近紅外在食品安全中的應(yīng)用

　　食品安全問(wèn)題日益受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，為加強(qiáng)對(duì)食品安全的監(jiān)督和管理，一些新的檢測(cè)技術(shù)不斷涌現(xiàn)。近紅外光譜技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新型的分析檢測(cè)技術(shù)，可以用于鑒別食品真?zhèn)巍郊勹b別、鑒別食品種類(lèi)、追溯原料產(chǎn)地、檢測(cè)農(nóng)藥殘留、進(jìn)行食品質(zhì)量評(píng)估與分級(jí)等，在食品安全領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　1. 近紅外光譜分析技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

　　? 非破壞性

　　    不破壞樣品，樣品測(cè)試后可以原樣保存

　　? 測(cè)試簡(jiǎn)單

　　    日常分析模式簡(jiǎn)單，操作人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可操作

　　? 無(wú)須樣品預(yù)處理

　　    原樣測(cè)量液體、粉末、膠體、片劑以及膠囊等

　　? 測(cè)試速度快

　　    幾秒鐘出結(jié)果，在更少時(shí)間內(nèi)測(cè)試更多的樣品

　　? 成本低

　　? 測(cè)試重現(xiàn)性好

　　? 可用于過(guò)程控制，保證食品質(zhì)量安全

　　? 綠色環(huán)保

　     　無(wú)需有毒化學(xué)藥品，沒(méi)有溶劑浪費(fèi)，不需化學(xué)專(zhuān)家，也無(wú)工人的接觸問(wèn)題

　　基于傅里葉變換近紅外光譜技術(shù)的NIRFlex N500 在具備以上優(yōu)勢(shì)外，由于采用折射率非常高的晶體材料，使儀器的分辨率達(dá)到理想，儀器設(shè)計(jì)更為緊湊，只有一束光通過(guò)，與邁克爾遜干涉儀想必，將機(jī)械振動(dòng)對(duì)干涉的影響減少了10到40倍，即時(shí)在惡劣的環(huán)境下也能保持出色的性能。

　　2. 近紅外光譜分析技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用

　　目前，近紅外光譜分析技術(shù)由于其以上優(yōu)點(diǎn)，在解決食品安全領(lǐng)域的難題方面做出了突出的貢獻(xiàn)，越來(lái)越受到社會(huì)的肯定和重視，該技術(shù)相繼被應(yīng)用到食品真?zhèn)我约皳郊勹b別、食品種類(lèi)鑒別、食品產(chǎn)地追溯、農(nóng)藥殘留檢測(cè)、污染物鑒別以及視頻質(zhì)量評(píng)估與分級(jí)等方面。

　　食品真?zhèn)巍郊勹b別

　　食品真?zhèn)巍⒊煞謸郊賳?wèn)題用一般的化學(xué)方法分析費(fèi)時(shí)費(fèi)力，近紅外光譜定性分析技術(shù)無(wú)需復(fù)雜的前處理即可通過(guò)對(duì)光譜信息的分析提取出物質(zhì)的特征信息，實(shí)現(xiàn)食品品質(zhì)的快速鑒別。例如真假奶粉定性判別、轉(zhuǎn)基因食品與親本定性判別、碧螺春茶真?zhèn)舞b別、酒精類(lèi)飲品 中外來(lái)乙醇、水分以及甲醇鑒別、純牛奶中還原奶的鑒別、原料奶新鮮度和原料奶中摻假物質(zhì)鑒別、水果中褐腐病的判別、食用油中脂肪酸、過(guò)氧化值、碘值等與油品質(zhì)量有關(guān)指標(biāo)的定量監(jiān)控以及食用油真?zhèn)舞b別、牛肉漢堡包摻假以及醬油真?zhèn)蔚榷伎赏ㄟ^(guò)近紅外定性分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　?鑒別食品種類(lèi)

　　不同食品品種間口感、品質(zhì)等差別較大，為提高食品品質(zhì)，品種鑒別愈顯重要。近紅外光譜分析學(xué)者已經(jīng)應(yīng)用近外光譜分析技術(shù)建立龍井、碧螺春、祁紅以及鐵觀(guān)音四類(lèi)茶葉的SIMCA模型，另外應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)區(qū)分不同種類(lèi)魚(yú)油、不同品種小麥以及不同品種酸奶、不同品種咖啡、不同品種嬰幼兒奶粉、西洋參與人參定性判別等也取得了較理想的結(jié)果。

　　? 追溯原料產(chǎn)地

　　對(duì)原料產(chǎn)地進(jìn)行追溯，一旦出現(xiàn)食品安全問(wèn)題，可快速溯源，采取及時(shí)有效措施控制食品安全事故的擴(kuò)散。目前已經(jīng)有研究將近紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用于不同產(chǎn)地的歐洲鱸魚(yú)以及四個(gè)不同國(guó)家生產(chǎn)的雷司令葡萄酒的區(qū)分中。

