佳肴少不了粮油 检测还得靠拉曼

二月来临，春运开启，过年的脚步也越来越近了。在过年的餐桌上，虽然少不了鸡鸭鱼肉，甚至山珍海味，但是粮、油是美味佳肴的基础。国以民为本，民以食为天，食以安为先。在中国这个吃货大国里，保障食品安全，尤其是粮油质量十分重要。

在涵盖中国几乎所有农产品的供需交易信息网上，五谷粮油分类排在了首位，其在食品领域的地位不言而喻。在这些分类繁杂的粮油产品里，粮油的品质良莠不齐，识別其品质好坏，显得尤其重要。粮油产品在生产过程中可能存在因品质不过关而对人体产生危害的风险，这种风险可能来自原料，也可能由于生产中的污染和恶劣的仓储条件。除此之外，从原料到最终成品，生产的每一个阶段都可能发生化学污染，如化学添加剂、有毒金属、动物性毒素、硝酸盐等，它对人体可能造成影响发育、慢性中毒、急性中毒、致癌，甚至致死的后果。粮油在生产、贮存过程中会由于自然酸败或掺假而变质，必须选择适当的检测方法才能保证其质量。用传统的方法检测粮油的品质有很大的局限性，因为对于粮油，此类方法改变了被检测粮油的本质属性，具有不可恢复性。加上传统的方法效率低下、准确度不高，不能广泛应用于检测中。

那么还有什么方法可以用作粮油质量的检测方法呢？一种是化学计量方法，另一种是拉曼光谱技术。化学计量学是一门通过统计学或数学方法将化学体系的测量值与体系的状态建立联系的学科，它在很大程度上解决了传统化学方法难以解决的复杂问题。而拉曼光谱技术具有无需样品制备、不产生损伤以及得到的信息丰富、灵敏度和选择性髙的优点，在粮油品质检测中具有了无可替代的地位。

接下来我们简单介绍这两种方法，并对拉曼光谱技术分析粮油进行重点说明。

一、化学计量学方法

化学计量学是70~80年代发展起来的一门新兴交叉学科，它应用数学、统计学和其他方法、手段（包括计算机）选择最优试验设计和测量方法，并通过对测量数据的处理和解析，最大限度地获取有关物质系统的成分、结构及其他相关信息。可以认为，化学计量学是化学、统计学、数学及计算机学科之间的“连接口"。化学计量学的研究对象是有关化学测量的基础理论和方法学。化学计量工作一般分为物理化学计量和分析化学计量两大类。物理化学计量着重研究与物质的物理化学性质有关的特性量的计量问题；分析化学计量则研究与物质的组成有关的化学成分量的问题。

化学计量学的内容主要有以下三方面：

1、研究化学中使用的计量单位，建立对应的计量基础、标准及复现等单位。

2、研究物质的特性与成分、测量方法、测量准确度、误差来源及误差分析。

3、研究化学计量器具的特性及其检定校准方法。

常用的化学计量学方法主要有偏最小二乘法、 主成分分析法、多元线性回归法、支持向量机算法及人工神经网络法等。

天然植物油脂是复杂的有机化合物，由于其组成差异的多变性，很难用传统的数据分析方法来表征油脂之间的差异，且随着掺伪技术的发展，油脂掺伪的手段和方式日趋复杂和隐蔽。这些都为油脂的掺伪分析和分类识別带来了困难。一些植物油，如：菜籽油、玉米油、大豆油与鳕鱼肝油的颜色非常相似，如果只用肉眼是很难区分的。化学计量学模式识别技术作为一种新型的数据处理技术，在油脂的分类和掺伪等方面显现出强大的优势。与其他技术的联用主要表现在计量学方法与红外光谱法、色谱法结合识别分析油脂。运用HATR采样接口，傅里叶红外光谱与化学计量学相结合能够很好地解决这个问题。基于判别式分析基础上的分类，这种方法能够很好地将鲟鱼肝油与混杂的九种植物油分开。

二、拉曼光谱技术

拉曼光谱是一种分子非弹性散射光，其地位极其重要。1928年，印度物理学家拉曼通过相关实验首次证明了非弹性散射光的存在。后来的学者以拉曼的名字将这种非弹性散射光命名为拉曼散射，与之对应的散射光现象称为拉曼效应。在20世纪40年代，由于商业化的红外光谱仪的诞生，拉曼光谱的使用更是急剧减少。直到20世纪60年代，激光的出现使得拉曼光谱仪系统得到了很大的简化，检测的灵敏度提高很多，由此开始拉曼光谱才被真正用于常规分析和检测。

拉曼光谱是在拉曼效应基础上的一种方法，由于其含有的众多优势已成为检测和分析方法中的佼佼者。学术界先后出现了多种常用的拉曼光谱延伸技术，如表面增强拉曼光谱（SERS)、共焦显微拉曼光谱、傅里叶变换拉曼光谱、共振拉曼光谱等。近来年，便携式拉曼光谱技术的出现，使得拉曼检测技术更为实用和方便。

