基于光谱技术食药用菌质量控制的研究进展

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(1.浙江工业大学食品科学与工程系,浙江杭州 310014; 2.杭州食品药品检测研究院,浙江杭州 310022; 3.湖州出入境检验检疫局综合技术服务中心,浙江湖州 313000)

食药用菌富含糖类、蛋白质、多肽类、核酸、维生素及矿物质等营养物质[1-2],具有免疫调节、抗肿瘤、抗菌、抗病毒、降血压、降血糖等功能[3-4]。随着人们生活水平的提高,人们越来越注重生活品质和饮食健康,食药用菌因其独特的营养价值和医疗功效备受青睐。食药用菌由于产地环境,菌种,基质及加工过程的不同,造成其质量参差不齐,因此需要对其进行严格的监管。传统的食药用菌分析主要采用化学试剂结合常规的分析仪器,如高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)等。这些化学分析方法应用于食药用菌分析主要存在以下几个问题:对原料造成一定的损耗;环境污染,分析成本昂贵,检测耗费时间长,无法实现多重有效成分同时分析。因此食药用菌质量监管亟需快速、准确的评价方法为其提供技术支持。

光谱技术是根据物质的光谱来鉴别物质及确定其化学组成和相对含量的方法[5],具有快速无损、高灵敏度、高分辨率等优点,已广泛应用于各种食品的分析领域,如高亚文等[6]对光谱技术在水产品鲜度评价的应用进行综述,张菊华等[7]综述了光谱技术在食用油脂分析中的研究进展。目前已有学者对红外光谱技术在食用菌研究中的应用进行综述[8],但是对于拉曼光谱、荧光光谱等其他光谱技术并未涉及,本文对红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱等光谱技术在食药用菌研究方面的国内外现状和应用进展方面展开综述,以期为食药用菌的深入研究和资源的合理开发利用提供参考。

1 光谱技术在食药用菌中的应用

1.1 红外光谱

红外光谱技术是利用红外光在不同样本中发生吸收、反射、漫反射和透射等物理现象,结合化学计量学方法来反映不同样品之间的差异,按照波长不同分为近红外(0.75～2.5 μm)、中红外(2.5～25 μm)和远红外(25～300 μm)光谱。

近红外光谱分析技术现阶段已相对成熟,已广泛应用于食药用菌的各个领域,特别是结合不同的化学计量学方法,可以针对食药用菌的不同品质问题进行检测,一般分为产品品质检测、掺假检测、植物源鉴别检测、产地检测,如Haiyan Fu,Qiaobo Yin等[9]利用近红外光谱技术,对25组不同的灵芝样本,建立不同的样本模型,从而鉴别出掺假样本以及溯源地。与近红外光谱相比,中红外光谱主要反映分子振动的基频吸收,不同分子之间的吸收相对独立,较容易提取待分析物的吸收信息,中红外光谱现已被应用于食药用菌植物源鉴别检测、产地检测和掺假检测,如Choong等[10]采用中红外光谱技术对虎乳灵芝、茯苓、猪苓、侧耳和雷丸五种药用真菌进行分析鉴别,通过二阶导数光谱放大,将重叠的峰解析成更清晰的信号,观察到五个样本之间的显著差异,整个过程有效、直接,可以用于真菌菌种的鉴别。红外光谱在食药用菌检测中的应用详见表1。

表1 红外光谱在食药用菌检测中的应用Table 1 Application of Infrared Spectroscopy in the detection of edible and medicinal mushrooms

红外光谱具有整体指纹性的特点,能够全面映射出复杂的化学体系,在食药用菌质量控制中具有无损鉴别、全组分分析的优点,是一种非常有潜力的质量控制和鉴别手段。但是红外光谱技术依然存在一些问题,如有效信息提取率低,易受环境因素影响,模型通用性差,痕量分析误差大等。在未来,随着红外光谱及相关技术进一步发展,在食药用菌研究领域会有更广阔的前景,对其产业的发展具有巨大的推动作用。

1.2 紫外光谱

紫外光谱的波长范围为10～380 nm,是目前应用最广泛的测定分子结构的方法之一,是依据不同物质所含成分的不饱和程度不同,因而其紫外吸收曲线的形态、峰位、峰强度也不同,以此来达到鉴别的目的,具有快速、准确的优点,可以用于鉴别不同的物质体系[25]。

