关于红外光谱结合化学计量学在食品检测中应用的研究进展

＊牟川川

（桓台县检验检测中心 山东 256400）

引言

食品是人类生命活动所需能源的重要来源，不同种类的食品或者同种食品的品种、产地不同，可能品质以及其所蕴含的营养价值、价格也会存在差异。最近几年以来，食品安全事件在我国发生的十分频繁，以次充好、以假乱真、以及产品不过关等问题都屡见不鲜，这样的行为不仅对消费者的权益造成了侵害，也会对人们的身体健康造成很严重的威胁，如果放任这样的行为继续发生，将会严重干扰食品行业正常的有序发展，因此，食品检测工作的重要性日益提升。通常来讲进行食品检测工作采取的方式主要有液相色谱、液相色谱—质谱法以及气相色谱等方法，尽管这些检测手法能够满足食品检测工作队与定性定量的需求，并且应用的范围也十分广泛，但是其对样品进行检测之前的处理工作相对繁琐、检测工作所需要消耗的时间周期比较长、所消耗的成本相对来说比较高，这些缺点都很大程度上限制了检测手法的应用程度，同时也对食品检测工作造成了限制，导致食品检测工作的速度受到牵制，不利于食品检测工作的发展。但是近年间引进的红外光谱技术被逐渐引入到检测行业之中，为这一工作提供了新的方法和思路。

1.红外光谱结合化学计量学检测方法研究进展

红外光谱技术应用范围十分的广泛，涉及到化工、医药、石油以及高分子领域中。红外光谱技术被引进应用在食品检测工作中的时间还比较短，因此其具有非常广阔的应用前景。由于红外光谱进行食品检测工作的分析速度更快、进行操作的成本也更低，并且样品进行处理的操作简单易上手。其被引入到食品检测行业之中，大大促进了食品检测行业的发展。但是红外光谱也具有其自身的局限性，一旦样品的含水量比较高，对于质量分数低于0.1%的成分就不容易通过红外光谱检测手段检测出来，因此红外光谱主要被应用于检测食品中的主要成分。不仅如此，食品的不均匀性也会导致光谱的复杂性，这样光谱中存在的微小差别就很难被识别出来，所以直接将红外光谱单独运作在食品检测工作中存在着一定的局限性。

随着化学计量学的发展和技术升级，化学计量学方法也逐渐被引入到了红外光谱数据处理工作中，辅助处理相关的工作。凭借着化学计量学在数据分析处理工作层面的特有优势，其为化学检测工作提供了新的理论和方法，为数据的解析工作以及优化升级提供了一个新的思路和途径。化学计量学被应用在红外光谱之中，主要有三个层面的突出优势：首先是对红外光谱所获取的数据进行预处理和分析工作，保证数据的准确性和真实性；二是在红外光谱技术的定性测量工作以及定量测量工作中，为其建立起一套稳定并且具有高度可靠性的分析检测模型；三是完成校正模板的传递工作，也就是红外光谱仪器的标准化工作，真正促使校正模板实现共享。在红外光谱技术和化学计量学相融合的基础之上，红外光谱分析技术也能够被利用在食品检测工作中，并且在相关的检测工作中具有非常突出的优势所在，其整个分析过程中的投资和操作费用成本相对比较低，并且还能够同时进行定性定量分析工作，并且整个分析过程做到了无损样品、零试剂、零污染的程度。在当前的食品监督管理工作中，对于红外光谱结合化学计量学技术的应用已经逐渐普遍化，其已经逐渐发展成为一项常用的检测手段，在对食品质量的检测工作以及提升食品生产过程的可靠性、食品的均一性工作都发挥了至关重要的作用。

另外一方面，化学计量学是将数学和计算机科学应用于化学的一门新的交叉学科，是化学领域的一个重要分支。常用的化学计量学方法有多元线性回归、主成分分析、偏最小二乘法、人工神经网络、遗传算法以及支持向量机算法等。当前常用的建模统计学软件主要包括：DPS、SAS、SPSS等，这些统计学软件有利于更好的辅助食品检测工作，并提供大量的有用信息。