1、表面增强拉曼光谱（SERS）于1974年首次发现，1977年有了系统的解释和详细的理论分析，其优点为快速、灵敏，可用于定性检测和一种或多种成分的定量分析。

2、共焦显微拉曼光谱于1977年开始运用于光谱学，其优点为具有很好的空间分辨率，可得到体积很小的样品和不同深度的光谱信息。

3、傅里叶变换拉曼光谱（FT—Raman）在1964年首次提出设想，并于1986年实现，其优点为能测含荧光和对光不稳定的化合物，重现性好，准确度高。

4、激光共振拉曼光谱（RRS）是随着20世纪60年代激光技术的兴起而产生，其优点为灵敏度高，可用于低浓度和微量样品检测，特别适用于特大分子样品检测。

三、常用拉曼光谱技术在粮油品质检测中的应用及进展

粮食品质检测

粮食包括五谷杂粮中的五个大类，水稻、大豆、玉米、小麦、马铃薯。五谷的种植、加工和储运过程易受真菌毒素污染，对人畜健康的危害不小，农药残留、转基因等问题更是不容小觑。

国外已经率先把拉曼光谱技术应用在了粮食品质优良的检测中。Tang H等人利用超灵敏的表面增强拉曼光谱技术对水稻残留三环唑农药含量进行了测定。Hoonsoo Lee等人应用拉曼光谱学研究了大豆中粗蛋白和油含量品质预测，该研究的目的是使用色散型拉曼光谱法制定一个最佳的预测模型确定大豆的粗蛋白质和油分含量。A. Flores-Morales等人应用拉曼光谱技术对玉米中的淀粉回生进行了研究，并结合对比了近红外、CP/MAS 13C NMR谱对玉米淀粉品质的研究，得出了不同拉曼特征峰下最优检测方法。Anna-Stiina等人应用共焦显微拉曼和光学拉曼光谱技术对小麦和大麦作物的胚乳细胞结构进行了研究，以达到检测小麦作物品质安全的依据。Maria Labanowska等人利用电子顺磁共振拉曼光谱技术对马铃薯淀粉热活化的活性自由基的形成机制做了深入的研究。

我国国内应用拉曼光谱技术对粮食品质的检测还处于进阶阶段。采用拉曼光谱技术对转基因水稻及其植物亲本进行研究，初步设计了转基因水稻动态检测平台。采用拉曼光谱分析玉米种子不同部位的成分。做土豆样本的实验，采集拉曼光谱并对拉曼光谱进行偏最小二乘判别分析（PLS—DA）。研究并分析五谷的营养成分，这是应用拉曼光谱技术来达到快速、高效地检测五谷粮食中植物蛋白的酯化程度。其拉曼光谱如下图所示。

食用油品质检测

拉曼光谱因其优秀的指纹能力，成为分析物质结构及其变化的强有力武器。在油脂和脂肪工业中，湿化学法和气相色谱法等经典方法用于定量研究顺式和反式异构体的数量和不饱和度。随着傅立叶变换红外技术的出现，拉曼光谱技术可以取而代之。

以FT-Raman实现了亚麻油组成成分定性分析，利用拉曼光谱检测了饱和酸和不饱和酸的光谱，并进行了对比区分，得出拉曼光谱方法对不饱和脂肪酸有较好的预测能力，尤其是对油酸和亚油酸以及α－亚麻酸。对一批纯食用油以及不同比例两两混合油共91个样品进行了拉曼光谱检测，检测出的食用油脂肪酸含量具有快速、简便、无损、准确的特点，为食用油脂肪酸含量分析提供了一种可靠、高效的方法。

国外的Vincent Baeten等人利用FT-Raman来测定橄榄油中榛子油的含量，对油品及其皂化物质采集光谱，用于鉴别各种食用油脂以及检测油脂的掺杂。Barbara Muikd等人探讨了发生在一些食用油的脂质过氧化过程中的化学变化，显示出很好的相关性。Marigheto N A等人采用线性判别分析与ANN神经网络相结合，FT-Raman光谱对橄榄油的鉴别率为93.1%。Yang H等人对橄榄油掺杂的FT-Raman光谱鉴定，PLS给出的相关系数高达0.997,预测误差仅为1.72%。

国内通过典型食用油的拉曼光谱研究，介绍了一种基于光谱分析的食用油快速检测系统，为我们进行食用油安全检测提供了新的思路。比如结合因子分析建立纯花生油中掺入5%以上棕榈油的鉴别方法；结合外标法建立定量方法；采用共焦显微拉曼光谱技术结合偏最小二乘法建立芝麻油中花生油、大豆油、玉米油含量的拉曼光谱定标模型；以及一种基于最小二乘支持向量机的拉曼光谱快速鉴别橄榄油掺假的方法。下图为常用食用油中的红花油、菜籽油、橄榄油的拉曼光谱图。

拉曼光谱设备的发展方向

由于检测的智能化以及现实生活中现场检测的普及，国外很多著名的研究机构在很早就开始了便携式光谱仪的开发和生产，而且取得的非常突出的成绩，这也是我国科研努力的重点方向。我国便携式拉曼光谱仪的研究虽然起步晚，但是在不断发展中也取得了很多国家发明、实用新型专利和软件著作权，并将其研究理论成果应用到了实际小型便携式拉曼光谱仪的生产中。

现在市场上除了国外的知名公司、品牌外，国内的简智仪器，在拉曼技术方面进行了十余年的研发，先后在国内多项重大课题专项中获得成功实施与应用，简智便携式拉曼光谱仪也广泛应用于现场实际检测、科学研究等方向。

拉曼光谱技术作为一种现代的无损智能检测技术，应用在粮油检测上具有很多优点：一是在不破坏被检测粮食的前提下对其进行质量评估；二是可对粮食进行在线、实时检测，减少检测时间和增加检测效率。由此可见，拉曼光谱技术在快速分析、检测判别方面具有巨大的潜力，是未来粮油品质检测的重要发展方向。