拉曼光谱技术在食品分析中的应用

刘晨，陈复生*，夏义苗，杜艳

河南工业大学粮油食品学院（郑州 450001）

近年来，中国食品安全问题层出不穷，食品安全快速无损检测技术逐渐受到关注。拉曼光谱技术基于食品组分特异性拉曼光谱，通过分析被测试食品中的分子结构，对食品进行无损检测，具有样品处理简单、现场检测、灵敏度高、操作简单、高效、重复性好等优势[1-2]，被广泛应用于食品、材料、化学、生物化学、药物等许多领域进行定性或定量分析[3-5]。因此，介绍拉曼光谱的原理及几种拉曼光谱分析技术，对拉曼光谱在食品成分检测、食品真伪和掺假检测检测、农药残留检测、食品添加剂及毒素检测的应用进行重点阐述，以期为拉曼光谱技术在食品检测方面的应用前景提供参考。

1 拉曼光谱技术原理及特点

单色光的入射光光子与分子相互作用时会发生弹性碰撞和非弹性碰撞，非弹性碰撞中存在能量交换，使光子的运动方向和频道发生改变，这种散射过程以印度科学家拉曼命名——拉曼散射[6]。拉曼散射效应能够有效分析与入射光频率不同的散射光谱，得到相应分子振动、转动方面的信息，基于分子振动或转动信息获得结构、对称性、化学键等相应分子信息[7]。拉曼光谱又称为“指纹谱”，不同物质的拉曼光谱不一样，可在拉曼效应基础上通过分析其拉曼峰位、峰强、线型、线宽及谱线数目达到从分子水平对样品进行定性和定量分析[8]。

拉曼光谱技术优点[9]：检测样品用量少，且无需处理，可用于痕量物质的检测；测定方法简单，检测速度快，仪器操作简单，灵敏度高；检测样品状态可以是气体、固体或液体，可避免产生误差，能满足无损检测的要求；水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱技术更适用于水溶液测定；检测过程无需化学试剂辅助，注重环保，不会对样品和环境造成污染。虽然拉曼光谱拥有上述诸多优点，但是仍然存在不足：拉曼光谱仪器价值昂贵，只适用于科研，难以作为常规分析仪器使用；测定具有荧光性的物质，会产生荧光干扰。随着拉曼效应相关技术的出现和发展，衍生出一些新的拉曼光谱技术，可有效克服存在缺点。

2 拉曼光谱技术分类

2.1 表面增强拉曼光谱

表面增强拉曼光谱（SERS）利用粗糙贵金属（金、银、铜等）表面、纳米金属颗粒表面和粗糙电极表面[10]，用激光激发金属粒子的表面等离子体，将吸附在表面的痕量待测的拉曼活性分子散射信号增强104～106倍[11]。SERS探测异常灵敏，不受被测物形态影响，能直接分析水相样品，基本无需样品前处理过程，不需要与被测物直接接触，不会污染到食品，可以做到不对某些食品开封就能进行检测，能满足户外现场检测的需要[12-13]。

2.2 傅里叶变换拉曼光谱技术

第1台近红外激发傅里叶变换拉曼光谱仪于1987年由Perkin Elmer公司推出[14]，波长1 064 nm的激光照射样品可以消除荧光干扰，通过傅里叶变换对信号进行收集，运用傅里叶变换技术得到拉曼光谱对样品进行分析，此技术检测速度快、精度好、灵敏度高，可用于色深样品。傅里叶变换拉曼光谱技术对样品的结构分析较为准确，适用于生物及中药活性成分结构的分析和监测[15]。

2.3 显微拉曼光谱技术

显微拉曼光谱分析技术是将拉曼光谱分析技术和显微分析技术结合的一种新型分析技术[16]。显微拉曼光谱仪具有很好的空间分辨率，分析样品时入射光通过显微镜被聚焦到样品上，周围其他物质的干扰很小，可以精确获得所分析样品各种拉曼光谱信息（如化学成分、晶体结构、分子相互作用及分子取向）。

2.4 共振拉曼光谱分析技术

共振拉曼光谱分析技术是建立在共振拉曼效应基础上的一种激光拉曼光谱技术。激光共振拉曼光谱是入射光频率接近或重合于样品量子点吸收峰时，某个或某些拉曼谱带的强度会增加104～106倍[17]，并可观察到正常拉曼散射中难以出现，强度可与基频相比拟的泛音及组合振动光谱。该技术所需样品浓度低，可实现定量分析，尤其适用于生物样品的监测分析[18]。

