Vo1.17,2010,No.1 粮食与食品工业 Cereal and Food Industry 标准与检测 现代近红外光谱分析在食品检测中的应用 蒋耀庭,梁承红,陈菊娜 海军航空工程学院 (烟台 264001) 摘 要:综述了近红外光谱技术在食品分析中的应用,介绍了近红外光谱技术的特点,并分别 详述了近红外光谱技术用于酿造食品、牛奶及其制品质量、肉与肉制品的检测,以及在其它食品检 测中的应用。 关键词:近红外光谱;食品;分析;检测 中图分类号:TS207.3 文献标识码:A 文章编号:1672—5026(2010)01—0051—04 Application of modern near—infrared spectroscopy in food inspection J iang Yaoting,Liang Chenghong,Chen J una Naval Aeronautical and Astronautica1 University(Yantai 264001) Abstract:The application of modern near—infrared spectroscopy technology in food analysis is summarized.The features of near—infrared spectroscopy technology are introduced.The applica— tions of near—infrared spectroscopy technology in the inspection of brewing food,milk and its products,meat and meat products and other food are introduced. Key words:near—infrared spectroscopy;food;analysis;inspection 近红外光(NIR)是指波长在750 ̄3 000 nm范 (1)良好的传输性能。近红外光在光导纤维中 的传输性好,因此可以实现多通道对生产工艺流程 的关键质控点进行在线检测。 (2)无损的检测手段。近红外光谱技术对样品 围内的电磁波。现代近红外光谱是20世纪90年代 以来发展最快的光谱分析技术,是有机物定性、定量 和结构分析最有效的手段之一,特别是1990年以后 由于近红外光在光纤中良好的传输特性,使近红外 光在线分析成功地应用于各个领域。在食品生产加 没有损伤,因此被称为无损检测,尤其在活体的检测 方面,其优越性更为明显。 工中,食品分析是重要的环节,而食品分析的主要对 象是有机物,因此近红外光谱技术在食品行业中得 到重要的应用。与其他检验方法相比,它具有环保、 (3)快捷的分析速度。近红外光谱技术对样品 不用做预处理,对样品的测量过程一般在1 min之 内完成,因此,分析速度快,效率高,尤其可以同时对 样品进行多个组分性质测定[1]。 (4)用于测试样品的形态广、适用性强、对环境 简单、高效等优点。现代近红外光谱技术的应用,给 食品无损和绿色检验带来了一场。本文首先介 绍现代近红外光谱技术的特点,然后对现代近红外 光谱应用于食品检验进行了综述。 的要求低。可以直接测液态、固态、胶状态等不同物 理状态的样品。既适用于实验室,也适用于生产现 场对样品进行快速检测。 1 近红外光谱技术的特点 1.1优点 收稿日期:2009—12—03 生物效应研究。 修回日期:2010—01—16 (5)分析成本低。使用时只需数10 w电能,维 护成本低。 (6)利于环境保护。近红外光谱技术在样品测 作者简介:蒋耀庭,男,1955年出生,教授,主要从事物理学 定的过程中,不会对环境造成污染,因此被称为“绿 色”检测方法。 51 标准与检测 蒋耀庭等:现代近红外光谱分析在食品检测中的应用 (7)该技术测试重现性好、对操作人员要求不 葡萄酒)和夏敦埃酒(无甜味白葡萄酒)进行感官分 高,培训简单,推广便捷。 