光谱学与更好、更安全的食品

食品质量和食品安全是我们大家都关心的问题。但是你可能不知道，光谱学在确保食品符合质量和安全标准方面正开始发挥重要作用。

食品的pH值、极性、温度、压力和粘度会影响食品的质量和安全，而所有这些特性都可以通过光谱法进行测量。

由于这些特性都与食品品质和食品安全有关，因此快速简便地测量这些特性的方法就非常重要。一位研究人员使用光学光谱法来识别某些特定的分子，这些分子可以成为食品品质和安全性的标记。

查德·卢德舍尔博士是新泽西州罗格斯大学食品科学教授，专门从事蛋白质和生物物理学研究。他说：“我们识别食品中天然存在的荧光分子, 即可食用荧光分子。我们正在确定其中哪些分子具有荧光特性，可以告诉我们食品的物理或化学状态, 最终告诉我们食品的品质和安全性。”

卢德舍尔博士专注于分析我们的食物中天然存在的能够发出荧光的分子，这些分子的光学光谱与食品科学相关的物理和化学特性非常敏感。

卢德舍尔博士说：“我的研究基础是，当溶液中含有荧光分子时, 它们的荧光属性往往受到溶液特定属性影响。它告诉你它们是否对溶液的pH 值、极性、温度、压力或粘度敏感。这样你就有了一个传感器, 一种对这种特性敏感的化学物质。你就可以通过某个来自该分子的信号来测量pH值。

pH值是食品的重要特性。例如, 肉类生产商必须留意肉类pH值的变化, 因为不合适的pH值可能会产生不受欢迎的产品或特性。根据美国国家卫生研究院公布的研究, 动物被宰杀后2 4小时测量的最终 pH 值可以决定肉类口感的鲜嫩度。

photonics.com网站的一份报告称：“食品和农产品行业在满足FDA法规和客户期望两方面面临着诸多挑战。”2010年末通过的《食品安全现代化法案》为美国食品供应引入了新的质量标准，目的是提前预防健康危机事件，而不是在人们生病后做出反应。它制定了一系列预防性质量控制的科学标准并确保得到遵守，涉及食品设施、水果和蔬菜的生产和收获，以及强制性的FDA检查等方面。该法规规定了严格的准则，以帮助在产品抵达消费者之前检测产品中的缺陷的或潜在的危险物质。

每个食品和农产品企业，包括进口商，都必须采取预防措施，确保其产品符合既定法规。

大多数质量测试解决方案通常需要破坏一些产品以进行实验室测试，而且测试可能是一个很费时的过程。在现场进行的测试可能需要几个小时才能获得结果，而场外测试获得结果则可能到几天时间之后。

色谱和原子吸收光谱历来是多种农产品分析的常见技术。不幸的是，每种方法需要大量的样品制备，并且要在很长时间之后才能得到结果。

荧光光谱提供了另一个机会。

“光谱法测量光与物质相互作用的波长依赖性。”根据photonics.com报告，这种相互作用可以是样品吸收的光量或样品对于光的漫反射，使光谱学成为测量各种液体、固体和气体的极有价值的工具。通过集成某些类型的测量头和探测头，可以在不破坏任何产品、没有延迟过程的情况下在线测量样品。

每种化合物都有独特的指纹或分子组成和原子排列。因此，每种化学物质都会与不同波长的光相互作用，从而可以以非破坏性的方式识别这些分子。

乳品行业使用近红外光谱来监测产品的糖、脂肪和含水量。

该技术超越了质量控制的范围，通过光谱显示与先前存在的标准的某些偏差，可以确认样品可能受到的污染，因此，能够发出警告信号，提示出现的问题。

食品生产过程中的内联测试，是控制这些差异和提醒科学家注意材料问题的首选方法。

食品科学家也要开发新的食品，而每一种都有其必须解决的问题。荧光光谱在此起着一定的作用，挑战在于如何制造食品并保证其安全。

葡萄酒产品正引起荧光光谱学的注意。大多数酿酒厂拥有多个品牌和种植园。酿酒师需要监测葡萄中的酚类含量，从而保证获得所需的颜色，味道和口感。与传统方法相比，荧光光谱能够更便宜、更快速地表征葡萄和葡萄酒中酚类的含量。

HORIBA科学公司最近推出了一款专利产品Aqualog®荧光光谱仪（专利号：US8901513B2），使得这个过程更快，成本更低。使用Aqualog可以在30秒左右的时间内采集所有有色物质和酚类化合物的成分。在一分钟之内，操作员可以完全自动化分析有关的酚类品种和浓度。

荧光光谱也被用来支持橄榄油生产。

科学家认为，酚类化合物可以降低冠心病、前列腺癌和结肠癌的发病率，而橄榄油则是至少30种酚类化合物的来源。

橄榄油具有独特的荧光指纹。在新鲜的特级初榨橄榄油中，荧光辐射来自酚类、维生素E和叶绿素。油变质过程中的氧化产物会出现新的荧光。无论是在制造过程中，还是产品摆放在超市货架上，荧光光谱可以区分这些特性。

研究人员发现，他们能够使用荧光分析橄榄油，通过筛选储存中的橄榄油的荧光成分，来监测特级初榨橄榄油的变质过程。此外，其他研究表明，荧光光谱，以及近红外光谱学（N IR）和中红外光谱（MIR）等其它他光谱技术，可用于定量化特级初榨橄榄油中掺假的精炼油和脱臭油。

食品安全科学家使用电感耦合等离子体—光学发射光谱法（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）方法测量食品中的重金属，摄入这些重金属可能会导致癌症、神经系统问题和心血管疾病。

能量色散X射线荧光（EDXRF）光谱有助于食品实验室优化生产。科学家使用该技术测量营养物质和强化剂，筛选污染物和意外掺杂物，并在食品生产和包装过程中识别外来污染物。它还提供有关矿物质和有害金属浓度的基本信息。EDXRF适合使用微量营养素进行生物强化计划的研究人员。

拉曼光谱可以在短时间内提供食品样本中的目标分析体的详细的分子振动信息。表面增强拉曼光谱（SERS）可以帮助检测食品中的化学和细菌污染物，并确定食品的成分和质量。