摘要：本研究探討了紅外光譜技術(shù)在糧食品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用，并分析了其面臨的挑戰(zhàn)和改進(jìn)的方向。通過(guò)案例研究，評(píng)估了紅外光譜技術(shù)在檢測(cè)小麥、玉米和稻谷的水分、蛋白質(zhì)和脂肪含量上的效果以及面筋含量和脂肪酸值的結(jié)果穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，該技術(shù)能夠提供快速、準(zhǔn)確的分析結(jié)果。然而，高昂的設(shè)備成本限制了其更廣泛的應(yīng)用。研究指出，通過(guò)自動(dòng)化、集成化和便攜化的技術(shù)改進(jìn)，可以克服這些挑戰(zhàn)，使紅外光譜技術(shù)在糧食檢測(cè)和其他領(lǐng)域的應(yīng)用更加普及。

關(guān)鍵詞：紅外光譜技術(shù) 糧食品質(zhì)檢測(cè) 技術(shù)創(chuàng)新

作者簡(jiǎn)介：胡偉楊（1994—），男，本科，主要從事糧油食品安全指標(biāo)檢驗(yàn)工作。

引 言

糧食品質(zhì)的檢測(cè)對(duì)于確保食品安全和優(yōu)化加工過(guò)程至關(guān)重要。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法耗時(shí)且可能破壞樣品。近年來(lái)，紅外光譜技術(shù)作為一種非破壞性、高效的分析工具，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。這項(xiàng)技術(shù)利用物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光的吸收特性來(lái)確定其化學(xué)成分，為糧食品質(zhì)檢測(cè)提供了一種新的可能性。然而，盡管具有顯著優(yōu)勢(shì)，紅外光譜技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。本文旨在探討紅外光譜技術(shù)在糧食品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用、當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)以及未來(lái)的改進(jìn)方向。通過(guò)對(duì)不同糧食的案例研究，本文評(píng)估了該技術(shù)的實(shí)用性并提出了可能的改進(jìn)策略，以促進(jìn)其在糧食檢測(cè)領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。

一、紅外光譜技術(shù)概述

（一）紅外光譜技術(shù)的基本原理

紅外光譜技術(shù)基于物質(zhì)吸收特定波長(zhǎng)的紅外光輻射的原理。當(dāng)紅外光照射到樣品上時(shí)，不同的化學(xué)鍵會(huì)根據(jù)其能量級(jí)別吸收不同波長(zhǎng)的光。這種吸收會(huì)導(dǎo)致分子振動(dòng)模式的變化，從而產(chǎn)生獨(dú)特的光譜。通過(guò)分析這些光譜，可以識(shí)別和量化樣品中的各種化學(xué)成分。因其非侵入性和高靈敏度，紅外光譜技術(shù)在物質(zhì)分析中變得極其重要。

（二）技術(shù)分類

紅外光譜技術(shù)分為近紅外（NIR）和遠(yuǎn)紅外（FIR）兩大類。近紅外光譜技術(shù)主要用于有機(jī)物的分析，涵蓋的波長(zhǎng)范圍一般是780到2 500納米。它對(duì)水分、蛋白質(zhì)和脂肪等的檢測(cè)尤為有效。遠(yuǎn)紅外光譜技術(shù)涵蓋的波長(zhǎng)則更長(zhǎng)，一般在2 500納米以上，常用于礦物質(zhì)和無(wú)機(jī)物的分析。這兩種技術(shù)各有特點(diǎn)，適用于不同類型的化學(xué)成分分析。

二、糧食品質(zhì)的檢測(cè)指標(biāo)

（一）檢測(cè)指標(biāo)

糧食品質(zhì)檢測(cè)的主要指標(biāo)包括水分、蛋白質(zhì)含量、脂肪含量和纖維素含量，水分含量是影響糧食儲(chǔ)藏壽命和食品加工的關(guān)鍵因素。蛋白質(zhì)含量直接關(guān)系到糧食的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。脂肪含量不僅影響能量供給，還關(guān)系到口感和食品加工屬性。纖維素含量則是評(píng)價(jià)糧食營(yíng)養(yǎng)和健康價(jià)值的重要指標(biāo)。這些檢測(cè)指標(biāo)為評(píng)估和確保糧食品質(zhì)提供了科學(xué)依據(jù)。

