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    光譜分析技術(shù)在肉類(lèi)產(chǎn)品檢測中的應用

    [2017/3/23]

    前不久，“膠水牛排”成為食品安全熱點(diǎn)問(wèn)題，引發(fā)了公眾擔憂(yōu)�！爸亟M”牛排屬于調理肉制品，允許添加卡拉膠、TG酶等一系列添加劑來(lái)塑形并提升口感，對人體健康沒(méi)有影響，但其內部易出現微生物細菌污染，需要完全烹飪熟透后食用。盡管拼接肉并不違規，但筆者走訪(fǎng)市場(chǎng)發(fā)現，不少“重組肉”在產(chǎn)品包裝上冠以“原切西冷牛排”、“原切菲力牛排”的醒目標簽出售。專(zhuān)家表示，這種重組加工卻標“原切”的方法誤導消費者，涉嫌商業(yè)欺詐，目前國內相關(guān)行業(yè)標準正在積極籌備中。在肉制品中摻雜未標示或虛假標示的肉類(lèi)品種已逐漸成為一個(gè)全球性問(wèn)題。
    　　
    　　目前，許多肉類(lèi)溯源和摻假鑒別技術(shù)涉及生物化學(xué)、免疫學(xué)、分子學(xué)等。如聚合酶鏈式反應（polymerase chainreaction，PCR）作為一種分子學(xué)方法，可在樣品中特異性地鑒別出特定的DNA或RNA。然而這些方法不僅耗時(shí)、耗材，而且需要對樣品進(jìn)行預處理。因此，光譜分析以其快速和簡(jiǎn)單的樣品預處理的特點(diǎn)體現出了極大的優(yōu)勢。近紅外（near-infrared，NIR）、中紅外（mid-infrared，MIR）、紅外（infrared，IR）、傅立葉變換紅外（Fourier-transform infrared，FTIR）、紫外可見(jiàn)吸收（ultravioletevisual，UV-VIS）光譜和拉曼光譜（Raman spectroscopy）均可應用于不同加工肉制品中肉類(lèi)品種的檢測。這些波通過(guò)被食物樣品反射、透射或吸收，產(chǎn)生了能夠反映樣品性狀的特定光譜。應用化學(xué)計量學(xué)對這些復雜的光譜數據進(jìn)行處理，以保持特定光譜的準確性。此外，光譜分析還可用于生鮮肉制品的質(zhì)量分析。
    　　
    　　
    　　光譜分析技術(shù)與肉類(lèi)物種鑒定原理
    　　
    　　1紅外光譜
    　　
    　　由不同肉類(lèi)品種生產(chǎn)的肉制品，其水分、蛋白質(zhì)和脂肪酸的組成也不同，這些不同導致了在特定波長(cháng)下光譜產(chǎn)生差異。其中，O—H、C—H、N—H、C＝O和氫鍵等在紅外射線(xiàn)照射下產(chǎn)生振動(dòng)響應，記錄為紅外光譜。紅外光譜包含近紅外（12 500～4 000 cm-1）和中紅外（4 000～400 cm-1）2 個(gè)區域。O—H、C—H、N—H、C＝O和氫鍵等在近紅外區域，產(chǎn)生振動(dòng)和諧波；而中紅外光譜則能反映這些官能團的彎曲、拉伸和搖擺運動(dòng)，表現出分子更多的詳細信息。當分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，分子振動(dòng)的能量與紅外射線(xiàn)的光量子能量正好對應就會(huì )產(chǎn)生紅外光譜。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即當分子的振動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，就可以發(fā)射紅外光譜，也可以因紅外輻射激發(fā)分子而振動(dòng)而產(chǎn)生紅外吸收光譜。分子的振動(dòng)和轉動(dòng)的能量不是連續的而是量子化的。但由于在分子的振動(dòng)躍遷過(guò)程中也常常伴隨轉動(dòng)躍遷，因此振動(dòng)光譜呈帶狀。因此，每種肉類(lèi)樣品都有由其組成和結構決定的獨有的紅外吸收光譜，據此可以對分子進(jìn)行結構分析和鑒定。
    　　
    　　在中紅外區域中，4 000～1 500cm-1為官能團區，4 000～500cm-1為指紋區。在官能團區，可檢測到醛類(lèi)物質(zhì)（2 900～2 700 cm-1）中O—H和N—H（3 700～2 500 cm-1）、C—H（3 300～2 800 cm-1）的拉伸。三建（C≡N、C≡C、C＝C＝C）在光譜中的特征區域為2 700～1 850 cm-1；雙鍵（C＝C、C＝N、C＝O）為1 950～1 450 cm-1。
