Research on the Application of Spectral Technology in Food Inspection and Testing

PENG Chunxiao

（HebeiFoodSafetyKeyLaboratory，KeyLaboratoryofSpecialFoodSupervisionTechnology，StateAdministration for Market Regulation， Hebei Engineering Research Center for Special Food Safety and Health， Hebei Food Inspection and Research Institute， Shijiazhuang O5o227， China）

Abstract： Fast， accurate，and non-destructive testing technology has become a key requirement in the food industry.Spectral technology has been widelyused in the field offood testing due to itshigh efficiency， nondestructive nature，and ability to simultaneously detect multiple components.This article reviews the principles of near-infrared spectroscopy， infrared spectroscopy，Raman spectroscopy，fuorescence spectroscopy，and hspectral imaging technologies，and explores the current application status of spectroscopic technology in food ingredient analysis，adulterationidentification，and pollutant detection.Atthesame time，itanalyzes thechallenges it faces and future development trends.

Keywords： spectral technology; food testing; food safety

食品檢驗檢測技術不僅關系到食品安全和公眾的生命健康，還對國家、地區(qū)、企業(yè)的經濟穩(wěn)定與發(fā)展具有重要影響。因此，推動該領域技術的革新和進步顯得尤為關鍵。盡管傳統(tǒng)的化學分析方法（如高效液相色譜、氣相色譜等）具備較高的準確性，但耗時長、樣品破壞性強、成本高昂等不足限制了其廣泛應用。相比之下，光譜技術通過分析物質與光的相互作用，能夠迅速獲取樣品信息，在食品檢測領域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，近年來備受關注。本文對光譜技術的分類、應用場景及其局限性進行了系統(tǒng)性綜述，旨在為食品安全監(jiān)管提供理論依據。

1 光譜技術

光譜技術是一種基于光與物質相互作用時所產生的波段差異進行分析和研究的科學方法。常見的光譜技術包括紅外光譜、拉曼光譜、熒光光譜以及高光譜成像。

1.1 紅外光譜

紅外光譜技術依據波長的差異，在實際應用中可細分為近紅外光譜、中紅外光譜和遠紅外光譜近紅外光譜（ 780～2500nm ）主要用于反映分子中C-H、O-H、N-H等含氫化學鍵的振動信息；中紅外光譜（ 2500～25000nm ）對應分子基頻振動，特征峰顯著；遠紅外光譜（ 25～1000μm ）由于其光子能量與分子純轉動能級及晶格振動能級相匹配，在解析食品中復雜生物大分子結構方面具有不可替代的優(yōu)勢。

與其他化學分析方法不同，紅外光譜技術在食品檢測成分定量分析時需要提前用校正樣品與近紅外光譜數(shù)據之間建立關聯(lián)模型，具體過程包括校正和預測兩個步驟，一旦測得樣品的光譜數(shù)據，即可通過上述關聯(lián)模型進行定量。其優(yōu)勢在于快速、無須復雜樣品前處理以及可同時對多組分進行檢測。例如，在對稻谷樣品檢測時，可同時出具稻谷中水分含量、蛋白質含量、脂肪酸值等數(shù)據。近紅外光譜適用于水分、蛋白質、脂肪等營養(yǎng)成分的定量分析；中紅外光譜用于食品中糖類、脂肪酸等成分的鑒定及食品中摻假的判定；遠紅外光譜用于食品中大分子物質如多糖等的檢測分析。

1.2拉曼光譜

拉曼光譜是一種基于分子振動的光譜技術，通過檢測激光照射后樣品分子振動產生的散射光，可以得到物質結構和組成信息[1]，尤其適用于極性較低物質（如油脂）的分析。隨著拉曼技術的發(fā)展與進步，衍生出了一些新的拉曼光譜技術。在表面增強拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）的研究中，普遍通過兩種機制得到增強：電磁場增強和化學增強[2]。電磁場增強機制是當激光照射到金屬表面或溶膠增強基底時，會引發(fā)金屬表面的電磁場增強效應，進而使得待檢測分子的拉曼散射信號增強 10⁴～10⁶ 倍，因此更適用于低濃度物質的檢測。化學增強機制則主要涉及3種增強途徑，包括待測分子與基底之間的相互作用導致化學鍵形成；激發(fā)光誘導分子金屬系統(tǒng)電荷轉移；吸附分子和表面吸附原子形成絡合物引起共振[3。表面增強光譜散射能直接分析水相樣品，且檢測過程基本不受被測物形態(tài)的影響。