（二）糧食品質(zhì)檢測(cè)的傳統(tǒng)方法和局限性

傳統(tǒng)的糧食品質(zhì)檢測(cè)方法主要依賴于化學(xué)分析和物理檢測(cè)?；瘜W(xué)分析方法如基于Kjeldahl法的蛋白質(zhì)含量測(cè)定，雖然準(zhǔn)確，但通常耗時(shí)且需要使用有害化學(xué)試劑。物理檢測(cè)方法如重量和體積測(cè)量則簡(jiǎn)單快速，但信息有限，無(wú)法提供詳細(xì)的化學(xué)成分分析。這些傳統(tǒng)方法的局限性在于操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、靈敏度和特異性較低，難以滿足現(xiàn)代快速、高效和全面的檢測(cè)需求。

三、紅外光譜技術(shù)在糧食檢測(cè)中的應(yīng)用

（一）紅外光譜技術(shù)在檢測(cè)水分、蛋白質(zhì)等指標(biāo)中的應(yīng)用

紅外光譜技術(shù)在糧食檢測(cè)中特別有利于快速測(cè)定關(guān)鍵品質(zhì)指標(biāo)，如水分和蛋白質(zhì)含量。通過(guò)分析樣品對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光的吸收情況，可以快速準(zhǔn)確地獲得水分和蛋白質(zhì)等成分的含量信息。例如，近紅外光譜（NIR）技術(shù)能夠在幾秒內(nèi)測(cè)定糧食樣品的水分和蛋白質(zhì)含量，而且不需要對(duì)樣品進(jìn)行破壞性的處理。這使得紅外光譜技術(shù)在糧食安全監(jiān)測(cè)和品質(zhì)控制中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

（二）不同類型糧食（如小麥、玉米、稻谷等）的案例研究

在不同類型的糧食檢測(cè)中，紅外光譜技術(shù)已經(jīng)顯示出其廣泛的適用性。例如，在小麥檢測(cè)中，NIR技術(shù)被用來(lái)快速評(píng)估蛋白質(zhì)含量和面筋質(zhì)量，這對(duì)面粉品質(zhì)至關(guān)重要。在玉米檢測(cè)中，NIR用于測(cè)定水分含量、油脂和淀粉含量，脂肪酸值這些指標(biāo)對(duì)于評(píng)估玉米的儲(chǔ)藏和加工性能至關(guān)重要。稻谷的品質(zhì)檢測(cè)中，紅外光譜技術(shù)則用于測(cè)定水分、淀粉和蛋白質(zhì)含量，這些指標(biāo)直接影響稻谷的烹飪和感官品質(zhì)。

（三）技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：快速、無(wú)損、準(zhǔn)確性高

紅外光譜技術(shù)在糧食檢測(cè)中的主要優(yōu)勢(shì)包括其快速性、無(wú)損性和高準(zhǔn)確性。這種技術(shù)能夠在幾秒鐘內(nèi)完成對(duì)樣品的分析，大大提高了檢測(cè)效率。由于是非破壞性檢測(cè)，樣品在分析后仍然保持完整，適合于連續(xù)或在線檢測(cè)。此外，紅外光譜技術(shù)具有高準(zhǔn)確性和重復(fù)性，能夠提供可靠的數(shù)據(jù)用于糧食品質(zhì)控制和安全監(jiān)測(cè)。這些優(yōu)勢(shì)使得紅外光譜技術(shù)成為現(xiàn)代糧食檢測(cè)的重要工具。

四、案例研究與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.實(shí)驗(yàn)材料。選取三種不同的糧食樣本，分別為小麥、玉米和稻谷。確保所有樣本來(lái)自相同的生長(zhǎng)周期和地理位置，以減少環(huán)境因素的影響。每種糧食至少準(zhǔn)備2 000克樣品，以確保足夠的測(cè)試量和重復(fù)性測(cè)試。

2.儀器設(shè)備。近紅外光譜儀（儀器型號(hào)：supNIR-3000 生產(chǎn)廠家：聚光科技有限公司）：選擇具有高靈敏度和分辨率的近紅外光譜儀，確保設(shè)備已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和維護(hù)儀器。