2.红外光谱在定性鉴别工作中的研究进展

分子之间不同的特征集团的振动能级所产生的能量差也都存在差异，因此，其会吸收不同波段的电磁辐射信号，在光谱上不同位置上表现出其吸收峰，相同的特征集团的能级产生的能量差基本上都是一致的，吸收峰的位置也比较固定，这就是红外光谱定性分析的理论支撑。由于同类样品的吸收光谱比较相似，因此在进行分析工作时，要运用化学计量学方法，将红外光谱压缩变量编制成一个多维的空间变量，同类的物质将会在多维空间中所处的距离相对较近。对于未知样品的分析工作，首先要考虑其内光谱或者压缩变量是否能够处于某种类型的物质所处空间中。对其主要的分析过程如下：首先，要对已知样品的光谱进行采集；之后，运用化学计量学方法来对采集到的光谱进行处理，从而生成定性的判别模型；最后，在根据生成的定性判别模型来对未知的样品进行判断，确定其所处的分类。红外光谱在定性鉴别工作常用的领域包括：

(1)产地鉴别

对于食品原料不同的来源地，其原料可能会受到来源地的气候、环境以及地质条件等因素的影响，导致其组织中的成分以及物质含量和营养占比都存在不同，那么对应地，其光谱也会存在差异。在当前，世界各国都已经逐渐将红外光谱技术应用在对食品产地的溯源工作之中，欧盟方面是首先开始研究的地区，其起步时间相对较早，我国在该方面的研究工作相对来讲起步比较晚，但是最近几年以来发展的速度却十分的迅猛。

在对羊肉的来源地进行分析时，张宁等业内的相关学者，充分利用了近红外光谱建立相关的模型识别方式，分别对四个不同来源地的羊肉建立起分类模型，基本上实现了对四个产地羊肉的有效识别工作，并且在对其他来源地的羊肉进行识别时，拒绝率能够实现100%，为解决羊肉安全问题又开拓了一个新的思路方向。

朱哲燕等多个学者也根据中红外光谱分析技术结合化学计量学方法，对香菇的产地进行了有效识别，对3581～689cm-1光谱和全谱都分别建立出了多个不同的模型以进行相关的分析研究，从而发现不同模型的识别效果也存在着一定的差异，向量机能够被有效应用在中红外光谱对香菇产地进行有效识别的基础上。很多研究中发现，不是任何一种化学计量学方法建立的模型都能够充分达到预期试验的效果，因此需要多建造几个模型进行比较，选取更加合适的、具有更高可靠性的化学计量学方法。

在对数据进行建模分析之前，要应用化学计量学方法对数据进行预处理和分析工作，消除掉由非目标因素对光谱数据产生的影响，从而能够促使其实现更加理想的试验效果。张文海等多名业内学者，基于此利用FTIR对七种糯米的产地进行了筛别，借助多种方式对原始光谱进行预处理分析，之后再结合识别方法来对七种糯米进行分别的建模工作，充分有效地对糯米进行考察识别，也印证了FTIR结合SIMCA法进行糯米产地识别的合理性。

(2)品种鉴别

稻米是促使黄酒进行发酵的主要原料，稻米的品质特性的不同也将会导致最终酿造出来的黄酒特性存在差异。从自制黄酒中提取其红外光谱图，选取波数975～1165cm-1和1250～1500cm-1作为特征向量，建立以大米品种不同进行分类的识别模型，该模型对预测集样本的识别率和拒绝率都实现了100%。这就充分表明大米的品种和酿造出来黄酒最终的效果是有关联所在的，并且建立的SIMCA模式也能够很好的反映出这种影响关系。

管晓等人利用建模法原理分别建立起以光明乳粉、荷兰乳粉、雀巢乳粉为主成分回归分类模型，该模型对三种品牌的乳粉进行识别，其识别率分别达到了78%、75%、100%，拒绝率也分别实现了100%、87%、88%，获得了较好的品牌分类的效果。

何勇等人用主成分分析法对苹果的品种进行聚类分析，并且获取到了苹果的近红外指纹图谱，之后再利用人工神经网络技术对其进行品种鉴别，从而建立起一种能够快速对苹果种类进行鉴别的方法，这种方法和前一种鉴别方法相对比，能够大大提升品种鉴别的识别率，证明其是一种十分有效的快速鉴别苹果品种的方法。

(3)真伪鉴别

随着食品品种的日益丰富，加工手段的多样化和食品添加剂的广泛使用，食品掺假、掺杂、伪造等现象越来越凸现、对检测食品真实性、品质和质量安全等技术需求越来越迫切，食品打假已成为一个关乎国计民生的重大问题，当前存在的真伪鉴别方法较多。在日常工作中遇到来自多方面的需求，此时，就要辨别需求的真伪，从多方面进行观察，当前对于真伪鉴别的方法有很多，包括：物理鉴别、化学鉴别、生物鉴别等，本文通过利用红外光谱鉴别模型对驴肉进行鉴别，主要通过不同的化学计量学方法以及不同的光谱预处理手段对肉品进行鉴别，红外光谱鉴别模型已经得到广泛应用。

