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(lái)，中國(guó)食品安全問(wèn)題層出不窮，食品安全快速無(wú)損檢測(cè)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(guò)分析被測(cè)試食品中的分子結(jié)構(gòu)，對(duì)食品進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，具有樣品處理簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、高效、重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)[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(duì)拉曼光譜在食品成分檢測(cè)、食品真?zhèn)魏蛽郊贆z測(cè)檢測(cè)、農(nóng)藥殘留檢測(cè)、食品添加劑及毒素檢測(cè)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(cè)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(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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(cè)樣品用量少，且無(wú)需處理，可用于痕量物質(zhì)的檢測(cè)；測(cè)定方法簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快，儀器操作簡(jiǎn)單，靈敏度高；檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)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(cè)定；檢測(cè)過(guò)程無(wú)需化學(xué)試劑輔助，注重環(huán)保，不會(huì)對(duì)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(cè)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(cè)的拉曼活性分子散射信號(hào)增強(qiáng)104～106倍[11]。SERS探測(cè)異常靈敏，不受被測(cè)物形態(tài)影響，能直接分析水相樣品，基本無(wú)需樣品前處理過(guò)程，不需要與被測(cè)物直接接觸，不會(huì)污染到食品，可以做到不對(duì)某些食品開(kāi)封就能進(jìn)行檢測(cè)，能滿足戶外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(zhǎng)1 064 nm的激光照射樣品可以消除熒光干擾，通過(guò)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行收集，運(yùn)用傅里葉變換技術(shù)得到拉曼光譜對(duì)樣品進(jìn)行分析，此技術(shù)檢測(cè)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(duì)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(cè)[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(guò)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(cè)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(cè)中的應(yīng)用

拉曼光譜技術(shù)在食品成分檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(guò)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)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(guò)分析豬肉在不同的冷凍-解凍處理過(guò)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(guò)拉曼光譜技術(shù)檢測(cè)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(duì)蛋白分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)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(jí)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(cè)油脂中脂肪酸組成及含量、順?lè)唇Y(jié)構(gòu)和不飽和度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脂類的快速檢測(cè)和識(shí)別，具有無(wú)損、靈敏度高、快速等優(yōu)點(diǎn)[26]。通過(guò)拉曼光譜能夠監(jiān)測(cè)脂質(zhì)單分子的結(jié)構(gòu)變化，亞油酸在自氧化過(guò)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(cè)孢子油中氧化酸敗過(guò)程中不飽和雙鍵特征峰的變化規(guī)律，確立快速檢測(cè)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(cè)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(cè)定維生素C質(zhì)量濃度。拉曼光譜對(duì)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(duì)枇杷內(nèi)β-胡蘿卜素的含量進(jìn)行檢測(cè)，此技術(shù)操作簡(jiǎn)單、分析快速、預(yù)測(cè)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(cè)谷物中維生素B2和B12。Hara等[33]采用拉曼光譜法對(duì)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(duì)類胡蘿卜素進(jìn)行定量分析最合適的激發(fā)波長(zhǎng)。Wang等[34]采用拉曼顯微鏡來(lái)量化乳液輸送系統(tǒng)中α-生育酚，并觀測(cè)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(cè)

食品摻假是一個(gè)世界性的問(wèn)題，摻假食品不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生不利影響，甚至危害生命[35]。黎遠(yuǎn)鵬[36]通過(guò)對(duì)合格植物油及劣質(zhì)食用油的拉曼光譜進(jìn)行檢測(cè)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(lái)大米市場(chǎng)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(duì)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(duì)地域相近大米產(chǎn)地和品種無(wú)損檢測(cè)分類難的問(wèn)題，研究單籽粒大米產(chǎn)地、品種檢測(cè)方法，預(yù)防大米摻假。Zhang等[38]利用拉曼光譜技術(shù)對(duì)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(shí)別椰子汁中糖含量的微小異常。

3.3 藥物殘留檢測(cè)

魏曉暉[41]應(yīng)用拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)對(duì)蘋果和梨表面殘留敵百蟲農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)，檢出限分別為480和48 mg/kg。王海陽(yáng)等[42]利用共焦顯微拉曼光譜儀檢測(cè)臍橙上亞胺硫磷和樂(lè)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(duì)西瓜內(nèi)部殺螟硫磷農(nóng)藥殘留量的定性定量檢測(cè)。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(cè)蘋果中的噻苯達(dá)唑，最低檢測(cè)濃度為0.000 5%，低于水果最大耐受含量0.001%。Jian等[45]對(duì)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(duì)4組雞樣本（對(duì)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(wèn)題之一，嚴(yán)重威脅食品安全，是亟須需要解決的問(wèn)題。倪偉全等[46]利用便攜式拉曼光譜儀可簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確檢測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)方法。

3.5 有害成分檢測(cè)

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(duì)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(cè)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(duì)接種過(guò)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(cè)提供依據(jù)。Yuan等[53]利用表面增強(qiáng)拉曼散射快速檢測(cè)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(duì)無(wú)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(yǔ)與展望

在食品檢測(cè)領(lǐng)域中，拉曼光譜無(wú)損檢測(cè)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(cè)、超標(biāo)微生物、摻假食品及有毒物質(zhì)的檢測(cè)等方面。拉曼光譜屬于無(wú)損檢測(cè)，具有不需要制備樣品，不受水分子干擾，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，儀器輕便等優(yōu)勢(shì)。隨著拉曼技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)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(kāi)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(jiǎn)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(cè)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)。