拉曼光譜快檢技術(shù)：食品安全檢測(cè)的快速有效方法

隨著我們生活水平的日益提高，對(duì)食品安全的檢測(cè)技術(shù)也是日新月異。要把好食品安全關(guān)，檢測(cè)檢驗(yàn)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，需要切片、細(xì)菌培養(yǎng)等諸多環(huán)節(jié)，時(shí)間長(zhǎng)、花費(fèi)大、效率低，在很多方面顯得心有余而力不足，現(xiàn)在利用拉曼光譜的特性發(fā)展起來(lái)的快速檢測(cè)技術(shù)，可以在幾分鐘內(nèi)快速測(cè)出瓜果蔬菜上的生長(zhǎng)激素、殘留農(nóng)藥，保障“舌尖上的安全”。這一技術(shù)在之前的“三聚氰胺”事件中也已經(jīng)得到有效驗(yàn)證。

反映分子結(jié)構(gòu)特性的拉曼光譜

一束光，經(jīng)過(guò)棱鏡的折射，可以看到赤橙黃綠青藍(lán)紫；在大自然里，光線可以通過(guò)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(xué)家拉曼發(fā)現(xiàn)了光的拉曼散射效應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種分子振動(dòng)光譜，拉曼散射譜線與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只和樣品的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)，因此拉曼光譜的一個(gè)特點(diǎn)就是能夠反映分子結(jié)構(gòu)的特性。拉曼光譜的能量很微弱，但卻非常敏感，特異性強(qiáng)，因此特別適合進(jìn)行快速篩查檢測(cè)。申貝儀器自開始做激光快檢領(lǐng)域的光譜研究，在拉曼光譜領(lǐng)域已擁有十余年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，先后在國(guó)內(nèi)多項(xiàng)重大課題專項(xiàng)中獲得**實(shí)施與應(yīng)用。

與傳統(tǒng)方法相比，拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)：提供直接無(wú)損的半定量、定性分析；樣品用量較少，可避免產(chǎn)生誤差；由于水的拉曼散射很微弱，更適用于水溶液測(cè)定；操作方便，測(cè)定時(shí)間短，靈敏度高，譜峰尖銳，可明顯表征特定分子的結(jié)構(gòu)。

回溯當(dāng)年的“三聚氰胺”事件，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)奶粉是否合格的一項(xiàng)重要指標(biāo)就是蛋白質(zhì)，具體就用氮元素含量來(lái)體現(xiàn)，這給了一些不法商家可乘之機(jī)，他們?cè)谄胀谭劾飺郊痈静荒鼙粙雰何盏娜矍璋?，大幅提高氮含量。事件被曝光后，?guó)家相關(guān)部門開始緊急篩查各批次奶是否含有三聚氰胺，按照標(biāo)準(zhǔn)，篩查采用液相色譜、質(zhì)譜聯(lián)用的辦法。這種檢測(cè)設(shè)備一套價(jià)值百萬(wàn)元，檢測(cè)一個(gè)樣品花費(fèi)千元以上，耗時(shí)近3個(gè)小時(shí)，嚴(yán)重影響了市場(chǎng)上奶制品供應(yīng)的時(shí)效性。而采用便攜式拉曼光譜儀，每個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)間只需3分鐘，并且準(zhǔn)確無(wú)誤。

拉曼光譜分析技術(shù)在食品成分快速檢測(cè)中的應(yīng)用

食品的主要成分為蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、碳水化合物、水和微量元素等。常規(guī)分析蛋白質(zhì)的方法如液相色譜法、X射線衍射法、質(zhì)譜法和分光光度法等，都存在操作繁瑣，處理樣品復(fù)雜，樣品被破壞的缺點(diǎn)。拉曼光譜分析技術(shù)能克服這些缺點(diǎn)，是測(cè)定固體和液體樣品結(jié)構(gòu)信息的有效方法之一。在對(duì)食品主要成分的結(jié)構(gòu)與功能特性的變化測(cè)定上，拉曼光譜技術(shù)比傳統(tǒng)化學(xué)方法具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)拉曼譜圖不僅可以定性分析被測(cè)物質(zhì)所含成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的變化，還可以定量檢測(cè)食品某些成分的含量。