　　? 檢測(cè)有機(jī)農(nóng)藥殘留

　　目前應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)食品中農(nóng)藥殘留進(jìn)行分析例子不多，但是近紅外光譜分析技術(shù)由于優(yōu)點(diǎn) 突出已漸漸開(kāi)始受到關(guān)注，有學(xué)者采用近紅外光譜倍頻區(qū)的特征信息結(jié)合差譜及導(dǎo)數(shù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉菜中是否受有機(jī)磷農(nóng)藥殘留污染進(jìn)行鑒定，結(jié)果與GC-MS 97.5%吻合。但是，食品中農(nóng)藥殘留數(shù)量級(jí)都在ppm級(jí)，理論上超出近紅外最低檢測(cè)限，因此在實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用中可以嘗試將待檢測(cè)樣品進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理(如農(nóng)殘富集等)后進(jìn)行光譜采集、模型建立。

　　? 食品質(zhì)量評(píng)估與分級(jí)

　　近紅外光譜分析技術(shù)不僅可以作為常規(guī)方法用于食品的品質(zhì)分析，而且可以用于食品加工中的過(guò)程控制。對(duì)食品采取實(shí)時(shí)品質(zhì)監(jiān)控可以有效保證食品質(zhì)量安全。目前已有學(xué)者將該技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)控肉品加工過(guò)程中水分的變化情況、黃酒品質(zhì)分析與酒齡判別等方面。

　　3. 如何將BUCHI公司近紅外光譜儀應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域?

　　瑞士步琪公司生產(chǎn)的傅里葉變換近紅外光譜儀NIRFlex N-500采用模塊化個(gè)性配置，包含NIRFlex固體測(cè)量池、NIRFlex液體測(cè)量池、NIRFlex光纖固體測(cè)量池、NIRFlex光纖液體測(cè)量池、NIRFlex固體透射池等五種采集模塊，通過(guò)選擇合適的光譜采集方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末、液體、顆粒、膠體以及片劑、膠囊等各種形態(tài)食品的定性定量分析。 另外，步琪公司采用精密的雙折射晶體作為干涉儀材料，使儀器分辨率達(dá)到最佳，設(shè)計(jì)更為緊湊，同時(shí)在惡劣的環(huán)境下也能保持出色的性能，因此NIRFlex-500可以用于野外、工業(yè)等現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中食品安全檢測(cè)。 同時(shí)，與NIRFlex-500配套的化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件NIRCal 5.0功能強(qiáng)大，具有震撼的交互式可視化效果，軟件中的calibration wizard功能可以滿(mǎn)足近紅外初學(xué)者的需要，自動(dòng)組合、選取最佳預(yù)處理方法以及建模方法，同時(shí)滿(mǎn)足近紅外工作者以及初學(xué)者的需求。

　　4. BUCHI公司近紅外光譜儀NIRFlex N-500在

　　食品安全中的應(yīng)用舉例

　　4.1 利用NIRFlexN500 檢測(cè)面筋中三聚氰胺摻入量

　　2007 年3 月15 日，美國(guó)寵物食品生產(chǎn)商Menu Foods公司向FDA 報(bào)告有14 只食用該公司寵物食品的動(dòng)物死亡。自此以后，三聚氰胺事件愈演愈烈，三聚氰胺被加在提供給寵物飼料公司的小麥面筋中導(dǎo)致大量召回的事件。分析原因一方面可能是由于傳統(tǒng)檢查配料包括依賴(lài)于檢驗(yàn)報(bào)告單(COA)或?qū)z驗(yàn)報(bào)告單進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室再確認(rèn)。這些步驟的絕大部分是驗(yàn)證檢驗(yàn)報(bào)告單的參數(shù)是否符合指標(biāo)，而不看原材料的整體質(zhì)量。三聚氰胺的使用蒙騙了凱氏定氮測(cè)試從而獲得較高的蛋白質(zhì)含量。瑞士步琪有限公司，新近推出了簡(jiǎn)單快速的傅里葉變換近紅外光譜儀NIRFlex N-500 系統(tǒng)，它可以在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的整體質(zhì)量分析。

　　圖1 光纖固體探頭NIRFlex-N500 偏振干涉儀

　　實(shí)驗(yàn)采用光纖固體探頭(見(jiàn)圖1)透過(guò)玻璃瓶采集面筋和三聚氰胺的傅里葉變換近紅外光譜譜圖(見(jiàn)圖2)，面筋和三聚氰胺純品的近紅外光譜譜圖中存在明顯的吸收峰差異，圖3 展示了面筋中三聚氰胺含量小于1%的不同含量水平的譜圖殘差分析檢測(cè)圖，圖4展示了傅立葉變換定量分析模型，該模型開(kāi)發(fā)用于面筋中三聚氰胺的檢測(cè)，絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.02%。這些數(shù)據(jù)表明如果上述原料用傅立葉變換儀器掃描了，系統(tǒng)就能夠在幾秒鐘內(nèi)指明來(lái)料與可接受的整體品質(zhì)相符與否。　　