目前已有学者利用紫外光谱技术结合不同的化学计量学方法检测食药用菌。李涛等[26]采用紫外光谱技术,结合夹角余弦、欧氏距离和主成分分析等分析方法用于不同产地、种类牛肝菌的快速鉴别和质量控制。杨天伟等[27]采用紫外指纹图谱技术,结合欧氏距离和主成分分析法对云南9个不同地区绒柄牛肝菌进行鉴别,结果表明,9个不同产地的绒柄牛肝菌紫外指纹图谱相似,但是紫外图谱的峰强、峰位等存在一定的差异,原因是绒柄牛肝菌的主要化学组分相似,但含量不同。因此,紫外光谱技术结合欧氏距离和主成分分析法能够鉴别不同产地绒柄牛肝菌,为野生食用菌的产地鉴别和质量控制提供参考。

目前,应用紫外光谱技术检测食药用菌的品质已取得一定成效,但是还无法实现对复杂样品的准确分析,因此仍处于探索研究发展阶段。

1.3 拉曼光谱

拉曼光谱作为一种分子光谱,具有快速响应、高特异性等优点,另外,由于其只需要很少的样品量且对样品的损伤极小[28],使得该方法非常适合生物样品的研究。实际上,这些特征对于这类研究很重要,因为生物样品通常比较复杂,含有水分组成,并且组成会随着时间的推移而变化。先前对微生物的振动光谱研究表明该技术能够分析、检测和表征微生物[29-31]。

随着20世纪70年代和80年代拉曼仪器的改进[32],使得拉曼光谱可以用于真菌分析。Kris等[33]采用拉曼光谱分析乳菇孢子的组成,不同物质在拉曼带中的位置不同,通过分析得到拉曼谱图,他们指出,乳菇孢子中脂质的含量很高,主要的脂肪酸是油酸,除了不同类型的脂质之外,还检测到了甲壳质和支链淀粉,海藻糖由于谱带位置的重叠,不能清晰地分辨出来。由此可见,拉曼光谱可以用于分析食用菌的组成。赖钧灼等[34]采用光镊拉曼光谱分析单个金福菇孢子的组成,结果表明,其拉曼光谱图基本能呈现金福菇孢子所含物质的组成和结构信息,其主要成分为脂类物质。这就为采用光镊拉曼光谱技术研究食用菌孢子萌发机理提供了一个新的思路。王桂文等[35]采用拉曼镊子技术分析单个红菇担孢子的组成,以及不同储存方式对担孢子组成的影响,结果表明,红菇担孢子孢内主要成分是脂类物质,且孢子经过多年储存,其胞内的主要成分不变,但是这种方法对于红菇属内不同种类的孢子无法加以区分。拉曼光谱在食药用菌检测中的应用详见表2。

表2 拉曼光谱在食药用菌检测中的应用Table 2 Application of Raman Spectra in the detection of edible and medicinal mushrooms

拉曼光谱技术应用于食药用菌品质安全检测具有快速、简单、无损和直接检测样品等优点,和其他各项无损检测技术一起推动了食药用菌产品无损检测的发展。但是在实际应用过程中测量的准确度、精密度和重复性都有待进一步提高。

1.4 原子光谱

原子光谱分析通常是指根据气态自由原子所产生的发射、吸收及荧光信号进行元素分析的一类仪器分析方法,被广泛应用于物质无机元素分析。近两年多来,原子光谱分析的研究与应用仍以原子发射光谱法(AES)为主,原子吸收光谱法(AAS)次之,其中,以电感耦合等离子体(ICP)为光源的ICP-AES应用最为广泛[38]。原子光谱技术在食药用菌检测中的应用详见表3。

表3 原子光谱在食药用菌检测中的应用Table 3 Application of Atomic Spectroscopy in the detection of edible and medicinal mushrooms

原子吸收光谱法主要是指通过气态原子对一定波长的光辐射进行吸收,以此来使原子外层的电子从基态变化为激发态,从而能够有效检测出样品中的物质。原子吸收光谱具有检测速度快、精确度高、抗干扰能力强等优点,能够有效地对样品中的微量元素进行分析,近年来被广泛用于食药用菌中重金属的检测。但是原子吸收光谱也存在着一定的不足,如实验结果容易受预处理手段的影响。为了可以更准确和快速地测定样品中的金属元素,原子吸收光谱可以与其他检测手段联用,比如高效液相色谱、气相色谱、毛细管电泳等。