對(duì)蛋白質(zhì)的分析檢測(cè)

蛋白質(zhì)作為大部分食品屮的主要原料成分，是衡量食品品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)之一。蛋白質(zhì)為人體提供所必需的能量和氨基酸。不同食品中的蛋內(nèi)質(zhì)功能取決于多樣化的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，而有關(guān)結(jié)構(gòu)與功能的研究很早就受到關(guān)注。根據(jù)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，人們研究改善蛋白質(zhì)特性的改性方法，以達(dá)到合理利用蛋白質(zhì)功能特性優(yōu)化加工條件的目的。目前拉曼光譜技術(shù)已被應(yīng)用于研究食品蛋白質(zhì)，它可以鑒定化學(xué)鍵變化以及肉類加工中的蛋內(nèi)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)分析蛋白質(zhì)拉曼譜圖的特征峰位置、譜峰強(qiáng)度和譜峰面積，不但可以得到蛋白質(zhì)分子的振動(dòng)倍息、化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵變化，還可以得到有側(cè)鏈微環(huán)境的化學(xué)信息及其受各種理化因素如pH、溫度等影響的信息。

蛋白質(zhì)變性的實(shí)質(zhì)就是在某些物理和化學(xué)因素作用下，蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)有了改變或遭到破壞，分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生改變，生物活性也會(huì)發(fā)生變化。利用拉曼光譜法能夠得知蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象及其存在形式隨其微環(huán)境而變的情況。

通過(guò)拉曼技術(shù)能夠從分子水平較深入地研究蛋白質(zhì)構(gòu)象或構(gòu)型的變化以及它們相互作用的過(guò)程，有助于人們探討生產(chǎn)加工的工藝參數(shù)對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)及其功能的影響，進(jìn)一步為研究食品蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)功能機(jī)理提供可靠的依據(jù)。

人們?cè)谘芯康鞍踪|(zhì)分子的成分和結(jié)構(gòu)之后，進(jìn)一步尋找結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)是指在食品體系中的蛋白質(zhì)在加工、貯藏、生產(chǎn)和消費(fèi)期間所體現(xiàn)的物理和化學(xué)性質(zhì)，如凝膠性、乳化作用等。在物理化學(xué)方法處理后蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生何種變化及其與功能特性發(fā)生變化存在何種關(guān)系，是蛋白質(zhì)變性研究的難點(diǎn)。

蛋白質(zhì)的凝膠作用與二硫鍵的變化密切相關(guān)。二硫鍵能夠?qū)⑾喔糨^遠(yuǎn)的2個(gè)肽段連在一起，使蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)更為緊密，對(duì)于蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起著重要作用。采用激光拉曼觀察二硫鍵的拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)生魚糜中二硫鍵的特征頻率譜帶很弱，凝膠化后變強(qiáng)，表明此時(shí)魚糜蛋白中的活性巰基氧化形成二硫鍵，使結(jié)構(gòu)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(qiáng)度等因素對(duì)肌原纖維蛋白凝膠功能特性及蛋白質(zhì)生化特性的影響，分析了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間的相關(guān)關(guān)系，為優(yōu)化加工工藝藝條件，改善凝膠肉制品品質(zhì)提供了理論依據(jù)。

對(duì)脂質(zhì)的分析檢測(cè)

在油脂產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)化學(xué)方法和氣相色譜法通常用來(lái)量化脂肪酸的順?lè)串悩?gòu)體和不飽和度。一些現(xiàn)代檢測(cè)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(cè)技術(shù)的發(fā)展，拉曼技術(shù)可以檢測(cè)到植物油的脂肪酸組成，含油量和動(dòng)物脂肪的結(jié)構(gòu)，可以作為油脂質(zhì)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(fā)現(xiàn)不同部位脂類的特征吸收峰的相對(duì)強(qiáng)弱是不同的，其中胚乳中吸收峰強(qiáng)度強(qiáng)，表明胚乳中脂類占主導(dǎo)。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)都有變化，就可以反映到分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化。

對(duì)碳水化合物的分析檢測(cè)