    　　
    　　與中紅外相比，近紅外對食品的穿透能力更強；但是在多數近紅外測量時(shí)需要一定的參照校準，使其應用存在選擇性和限制性。而在傅立葉變換（Fourier-transform，FT）中，干涉儀和傅立葉變換可將光源發(fā)出的頻率分離，從而使每一個(gè)頻率通過(guò)樣品的能量值都能夠被測量。干涉儀的使用不僅縮短了檢測時(shí)間和降低噪音，還提高了檢測的靈敏度和精確度。由于波數的信號質(zhì)量與衡量該波數所用時(shí)間的平方根成正比，因此縮短檢測時(shí)間也提高了信噪比（signal to noise ratio，RS/N）。
    　　
    　　由于不同脂肪酸組成的甘油三酯是一個(gè)單組分系統，光譜分析對油脂和脂肪的分析具有明顯優(yōu)勢，它可以使油脂和脂肪在整齊形式下直接被測量。因此，在許多肉類(lèi)物種鑒定研究中，將脂肪從肉樣品中提取出來(lái)，并對其進(jìn)行實(shí)際的光譜分析，用以對不同肉類(lèi)物種的分類(lèi)和量化。
    　　
    　　紅外測量肉類(lèi)食品時(shí)，反射模式有鏡面反射和漫反射。在鏡面反射中，由于紅外輻射不能透過(guò)肉類(lèi)樣品表面，因此響應值僅由樣品表面產(chǎn)生，而不會(huì )產(chǎn)生吸收響應。在漫反射中，紅外輻射穿透樣品表面進(jìn)入內部，與樣品基質(zhì)相互作用后再返回樣品表面，從而產(chǎn)生吸收響應。但當樣品粒徑遠遠大于照射光的波長(cháng)時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生散射效應。
    　　
    　　2拉曼光譜
    　　
    　　目前已形成傅立葉拉曼光譜、表面增強拉曼光譜、激光共振拉曼光譜和顯微共焦拉曼光譜等多種分析手段，在食品品質(zhì)評價(jià)及質(zhì)量安全檢測方面應用廣泛。
    　　
    　　在拉曼光譜中，分子原來(lái)處于基電子態(tài)，當受到光能激發(fā)時(shí)，鍵中電子躍遷到虛態(tài)。因此，它反映了分子在不同振動(dòng)狀態(tài)之間的變遷。拉曼散射為一個(gè)雙光子過(guò)程，一光子被吸收，同時(shí)另一不同能級的光子被釋放。彈性散射，又稱(chēng)瑞利（Rayleigh）散射，在獲取分子特征信息時(shí)并沒(méi)有用，因為此時(shí)電子與化學(xué)鍵結合，其狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生變化。而非彈性散射（僅0.001%）則對官能團的鑒別是必要的。與紅外光譜相比，由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜可以忽略水分對光譜的影響，而紅外光譜則會(huì )受到樣品中水分含量的影響。此外，拉曼光譜還可以捕獲到樣品中蛋白質(zhì)二級結構（如α-螺旋、β-折疊）以及氨基酸殘基等詳細信息。不同波數區間的拉曼光譜條帶分別對應著(zhù)氨基酸或脂質(zhì)等的不同官能團。研究已發(fā)現510～545 cm-1（半胱氨酸）、829 cm-1（苯丙氨酸、亮氨酸、纈氨酸）、856 cm-1（谷丙氨酸、纈氨酸、賴(lài)氨酸）、879 cm-1（谷氨酸、賴(lài)氨酸）、1 082 cm-1和1 126 cm-1（脂類(lèi)）、1 247 cm-1和1 304 cm-1（分別為蛋白質(zhì)β-折疊和α-螺旋）等譜峰[1]。
    　　
    　　3激光誘導擊穿光譜
    　　
    　　激光誘導擊穿光譜（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）作為一種新興技術(shù)，它可以在很短的時(shí)間內使激光能量聚焦于樣品，使原子釋放特征光譜，即LIBS光譜。因此，該技術(shù)非常適合用于肉制品中元素的定性和定量分析。類(lèi)似于其他光譜分析，應用化學(xué)計量學(xué)對復雜光譜的有效信息進(jìn)行提取，即可獲得樣品元素組成的特征光譜。
    　　
    　　各種光譜分析技術(shù)已被用于肉類(lèi)物種鑒定。一些研究揭示了光譜分析技術(shù)在正確鑒別肉制品中肉類(lèi)品種的重要性。然而，這些方法依然存在一些技術(shù)上的限制，為給肉類(lèi)行業(yè)提供一個(gè)有力的解決方案，應在充分考慮到所有的限制和過(guò)程變量的基礎上，對這些技術(shù)復合應用。
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