1.3熒光光譜

熒光光譜分析技術是基于物質在特定波長光激發(fā)下發(fā)射熒光的特性，實現(xiàn)對物質的定性和定量分析。具體而言，熒光光譜分析技術常用于測定食品中維生素的含量，不同維生素在特定波長激發(fā)下會發(fā)出特征性熒光信號，通過分析這些信號能夠精確判斷食品中維生素的種類與含量。此外，熒光光譜分析技術還被廣泛用于食品中藥物殘留、微生物和真菌毒素污染的檢測。由于藥物殘留、微生物和真菌毒素在特定波長光激發(fā)下會產生熒光信號，因此通過分析這些熒光信號，可對食品的污染程度進行評估。

1.4 高光譜成像

高光譜成像技術是一種能夠產生三維超立方體的先進成像方法，能夠全面揭示食品表面的成分分布，并通過捕獲圖像和光譜信息，將食品中的化學和分子信息以顏色或亮度的形式直觀展現(xiàn)，進而實現(xiàn)對食品水分、蛋白質、淀粉等物質的可視化分析。高光譜成像技術具備快速、高效的特點，可以迅速且廣泛地識別食品中的異物，如金屬碎片、塑料顆粒等。此外，該技術也可用于食品品質的分級，如區(qū)分糧食質量品質、水果成熟度、肉類新鮮程度等，為食品加工和銷售提供科學依據。

2光譜技術在食品檢驗檢測中的應用

光譜技術在食品成分定量分析、摻假與真?zhèn)舞b別、污染物與殘留物的檢測以及真菌毒素檢測等多個領域展現(xiàn)出顯著的技術優(yōu)勢和應用潛力。

2.1 成分定量分析

光譜技術在食品無損檢測中的應用成效顯著，尤其在多項營養(yǎng)指標和儲藏品質指標的定量分析方面表現(xiàn)出色。在乳制品檢測領域，近紅外光譜檢測提供了有力的技術支持。通過構建基于偏最小二乘模型的分析方法，采用便攜式紅外光譜儀，建立了近紅外漫反射定量分析模型，能夠迅速測定牛奶中的脂肪、蛋白質和干物質含量[4。該技術的運用不僅提高了檢測效率，還確保了測定結果的精確性。

在小麥粉品質的快速定量檢測方面，孫曉榮等[5]基于近紅外光譜技術，經預處理和特征提取處理構建的快速定量檢測模型穩(wěn)定性好，預測精度高。在加工食品領域，弓志青等采用紅外光譜掃描對不同香菇添加量的面粉樣本進行分析，經建模驗證，數(shù)據偏差小于 5% ，相關性大于 99% ，表明該模型具有較好的準確度，能為香菇面制品的出廠檢驗提供數(shù)據支持。

