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近红外漫反射技术在食品分析方面的应用进展

发布时间:2018-12-06 11:20所属分类:教育论文浏览:1

摘要:近红外光谱是介于可见光和中红外之间的电磁辐射波。将近红外光谱技术应用于食品分析中,具有方便、快速、高效、无损、不消耗化学试剂、不污染环境等优点。通过研究近红外漫反射技术在食品成分分析、加工与储存过程的品质监控、掺伪检测、品种鉴别、产地

  摘要:近红外光谱是介于可见光和中红外之间的电磁辐射波。将近红外光谱技术应用于食品分析中,具有方便、快速、高效、无损、不消耗化学试剂、不污染环境等优点。通过研究近红外漫反射技术在食品成分分析、加工与储存过程的品质监控、掺伪检测、品种鉴别、产地溯源等方面的最新进展,分析了近红外漫反射技术在食品分析中的应用现状,指出其存在的问题,并对今后的研究方向进行了展望。

  关键词:近红外光谱,漫反射,食品,无损检测

中国食品

  1概述

  近红外光是波长介于可见光和中红外之间的电磁波(780~2526nm)。近红外光谱属于分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱,主要是分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的,具有较强的穿透能力。近红外光谱可以反映绝大多数的有机化合物的构造和组成信息,通过样品的吸收光谱和理化分析结果之间的对应关系来推断近红外吸收光谱所对应的物质成分及含量,实现对该物质的构造和组成信息的了解。对某些无近红外光谱吸收的物质,也可以通过其共存的本体物质导致其光谱发生的变化,间接地反映它存在的信息。

  随着生活水平的不断改善,人们对食品的质量要求也越来越高,进而对食品质量参数、掺伪以及食品生产、加工、销售、储存等过程中的品质控制等技术的要求也不断提高。近红外分析技术作为一种新的仪器分析手段,具有快速、简便、无损等特点,近年来受到国内外分析专家的普遍关注。本文就该技术在食品分析方面的应用进行了综述。

  2近红外漫反射技术在食品分析方面的应用进展

  2.1食品质量参数的检测

  食品评价通常以其质量参数(蛋白质、脂肪、可溶性固形物等)为重要指标,如谷物的价值受其蛋白质、脂肪等含量的影响。对于食品质量参数的评估有多种方法,其中近红外漫反射技术因其快速、安全、可靠等优势得以广泛运用。

  2.1.1蛋白质含量的检测

  蛋白质含量的检测结果是食品质量参数分析的重要指标之一。凯氏定氮法是最熟悉也是最常用的检测方法,但由于其步骤烦琐、费用高、污染环境等缺陷,不适宜进行批量食品分析检测。相比之下,近红外漫反射技术因其方便、快速和无损等优点而逐渐被采纳和应用。

  田翔等以191份不同形态大小的谷子种子样本作为研究对象,以化学法和近红外漫反射法两种实验方法进行对比,结果表明使用光谱定量分析软件进行光谱预处理、数学方法运算及回归统计分析确立的近红外定标模型测定结果更准确。同时,测定结果还表明蛋白质含量的多少与种皮的颜色无显著关系,而粒形中等偏大的种子蛋白质含量较多。

  王明等对牛奶中蛋白质含量检测方法的准确度进行探讨,利用快速傅里叶滤波、多点平滑、小波变换等方法将实验过程中光谱信号的高频噪音去除;对于采集过程中的奇异样本,通过绘制牛奶成分残差分布图进行剔除。实验表明,利用近红外光谱分析技术能够对牛奶中蛋白质的含量进行快速准确的检测。

  2.1.2脂肪含量的检测

  现在,人们控制脂肪摄入量的意识逐渐加强,尤其对于身材管理者和三高人群来说,食品中的脂肪含量是其挑选食品的一个重要指标。王明等采用近红外光谱模型对牛奶中脂肪含量的检测方法进行研究,通过对实验方法的反复校验得出:采用7点平滑和傅里叶变化两者相结合的预处理方法,可以实现对脂肪含量的准确检测。Ferreira等通过比较近红外线和中红外光谱技术这两种方法,并结合化学计量学工具,对大豆中的脂肪含量进行了测定,实验结果表明,两者均能产生一致的PLS模型和良好的预测功能。由实验结论可知,近红外漫反射技术在食品脂肪含量的分析上具有可行性,为食品中脂肪含量的检测提供了技术方面的指导依据。