3 拉曼光谱在食品中应用

3.1 拉曼光谱在食品成分检测中的应用

拉曼光谱技术在食品成分检测中发挥积极作用，主要用于食品主要成分含量及结构分析，既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，又可以定量检测食品某些成分含量[19]。

3.1.1 碳水化合物

碳水化合物属于具有许多同分异构体的大分子物质，其拉曼光谱较为明确，能提供准确的结构信息，特别是C＝N、C＝S、C—C、C—H等基团的拉曼光谱较为明显。苏东林等[20]采用拉曼光谱技术结合化学计量学方法快速检测蜂蜜的果糖、葡萄糖、蔗糖和麦芽并进行定量分析。李水芳等[21]用拉曼光谱技术对3个不同年份所采集10个省份的16种蜂蜜样本中果糖和葡萄糖进行检测发现，果糖含量与拉曼光谱之间呈现非线性关系，而葡萄糖含量与拉曼光谱之间则呈现线性关系。Szymańska-Chargot等[22]利用拉曼成像技术观察苹果在果实发育和衰老过程中细胞壁多糖分布的变化。

3.1.2 蛋白质分析

蛋白质作为食品中的主要原料成分之一，是衡量食品品质、营养价值的重要指标。通过对蛋白质拉曼谱图中特征峰位置、峰面积和峰强度的分析，得到蛋白质分子的化学结构、分子振动信息、化学键变化等信息。毛晓婷[23]通过分析猪肉在不同的冷冻-解冻处理过程中猪肉拉曼光谱的变化发现，猪肉经冷冻处理后，蛋白质结构发生明显的变化，拉曼光谱可以表征这种变化，可通过拉曼光谱技术检测猪肉冷冻解冻次数及猪肉新鲜程度。吕博等[24]利用拉曼光谱对蛋白分子的二级结构和三级结构进行表征，揭露低压均质处理使得大豆分离蛋白表现出先解聚后聚合的性质。江连州等[25]利用拉曼光谱分析超声、高压均质作用于大豆蛋白-磷脂酰胆碱复合体系中的各种功能键与复合磷脂酰胆碱后蛋白质二级结构的变化。

3.1.3 脂类

拉曼光谱技术在脂类方面主要用于检测油脂中脂肪酸组成及含量、顺反结构和不饱和度，可以实现对脂类的快速检测和识别，具有无损、灵敏度高、快速等优点[26]。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均有变化，可以反映到分子内部的结构变化[27]。项延楠[28]利用拉曼光谱法直接检测孢子油中氧化酸败过程中不饱和双键特征峰的变化规律，确立快速检测灵芝孢子油的氧化酸败程度试验操作标准方法。Beattie等[29]利用拉曼光谱技术检测澄清奶油中脂肪酸含量。

3.1.4 其他组分

刘文涵等[30]利用拉曼光谱技术分析维生素C在激光拉曼光谱中的峰值与溶液中的水峰值之间关系，直接测定维生素C质量浓度。拉曼光谱对色素的研究主要集中在类胡萝卜素方面。王涛等[31]用拉曼光谱技术对枇杷内β-胡萝卜素的含量进行检测，此技术操作简单、分析快速、预测精度高。Radu等[32]将表面增强拉曼光谱技术应用于瞬时检测谷物中维生素B2和B12。Hara等[33]采用拉曼光谱法对番茄中类胡萝卜素浓度进行定量分析发现，532 nm激发的拉曼光谱可用于类胡萝卜素的定性分析，785 nm是对类胡萝卜素进行定量分析最合适的激发波长。Wang等[34]采用拉曼显微镜来量化乳液输送系统中α-生育酚，并观测及其在可视化水包油稳定乳液中分布。