碳水化合物是大分子結(jié)構(gòu)，有許多同分異構(gòu)體，分析起來(lái)相對(duì)困難。碳水化合物的拉曼光譜較明確，能提供準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)信息。尤其C=N、C=S、C-C、S-H等基團(tuán)的拉曼光譜比較明顯。隨著拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展及糖化學(xué)研究的深入，拉曼光譜已成為分析糖結(jié)構(gòu)的重要手段。

應(yīng)用激光拉曼光譜儀獲取臍橙拉曼譜線，通過(guò)對(duì)拉曼譜線處理與分析得到預(yù)測(cè)臍橙果肉糖度的譜線特征值，并作為檢測(cè)臍橙內(nèi)部品質(zhì)的指標(biāo)。通過(guò)拉曼光譜對(duì)纖維低聚糖配糖鍵構(gòu)象的分析，有助于更詳細(xì)地了解纖維低聚糖的三維結(jié)構(gòu)。通過(guò)拉曼光譜可測(cè)定聚糖單元糖基的環(huán)振動(dòng)情況，相比紅外光譜，有較強(qiáng)的特征吸收。應(yīng)用便攜式拉曼光譜儀結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)，建立了濃縮蘋果汁摻入梨汁的快速檢測(cè)方法。其發(fā)現(xiàn)蘋果汁和梨汁在波長(zhǎng)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(gòu)體含量不同所致。

對(duì)微量成分的分析檢測(cè)

利用拉曼光譜技術(shù)可以提供完整的維生素分子結(jié)構(gòu)信息，并對(duì)其結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的描述和表征。根據(jù)維生素C的傅里葉拉曼光譜，可以對(duì)它的拉曼特征譜帶進(jìn)行初步的指認(rèn)和歸屬；結(jié)合PH值的變化探討吸附作用的特點(diǎn)和規(guī)律。采用拉曼光譜方法可以對(duì)TLC分離出的8種水溶性維生素（VB1，VB2，VB3，VB4，VB5，VB6，VB9，VE13，VC）進(jìn)行確認(rèn)。

對(duì)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(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高壓條件下的拉曼光譜測(cè)量。其重點(diǎn)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(duì)紅酵母合成類胡蘿卜素進(jìn)行分析，提供紅酵母細(xì)胞類胡蘿卜素的含量信息，是實(shí)時(shí)檢測(cè)紅酵母細(xì)胞類胡蘿卜素合成和優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基的有效工具。

在核酸方面，拉曼光譜主要是針對(duì)DNA結(jié)構(gòu)及不同因素與其相互作用機(jī)理研究。研究核酸的激光拉曼光譜與其結(jié)構(gòu)及生化功能的關(guān)系，確認(rèn)應(yīng)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(diǎn)。

目前從國(guó)家到地方，對(duì)于食品安全都是越來(lái)越重視，各種正規(guī)食品、蔬菜、水果從產(chǎn)地到超市、市場(chǎng)，監(jiān)管是很嚴(yán)格的。加上近幾年儀器和檢測(cè)方法的提高，解決了很多問(wèn)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(shù)的發(fā)展，拉曼光譜已具備更廣泛的激發(fā)光源，包括近紅外、可見光和紫外光、共振拉曼、傅里葉轉(zhuǎn)換；化學(xué)計(jì)量學(xué)解決了多變量分析的問(wèn)題；納米科技的發(fā)展，開拓了拉曼光譜技術(shù)新的發(fā)展方向。目前，“火眼金睛”的拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)，在食品工業(yè)領(lǐng)域中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，在食品安全檢測(cè)、食物蛋白的研究以及食品加工監(jiān)控等方面，不僅能夠判別食品的真?zhèn)巍诫s情況，而且能對(duì)食品進(jìn)行分級(jí)，甚至可以檢測(cè)出食品中可能存在的微量有害物質(zhì)以及食品的變質(zhì)情況，比如果蔬農(nóng)藥的殘留，肉類產(chǎn)品、真?zhèn)萎a(chǎn)品鑒定。此外，將拉曼光譜應(yīng)用于食品加工生產(chǎn)線，可望實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

拉曼光譜技術(shù)必將成為造福于整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化技術(shù)，作為普通消費(fèi)者也能日益享受到新科技為我們生活帶來(lái)的各種便利和保障，開啟吃貨的“幸福時(shí)光”。