  2.1.3可溶性固形物的检测

  可溶性固形物含量(SSC)可作为评估食物内部品质、成熟程度及食用加工特性的指标。可溶性固形物的检测包括对糖、维生素等可溶于水的物质含量的检测。传统的检测存在样品取样不完善、样品污染及操作步骤烦琐等缺陷,相比之下,近红外光谱法可以更好地达到检测要求。王铭海等在近红外漫反射技术的基础上把不同品种的桃子作为研究对象,对建立的不同模型及其运算方法对模型造成的影响进行了比较,得出其中MWPLS-ELM模型可准确、无损地检测出多品种桃子的可溶性固形物含量。

  王旭等运用近红外漫反射技术对猕猴桃类和冰糖橙内部可溶性固形物检测方法的不同预处理和计算进行了实验和比较,结果显示,采用一阶微分预处理方法并建立PLS模型可以对猕猴桃和冰糖橙的可溶性固形物含量进行良好的预测,同时此实验所采用的方法和模型为类似水果的内部可溶性物质的检测方法提供了参考。

  靳皓等运用近红外漫反射技术对雪梨中可溶性固形物进行检测,舍弃以往的样品采集方式(只采取雪梨赤道部位为样本),取而代之的是对雪梨的各个部位进行随机采集样本,此方法同样可完成对雪梨中可溶性固形物的定量检测,同时该实验的成功也为企业和工厂自动化生产线的快速实时检测提供了有效的技术借鉴。各项研究表明,近红外漫反射技术能够对生产过程中产品的品质进行监控,同时这一技术还有望运用于企业的动态流水检测中。

  2.1.4果实质地检测

  果实质地包括果实的硬度、弹性、回复性等方面,是评价果实是否成熟的重要指标之一。王晓明等运用近红外漫反射技术对梨果硬度进行无损检测研究,实验采用CARS算法获得的关键变量建立的PLS模型能够克服光谱数据噪音大散射严重等问题,同时能有效提高对水果硬度的检测精度。王丹等从果皮强度、果皮脆性和果肉平均硬度三个方面对果实硬度进行分析,建立了甜柿果实硬度的定量模型,采用不同预处理的漫反射光谱结合最小偏二乘法对其进行评价,实验结果表明近红外漫反射技术可实现对甜柿果实硬度无损检测,其中以果皮脆性所建立的模型检测性能最优。

  潘冰燕等运用近红外光谱定标MPLS模型对甜椒的果肉弹性、回复性和凝聚性在不同波段下进行测定比较,实验通过相关系数、相对误差、残差分布和残差之和等多项指标对模型进行深度评价,综合分析表明实验所建立的模型性能稳定,可以对甜椒果实质地进行良好的测定。

  罗枫等利用近红外光谱法分别对樱桃果实的硬度、回复性、咀嚼性三个方面进行了无损检测模型的建立,实验对不同预处理的校正模型进行了研讨,得出在一阶微分导数的前提条件下,对果实硬度检测采用改进偏最小二乘法(MPLS)结合标准多元散射校正(SMSC)法,对咀嚼性和回复性检测采用改进偏最小二乘法(MPLS)结合标准正常处理(SNV)法,可以实现对樱桃果实质地的良好测定,此实验也为今后樱桃销售过程中的品质在线检测提供了技术参考。