析和近红外光谱分析,将NIRS分析技术应用于酒 1.2缺点 的感官评价中,由此来选择优质的葡萄酒口]。五粮 被测组分一般大于0.1 ,因而灵敏度较低[1]。 液酒厂应用近红外技术对酒醅中的水分、酸度、淀 近红外光谱的变动性比较大,由于样品未经预处理, 粉、还原糖等进行了测定,使用短波近红外光谱法分 样品状态、测定方式及测定条件都会影响测量结果。 析酒中乙醇含量[1 ]。此外,对啤酒来说,近红外光 一种基团在近红外光谱区的多个波长处有吸收,这 谱技术主要是对啤酒中的乙醇和麦芽糖等进行检 会使多组分样品在一个波长处出现多个谱峰重叠的 测。 复杂现象。 2.2对酱油和醋的检测 2 近红外光谱技术用于酿造食品的 目前,近红外光谱技术对酱油的检测,主要是测 定酱油中的总氮和总酸。陈斌等[1们于1999年首次 检测 研究了利用近红外光谱分析法快速测定酱油中总氮 酿造品是人们日常必需的常用食品或调味品, 和总酸含量的方法,并与逐步回归分析进行对比分 其含量(例如酒中的乙醇、酱油中的总氮和总酸、食 析。其结果是利用近红外光谱分析技术快速检测酱 醋中的总酸和还原糖等)的检测一般采用化学方法, 油中总氮和总酸含量的方法简便可行,总氮和总酸 检测样品时,一般要进行预处理,整个检测过程操作 在10 000 ̄3 500 cm 区域中,与一阶导数光谱有 复杂,需要熟练的检测人员,操作时存在比较大的误 良好的相关关系,与逐步回归分析相比较,当采用偏 差。采用近红外光谱法测定酿造品中的成分,由于 最小二乘回归分析时,预测的效果更好,定标方程更 具有快速、样品无需预处理、无需化学试剂、检测成 稳定可靠,对26个预测样本总氮的预测平均相对误 本低等优点,目前正得到酿造品生产企业的应用和 差为4.306 ,标准差为0.035,总酸的平均相对误 推广。 差为4.820 ,标准差为0.054,说明该方法可以用 2.1对酒的检测 于酱油中总氮和总酸的快速测定。 目前近红外光谱技术在酿酒生产中的应用主要 总酸、还原糖是食醋生产过程中必须严格控制 用于对白酒、米酒和葡萄酒有关含量的测定,而且多 的理化指标,也是成品食醋分级的重要依据。按照 用于乙醇含量等比较单一成分的测定,El本最早将 传统方法,一般通过化学滴定法来测度食醋中的总 其用于测定米酒的酸度、氨基酸、总糖和酒精含 酸和还原糖,需配制多种试剂,且要进行标定,样品 量 ]。此外,还有应用流动注射一近红外光谱分析 要进行预处理,整个检测过程操作复杂,需要熟练的 饮料酒中的乙醇含量,应用近红外光谱测定白葡萄 检测人员,操作误差较大。陈斌等人将镇江恒顺酱 酒中的痕量金属元素,应用近红外分析技术测定红 醋厂生产的食醋作为样品,用近红外光谱透射法测 葡萄酒发酵过程中苯酚含量的变化,用近红外光谱 定食醋中总酸和还原糖取得了较好的结果,总酸和 仪在线检测葡萄酒发酵过程中15种参数,研究使用 还原糖在近红外光谱8 000~4 100 cm 区域中与 近红外光谱测定酒精饮料中乙醇含量口-7]。中国农 透射光谱以及与透射光谱的一阶导数光谱具有良好 业大学食品学院食品质量无损检测研究室对此做了 的线性关系[1 。总酸检测的相对误差小于1.0 , 研究,探讨了NIRS分析技术在预测酿酒葡萄Brix 还原糖检测的相对误差小于3.0 ,标准差0.057。 值的可行性,为酿酒企业和葡萄园主使用近红外光 而实际生产中用化学方法测定难以达到如此精度, 谱技术来预测葡萄采摘期及对葡萄以质论价提供了 因此用该方法完全能满足生产实际的需要。 初步的实践基础。他们列出了酿酒葡萄不同采集方 式的近红外光谱及糖度预测值与真实值的相关性。 3 近红外光谱技术用于牛奶及其制品 这种快速检测的方法可以取代原来的工艺,从而达 质量的检测 到预测葡萄采摘期的目的 ]。此外,Dambergs R G 近红外光谱技术在奶制品方面的应用主要表现 等人用NIRS分析技术进行葡萄酒品质分级,挑选 在两个方面:一是离线检测,一般是用红外反射仪对 出了优质的葡萄酒,得到了很好的分级效果。