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光譜分析技術(shù)在肉類產(chǎn)品檢測中的應(yīng)用

[2017/3/23]

前不久，“膠水牛排”成為食品安全熱點(diǎn)問題，引發(fā)了公眾擔(dān)憂。“重組”牛排屬于調(diào)理肉制品，允許添加卡拉膠、TG酶等一系列添加劑來塑形并提升口感，對(duì)人體健康沒有影響，但其內(nèi)部易出現(xiàn)微生物細(xì)菌污染，需要完全烹飪熟透后食用。盡管拼接肉并不違規(guī)，但筆者走訪市場發(fā)現(xiàn)，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(biāo)簽出售。專家表示，這種重組加工卻標(biāo)“原切”的方法誤導(dǎo)消費(fèi)者，涉嫌商業(yè)欺詐，目前國內(nèi)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在積極籌備中。在肉制品中摻雜未標(biāo)示或虛假標(biāo)示的肉類品種已逐漸成為一個(gè)全球性問題。
　　
　　目前，許多肉類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?zhǔn)椒磻?yīng)（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(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。因此，光譜分析以其快速和簡單的樣品預(yù)處理的特點(diǎn)體現(xiàn)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，F(xiàn)TIR）、紫外可見吸收（ultravioletevisual，UV-VIS）光譜和拉曼光譜（Raman spectroscopy）均可應(yīng)用于不同加工肉制品中肉類品種的檢測。這些波通過被食物樣品反射、透射或吸收，產(chǎn)生了能夠反映樣品性狀的特定光譜。應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)這些復(fù)雜的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以保持特定光譜的準(zhǔn)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)與肉類物種鑒定原理
　　
　　1紅外光譜
　　
　　由不同肉類品種生產(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(dǎo)致了在特定波長下光譜產(chǎn)生差異。其中，O—H、C—H、N—H、C＝O和氫鍵等在紅外射線照射下產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，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(qū)域。O—H、C—H、N—H、C＝O和氫鍵等在近紅外區(qū)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(tuán)的彎曲、拉伸和搖擺運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出分子更多的詳細(xì)信息。當(dāng)分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡諧振動(dòng)時(shí)，分子振動(dòng)的能量與紅外射線的光量子能量正好對(duì)應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生紅外光譜。簡單來說，即當(dāng)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(zhuǎn)動(dòng)的能量不是連續(xù)的而是量子化的。但由于在分子的振動(dòng)躍遷過程中也常常伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷，因此振動(dòng)光譜呈帶狀。因此，每種肉類樣品都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨(dú)有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。
　　
　　在中紅外區(qū)域中，4 000～1 500cm-1為官能團(tuán)區(qū)，4 000～500cm-1為指紋區(qū)。在官能團(tuán)區(qū)，可檢測到醛類物質(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(qū)域?yàn)? 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(duì)食品的穿透能力更強(qiáng)；但是在多數(shù)近紅外測量時(shí)需要一定的參照校準(zhǔn)，使其應(yīng)用存在選擇性和限制性。而在傅立葉變換（Fourier-transform，F(xiàn)T）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(shù)的信號(hào)質(zhì)量與衡量該波數(shù)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(tǒng)，光譜分析對(duì)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，在許多肉類物種鑒定研究中，將脂肪從肉樣品中提取出來，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)際的光譜分析，用以對(duì)不同肉類物種的分類和量化。
　　
　　紅外測量肉類食品時(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肉類樣品表面，因此響應(yīng)值僅由樣品表面產(chǎn)生，而不會(huì)產(chǎn)生吸收響應(yīng)。在漫反射中，紅外輻射穿透樣品表面進(jìn)入內(nèi)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(yīng)。但當(dāng)樣品粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于照射光的波長時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生散射效應(yīng)。
　　
　　2拉曼光譜
　　
　　目前已形成傅立葉拉曼光譜、表面增強(qiáng)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(píng)價(jià)及質(zhì)量安全檢測方面應(yīng)用廣泛。
　　
　　在拉曼光譜中，分子原來處于基電子態(tài)，當(dāng)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)雙光子過程，一光子被吸收，同時(shí)另一不同能級(jí)的光子被釋放。彈性散射，又稱瑞利（Rayleigh）散射，在獲取分子特征信息時(shí)并沒有用，因?yàn)榇藭r(shí)電子與化學(xué)鍵結(jié)合，其狀態(tài)沒有發(fā)生變化。而非彈性散射（僅0.001%）則對(duì)官能團(tuán)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(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)（如α-螺旋、β-折疊）以及氨基酸殘基等詳細(xì)信息。不同波數(shù)區(qū)間的拉曼光譜條帶分別對(duì)應(yīng)著氨基酸或脂質(zhì)等的不同官能團(tuán)。研究已發(fā)現(xiàn)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、賴氨酸）、879 cm-1（谷氨酸、賴氨酸）、1 082 cm-1和1 126 cm-1（脂類）、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(dǎo)擊穿光譜
　　
　　激光誘導(dǎo)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(nèi)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。類似于其他光譜分析，應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)復(fù)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，為給肉類行業(yè)提供一個(gè)有力的解決方案，應(yīng)在充分考慮到所有的限制和過程變量的基礎(chǔ)上，對(duì)這些技術(shù)復(fù)合應(yīng)用。