驴肉的食用价值很高，蕴含着非常丰富的营养价值，由于其资源的缺乏从而促使价格持续升高，因此对于其买卖的欺骗和掺假现象亟待解决。牛晓颖等人分别选取了驴肉的不同部位作为样品，并且选取了牛肉、猪肉以及羊肉样品共同建立起了驴肉的近红外光谱鉴别模型，通过利用不同的化学计量学方法以及不同的光谱预处理手段，对所选取的肉块样品以及其大中小三个不同的粉碎粒径中的肉糜样品建立起了分类的模型，最终的研究结果显示，模型之中的驴肉样品的鉴别率都高达100%，并且具备判断精度高、算法简单、运算速度快等优势，有利于检测工作的实时化、仪器化。

食用油是人们日常生活中的必备食品，其能够直接作用于人体的健康。随着社会发展程度的提升，提炼技术的发展和进步，逐渐有很多的不法商家打算利用泔水、动物油脂以及内脏中提炼出来的油脂代替食用油，以次充好，从中牟取暴利。其最终的研究结果显示出，该方法的拒绝率和识别率均达到了100%，并且和传统的识别方法相对比，该方法的检测速度更快，操作起来更加简便，还能够做到无损样品，具有很高的可行性。

(4)品质分析研究

不同品质的原料以及所采用的不同加工方式加工出来的食品，其最终呈现的品质也会存在差异。不仅如此，在食品储存的过程中，也存在食品变质的风险。赵贤德等人通过利用傅立叶变换红外光谱技术对红葡萄酒的特征光谱进行了研究，研究出了对红葡萄酒的品质优劣进行判断方法。选取葡萄酒变质前后的光谱特征，之后通过结合分类判别方法建立起相应的分析模型，对出现变质以及未变质的葡萄酒进行识别分析，最终发现对葡萄酒的识别率最高能够达到94%。这一研究为葡萄酒品质的鉴别工作提供了新的方式方法。但是在实验进行的过程中，采取的是出现明显变质的葡萄酒，但是无法判断出出现轻微变质的葡萄酒能够通过红外检测的手段分析出来，相关的研究仍然有待进一步深入。

3.红外光谱在定量检测中的研究

随着我国现如今科学技术手段发展程度的加深，红外光谱技术的应用已经从中红外光谱发展到近红外光谱再到现如今的傅立叶红外变换光谱的研究中，其相关的技术不断得到改进升级，应用的领域也在不断扩展，其在食品检测工作中对于低含量物质的检测工作也具有十分重要的意义。

吴迪等人也利用近红外以及中红外光谱检测技术对不同品种奶粉中的蛋白质含量进行了检测研究。其所建立的模型对样本蛋白质含量的预测都取得了非常良好的效果。足以说明红外光谱技术能够很好的实现奶粉蛋白质含量的无损检测，并且其检测的过程相比于传统的化学检测方法来讲，具有更高的简便性及可操作性。该研究也在一定程度上为今后奶粉蛋白质含量的快速检测工作提供了新的方法和思路。

4.结语

经过上文我们可知：红外光谱结合化学计量学是一种被广泛应用在食品检测工作中的现代分析技术，该技术已经逐步发展成熟，上手操作比较简单，并且具备零污染的优势，具有良好的环保性能，检测的速度更快，所需消耗的时间更短，检测的结果更加准确，还能够做到无损样品，整个检测流程下来所消耗的费用更低。不过，尽管这一技术现如今在食品检测工作中呈现出非常良好的效果，但是不可忽略的是，其依旧存在一定的缺点和不足之处有待改善。我国当前对于红外光谱结合化学计量学在食品检测种的研究工作大部分都不够深入，依旧只停留在对可行性进行探索的阶段，缺乏研究整体的系统性，对于研究的深入程度还不够，并且检测抽样的数量也相对比较少，还没有在全球的范围内建立起任何一个有关于食品产地溯源、品质坚定及真伪鉴别等的相关数据库，其研究工作还需要进一步深入，需要大量的研究工作的支撑，才能够促使红外光谱结合化学计量学检测技术更好的应用于食品检测工作中，为食品检测行业所服务。