Dan— 试管或样品杯中的样品进行全反射检测;二是在线 iel Cozzolino等人对澳大利亚的雷司令(一种干白 检测,直接借助于光纤探头在生产线上对样品进行 52 粮食与食品工业Ceteaz nnd Food Ind州r 检测[1 。目前,近红外光谱在乳制品中的应用主要 有以下3个方面。 3.1 牛奶理化指标的检测[1 李庆波等人研究了用近红外光谱技术对牛奶理 化指标检测的方法,讨论了采用偏最小二乘法 (PLS)建立校正模型过程中数字滤波预处理方法以 及利用遗传算法优选波段的情况。王丽杰等人论述 了基于声光可调谐滤光器(AOTF)的乳品成分近红 外光谱测量方法,并针对测量系统进行了可靠性热 设计,使系统的热性能得到大幅改善。改进后的系 统在开机1 h后可趋于稳定,连续运行1.5 h后测 试光谱重复性变异系数CV值可减至0.02 ,运行 20 h后CV值为0.1 。吕丽娜等人研究了近红外 漫反射光谱在牛奶主要成分分析中的应用,讨论了 光在牛奶中的传播方式和相关测量方法的选择,采 用偏最tb--乘法(PLS)建立了校正模型,比较了各 种预处理方法和不同谱区的建模效果。王丽杰等人 探讨了在用偏最小二乘法建立系统校正模型的过程 中,采用直接正交(Do)数据与处理方法滤除牛奶漫 反射光谱中与待测组分质量浓度无关的干扰信息的 可行性,进一步提高了牛奶的测量精度。王云等人 重点对比了不同近红外区域的检测结果,研究中利 用偏最小二乘法建立校正模型,探讨了不同光谱区 域和数据预处理对模型准确性的影响。 3.2牛奶掺假的鉴别 韩东海等 考察了利用红外光谱技术鉴别纯 牛奶中还原奶的情况,确定了判别原料奶新鲜度的 可行性。结果表明,利用判别分析方法建立还原奶 的鉴别模型,对还原奶掺入量在20 以上的样品的 正确判别率超过90 。 3.3在线牛奶成分检测 研究人员采用近红外光谱技术分别对儿童高钙 奶粉和鲜奶成分中的水分、蛋白、脂肪、乳糖和蔗糖 进行了在线测定,其效果十分理想,可以广泛用于奶 粉生产、鲜奶成品生产过程中的质量控制 ’。。 此外,吴静珠等【15]首次提出了建立包含不同种 类奶粉样品集中的酸度、脂肪、乳糖、蔗糖、蛋白和灰 分的近红外模型,用于奶粉质量控制。他们采用全 谱分析结合模型优化方法研究,分别建立了该混合 奶粉样品集的6个指标的近红外模型。该方法的提 出可以简化近红外技术在奶粉定量分析中的步骤。 Vo1.17,2O10,No.1 4 近红外分析技术在肉与肉制品的 检测 在肉品检测中,近红外技术可以用来测定屠宰 分割过程中和肉制品加工中原料肉和成品的水分、 蛋白质、脂肪等指标;也能鉴别冷冻肉并测定其保水 性、渗透性、肉汁损失率和干物质含量。 Ben—Gera等采用红外透射技术,研究了肉制品 乳浊液中脂肪和水分的含量。Lanza利用近红外光 谱分析研究了生猪肉和牛肉的水分、蛋白质、脂肪和 卡路里含量,发现在波长为1 100~2 500 nm时,反 射光谱与水分、脂肪和卡路里有较高的相关性(R≥ 0.987),与蛋白质的相关系数(R)为0.885。此外, 有研究表明:近红外光通过光纤反射的透射特性与 牛肉剪切力相关(R=0.798~0.826),与水分、蛋白 质、脂肪等指标也有较好的相关性。Park等通过分 析近红外反射光谱以确定牛肉嫩度,采用主成分分 析法(PCR,principal componen tregression)分析波 长在1 100 ̄2 498 nm处生肉的吸收光谱,发现其 与测得的熟肉嫩度存在复相关系数R =0.692,从 而可以建立预测牛肉嫩度(口感)的分析模型。但该 方法成本较高且分析较复杂,目前丹麦、德国已开发 出在线检测设备,而我国还没有类似的检测仪 器 ’ 。 利用近红外技术还可以对熟肉制品的成分进行 检测。例如朱迅涛利用德国BRAN+LUEBBE公 司生产的IA2000红外分析仪对火腿肠中的蛋白 质、脂肪和水分进行在线检测。