拉曼光谱在食物检测中应用

拉曼光谱在食物检测中应用拉曼光谱学是用来研究晶格及分子的振动模式、旋转模式和在一系统里的其他低频模式的一种分光技术。拉曼散射为一非弹性散射，通常用来做激发的激光范围为可见光、近红外光或者在近紫外光范围附近。激光与系统声子做交互作用，导致最后光子能量增加或减少，而由这些能量的变化可得知声子模式。这和红外光吸收光谱的基本原理相似，但两者所得到的数据结果是互补的。食物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。以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术，其信号来源于分子的振动和转动，提供不同食物成分的信息，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，还可以定量检测食物某些成分的含量。1.拉曼光谱对碳水化合物检测碳水化合物的拉曼光谱强而明确，能提供精确的结构信息。C=N、C=S、C-C、S-H等基团拉曼光谱非常明显。但碳水化合物拉曼光谱解析较困难，许多碳水化合物是同分异构体。药林桃等应用激光拉曼光谱仪获取脐橙拉曼谱线，通过对拉曼谱线处理与分析得到预测脐橙果肉糖度的谱线特征值，并作为检测脐橙内部品质的指标。通过拉曼光谱对纤维低聚糖配糖键构象的分析，有助于更详细地了解纤维低聚糖的三维结构。通过拉曼光谱可测定聚糖单元糖基的环振动情况，相比红外光谱，有较强的特征吸收。马寒露等应用便携式拉曼光谱仪结合化学计量学技术，建立了浓缩苹果汁掺入梨汁的快速检测方法。其发现苹果汁和梨汁在波长866cm-1和1126cm-1处的拉曼光谱有微小差别，这是由于苹果汁和梨汁中果糖异构体含量不同所致。2.蛋白质蛋白质作为大部分食品中的主要原料成分，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。不同食品中的蛋白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，它可以鉴定底物或化学键变化以及肉类加工中的蛋白结构。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信息、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。20世纪60年代初，自激光的发现并应用于拉曼光谱中，拉曼技术用于蛋白质分析的研究工作就已经开始。朱科学等采用显微激光拉曼光谱仪研究了小麦胚芽8S球蛋白的二级结构，结果表明小麦胚芽8S球蛋白的二级结构主要为β-折叠，另外还含有一定量的α-螺旋和无规卷曲构象。而应用拉曼光谱对蛋白质二级结构进行定量研究始于1976年。Lippert等由已知二级结构的蛋白质的拉曼光谱得到1组峰强参数，然后用蛋白质拉曼光谱的酞胺III和酞胺I′（重水溶液）谱带强度建立联立方程，从而求解蛋白质的二级结构。方一行等用Lippert建立的方程组进行定量计算，求得天花粉蛋白的二级结构含量为α-螺旋43.5%，β-折叠31.3%和无序5.2%，与X射线衍射法的测定结果一致。王斌等采用FT-Raman光谱仪对多种蛋白质样品多次扫描，以去卷积谱、二阶及四阶导数谱为参考，确定各子峰峰位。3.脂类传统化学方法和气相色谱法通常用来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。随着傅里叶变换技术的出现，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，有可能作为质量控制的快速筛选的方法。早在1972年，激光拉曼就用于测定食用植物油里的顺式和反式异构体，它们的波数位移分别在1656cm-1和1670cm-1。同样，C=C伸缩键对C-H键引起的散射强度比，证明与甘油三酯和游离植物油的碘值呈正相关。李占龙等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。3.水水的研究可以应用红外光谱、拉曼光谱、X射线等，其中拉曼光谱技术可以表征水分子的振动特征及氢键结构。水分子的振动包括2个O-H伸缩键，其中对称的在3220cm-1处，不对称的在3400cm-1处。尽管鱼糜凝胶化时表观特征变化不明显，但是水分子的振动强度会降低。这种趋势缘于水中的弱氢键分子结构。Ravindranath等通过拉曼光谱试验证明水的结构在0～20℃和高于20℃时是不同的。在冰融化成水的过程中，只有约10%的氢键断裂。随着温度的升高，水分子从冰的六角形团簇结构向四面体团簇结构转变，这使水的密度在低温时增加并在4℃时达到最大。在高于17℃时，水的密度明显随温度升高而减小。郁鉴源等探讨了随着激发功率的增加，水（H2O）和重水（D2O）内部分子结构变化的规律，并运用去卷积技术对所得光谱进行分峰处理，结果水分子的氢键有断裂趋势，其给出了一些定性解释。4.维生素利用拉曼光谱技术可提供完整的维生素分子结构信息，并对其结构做进一步的描述和表征。吴捷等报道维生素C的傅里叶拉曼光谱，并对它的拉曼特征谱带进行初步的指认和归属；结合pH值的变化探讨吸附作用的特点和规律。Cimpoiu采用拉曼光谱方法对TLC分离出的8种水溶性维生素（VB1，VB2，VB3，VB4，VB5，VB6，VB9，VE13，VC）进行确认。拉曼光谱技术发展至今已有80年的历史，自表面增强拉曼光谱和激光拉曼光谱技术出现以后，拉曼光谱技术在生物结构分析方面的应用得到快速发展。拉曼光谱技术具有分析速度快、无需预处理、不需破坏样品，灵敏度较高、样品浓度低，目前，已成为分析化学、生物学、药学的重要研究手段。预计不久的将来，这一检测技术必将在更多的食品工业领域中得到应用。