原子荧光光谱作为痕量和超痕量元素分析中最有效、最重要的方法之一[39],已被广泛应用于食品、环境、水产品等样品中的元素形态分析。应用原子荧光光谱法能够对食药用菌中砷、汞、硒和锑等金属元素进行较为准确的测定。但是,由于食药用菌中金属元素含量较低,金属形态也不尽相同,因此还需进一步提高检测灵敏度和方法的重现性。

电感耦合等离子体原子发射光谱是一种用等离子体馅产生的高温激发光源作为原子发射光谱的激发光源的一种仪器分析方法,目前广泛用于多元素痕量分析中。齐景凯等[40]采用微波消解-电感耦合等离子体原子发射光谱测定白玉菇、香菇、双孢蘑菇、金针菇和糙皮侧耳中砷、汞、镉、铅、锡、钴、钼、硒、镁、钙、钾、磷、铁、锌、钠、锰、铜、铝、钡和钛20种元素的含量。结果表明,各元素的平均回收率在95.58%～105.65%之间,相对标准偏差在0.84%～4.13%,检出限为0.015～10.20 μg/L。该方法快速、简便、准确,适用于食药用菌中多种元素的同时测定。

1.5 高光谱技术(HSI)

高光谱技术是一种新型的分析检测技术,借助于计算机技术将光谱技术和图像技术有机结合在一起,可以同时测得样品的空间信息和光谱信息,具有波段多、分辨率高和图谱合一的特点。它不仅能像可见-近红外光谱技术一样能够检测物质成分,而且它还具备机器视觉技术的功能。由此,高光谱技术可以通过分析图像信息和光谱信息,进而来检测待检测样品的内部成分含量、空间分布等信息[49]。这项技术最初是为遥感开发的,但后来在不同领域如天文学、制药、食品和医药等领域都得到了应用。

目前随着高光谱技术的不断发展,利用该技术对食药用菌的检测日趋成熟。Gowen等[50]使用推扫式线扫描高光谱仪在400～1000 nm的波长范围内获得蘑菇样品的高光谱图像。从蘑菇表面的各个位置获得来自每个蘑菇样品的反射光谱,并使用标准正常变异(SNV)转化进行预处理。在储存期间测量蘑菇样品的重量损失(WL)和亨特左值(L)。结果表明,在解冻初期,冷冻样品在外观上相似,WL和L值与未受损害的蘑菇相似,而冻融24 h后冷冻损伤的蘑菇中WL和L值变化明显。结合主成分分析和线性判别分析,对新鲜蘑菇和冻结损伤蘑菇的分类正确率分别为100%和97.9%。因此,使用这种方法,可以以高准确度(>95%正确分类)对冷冻损坏的蘑菇在解冻45分钟后(23±2 ℃)进行分类,并且冻融破坏不明显。Taghizadeh等[51]使用高光谱成像技术对不同聚合物薄膜包装的蘑菇的保质期进行研究,结果表明,孔径为1 mm的PET薄膜更有利于蘑菇的保鲜。本研究表明HSI可用于蘑菇品质的快速评价,从而促进蘑菇无损包装的发展,以延长蘑菇的保质期。

综上,基于高光谱技术对食药用菌品质进行无损检测是可行的,但高光谱数据因其波段数众多,数据量大,建模的计算工作量繁琐,直接影响建模的速度;光谱间存在强相关性,冗余信息多,影响建模的精度和稳定性。因此,对高光谱技术的光谱预处理、建模、特征波长选择等数据处理方法进行探索性研究是十分必要的,在实际工作中,可以通过选择适合的光谱预处理、建模(定性和定量)方法以提高预测精度;选择适合的特征波长提取算法以提高检测速度和精度。

2 结论与展望

光谱技术在食药用菌质量检测和安全评定方面,体现出巨大潜在的价值。与此同时,存在的问题和不足也慢慢显现,如近红外光谱技术对食药用菌的分析结果易受外界因素的影响,进而其准确性也有所不足。拉曼光谱技术数据库的建立和荧光干扰方面有所欠缺,需进一步研究才能进入广泛应用阶段。近红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱等光谱技术目前在食药用菌检测中发展迅速,检测方向从外部品质检测发展为内外部品质同时检测、从静态检测发展为动态检测。

从发展前景来看,今后光谱技术应用于食药用菌检测的研究重点在于以下两个方面:一方面,将光谱技术与其他新技术有机融合,实现多参数同时检测。另一方面,不断完善食药用菌检测方法,深入研究提高食药用菌检测精度,开发出相应生产线的在线检测设备。基于光谱技术自身的优点,其作为一种品质评价的客观手段在食药用菌行业中必将得到实现和拓展。