与常规方法检测结 果相比,样品近红外检测值是可以接受的,相关系数 达到了0.975,从而证明利用近红外检测仪快速测 定火腿肠中的蛋白质、脂肪和水分含量的方法是可 行的[1 。赵丽丽等人将腌腊肉样品经过简单的粉 碎后在BRUKER傅里叶变换近红外光谱仪上进行 扫描,获得其近红外光谱,参照国标法测定酸值和水 分含量,采用附加散射校正光谱预处理方法,建立了 腊肉酸值和水分含量的PLS回归模型[州。酸值模 型预测集中样品的预测值与标准值的相关系数r 为0.98,预测标准差RMSECV为0.25;水分含量 模型预测集中样品的预测值与标准值的 为0.90, RMSECV为0.02。成对t检验统计结果表明,近红 外光谱分析技术可以用于腊肉制品品质的快速检 测。 与 标准与检测 蒋耀庭等:现代近红外光谱分析在食品检测中的应用 全检测中的应用[J].红外,2007,28(4):38—40. [2]王 莉,季克良,徐岩.近红外光谱技术及其在白酒质 量控制中的应用展望EJ].酿酒,2005,32(5):17—19. [3]Blanco M,Villarroya I.NIR spectroscopy:a rapid—re— sponse analytica1too1[J].Trends in Analytical Chemis— try,2002,21(4):240—250. 5 近红外分析技术在其它食品分析中 的应用. (1)小麦、大麦和菜豆。主要检测小麦、大麦和 菜豆中的蛋白质、纤维、水分、硬度[2 。 (2)面粉。主要检测面粉中的水分、灰分、蛋白、 I-4]Tipparat P,Lapanantnoppakhun S,Jakmunee J,et a1. Determination of ethanol in liquor by near--infrared spee-・ 面筋、硬度、颜色、脂肪、淀粉。 (3)水果和蔬菜。主要检测水果和蔬菜中的酸 trophotometry with flow injection[J].Talanta,2001 度、含水量、粗蛋白、膳食纤维、还原糖、维生素C、8胡 萝卜素、维生素E、干物重、可溶性固形物、总糖、有机 酸、柠檬酸、苹果酸、琥珀酸、葡萄糖、果糖、蔗糖、 盐、可溶性固形物等以及对品质的分级。 (4)鱼类。主要检测鱼中的蛋白质、脂肪、含水 量、盐分、热量、氨基酸 脂肪酸、纤维素以及新鲜、冷 冻程度、产品种类、真伪鉴别。 (5)豆腐干。主要检测豆腐干中的总酸、蛋白质 和水分。 (6)饮料。主要检测饮料中的咖啡因、葡萄糖、 果糖、蔗糖、酸度、有机酸等以及真伪鉴别。 (7)咖啡。主要检测咖啡中的咖啡因、绿原酸、 水分、产地鉴别以及品质分级。 (8)茶叶。主要检测茶叶中的总氮、游离氨基 酸、水分、茶多酚、咖啡碱等以及对品质的分级。 (9)面包和饼干。主要检测面包和饼干中的蛋 白质、脂肪、水分、淀粉、面筋值。 (10)食用油。主要检测食用油中的碘值、酸值、黄 色素、红色素、黏度、盐、氮、酒精、乳酸、谷氨酸、葡萄糖。 (11)转基因食品。主要检测转基因食品中的监 测蛋白或DNA的变化以及标记基因的转变[2 。 6 结语 近红外光谱法在食品分析中也存在不足,归纳 起来主要有3点:(1)建立模型需要大量有代表性且 化学值已知的样品;(2)模型需要不断的维护改进; (3)近红外测定精度与参比分析精度直接相关,在参 比方法精度不够的情况下,无法得到满意结果。尽 管近红外光谱法在食品分析中还存在不足,相信随 着研究的不断深入,红外光谱仪设备的更新换代以 及检测成本的降低,问题都将会得到解决,近红外光 谱法将会得到更广泛的应用。 参考文献 E a]陈建军,谭佐军,崔 鹏,等.近红外光谱技术在食品安 54 (53):1199—1204. 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