自動(dòng)分樣器（儀器型號(hào)：JFYZ-11生產(chǎn)廠家：中儲(chǔ)糧成都儲(chǔ)藏研究院有限公司）

萬(wàn)分之一天平（儀器型號(hào)：ME204E/02生產(chǎn)廠家：梅特勒-托利多儀器有限公司）

電熱鼓風(fēng)干燥器（儀器型號(hào)：101-1 AB生產(chǎn)廠家：北京中興偉業(yè)世紀(jì)儀器有限公司）

3.實(shí)驗(yàn)方法。將每種糧食樣品用自動(dòng)分樣器混勻，確保樣品的均一性，盡可能的除去樣品中的雜質(zhì)以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將每個(gè)樣品放置在NIR光譜儀的樣品托盤(pán)上，進(jìn)行光譜掃描。對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行多次掃描（建議至少10次），以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。使用已知成分（直鏈淀粉、粗蛋白、粗脂肪）的標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)光譜儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。同時(shí)三種糧食樣品水分以GB 5009.3-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》第一法測(cè)定，稻谷和玉米脂肪酸值小麥的濕面筋含量分別以GB/T 20569-2006、GB/T 20570-2015、GB/T 20571-2006測(cè)定結(jié)果與掃描結(jié)果均值比對(duì)。

（二）實(shí)驗(yàn)流程：樣品準(zhǔn)備、光譜數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析。

1.樣品準(zhǔn)備。從小麥、玉米和稻谷中分取所需試樣確保樣本的均勻性。每種樣本約500克。放入干凈、透明的樣品袋中。確保每個(gè)樣品袋標(biāo)記清晰。

2.光譜數(shù)據(jù)采集。在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，使用已知成分的標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)光譜儀，確保設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。將每個(gè)樣品袋依次放置在光譜儀的樣品托盤(pán)上，進(jìn)行光譜掃描。每個(gè)樣品至少掃描三次，以獲取可靠的重復(fù)性數(shù)據(jù)。記錄每個(gè)樣品的光譜數(shù)據(jù)，包括吸收峰的位置、強(qiáng)度等信息。確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

3.數(shù)據(jù)分析。

小麥樣本：在水分含量和脂肪含量上，小麥顯示出較低的測(cè)量值，這可能表明小麥具有較低的水分保留能力和較低的脂肪含量，這對(duì)于一些特定的加工需求（如面粉生產(chǎn)）可能是有利的。

玉米樣本：玉米在蛋白質(zhì)含量上表現(xiàn)出中等的值，這可能反映了玉米作為飼料和食品原材料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。在水分含量上，玉米也顯示出較高的值，這可能影響其儲(chǔ)存和保質(zhì)期。

稻谷樣本：稻谷在所有三個(gè)指標(biāo)上均顯示出較低的值，表明稻谷可能需要更仔細(xì)的儲(chǔ)存條件以防止質(zhì)量下降。

依據(jù)GB/T 27404-2008《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)

范 食品理化檢測(cè)》附錄F中表F.2實(shí)驗(yàn)室內(nèi)變異系數(shù)參考范圍來(lái)判斷，圖2中稻谷、玉米的所有指標(biāo)的變異系數(shù)都在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)變異系數(shù)參考范圍內(nèi)，而小麥除粗脂肪外其他指標(biāo)也在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)變異系數(shù)參考范圍內(nèi)，證明其重復(fù)性較好。根據(jù)附錄F中表F.2實(shí)驗(yàn)室內(nèi)變異系數(shù)參考范圍粗脂肪的變異系數(shù)應(yīng)在2.7%以下實(shí)際5.5%可能原因是存在偶發(fā)性或者是因?yàn)椴煌Z食在特定波長(zhǎng)上的吸收峰有差異小麥粗脂肪整體化學(xué)成分較為復(fù)雜。

通過(guò)這些詳細(xì)的分析，我們不僅可以了解每種糧食的品質(zhì)特點(diǎn)，還可以對(duì)如何改進(jìn)儲(chǔ)存和加工條件提供意見(jiàn)。此外，這些分析也證實(shí)了紅外光譜技術(shù)在糧食品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值，尤其是在迅速識(shí)別和區(qū)分不同糧食品質(zhì)方面。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

1.成分對(duì)比。柱狀圖中的成分含量對(duì)比顯示了小麥、玉米和稻谷在水分、蛋白質(zhì)和脂肪含量上的差異。這些差異反映了每種糧食的獨(dú)特營(yíng)養(yǎng)特性和加工質(zhì)量。玉米的高水分含量可能影響其儲(chǔ)存穩(wěn)定性和加工特性，而相對(duì)較高蛋白質(zhì)和脂肪含量可能增強(qiáng)其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

