拉曼光譜快檢技術(shù)：食品安全檢測的快速有效方法

隨著我們生活水平的日益提高，對食品安全的檢測技術(shù)也是日新月異。要把好食品安全關(guān)，檢測檢驗是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實驗室檢測，需要切片、細(xì)菌培養(yǎng)等諸多環(huán)節(jié)，時間長、花費大、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)展起來的快速檢測技術(shù)，可以在幾分鐘內(nèi)快速測出瓜果蔬菜上的生長激素、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)得到有效驗證。

反映分子結(jié)構(gòu)特性的拉曼光譜

一束光，經(jīng)過棱鏡的折射，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)展起來的一種分子振動光譜，拉曼散射譜線與入射光波長無關(guān)，只和樣品的振動轉(zhuǎn)動能級有關(guān)，因此拉曼光譜的一個特點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，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(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，先后在國內(nèi)多項重大課題專項中獲得**實施與應(yīng)用。

與傳統(tǒng)方法相比，拉曼光譜檢測技術(shù)擁有諸多優(yōu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)。

回溯當(dāng)年的“三聚氰胺”事件，當(dāng)時國內(nèi)監(jiān)測奶粉是否合格的一項重要指標(biāo)就是蛋白質(zhì)，具體就用氮元素含量來體現(xiàn)，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(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。這種檢測設(shè)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(yán)重影響了市場上奶制品供應(yīng)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(zhǔn)確無誤。

拉曼光譜分析技術(shù)在食品成分快速檢測中的應(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。拉曼光譜分析技術(shù)能克服這些缺點，是測定固體和液體樣品結(jié)構(gòu)信息的有效方法之一。在對食品主要成分的結(jié)構(gòu)與功能特性的變化測定上，拉曼光譜技術(shù)比傳統(tǒng)化學(xué)方法具有更強的優(yōu)勢。通過拉曼譜圖不僅可以定性分析被測物質(zhì)所含成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的變化，還可以定量檢測食品某些成分的含量。

對蛋白質(zhì)的分析檢測

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)、營養(yǎng)價值的重要指標(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)。

通過分析蛋白質(zhì)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(zhì)分子的振動倍息、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)的二級結(jié)構(gòu)和三級結(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程，有助于人們探討生產(chǎn)加工的工藝參數(shù)對生物大分子結(jié)構(gòu)及其功能的影響，進一步為研究食品蛋白質(zhì)的營養(yǎng)功能機理提供可靠的依據(jù)。

人們在研究蛋白質(zhì)分子的成分和結(jié)構(gòu)之后，進一步尋找結(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。

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個肽段連在一起，使蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)更為緊密，對于蛋白質(zhì)三級結(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，表明此時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、離子強度等因素對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)。

對脂質(zhì)的分析檢測

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量化脂肪酸的順反異構(gòu)體和不飽和度。一些現(xiàn)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(shù)的發(fā)展，拉曼技術(shù)可以檢測到植物油的脂肪酸組成，含油量和動物脂肪的結(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(dǎo)。通過拉曼光譜能夠監(jiān)測脂質(zhì)單分子的結(jié)構(gòu)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(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化。

對碳水化合物的分析檢測

碳水化合物是大分子結(jié)構(gòu)，有許多同分異構(gòu)體，分析起來相對困難。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，通過對拉曼譜線處理與分析得到預(yù)測臍橙果肉糖度的譜線特征值，并作為檢測臍橙內(nèi)部品質(zhì)的指標(biāo)。通過拉曼光譜對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)。通過拉曼光譜可測定聚糖單元糖基的環(huán)振動情況，相比紅外光譜，有較強的特征吸收。應(yīng)用便攜式拉曼光譜儀結(jié)合化學(xué)計量學(xué)技術(shù)，建立了濃縮蘋果汁摻入梨汁的快速檢測方法。其發(fā)現(xiàn)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(gòu)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(shù)可以提供完整的維生素分子結(jié)構(gòu)信息，并對其結(jié)構(gòu)做進一步的描述和表征。根據(jù)維生素C的傅里葉拉曼光譜，可以對它的拉曼特征譜帶進行初步的指認(rèn)和歸屬；結(jié)合PH值的變化探討吸附作用的特點和規(guī)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(rèn)。

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(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)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(xì)胞類胡蘿卜素的含量信息，是實時檢測紅酵母細(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DNA結(jié)構(gòu)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(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。

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(guī)食品、蔬菜、水果從產(chǎn)地到超市、市場，監(jiān)管是很嚴(yán)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(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)計量學(xué)解決了多變量分析的問題；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”的拉曼光譜檢測技術(shù)，在食品工業(yè)領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用，在食品安全檢測、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)?、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(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，可望實現(xiàn)實時監(jiān)控。

拉曼光譜技術(shù)必將成為造福于整個國民經(jīng)濟的現(xiàn)代化技術(shù)，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”。