红外光谱技术在食品安全检测中的研究与应用(2)

1、齐鲁工业大学 仪器分析红外光谱技术在食品安全检测中的研究与应用关键词红外光谱;食品;安全检测;研究与应用摘要本文对红外光谱在食品安全检测中的应用进行综述, 简要介绍红外光谱分析技术,并着重阐述其在食品种类和产地鉴别、 食品中有毒有害成分检测及食品中农药残留检测和食品掺假鉴定等方面的应用。红外光谱在食品安全检测中发挥重要的作用,且应用前景广阔。一 红外吸收光谱红外吸收光谱又称分子振动-转动光谱，是利用物质的分子对红外辐射的吸收，并由其振动或转动引起分子偶极矩的变化，产生分子的振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，所产生的吸收光谱。特征吸收频率可应用于鉴定官能团；特征峰的强度可应用于定量分析。红

2、外光谱图1.1、红外光的区划1.1.1近红外光区近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团（如OH、NH、CH）伸缩振动的倍频吸收等产生的。该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离子的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量分析。1.1.2中红外光区 绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在该光区。由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。通常，中红外光谱法又简称为红外光谱法。1.1.3远红外光区 该区的吸收带

3、主要是由气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。 由于低频骨架振动能很灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。此外，还能用于金属有机化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。但由于该光区能量弱，除非其它波长区间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析。1.2.红外吸收的本质 红外吸收光谱又称分子振动-转动光谱，是利用物质的分子对红外辐射的吸收，并由其振动或转动引起分子偶极矩的变化，产生分子的振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，所产生的吸收光谱。它分为近红外光，中红外光，远红外光。其中，中红外

4、光是应用最为广泛的红外光谱区。物质处于不停的运动状态之中，分子经光照射后，就吸收了光能，运动状态从基态跃迁到高能态的激发态。分子的运动能量是量子化的，它不能占有任意的能量，被分子吸收的光子，其能量等于分子动能的两种能量级之差，否则不能被吸收。分子所吸收的能量可由下式表示： Ehhc/式中，E为光子的能量，h为普朗克常数，为光子的频率，c为光速，为波长。由此可见，光子的能量与频率成正比，与波长成反比。分子吸收光子以后，依光子能量的大小，可以引起转动、振动和电子能阶的跃迁，红外光谱就是由于分子的振动和转动引起的，又称振转光谱。二 红外光谱在食品安全检测中应用21对糖类的分析糖是食品中的重要成分，是

5、决定食品的营养价值和口感的一个重要指标，食品中的糖主要是指还原糖，包括葡萄糖和果糖等 常用的糖含量测定方法有滴定法 碘量法 DNS 法 高效液相色谱法等 但这些方法普遍存在误差范围大等缺点，采用近红外光谱法，可以预先利用样品集建立模型，再利用模型快速检测待测样品，陆登俊等利用近红外光谱法，预先使用 165 清汁样品组成标准样品集，建立定标方程，就可以快速检验待测样品中还原糖含量 Jan Maarten de bruijn.利用近红外光谱法，收集样品后，建立甜菜中糖含量的标准方程，在不损坏甜菜的情况下，快速鉴别甜菜的质量，此法应用于甜菜生产行业中。22食品中有毒有害成分的检测食品中的添加剂的使用

6、, 特别是一些对人体健康不利的添加剂,必须严格加以限量。（1）回瑞华等采用红外示差光谱定量分析奶粉中防腐剂苯甲酸钠的含量。从溴化钾苯甲酸钠红外谱图中减去溴化钾奶粉红外谱图, 得到特征分析峰( 1555cm1) , 在该波数下测定浓度等梯度变化的标准固态溶液的吸光度,并以此吸光度数值为纵坐标,以相应的浓度为横坐标, 绘制工作曲线, 结果苯甲酸钠的浓度在 025mg/g 范围内吸光度与浓度之间呈良好的线性关系,可按标准曲线法进行定量分析。本法的回收率为1036%, RSD 小于 120。方法的准确度与精密度均令人满意,而且操作简便易行。（2）刘清福等用红外光谱法对有毒和无毒豆角进行分析, 找到一种

7、操作简便、 经济实用的定性鉴别有毒豆角的方法。23对油脂类的分析目前，油脂调和油的出现使植物油脂的识别研究越来越迫切，油脂结构中的 CH 和 C- C 对近红外光谱中的合频信息有较大贡献，而 CH2和 C=C 的数量变化是不同种类油脂中脂肪酸的主要差异，即碳链长度和不饱和度差异构成油脂的组成不同 李娟采用近红外技术结合主要分析方法对 138 个植物油脂样品进行分析检测，得到 100%的分析精度和验证准确度 根据科学家们多年的实验研究发现，反式脂肪酸易诱发心脑血管疾病及影响婴幼儿的生长发育，Magdi MMossoba 利用衰减全反射红外光谱迅速测定反式脂肪酸含量 倪昕路等将食品中提取的脂肪或油