　　4.2 利用NIRFlex N500 進(jìn)行原料質(zhì)量控制Buchi 近紅外專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)光纖式探頭滿(mǎn)足工廠(chǎng)需要，能真實(shí)探測(cè)次品原料，這些原料在濕法化學(xué)檢測(cè)中可能合格。硫酸軟骨素就是此類(lèi)問(wèn)題公認(rèn)的一個(gè)例子。　

　　圖5 顯示了三批硫酸軟骨素，并且傳統(tǒng)的HPLC 方法分析純度都在95%以上。傅立葉近紅外譜圖明顯不同，顯示三批中的兩批與可接受的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不符。隨后分析咔唑分析表明，實(shí)際上其中一批硫酸軟骨素含量為99.7%，另外兩批含量分別為11.4%和14.6%。

　　Buchi 近紅外系統(tǒng)對(duì)整個(gè)原材料拍了張快照，以驗(yàn)證它不僅符合技術(shù)指標(biāo)，而且確認(rèn)那些有害的或不明合成物或摻假物不存在。這一簡(jiǎn)單方法確認(rèn)原材料合格后，那種把含有不明或有害的摻假物的配料投入市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)被極大降低。這一系統(tǒng)也可以用來(lái)掃描在出廠(chǎng)時(shí)成品的指紋圖譜。這種方法一旦建立，倉(cāng)庫(kù)的收貨員就可以在倉(cāng)庫(kù)中用光纖探頭檢測(cè)每桶原料并現(xiàn)場(chǎng)得知合格與否。如果配料是次品，生產(chǎn)廠(chǎng)商立刻得到問(wèn)題警告，并能采取相應(yīng)措施從而避免影響他們的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。事實(shí)上，這一技術(shù)的實(shí)施，給公司上了一道“質(zhì)量防火墻”。

　　近紅外技術(shù)是基于光譜原理，每種原材料都有一種獨(dú)特的指紋譜圖，這些譜圖反映它們的化學(xué)和物理性質(zhì)。在這種方法中，數(shù)學(xué)算法和化學(xué)計(jì)量學(xué)被用作處理方式來(lái)建立公差圈。然后用馬氏距離和多維統(tǒng)計(jì)分析根據(jù)模型中的標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)測(cè)量未知樣品。如果未知樣品經(jīng)計(jì)算后在公差圈內(nèi)，這個(gè)原料就通過(guò)了三步確認(rèn)中的第一步。接著，進(jìn)行殘差分析，以確認(rèn)不明物質(zhì)不存在。

　　最后，操作者輸入的標(biāo)簽上的物質(zhì)名稱(chēng)與馬氏距離和殘差分析的目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行確認(rèn)。如果所有三步測(cè)試得到確認(rèn)，該原料獲得一個(gè)陽(yáng)性定性或“通過(guò)”。如果任何一項(xiàng)得不到確認(rèn)，那么該原料測(cè)試“失敗”。然后經(jīng)理必需解釋為什么失敗了，并追蹤根源原因，這些原因通常包括原料不對(duì)、標(biāo)簽不對(duì)、質(zhì)量不合格、合成物摻假或者其它原料的替代品。

　　上述Buchi三步法傅立葉變換近紅外軟件的算法可以區(qū)分非常相似的天然產(chǎn)物，如植物原材料。傅立葉變換近紅外光譜儀已成功用于植物原材料的來(lái)料定性，在倉(cāng)庫(kù)中每小時(shí)都在使用。它的實(shí)現(xiàn)是基于傅立葉變換光譜已安裝而且用譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)定標(biāo)。

　　正如任何防火墻，期望任何問(wèn)題都被檢測(cè)是不現(xiàn)實(shí)的。但是，使用傅立葉變換近紅外作為一個(gè)快速的整體質(zhì)量的監(jiān)測(cè)工具確實(shí)可持續(xù)地降低含有有害或不明摻假物的原料放行到生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然還有檢測(cè)限問(wèn)題，它取決于所檢測(cè)化學(xué)鍵的類(lèi)型。O-H, C-H, N-H是吸光強(qiáng)度最大的，因此，它們可以比其它吸收弱的鍵檢測(cè)水平低。用于解析數(shù)據(jù)的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法也是決定近紅外檢測(cè)限的另一因素。

　　很多使用傅立葉變換近紅外的公司把他們來(lái)料、出料和過(guò)程處理的近紅外譜圖和其它記錄管理程序一起存檔在軟件中。管理程序允許用戶(hù)在將來(lái)任何時(shí)候作為審計(jì)追蹤而重建結(jié)果、提出客戶(hù)投述、或提供訴訟證據(jù)。這一技術(shù)使得繁雜的批次測(cè)試變得容易，使公司進(jìn)行每桶測(cè)試成為可能，而不再僅依賴(lài)抽檢少量樣品去代表整批貨物。