拉曼光谱快检技术：食品质量检测的“火眼金睛”

2018-03-15 14:45 来源:简智拉曼 技术 /化学

原标题：拉曼光谱快检技术：食品质量检测的“火眼金睛”

又是一年“315”，每年的3月15日可以说是不良商家的“照妖镜”，这一天，各大媒体会集中曝光一年收集到的各种假冒伪劣商品事件。当年的三聚氰胺奶粉、苏丹红鸡蛋、毒豆芽等事件仍然让消费者心有余悸，不时曝光的其他食品安全事件也让民众对于“舌尖上的安全”日益关注。

值得欣慰的是，随着我们生活水平的日益提高，对食品安全的检测技术也是日新月异。要把好食品安全关，检测检验是至关重要的环节。传统的实验室检测，需要切片、细菌培养等诸多环节，时间长、花费大、效率低，在很多方面显得心有余而力不足，现在利用拉曼光谱的特性发展起来的快速检测技术，可以在几分钟内快速测出瓜果蔬菜上的生长激素、残留农药，保障“舌尖上的安全”。这一技术在之前的“三聚氰胺”事件中也已经得到有效验证。

反映分子结构特性的拉曼光谱

一束光，经过棱镜的折射，可以看到赤橙黄绿青蓝紫；在大自然里，光线可以通过光栅分离，分成一道道光谱。拉曼光谱就是其中的一种。拉曼光谱是1928年在印度物理学家拉曼发现了光的拉曼散射效应的基础上发展起来的一种分子振动光谱，拉曼散射谱线与入射光波长无关，只和样品的振动转动能级有关，因此拉曼光谱的一个特点就是能够反映分子结构的特性。拉曼光谱的能量很微弱，但却非常敏感，特异性强，因此特别适合进行快速筛查检测。简智仪器自开始做激光快检领域的光谱研究，在拉曼光谱领域已拥有十余年的研发经验，先后在国内多项重大课题专项中获得成功实施与应用。

与传统方法相比，拉曼光谱检测技术拥有诸多优点：提供直接无损的半定量、定性分析；样品用量较少，可避免产生误差；由于水的拉曼散射很微弱，更适用于水溶液测定；操作方便，测定时间短，灵敏度高，谱峰尖锐，可明显表征特定分子的结构。

回溯当年的“三聚氰胺”事件，当时国内监测奶粉是否合格的一项重要指标就是蛋白质，具体就用氮元素含量来体现，这给了一些不法商家可乘之机，他们在普通奶粉里掺加根本不能被婴儿吸收的三聚氰胺，大幅提高氮含量。事件被曝光后，国家相关部门开始紧急筛查各批次奶是否含有三聚氰胺，按照标准，筛查采用液相色谱、质谱联用的办法。这种检测设备一套价值百万元，检测一个样品花费千元以上，耗时近3个小时，严重影响了市场上奶制品供应的时效性。而采用便携式拉曼光谱仪，每个样品检测时间只需3分钟，并且准确无误。

拉曼光谱分析技术在食品成分快速检测中的应用

食品的主要成分为蛋白质、脂质、碳水化合物、水和微量元素等。常规分析蛋白质的方法如高效液相色谱法、X射线衍射法、质谱法和分光光度法等，都存在操作繁琐，处理样品复杂，样品被破坏的缺点。拉曼光谱分析技术能克服这些缺点，是测定固体和液体样品结构信息的有效方法之一。在对食品主要成分的结构与功能特性的变化测定上，拉曼光谱技术比传统化学方法具有更强的优势。通过拉曼谱图不仅可以定性分析被测物质所含成分的化学结构和化学键的变化，还可以定量检测食品某些成分的含量。

对蛋白质的分析检测

蛋白质作为大部分食品屮的主要原料成分，是衡量食品品质、营养价值的重要指标之一。蛋白质为人体提供所必需的能量和氨基酸。不同食品中的蛋内质功能取决于多样化的蛋白质结构，而有关结构与功能的研究很早就受到关注。根据结构与功能的关系，人们研究改善蛋白质特性的改性方法，以达到合理利用蛋白质功能特性优化加工条件的目的。目前拉曼光谱技术已被应用于研究食品蛋白质，它可以鉴定化学键变化以及肉类加工中的蛋内结构。

通过分析蛋白质拉曼谱图的特征峰位置、谱峰强度和谱峰面积，不但可以得到蛋白质分子的振动倍息、化学结构、化学键变化，还可以得到有侧链微环境的化学信息及其受各种理化因素如pH、温度等影响的信息。

蛋白质变性的实质就是在某些物理和化学因素作用下，蛋白质的二级结构和三级结构有了改变或遭到破坏，分子内部结构和性质发生改变，生物活性也会发生变化。利用拉曼光谱法能够得知蛋白质主链构象和侧链构象及其存在形式随其微环境而变的情况。

通过拉曼技术能够从分子水平较深入地研究蛋白质构象或构型的变化以及它们相互作用的过程，有助于人们探讨生产加工的工艺参数对生物大分子结构及其功能的影响，进一步为研究食品蛋白质的营养功能机理提供可靠的依据。

人们在研究蛋白质分子的成分和结构之后，进一步寻找结构与功能之间的关系。蛋白质的功能性质是指在食品体系中的蛋白质在加工、贮藏、生产和消费期间所体现的物理和化学性质，如凝胶性、乳化作用等。在物理化学方法处理后蛋白质结构发生何种变化及其与功能特性发生变化存在何种关系，是蛋白质变性研究的难点。

蛋白质的凝胶作用与二硫键的变化密切相关。二硫键能够将相隔较远的2个肽段连在一起，使蛋白质空间结构更为紧密，对于蛋白质三级结构的稳定起着重要作用。采用激光拉曼观察二硫键的拉曼光谱，发现生鱼糜中二硫键的特征频率谱带很弱，凝胶化后变强，表明此时鱼糜蛋白中的活性巯基氧化形成二硫键，使结构更紧凑。以猪肉肌原纤维蛋白为原料，用拉曼光谱研究加热温度、离子强度等因素对肌原纤维蛋白凝胶功能特性及蛋白质生化特性的影响，分析了蛋白质结构与功能之间的相关关系，为优化加工工艺艺条件，改善凝胶肉制品品质提供了理论依据。

对脂质的分析检测

在油脂产业，传统化学方法和气相色谱法通常用來量化脂肪酸的顺反异构体和不饱和度。一些现代检测分析手段，如粉末衍射、X-射线和差示扫描量热法可以提供甘油三酯和甘油二酯的信息。随着拉曼检测技术的发展，拉曼技术可以检测到植物油的脂肪酸组成，含油量和动物脂肪的结构，可以作为油脂质量控制的快速筛选方法。用拉曼光谱分析玉米种子不同部位的成分，发现不同部位脂类的特征吸收峰的相对强弱是不同的，其中胚乳中吸收峰强度最强，表明胚乳中脂类占主导。通过拉曼光谱能够监测脂质单分子的结构变化，亚油酸在自氧化过程中，拉曼光谱的谱型和峰强都有变化，就可以反映到分子内部的结构变化。

对碳水化合物的分析检测