功地判別出，準(zhǔn)確率百分之百。從豬或者牛（明膠溯源）采用傅立葉變換紅外光譜進(jìn)行研究，數(shù)據(jù)源波段為3282-3289cm-1與1202-1598cm-1。研究結(jié)果表明此種方法能夠快速且準(zhǔn)確地鑒別出不同來源的明膠。在不同溫度并且有氧儲(chǔ)蓄的條件下，肉的生化指標(biāo)變化與紅外光譜之間的關(guān)聯(lián)性建立一個(gè)PLS模型，主要目的在于評(píng)定肉的新鮮度，鑒別的準(zhǔn)確率在86．9-90．0%之間。同時(shí)，在對(duì)豬肉采用微生物檢測(cè)中，建立模型的波段為1802-900cm-1之間，檢測(cè)結(jié)果表明，矯正誤差為0．596-0．841之間，預(yù)測(cè)誤差為0．675-0．803之間。

(3)飲料及酒類檢測(cè)

對(duì)釀造的三種葡萄采用傅立葉變換中紅外光譜進(jìn)行鑒別的過程中，對(duì)酒中的酚類物質(zhì)進(jìn)行提取采用C18小柱，并且指紋分析區(qū)處于1800-1900cm-1紅外光譜，檢測(cè)結(jié)果表明此種方法的鑒別正確率在80%以上。對(duì)茶葉中的茶多酚含量進(jìn)行測(cè)定的過程中，采用傅立葉變換中紅外光譜結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析。采集光譜的波段處于1802-1298cm-1之間，參照對(duì)象選取液相色譜測(cè)定結(jié)果，兩種方法的檢測(cè)結(jié)果平均值差為0．08%，變異系數(shù)差為0．04%。采用漫反射對(duì)咖啡豆品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的過程中，利用傅立葉變換中紅外光譜結(jié)合全衰減光反射鑒定過程中。分析結(jié)果表明，在中紅外光譜上，未成熟、有酸味以及發(fā)黑的咖啡豆與品質(zhì)優(yōu)良的咖啡豆均存在一定的差異，此種檢測(cè)方法能夠?qū)⑵溥M(jìn)行區(qū)分，具有較高的準(zhǔn)確率，準(zhǔn)確率在94%以上。

3.討論

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)食品的要求也越來越高，食品安全與質(zhì)量成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問題，不僅影響人類健康也在一定程度上影響社會(huì)發(fā)展。傅立葉變換中紅外光譜在食品快速分析與檢測(cè)中屬于一種無(wú)損且快速的技術(shù)，能夠很好地應(yīng)用于食品質(zhì)量控制中。食品屬于一個(gè)復(fù)雜的體系，在食品檢測(cè)的過程中飽含許多干擾因素，其中傅立葉變換中的紅外光譜因其屬于無(wú)損且快速檢測(cè)技術(shù)而得到廣泛應(yīng)用，在食品工業(yè)中紅外光譜的應(yīng)用范圍與頻率越來越大。紅外光譜在實(shí)際應(yīng)用的過程中能夠揭示出分子化學(xué)鍵的信息，因而能夠適于大量復(fù)雜分子體系的分析中。除此之外，中紅外光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)，能夠分析物質(zhì)定性與定量。目前，傅立葉變換中紅外光譜在食品研究中的應(yīng)用范圍還需要進(jìn)一步拓寬，比如可以建立對(duì)食品貨架期的預(yù)測(cè)。根據(jù)相關(guān)的臨床研究資料表明，傅立葉變換中紅外光譜在實(shí)際應(yīng)用中存在的缺陷和不足包括：①在建立檢測(cè)模型的過程中缺乏一個(gè)完善的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；②采用此種方式進(jìn)行檢測(cè)的過程中對(duì)環(huán)境濕度的要求較為嚴(yán)格，并且食品樣品以及溴化鉀等在檢測(cè)的過程中需要將水分去除。因而使得此種方法在室外以及在線測(cè)定均存在一定阻礙與限制。

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Application of Mid-infrared Spectrum in Food Rapid Analysis and Detection

Wang Hui, Bai Jing
（He’nan College of Applied Technology, Henan, 450000）

In recent years , with the improvement of people's living standard and the science and technology development, people has a more higher requirement for food, and food safety and quality has become the problem that we focus on, it not only affect human health in a certain exten t, also affect social development.The mid-infrared spectrum is widely used because it belongs to the nondestructive and rapid detection technology, besides, it has a wide application range and frequency in food industry. Therefore, this article mainly expounds the principle, data processing method and practical application of mid-infrared spectrum, furthermore, it takes analysis of the defi ciencies and defects of mid-infrared spectrum in the practical application.

food rapid analysis and detection；mid-infrared spectrum；infrared spectroscopy

T

A

王會(huì)（1970～），女，河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，研究方向：糧油食品分析檢驗(yàn)技術(shù)。