  2.2食品加工与储存过程的品质监测

  食品在储存、加工等过程中,其品质会受到多重方面的影响,因此食品储存、加工等过程的品质监测成为食品销售过程中不可缺少的一部分。

  2.2.1食品加工过程中的品质监测

  Moscetti等通过近红外光谱技术实时监测热风干燥过程中的有机胡萝卜的品质,相比传统的热水烫漂、热风干燥法不受控制,容易影响产品质量和价值等缺点,此项技术通过实时监控能够更有效地保留热风干燥过程中有机胡萝卜的品质。Catelani等对烘焙过程中咖啡的抗氧化性能(总抗氧化能力(TAC)和总酚含量(TPC))进行研究,运用近红外光谱技术实时无创监测程序,可以直接通过玻璃窗口将漫反射探针指向焙烧室进行烘焙过程的实时监控。Rodriguez-Saona等对面粉制品中含有蛋白蓖麻毒素的蓖麻籽粕的快速检测方法进行了探讨,实验表明运用近红外漫反射和多变量两种技术相结合的方法可以实现对其快速检测。

  2.2.2食品在存储过程中的品质监测

  在储存期间,食品的外观与成熟度对其品质具有很大的影响,进而影响其销售情况。杨磊等利用近红外漫反射光谱技术对不同完好度的梨的糖分含量进行检测,从而实现对表面碰伤的和表面完好的梨子所含糖度的比较。实验表明表面碰伤的梨子与模型的相关度更高,这一结论也表明了可以利用近红外漫反射光谱技术对生产加工过程中梨子的品质进行良好的监控,同时也为其他类似水果的生产加工过程的即时抽检提供了相关依据和研究方向。

  张鹏等利用近红外漫反射光谱技术,以果皮色泽为指标对磨盘柿成熟度进行了检测模型的分析,分别用MPLS、原始光谱和无散射处理建立模型,并对果皮颜色进行预测,从而较好地掌控储存期间的磨盘柿存放时间。果肉浊度也是评价储存过程中果实品质的一个重要指标,可直接反应食品的品质,并影响食品销售情况。张鹏等运用近红外漫反射光谱,将果肉浊度作为果实质地的评价指标以此反映贮藏过程不同时期果实内部品质的变化。

  实验结果表明,用PLS、一阶导处理和无散射处理建立模型,可对磨盘柿果肉浊度进行良好的定标预测,同时为其他类似水果在存储过程中品质的监测提供了检测思路和技术指导。监测食品存储期间的可溶性固形物可以一定程度上反应食品的品质。陈辰等采用可见-近红外漫反射光谱技术建立实验模型,以葡萄中的可溶性固形物作为指标来反应葡萄的品质,实验在波长408~1092.8nm的范围采用改进偏最小二乘法、16点平滑、间隔点数16点技术并结合二阶导数、去散射的处理方法建立通用模型,对存储期间不同品种葡萄的可溶性固形物含量进行定量预测,可以实现对不同品种葡萄储藏期间可溶性固形物的预测。由于其模型具有广泛适用性及高精准度等优点,可以为存储期间葡萄品质的监控提供良好的检测手段。

  2.3食品掺伪的鉴别

  食品掺伪鉴别是食品质量监控的重要步骤之一,目前大多运用直观法和化学法进行检测。近红外漫发射技术因其便捷、迅速等特点,逐渐被运用于食品掺假的鉴别。国内方面,涂红艳等运用近红外漫反射光谱技术对云芝提取物掺假(糊精)进行检测,采用偏最小二乘判别法(PLS-DA)结合Kolmogorov-Smirnov建立的模型,可以对云芝样品的掺假进行快速、无损识别,正确率可达100%。

  陈嘉等运用近红外漫反射技术建立模型并对葛粉中掺假红薯淀粉和马铃薯淀粉进行检测分析,用标准正态变量变换对光谱进行预处理,同时结合偏最小二乘法进行建模,选择波长在962~1389nm的光谱区间能实现对其掺假物的准确检测,且由于此实验具有过程中样品不需要预处理的优点,今后可为相关部门对葛粉的出厂销售监测及食品安全监测提供方法依据和技术指导。

  范睿等为实现对牛奶掺假动物水解蛋白的检测,从预处理方法、建模方法、范围、主成分数及样品的异常点等方面对定量分析模型的影响进行实验对比,分析得出使用PLS法所建立的模型可实现牛奶中动物水解蛋白的快速定量分析检测,同时为牛奶掺假的检测提供技术基础。国外方面,Botros等人对41种正宗牛脱脂和脱脂奶粉的变异来源采用近红外漫反射光谱分析(漫反射)和化学计量学进行研究,在研究过程中发现不同种类的正宗牛脱脂和脱脂奶粉的化学成分存在显著差异,此外,各种未知的可能性掺假物均影响掺假检测的性能。