2.2摻假與真?zhèn)舞b別

蜂蜜中的摻假行為不僅會降低產品品質，還會威脅消費者身體健康。在蜂蜜摻假檢測領域，拉曼光譜結合化學計量學方法的應用，能夠有效地辨識出蜂蜜中是否混入了其他種類的糖漿。通過建立數(shù)據模型，在檢測 1% 糖漿含量摻假蜂蜜時的準確率可超過 90% ，為保障消費者權益和維持市場秩序提供了一種可行的技術手段[]。針對肉類摻假的篩查問題，拉曼光譜技術與主成分分析相結合，能夠精確鑒別牛肉中是否摻雜了馬肉成分。該技術的應用為食品安全監(jiān)管提供了堅實的技術支撐，確保了肉類產品的品質及消費者的權益，避免了可能引發(fā)的倫理問題[8]。針對在牛奶中摻人三聚氰胺的情況，紅外光譜檢測技術可通過識別三聚氰胺在中紅外光譜范圍內的特征吸收峰來實現(xiàn)精準檢測。在食用油品質檢測方面，拉曼光譜技術也展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，如能夠有效鑒別植物原油中是否混人了地溝油。楊永存等[]以10個品種的106份正常植物原油和11批次地溝油為樣品，借助精確的拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)，不同比例的地溝油摻人會導致拉曼光譜顯著變化，從而為保障食用油的品質和純度提供了科學依據。

2.3污染物與殘留檢測

在農藥殘留分析領域，研究人員通過應用并優(yōu)化傳統(tǒng)光譜技術，已經能夠有效地對食品復雜基質背景下的痕量污染物與農藥殘留進行檢測。例如，對于類固醇等常見激素類藥物殘留，由于傳統(tǒng)方法信號強度較弱，為了獲得較強的拉曼散射信號，研究者開發(fā)了表面增強拉曼光譜技術，顯著提升了檢測靈敏度，從而有效降低了檢出限，進一步增強了食品安全監(jiān)控的嚴格性和精確性[10]。此外，在多組分混合物的農藥殘留定量分析方面也取得了重要進展。張瑤等[選用多種不同濃度菊酯類農藥對寧夏枸杞進行處理，并利用熒光高光譜成像技術采集圖像數(shù)據，建立了一種用于定量檢測擬除蟲菊酯類藥物殘留的模型。在重金屬污染監(jiān)測領域，研究者采用近紅外光譜技術與原子吸收光譜技術相結合的方法，成功實現(xiàn)了對水稻、小麥、玉米中鉛、鎘等有害重金屬的快速篩查，其中水稻樣品基質更加適用。該聯(lián)用技術不僅提高了檢測的效率，還確保了檢測結果的準確性，為保障糧食重金屬污染監(jiān)測提供了有力的技術支持。

2.4真菌毒素污染檢測

在真菌毒素污染檢測方面，近紅外光譜法[12]拉曼光譜法[13]等光譜技術具有技術和時間優(yōu)勢。張悅湘等[14]根據黃曲霉毒素 ΔB₁ 特征峰受溶液極性的影響易發(fā)生偏離的特點，利用表面增強拉曼光譜技術結合偏最小二乘回歸預測模型，構建了花生油中黃曲霉毒素 ΔB₁ 的快速定量檢測方法。胡孟鳳等[15]基于近紅外光譜技術結合多元散射矯正和競爭性自適應加權算法建立定量預測模型，實現(xiàn)了對儲藏期小麥的快速無損檢測。

3光譜技術的應用優(yōu)勢、挑戰(zhàn)與發(fā)展

3.1 應用優(yōu)勢

① 光譜技術是一種無損檢測方法。無須對樣品進行任何預處理，此特性使得該檢測方法非常適合現(xiàn)場在線檢測，顯著提升了檢測過程的便捷性與效率。 ② 光譜技術展現(xiàn)出卓越的檢測效能，能夠迅速完成檢測任務，保障工作流程的順暢進行。通過單一檢測流程，能夠迅速且精確地從復雜基質獲取樣品中的多組分信息，顯著提升了分析過程的效率與準確性。 ③ 光譜技術環(huán)境友好性強。該檢測技術無須使用任何化學試劑，檢測過程契合綠色分析的理念，既保護了生態(tài)環(huán)境，又確保了檢測過程的安全性。

3.2 面臨的挑戰(zhàn)

