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紅外光譜在食品(奶粉、麵粉、酒精飲料)分析的應用
2023/10/11
摘要
近年來，由於一系列食品原料污染，以及謀求暴利的蓄意摻假事件等，使得食品安全問題為全世界所共同關注。尤其是頻頻爆發的多起食品安全事件，再次向人們敲響了警鐘。要避免這些問題，首先要做的就是對食品的安全檢測，因此，檢驗是保證食品安全的最基本手段。紅外光譜學作為四大光譜學之一，透過紅外特徵光譜表徵物質的分子結構，被廣泛應用於化工、醫藥、石油、高分子等領域。紅外光譜技術應用於食品安全檢測雖然較短，但由於其分析速度快，操作成本低，使用方便，具有環保、高效的特點，使其在這一領域具有很大的前景。在食品監督管理的應用中，傅立葉轉換紅外光譜儀已是一種常規的檢測工具，在不同的應用方向為科學研究工作者提供了重要的解決方案。本文則是針對不同的食品分析問題，基於賽默飛世爾分子光譜技術而提出的解決方案。
圖1. ThermoFisher FTIR系列產品
脫脂奶粉與全脂奶粉的快速篩選
脫脂奶粉和全脂奶粉是成人奶粉市場上常見的選擇，而相較於全脂奶粉來說，脫脂奶粉的價格會稍高，但單從表觀上來看，兩者幾乎完全一樣，無從分辨。一般說來，脫脂奶粉是將鮮牛奶脫去脂肪再乾燥而成，除脂肪可降低至1 ％左右外，其他變化不大。因此，由於去除大部分脂肪，脂肪的紅外特徵峰（1700 cm-1左右的羰基吸收峰）可能會出現明顯減弱或消失，可據此來快速篩查全脂奶粉和脫脂奶粉。本文採用Nicolet系列紅外光譜儀，搭配衰減全反射(ATR)附件，直接測定脫脂奶粉和全脂奶粉樣品。兩者紅外譜圖，如圖2中所示，脫脂奶粉的1750 cm-1左右的脂肪特徵峰消失，並且2900 cm-1左右的C-H減弱，而全脂奶粉的紅外譜圖中則有著明顯的脂肪特徵吸收峰，因此，可利用紅外光譜快速篩查脫脂奶粉及全脂奶粉。
圖2. 脫脂奶粉與全脂奶粉的紅外光譜圖差異
麵粉與太白粉的鑑定
麵粉和太白粉都是日常生活中的常用食品，從外表來看，兩者極為相似。而一般說來太白粉的成分主要是澱粉。麵粉的主要成分除了澱粉外，還有麵筋質。麵筋質是一種植物蛋白質，由麥膠蛋白質和麥穀蛋白質組成，故而可根據蛋白質的紅外特徵峰來快速鑑定麵粉和太白粉。本文採用Nicolet系列紅外光譜儀，搭配衰減全反射(ATR)附件，直接測定麵粉及太白粉的樣品。兩者紅外譜圖，如圖3所示，麵粉會在1540 cm-1左右比太白粉多出蛋白質醯胺的特徵峰，因此，可利用紅外光譜快速鑑定麵粉和太白粉。
圖3. 麵粉與太白粉的紅外光譜圖差異
酒精飲料中乙醇含量測定
酒精飲料是國家管控的產品，對乙醇的含量有嚴格的要求。快速準確地測定乙醇含量在酒精飲料的品質控制至關重要。相比較濕法化學和分離技術，紅外光譜法無需樣品前處理、操作簡便且分析快速。由於酒精飲料中水峰的干擾和覆蓋，常規的穿透式分析，無法得到飲料中其他成分的有效資訊。而衰減全反射紅外光譜法（ATR-FTIR）在樣品中的入射深度為0.3~2μm，溶液成分受水的吸收峰影響較小。基於ATR相同波數下光的吸收深度相同的原理，本文建立了酒精飲品中乙醇含量的定量方法。選擇乙醇C-OH的伸縮振動峰高(見圖4)，對乙醇的濃度以偏最小二乘法（PLS）做濃度曲線(見圖5)，即可進行定量分析。用已知酒精濃度的市售白酒和紅酒對建立的方法進行驗證，結果準確可靠。
圖4. C-OH伸縮振動的吸收於1044 cm-1位置
圖5. 酒精飲品中乙醇的定量模型結果
結論
綜合上述例子，食品安全與每個人的健康與生命息息相關，安全檢測成為必然，光譜檢測技術已經成為一種方便、快捷、高效的檢測技術。作為食品分析檢驗的新技術，紅外光譜具有快速、方便、樣品用量少、不損壞樣品等優點，本文主要採用Nicolet紅外光譜技術分別針對奶粉、麵粉、酒精飲料中的不同問題，提出了全面可靠的解決方案。