3.2 食品真伪和掺假检测

食品掺假是一个世界性的问题，掺假食品不仅会造成经济损失，还会对健康产生不利影响，甚至危害生命[35]。黎远鹏[36]通过对合格植物油及劣质食用油的拉曼光谱进行检测分析，为合格油与劣质食用油的鉴别及橄榄油掺杂劣质食用油的定性、定量分析提供一种较为快速准确的方法。近年来大米市场管理不够完善，品种信息不全，产地冒充、掺假现象严重。田芳明[37]以东北地区大米为研究对象，利用拉曼光谱技术结合化学计量学方法及计算机编程技术，针对地域相近大米产地和品种无损检测分类难的问题，研究单籽粒大米产地、品种检测方法，预防大米掺假。Zhang等[38]利用拉曼光谱技术对不同企业乳品进行鉴别发现，乳品的拉曼化学特征能够实现乳制品的质量控制和鉴别分析。Mandrile等[39]采用傅里叶变换拉曼光谱技术，利用拉曼光谱的特殊化学指纹鉴别葡萄品种、产地及陈化时间。Richardson等[40]将拉曼光谱与化学计量学相结合能够识别椰子汁中糖含量的微小异常。

3.3 药物残留检测

魏晓晖[41]应用拉曼光谱检测技术对苹果和梨表面残留敌百虫农药进行检测，检出限分别为480和48 mg/kg。王海阳等[42]利用共焦显微拉曼光谱仪检测脐橙上亚胺硫磷和乐果两种农药残留。陈文等[43]利用表面增强拉曼光谱技术、PCA和PLS方法实现对西瓜内部杀螟硫磷农药残留量的定性定量检测。Liou等[44]利用吸附在纤维素纳米纤维上的纳米银SERS衬底检测苹果中的噻苯达唑，最低检测浓度为0.000 5%，低于水果最大耐受含量0.001%。Jian等[45]对鸡体内丙酸睾酮和去甲睾酮2种雄激素进行快速筛选，利用表面增强拉曼光谱技术对4组鸡样本（对照组、丙酸睾酮、去甲睾酮、丙酸睾酮和去甲睾酮联合组）进行分类，准确性达96.9%。

3.4 食品添加剂

违规添加和滥用食品添加剂是制约食品安全的主要问题之一，严重威胁食品安全，是亟须需要解决的问题。倪伟全等[46]利用便携式拉曼光谱仪可简单、准确检测出辣椒粉、辣椒油、豆瓣酱中的违禁添加剂罗丹明B。雷皓宇等[47]利用拉曼光谱技术可对奶粉中的三聚氰胺或二聚氰胺进行定性检出及定量分析。天然着色剂和人工着色剂感官差异不明显，鉴别需要根据其化学成分信息。Gukowsky等[48]利用表面增强拉曼光谱技术对人工和天然着色剂进行鉴别，方法能够快速、高效地鉴别人工和天然着色剂。Ai等[49]利用表面增强拉曼散射（SERS）快速定性和定量检测柠檬黄、日落黄和酸性红等食品着色剂，是一种实用的食品着色剂痕量检测方法。

3.5 有害成分检测

吴正宗[50]采用拉曼光谱技术结合化学计量学方法对黄酒中痕量水平的2种关键有害化学组分（氨基甲酸乙酯和组胺）和黄酒中存在的致病菌建立超灵敏的检测方法。Wu等[51]利用拉曼光谱技术结合电子束斜角沉积制备出银纳米棒基底，获得不同浓度黄曲霉毒素B1、B2、G1、G2的SERS光谱图。Lee等[52]利用拉曼光谱仪对接种过黄曲霉毒素的玉米进行分析得到拉曼光谱，为黄曲霉毒素的快速检测提供依据。Yuan等[53]利用表面增强拉曼散射快速检测农产品中霉菌毒素脱氧雪腐镰刀菌烯醇。Fu等[54]采用表面增强拉曼光谱技术对无标签食用油中苯并吡进行定性、定量分析，该技术避免油样的复杂预处理，快速，灵敏度高。

4 结语与展望

在食品检测领域中，拉曼光谱无损检测的特点使其被广泛应用于食品成分分析、原料质量、农药留检测、超标微生物、掺假食品及有毒物质的检测等方面。拉曼光谱属于无损检测，具有不需要制备样品，不受水分子干扰，可实现现场快速检测，仪器轻便等优势。随着拉曼技术的发展，检测对象和检测指标将会更广泛；拉曼光谱技术不仅需要加强拉曼光谱技术研究开发，需进一步结合化学计量学，在光谱预处理和建立数学模型等方面进行深入探讨；小型化、操作简便、受环境干扰影响小、模型稳定精度高、低成本的便携式拉曼光谱分析仪将是仪器研发的关键点。拉曼光谱技术作为一种先进的检测技术和分析手段，更好造福于人类健康、食品安全和社会经济。