8、脂样品直接置于红外光谱仪的水平衰减全反射 （HATR ） 部件的槽式 ZnSe 晶体上，通过 966 cm- 1处反式双峰的特征峰进行定性，由峰面积与反式脂肪酸含量的线性校准曲线定量计算反式脂肪酸在油脂中的百分含量 测得的结果证明此方法简单 快速 准确，适用于食品营养标签的测定。24测定食品中防腐剂的含量苯甲酸作为防腐剂，是食品工业里最重要的添加剂之一，在食品保存过程中具有抑制或杀灭微生物的作用，苯甲酸的最大使用量为 0.5 g/kg，其是否超标已被消费者日益关注 目前苯甲酸含量的测定普遍采用分子分光光度计法 回瑞华采用红外波谱技术，以最佳定量准确性和速度从溴化钾 - 苯甲酸红外谱图中减去溴化

9、钾 - 奶粉红外光谱图，得到特征峰 （1 555 cm- 1），在该波数下测定浓度等梯度变化的标准固态溶液的吸光度，并以此吸光度数值为纵坐标，以相应的浓度为横坐标，绘制工作曲线，将待测样品的吸光度代入回归方程，从而计算苯甲酸在奶粉中的含量。25食品中浓药残留检测食品中农药残留分析离不开农药标准品, 而标准品研制中一般须经红外光谱进行结构征。 （1）邹明强等利用红外光谱与其它技术对其制备的广灭灵农药标准品的结构进行确认,红外光谱。从一些特征波数, 可分析出苯环上不饱和CH 伸缩振动、 苯环的骨架伸缩振动、 CH3 的反对称和对称伸缩振动、 C C 骨架伸缩振动、 CH2的反对称伸缩振动、 与苯环

10、相连的CC1 伸缩振动、 C= O 伸缩振动等振动形式,进而可判断出样品分子的存在。（2）李文秀等对常用高残留农药敌敌畏、 敌百虫在蔬菜汁溶剂中的中红外衰减全反射光(ATR)数据进行研究。实验结果表明,农药在蔬菜汁溶液中与在标准试剂溶液中反映出基本相同性，应用红外光谱技术可以直接对蔬菜上的农药残留进行检测, 通过农药在水中的吸收建立模型来模拟其在蔬菜体内的吸收, 为实现对蔬菜上的农药残留进行快速检测提供一条可能途径。26食品掺假的鉴定 市场上的橄榄油大致可分为:特纯、 纯和精练 3个等级, 向高品质油中掺杂较便宜的同类低档或不同种类价低的葵花油、 玉米油、 菜籽油等变成为一种获利方式。27测定

11、食品中蛋白质含量目前国际上测定食品中蛋白质含量普遍采用凯氏定氮法，该方法虽然方便快捷，但容易给不法分子有机可乘，如添加三聚氰胺等物质提高氮含量采用近红外光谱技术，可以预先建立某食品中蛋白质的标准分析模型，将待测食品与标准分析模型进行比较，便可得知其蛋白质含量是否符合标准 李慧用傅立叶变换近红外光谱技术，建立了腐乳中总酸 蛋白质和水分的分析模型 测定 32 份腐乳的近红外光谱数据，得到原始光谱信息 通过光谱预处理方法消除原始光谱噪声，最后采用偏最小二乘法建立回归方程 最终得到总酸 蛋白质和水分近红外光谱分析模型，用 11 个样品作为检验值，表明建立的模型检测结果很好，能满足腐乳中总酸蛋白质和水分

12、的检测精度要求 李璐使用傅里叶变换红外光谱法，对 3 个不同厂商生产的牛奶巧克力进行检测，根据其蛋白质特征峰的出峰强度不同，可以快速检测巧克力中蛋白质含量。三 红外吸收光谱研究仪器3.1红外吸收光谱研究仪器目前主要有两类红外光谱仪：色散型红外光谱仪和Fourier（傅立叶）变换红外光谱仪。3.1.1色散型红外光谱仪色散型红外光谱仪的组成部件与紫外-可见分光光度计相似，但对没一个部件的结构、所用的材料及性能与 紫外- -可见分光光度计不同。它们的排列顺序也略有不同，红外光谱仪的样品是放在光源和单色器之间；而紫外- -可见分光光度计是放在单色器之后。3.1.2Fou rier变换红外光谱仪（FTI