  2.4品种鉴别

  不同品种的食品存在着质量、营养价值等方面的差异,因此需要运用一些科学手段对食品种类进行识别和判定,然后在市场上进行分类销售,从而满足消费者需求。张鹏等采用近红外漫反射光谱技术,以磨盘柿和阳丰甜柿为实验对象,以PCA为主要分析法建立模型,可以对不同柿子的品种进行快速判别,其正确率可达100%。

  汤丹明等利用近红外光谱技术结合模式识别方法,取其7500~4000cm-1区域的鸡蛋光谱数据对鸡蛋进行较好的种类鉴别。相比于LDA模型的检测结果,SVM模型检测的准确率更高,可作为鸡蛋种类快速无损检测的一种新方法。郝勇等采用不同光谱预处理方法,探讨便携式近红外光谱仪(采用近红外漫反射)结合PCA和LSSVM法对转基因大米进行快速测定的可行性。实验结果表明,采用近红外漫反射技术结合LSSVM方法可实现对转基因大米的快速检测,此次实验的成果也为未来转基因食品的现场快速鉴别检测提供了参考。

  2.5产地溯源分析

  近红外漫反射技术同时也被应用于食品产地溯源,目的是更好地维护地方产品的品牌效益。宋雪健等运用近红外漫反射光谱技术,以肇源和肇州两地的小米作为实验对象,结合化学计量学对不同状态(如小米籽粒和小米粉末)的小米进行产地鉴别。

  实验结果表明,在全波长范围内采用因子化法建立的定性分析模型以及在特征波段范围内采用偏最小二乘法(PLS)建立的两者定量分析模型,都可以实现不同小米主产区的小米籽粒和小米粉末的产地溯源,能更好地维护地方名优小米品牌效益。张鹏等利用近红外漫射光谱技术,以天津、陕西和北京三地的富士苹果为实验对象,在1100~1848nm波段范围内采用一阶导数结合趋势变化法散射处理的光谱预处理,可更准确、更快速地判断富士苹果的产地。实验表明近红外漫反射光谱技术在对苹果产地溯源方面具有一定的前景和发展空间。

  3结论与展望

  近红外漫反射技术作为近红外光谱技术的一个分支,因其快速、简便、无损等优点而被广泛运用于国内外食品分析领域。与此同时,该技术存在一些缺陷,如:实验中对样品的采集缺少统一的标准,其所建立模型的适用性因此受到了限制;样品的光谱信号收集易受环境、设备(容易引入各种噪音、设备所处环境的温度)等影响;该技术的应用范围有待拓展等。

  因此,该技术的进一步推广应用,有待官方权威机构对食品安全指标及相关含量提供相应的标准,提高该技术在食品分析方面的准确性和权威性,扩大技术应用范围,为其投入企业及相关部门的在线检测提供可能性。此外,还要提高运用该技术所建立的模型对不同的样品及产品的适用性,对食品的样品取材制定统一标准,以减少样品的差异对实验准确度造成的不必要影响。总而言之,在实现食品分析可行性的基础之上,需综合考虑近红外漫反射技术可应用的范围、精准度、经济适用性等多方面因素,在检测过程中亦可结合其他技术来提高实验数据的准确性,并进一步拓展其在未涉领域的检测及应用。

  参考文献:

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  食品类期刊推荐:《中国食品》China Food(半月刊)曾用刊名:《食品科技》与北京办另一种入编期刊《食品科技》不属同一刊物,1978年创刊,是中国第一本食品类刊物。目标读者为全国酒店、餐饮业及酒店餐饮业院校师生。本杂志最大的特点是新闻性,针性和实用性强、消息灵通,反映迅速,即有报纸的新闻速度,双不失传统杂志的知识性和趣味性。

  

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