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拉曼光譜快檢技術:食品安全檢測的快速有效方法

更新時間:2018-10-11      點擊次數:3764

隨著我們生活水平的日益提高,對食品安全的檢測技術也是日新月異。要把好食品安全關,檢測檢驗是至關重要的環節。傳統的實驗室檢測,需要切片、細菌培養等諸多環節,時間長、花費大、效率低,在很多方面顯得心有余而力不足,現在利用拉曼光譜的特性發展起來的快速檢測技術,可以在幾分鐘內快速測出瓜果蔬菜上的生長激素、殘留農藥,保障“舌尖上的安全”。這一技術在之前的“三聚氰胺”事件中也已經得到有效驗證。

反映分子結構特性的拉曼光譜

一束光,經過棱鏡的折射,可以看到赤橙黃綠青藍紫;在大自然里,光線可以通過光柵分離,分成一道道光譜。拉曼光譜就是其中的一種。拉曼光譜是1928年在印度物理學家拉曼發現了光的拉曼散射效應的基礎上發展起來的一種分子振動光譜,拉曼散射譜線與入射光波長無關,只和樣品的振動轉動能級有關,因此拉曼光譜的一個特點就是能夠反映分子結構的特性。拉曼光譜的能量很微弱,但卻非常敏感,特異性強,因此特別適合進行快速篩查檢測。申貝儀器自開始做激光快檢領域的光譜研究,在拉曼光譜領域已擁有十余年的研發經驗,先后在國內多項重大課題專項中獲得**實施與應用。

與傳統方法相比,拉曼光譜檢測技術擁有諸多優點:提供直接無損的半定量、定性分析;樣品用量較少,可避免產生誤差;由于水的拉曼散射很微弱,更適用于水溶液測定;操作方便,測定時間短,靈敏度高,譜峰尖銳,可明顯表征特定分子的結構。

回溯當年的“三聚氰胺”事件,當時國內監測奶粉是否合格的一項重要指標就是蛋白質,具體就用氮元素含量來體現,這給了一些不法商家可乘之機,他們在普通奶粉里摻加根本不能被嬰兒吸收的三聚氰胺,大幅提高氮含量。事件被曝光后,國家相關部門開始緊急篩查各批次奶是否含有三聚氰胺,按照標準,篩查采用液相色譜、質譜聯用的辦法。這種檢測設備一套價值百萬元,檢測一個樣品花費千元以上,耗時近3個小時,嚴重影響了市場上奶制品供應的時效性。而采用便攜式拉曼光譜儀,每個樣品檢測時間只需3分鐘,并且準確無誤。

拉曼光譜分析技術在食品成分快速檢測中的應用

食品的主要成分為蛋白質、脂質、碳水化合物、水和微量元素等。常規分析蛋白質的方法如液相色譜法、X射線衍射法、質譜法和分光光度法等,都存在操作繁瑣,處理樣品復雜,樣品被破壞的缺點。拉曼光譜分析技術能克服這些缺點,是測定固體和液體樣品結構信息的有效方法之一。在對食品主要成分的結構與功能特性的變化測定上,拉曼光譜技術比傳統化學方法具有更強的優勢。通過拉曼譜圖不僅可以定性分析被測物質所含成分的化學結構和化學鍵的變化,還可以定量檢測食品某些成分的含量。

對蛋白質的分析檢測

蛋白質作為大部分食品屮的主要原料成分,是衡量食品品質、營養價值的重要指標之一。蛋白質為人體提供所必需的能量和氨基酸。不同食品中的蛋內質功能取決于多樣化的蛋白質結構,而有關結構與功能的研究很早就受到關注。根據結構與功能的關系,人們研究改善蛋白質特性的改性方法,以達到合理利用蛋白質功能特性優化加工條件的目的。目前拉曼光譜技術已被應用于研究食品蛋白質,它可以鑒定化學鍵變化以及肉類加工中的蛋內結構。

通過分析蛋白質拉曼譜圖的特征峰位置、譜峰強度和譜峰面積,不但可以得到蛋白質分子的振動倍息、化學結構、化學鍵變化,還可以得到有側鏈微環境的化學信息及其受各種理化因素如pH、溫度等影響的信息。

蛋白質變性的實質就是在某些物理和化學因素作用下,蛋白質的二級結構和三級結構有了改變或遭到破壞,分子內部結構和性質發生改變,生物活性也會發生變化。利用拉曼光譜法能夠得知蛋白質主鏈構象和側鏈構象及其存在形式隨其微環境而變的情況。

通過拉曼技術能夠從分子水平較深入地研究蛋白質構象或構型的變化以及它們相互作用的過程,有助于人們探討生產加工的工藝參數對生物大分子結構及其功能的影響,進一步為研究食品蛋白質的營養功能機理提供可靠的依據。

人們在研究蛋白質分子的成分和結構之后,進一步尋找結構與功能之間的關系。蛋白質的功能性質是指在食品體系中的蛋白質在加工、貯藏、生產和消費期間所體現的物理和化學性質,如凝膠性、乳化作用等。在物理化學方法處理后蛋白質結構發生何種變化及其與功能特性發生變化存在何種關系,是蛋白質變性研究的難點。