13、R）Fourier变换 红外光谱仪 没有色散元件，主要由光源（硅碳棒、高压汞灯）、Michelson干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。核心部分为Michelson干涉仪，它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换的数学处理，最后将干涉图还原成光谱图。它与色散型红外光度计的主要区别在于干涉仪和电子计算机两部分。2三 研究与应用1、化合物的鉴定用红外光谱鉴定化合物，其优点是简便、迅速和可靠；同时样品用量少、可回收；对样品也无特殊要求，无论气体、固体和液体均可以进行检测。有关化合物的鉴定包括下列几种：1.1、鉴别化合物的异同某个化合物的红外光谱图同熔点、沸点、折射率和比旋度等物

14、理常数一样是该化合物的一种特征。尤其是有机化合物的红外光谱吸收峰多达20个以上，如同人的指纹一样彼此各不相同，因此用它鉴别化合物的异同，可靠性比其它物理手段强。如果二个样品在相同的条件下测得的光谱完全一致，就可以确认它们是同一化合物，例外较少。但当二个图有差别时，情况较复杂，须考虑下列因素，方能作出正确的结论：A同质异晶体此为化学结构完全相同而晶形不同的化合物。由于分子在不同晶体的晶格中排列方式不一样，因此对光的散射和折射不相同，致使同质异晶体的固相红外光谱有差异，而在溶液中测的液相光谱应是相同的。B、同系物同系物仅是构成链的单元数不同，因此它们的分子无序排列的液相光谱往往相同，固相光谱则因晶

15、体内晶胞不同而有微小的差别。所以在鉴定大分子的聚合物、多糖和长脂肪链的同系物时，最好同时对比固相和液相光谱的异同，方能作出正确的判断。将二种同系物配成相同浓度的溶液，测量某些基团的吸收峰强度，如正脂肪酸同系物，可以根据亚甲基(2930)和甲基(2960)二个蜂的强度比进行识别。C、来源和精制方法：应注意到有些结构相同的化合物会因来源和精制方法的不同而使固相光谱有差异。D、溶剂和浓度液相光谱鉴别化合物的异同须采用同一种溶剂和相同的浓度，因为溶剂本身有一些吸收峰能把试样的弱吸收掩盖；另外氢键等溶剂效应在不同浓度下作用强弱不等，也能够引起光谱的变化。E、吸收峰的相对强度对比光谱的异同不仅要注意每个吸

16、收峰的位置是否一致，而且要注意各个蜂彼此之间的相对强度是否符合，否则就可能是结构上的微小差别引起的。1.2鉴别光学异构体旋光性化合物的左、右对映体的固相红外光谱是相同的。对映体和外消旋体由于晶格中分子的排列不同，使它们的固体光谱彼此不同，而溶液或熔融的光谱就完全相同。非对映异构体因为是二种不同的化合物，所以无论是固相，还是液相光谱均不相同，尤其在指纹区有各自的特征峰。但是大分子的差向异构体如高三尖杉酯碱与表高三尖衫酯碱，由于彼此晶格不同，固相光谱的差别较大，而液相光谱差别很小，这是应该注意的问题。1.3区分几何(顺、反)异构体对称反式异构体中的双键处于分子对称中心，在分子振动中链的偶极矩变化极

17、小，因此在光谱中不出现双键吸收峰。顺式异构体无对称中心，偶极矩有改变，故有明显的双键特征峰，以此可区分顺、反异构体。不对称的分子，由于反式异构体的对称性比顺式异构体高，因此双键的特征峰前者弱，后者强。1.4区分构象异构体同一种化学键在不同的构象异构体中的振动频率是不一样的。以构象固定的六元环上的CY键为例，平展的CY键伸缩振动频率高于直立键，原因在于直立的CY键垂直于环的平面，其伸缩振动作用于碳上的复位力小；Y若在平展键，CY的伸缩振动使环扩张，复位力大，所以振动频率高。研究构象异构体要注意相的问题。固态结晶物质通常只有单一的构象，而液态样品大多是多种构象异构体的混合物，因此二种相的光谱不尽相

18、同。如果固相和液相光谱相同，则表明该化合物只有一种构象1.5区分互变异构体有机化学中经常碰到互变异构现象，如双酮有酮式和烯醇式二种，红外光谱极容易区分它们。在四氯化碳溶液中酮式在1730 cm1有二个峰，烯醇式只有一个氢键鳌合的羰基，动频率降至1650 cm1，比酮式低80100 cm1。同时在16401600 cm1区有共轭双键特征峰，强度与羰基近似。1.6、有机化合物的定性鉴定和鉴别样品的红外光谱图比对纯物质的红外光谱图各吸收峰的位置与形状完全相同，峰的相对强度也相同，可认为样品就是该种物质。红外吸收光谱是鉴定有机化合物最成熟的方法,它具有鲜明的特征性,因每一种官能团和化合物都具有特异的吸收光谱,其特征吸收谱带