2.精密度與準(zhǔn)確度。從圖2中數(shù)據(jù)可以看出近紅外光譜儀（NIR）對(duì)同一樣品的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。對(duì)于準(zhǔn)確度方面，三種糧食樣品以GB 5009.3-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》第一法測(cè)定得出結(jié)果分別為12.6%、13.4%、11.5%，與近紅外光譜儀（NIR）所測(cè)水分均值12.0%、13.0%、11.2%按GB 5009.3-2016第一法要求的精密度要求來(lái)判斷三種糧食樣品水分檢測(cè)結(jié)果在誤差范圍內(nèi)。同理脂肪酸值、濕面筋含量按各自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的儲(chǔ)存品質(zhì)判定規(guī)則均在誤差范圍內(nèi)。直Je4zuGGCkhSOPgPSlRu1gNiN9oi9KxHGUuBvQRUadsM=鏈淀粉、粗脂肪、粗蛋白因在檢測(cè)之前用已知成分的標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)光譜儀，所以不予評(píng)價(jià)。因此可以看出近紅外光譜儀（NIR）具有較好的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

3.檢測(cè)速度快檢測(cè)過(guò)程無(wú)損耗。在檢測(cè)的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)平均每次樣品的檢測(cè)時(shí)間約為20秒，多個(gè)參數(shù)指標(biāo)同時(shí)得到結(jié)果這對(duì)糧食的出入庫(kù)檢測(cè)起到至關(guān)重要的作用，同時(shí)節(jié)約人力近紅外光譜儀（NIR）僅需一人就可以操作。在檢測(cè)過(guò)程中無(wú)試劑損耗，無(wú)樣品損耗，相對(duì)于傳統(tǒng)的經(jīng)典檢驗(yàn)方法而言避免檢測(cè)人員接觸有毒有害試劑，做到了“綠色”“高效”。

4.品種差異的影響。每種糧食中不同品種的成分差異可能與遺傳因素、生長(zhǎng)條件和后期處理有關(guān)例如，不同品種的小麥可能因蛋白質(zhì)含量的差異而適用于不同類型的面粉和面包生產(chǎn)。

5.綜合分析。紅外光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于多參數(shù)同時(shí)檢測(cè)、檢測(cè)速度快、檢測(cè)成本低、無(wú)毒、無(wú)損、可以進(jìn)行大批量檢測(cè)這對(duì)糧食的儲(chǔ)存與加工是有利的。但可能在一些需要微量分析的方面如農(nóng)殘等不太適用。

五、技術(shù)挑戰(zhàn)與改進(jìn)方面

（一）目前技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

高昂的設(shè)備成本與數(shù)據(jù)模型分建立：紅外光譜儀的高成本限制了其在資源有限的環(huán)境下的可行性。同時(shí)，建立準(zhǔn)確的一個(gè)數(shù)據(jù)模型需要大量的人力與物力，這只能依靠數(shù)據(jù)共享或由開(kāi)發(fā)人員完成。

維護(hù)難度和樣品處理要求：紅外光譜設(shè)備需要定期維護(hù)和校準(zhǔn)，以保證其準(zhǔn)確性，這增加了運(yùn)營(yíng)成本。此外，特定的樣品處理步驟可能增加分析流程的時(shí)間和復(fù)雜性。

（二）技術(shù)改進(jìn)的可能方向

自動(dòng)化與集成化：通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)簡(jiǎn)化操作流程，提高效率和準(zhǔn)確性。將紅外光譜技術(shù)與其他分析方法集成，可以提供更全面的檢測(cè)結(jié)果，適用于更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

便攜化和成本優(yōu)化：開(kāi)發(fā)便攜式和經(jīng)濟(jì)型紅外光譜儀，使其更易于在現(xiàn)場(chǎng)使用，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)，優(yōu)化制造過(guò)程和技術(shù)創(chuàng)新以降低成本，使這種技術(shù)更加普及。

結(jié) 論

紅外光譜技術(shù)已經(jīng)證明在糧食品質(zhì)檢測(cè)中極為有效，能夠提供快速、準(zhǔn)確和非破壞性的分析。本研究展示了該技術(shù)在檢測(cè)不同糧食（如小麥、玉米、稻谷）中水分、蛋白質(zhì)和脂肪含量方面的應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了其在檢測(cè)一些儲(chǔ)存指標(biāo)的準(zhǔn)確度。盡管面臨設(shè)備成本高等挑戰(zhàn)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新如自動(dòng)化、集成化和便攜化，紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用范圍和效率有望進(jìn)一步提升。

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Chan Ye Fa Zhan