（1）在食品檢驗檢測領域，復雜基質造成的干擾問題始終是一個重要挑戰(zhàn)。鑒于食品成分的多樣性，光譜信號往往出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，這導致在運用近紅外光譜技術進行品質檢測時，必須依賴先進的化學計量學模型進行優(yōu)化。李莉楠[在其研究中指出，小麥粉作為一種成分復雜的食品基質，在運用近紅外光譜技術進行品質分析時，會遭遇顯著的散射等干擾問題，這對近紅外光譜技術在小麥粉品質檢測中的穩(wěn)健性和適用性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。為了應對這一挑戰(zhàn)，未來的研究方向需要拓展近紅外光譜小麥粉品質檢測的數(shù)據庫，同時優(yōu)化光譜預處理和特征提取方法。此外，深人探索非線性建模算法，進一步提高近紅外光譜小麥粉品質檢測模型的檢測能力，是推動近紅外光譜技術在小麥粉品質檢測中應用的關鍵。通過這些努力，有望實現(xiàn)從原料到產品的全程快速無損檢測與控制，從而提高整個食品產業(yè)鏈的質量管理水平。

（2）儀器成本與標準化問題仍是光譜技術應用中另一重要挑戰(zhàn)。研發(fā)投入高、材料費昂貴等原因導致先進精準的光譜設備往往價格昂貴，這在一定程度上限制了該技術的普及和應用。此外，目前缺乏統(tǒng)一的數(shù)據共享庫，這不僅影響了檢測結果的可比性，也給跨實驗室和跨地區(qū)的數(shù)據共享帶來了困難。

（3）模型的單一性也是一個需要關注的問題。由于產地和食品的品種不同，在營養(yǎng)成分上必然存在差異，現(xiàn)有的單一固化模型可能無法直接應用于所有類型的食品。這意味著每當遇到新的產地或品種時，可能需要重新建立模型，從而降低實際檢測效率。因此，如何提高模型的普適性，使其能夠適應更廣泛的檢測領域，是當前研究中亟待解決的問題。

3.3未來發(fā)展趨勢

光譜技術在食品檢測領域已展現(xiàn)出多樣化和高效式的發(fā)展趨勢。未來，該技術將在高效性與準確度方面進一步深耕，并且提升技術應用的廣度和深度。 ① 便攜式設備開發(fā)。未來將開發(fā)微型化光譜儀，并優(yōu)化前處理過程和檢驗檢測條件，如發(fā)射波長等。這種適用于現(xiàn)場攜帶的檢測設備將大幅提高現(xiàn)場快速檢測的能力，使得檢測過程更加便捷高效。 ② 多領域技術互通。在光譜分析領域，將近紅外光譜技術、高光譜成像技術、拉曼光譜技術等與原子吸收光譜等技術相結合已成為行業(yè)趨勢。這種多技術的聯(lián)用不僅能夠提升檢測的維度，還能夠顯著提高檢測的精度和可靠性。 ③ 人工智能與大數(shù)據。在光譜數(shù)據分析領域，人工智能技術，尤其是深度學習大數(shù)據技術和算法，正在發(fā)揮越來越重要的作用，有助于優(yōu)化光譜數(shù)據分析流程、建立更加精準的模型，從而提高分析的準確性和效率。 ④ 標準化體系建設。為了確保食品檢測數(shù)據的一致性，借助大數(shù)據和算法等技術建立一個統(tǒng)一的食品光譜數(shù)據庫和檢測規(guī)范顯得尤為重要[7]。這將有助于打造一個協(xié)調與統(tǒng)一的食品檢測標準，從而提高不同國家和地區(qū)的食品安全檢驗檢測水平。

4結語

光譜技術通過分析物質的光譜特性，能夠快速、準確地識別食品中的成分和污染物，從而確保食品的質量與安全。這一優(yōu)勢使其成為食品檢測領域中不可或缺的重要工具。隨著研究者的持續(xù)創(chuàng)新以及數(shù)據分析算法的不斷進步，光譜技術有望在食品安全監(jiān)管、生產過程控制以及消費者權益保護等多個方面發(fā)揮更加重要的作用。這些技術進步將有助于提高食品檢測的效率和準確性，進而減少食品安全事故的發(fā)生，同時也能進一步提升消費者對食品安全的信心。

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