蛋白質的凝膠作用與二硫鍵的變化密切相關。二硫鍵能夠將相隔較遠的2個肽段連在一起,使蛋白質空間結構更為緊密,對于蛋白質三級結構的穩定起著重要作用。采用激光拉曼觀察二硫鍵的拉曼光譜,發現生魚糜中二硫鍵的特征頻率譜帶很弱,凝膠化后變強,表明此時魚糜蛋白中的活性巰基氧化形成二硫鍵,使結構更緊湊。以豬肉肌原纖維蛋白為原料,用拉曼光譜研究加熱溫度、離子強度等因素對肌原纖維蛋白凝膠功能特性及蛋白質生化特性的影響,分析了蛋白質結構與功能之間的相關關系,為優化加工工藝藝條件,改善凝膠肉制品品質提供了理論依據。

對脂質的分析檢測

在油脂產業,傳統化學方法和氣相色譜法通常用來量化脂肪酸的順反異構體和不飽和度。一些現代檢測分析手段,如粉末衍射、X-射線和差示掃描量熱法可以提供甘油三酯和甘油二酯的信息。隨著拉曼檢測技術的發展,拉曼技術可以檢測到植物油的脂肪酸組成,含油量和動物脂肪的結構,可以作為油脂質量控制的快速篩選方法。用拉曼光譜分析玉米種子不同部位的成分,發現不同部位脂類的特征吸收峰的相對強弱是不同的,其中胚乳中吸收峰強度強,表明胚乳中脂類占主導。通過拉曼光譜能夠監測脂質單分子的結構變化,亞油酸在自氧化過程中,拉曼光譜的譜型和峰強都有變化,就可以反映到分子內部的結構變化。

對碳水化合物的分析檢測

碳水化合物是大分子結構,有許多同分異構體,分析起來相對困難。碳水化合物的拉曼光譜較明確,能提供準確的結構信息。尤其C=N、C=S、C-C、S-H等基團的拉曼光譜比較明顯。隨著拉曼光譜技術的發展及糖化學研究的深入,拉曼光譜已成為分析糖結構的重要手段。

應用激光拉曼光譜儀獲取臍橙拉曼譜線,通過對拉曼譜線處理與分析得到預測臍橙果肉糖度的譜線特征值,并作為檢測臍橙內部品質的指標。通過拉曼光譜對纖維低聚糖配糖鍵構象的分析,有助于更詳細地了解纖維低聚糖的三維結構。通過拉曼光譜可測定聚糖單元糖基的環振動情況,相比紅外光譜,有較強的特征吸收。應用便攜式拉曼光譜儀結合化學計量學技術,建立了濃縮蘋果汁摻入梨汁的快速檢測方法。其發現蘋果汁和梨汁在波長866cm-1和1126cm-1處的拉曼光譜有微小差別,這是由于蘋果汁和梨汁中果糖異構體含量不同所致。

對微量成分的分析檢測

利用拉曼光譜技術可以提供完整的維生素分子結構信息,并對其結構做進一步的描述和表征。根據維生素C的傅里葉拉曼光譜,可以對它的拉曼特征譜帶進行初步的指認和歸屬;結合PH值的變化探討吸附作用的特點和規律。采用拉曼光譜方法可以對TLC分離出的8種水溶性維生素(VB1,VB2,VB3,VB4,VB5,VB6,VB9,VE13,VC)進行確認。

對色素的拉曼光譜研究主要集中在類胡蘿卜素方面。將高壓條件和拉曼光譜技術相結合,實現了高壓條件下的拉曼光譜測量。其重點研究了直鏈狀類胡蘿卜素在正己烷溶劑中的高壓拉曼光譜特性。利用拉曼鑷子對紅酵母合成類胡蘿卜素進行分析,提供紅酵母細胞類胡蘿卜素的含量信息,是實時檢測紅酵母細胞類胡蘿卜素合成和優化發酵培養基的有效工具。

在核酸方面,拉曼光譜主要是針對DNA結構及不同因素與其相互作用機理研究。研究核酸的激光拉曼光譜與其結構及生化功能的關系,確認應用激光拉曼光譜研究核酸,具有信息量大、髙靈敏度及高分辨能力的特點。

目前從國家到地方,對于食品安全都是越來越重視,各種正規食品、蔬菜、水果從產地到超市、市場,監管是很嚴格的。加上近幾年儀器和檢測方法的提高,解決了很多問題,如分辨率靈敏度低,熒光干擾,分析速度較慢等。隨著拉曼光譜技術的發展,拉曼光譜已具備更廣泛的激發光源,包括近紅外、可見光和紫外光、共振拉曼、傅里葉轉換;化學計量學解決了多變量分析的問題;納米科技的發展,開拓了拉曼光譜技術新的發展方向。目前,“火眼金睛”的拉曼光譜檢測技術,在食品工業領域中得到越來越多的應用,在食品安全檢測、食物蛋白的研究以及食品加工監控等方面,不僅能夠判別食品的真偽、摻雜情況,而且能對食品進行分級,甚至可以檢測出食品中可能存在的微量有害物質以及食品的變質情況,比如果蔬農藥的殘留,肉類產品、真偽產品鑒定。此外,將拉曼光譜應用于食品加工生產線,可望實現實時監控。

拉曼光譜技術必將成為造福于整個國民經濟的現代化技術,作為普通消費者也能日益享受到新科技為我們生活帶來的各種便利和保障,開啟吃貨的“幸福時光”。

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