粮食供应已经成为当前全人类面临的重大问题,对于我国而言,庞大的人口基数使得粮食问题更加重要。针对国内粮食供应和安全领域存在的实际问题,为促进粮食供应与安全行业的健康发展,本文从原理、方法以及设备方面剖析了近红外光谱技术,并研发了移动近红外光谱产品。该产品提供卓越的近红外光谱分析能力,可用于现代粮食供应和安全领域,有助于更进一步探索近红外光谱技术的应用。
粮食供应是保障国家粮食安全、推进全面建设小康社会的重要组成部分,深入研究粮食供应与安全并且完善现代粮食供应与安全体系具有重要意义。为了加强粮食产品安全管理,我国粮食产品质量标准体系不断完善,截至“十一五”末期,制修订粮食加工标准400余项。目前国内粮食安全检验检测体系框架基本形成,建立了905家中央和地方各级粮食质量检验机构、200家国家粮食质量监测站(中心)、30家省部级饲料质量检验检测中心[1]。
目前,我国粮食供应和安全行业仍然存在很多实际问题。例如部分企业法制和诚信意识淡薄,违规使用食品添加剂,掺杂使假、以次充好的现象依然存在,食品安全事件时有发生。当前国内粮食科技研发重视不够,投入不足。2010年粮食加工业科技投入仅占销售收入的0.2%左右,远低于发达国家2%～3%的平均水平。粮食供应与安全行业关键技术设备的开发大多处于仿制阶段,产品技术含量低。
针对国内粮食供应和安全领域存在的实际问题,为促进粮食供应与安全行业的健康发展,北京领主科技有限公司(以下简称领主科技)研发了移动近红外光谱产品。该产品具有较强的近红外光谱分析能力,可广泛应用于粮食供应和安全行业,能够为发展现代粮食供应和安全提供强有力的科技支撑。
2 近红外光谱原理
近红外光是一种介于可见谱区与中红外谱区的电磁波,波长范围为0.75～2.5μm,分子的红外辐射吸收源于化学键的振动,其振动与双原子分子的振动类似;分子可以按照化学结构的基频振动,也可以按照基频的整数倍频率发生振动。
按量子学说,求解薛定谔方程得到谐振子振动能量Evib和振动谱项G(v),分别如下:
式中:h为普朗克常量;v为振动量子数,v=0,1,2,3……;为以波数表示的本征频率[2]。
利用量子力学近似或微扰法在谐振子方程解的基础上解得非谐振子能量如下:
式中:为非谐性常数,其值很小。
相应的谱项为:
按照玻尔兹曼分布,常温下分子主要处在振动基态v=0,所以跃迁主要是从振动基态v″=0向v′=v上各能级之间,其吸收频率为。
3 近红外光谱分析
由于分子内和分子间的相互作用,物质具有特定的红外吸收光谱带,可以对未知样品进行定性和定量分析[3]。与传统的化学分析方法相比,近红外光谱分析过程简单高效、速度快,不会破坏样品,能同时对多组分进行测定和实时分析。但其不足之处在于,一是测试灵敏度相对较低,在组分分析中要求含量一般大于0.1%;二是受周围环境的影响大,需要进行标样校正比对。
近红外光谱分析方法主要有以下三种。
3.1 透射法
将样品直接放入红外光束中,红外光束通过样品时测量透射能量并生成光谱。该方法可靠性强、灵敏度高。透射测试方法如图1所示。
片图1 透视测试方法
3.2 镜面反射
利用红外光照射样品表面,其中部分特定波长的红外光被样品强烈吸收,通过测量红外光的反射率就得到了红外反射谱[4]。该方法无须制样,可使用固体原物直接测试。镜面反射测试方法如图2所示。
图2 镜面反射测试方法
3.3 漫反射
当光线照射到样品时,一部分光经过折射进入样品内部与样品分子作用,发生反射、折射、散射和吸收[5]。该方法不需要制样、不改变样品形状、不要求样品有足够的透明度或表面光洁度、不会对样品造成任何损坏。漫反射测试方法如图3所示。
图3 漫反射测试方法
4 传统光谱设备
历史上第一代红外光谱仪是棱镜式红外分光光度计,第二代是光栅式红外分光光度计,第三代是傅立叶变换红外光谱仪。这些光谱设备的光学材料制造费事,工作环境要求相对严格,体积比较庞大,重量在数公斤以上,一般都只用于实验室和工业现场的分析检测,
5 移动光谱仪
该光谱仪具有较强的抗外界干扰性和优良的稳定性,非常适合各种商业及检测场景。相比当前各类光谱分析仪器,领主科技的移动近红外光谱仪具有尺寸更小、功耗更低的优势,有效降低了光谱分析的成本,能够广泛应用于食品安全、产品认证、常规测试等领域。过去笨重的实验室级设备,现在可以被移动式的手持设备取代;以往不得不从工厂生产线送往实验室进行化学分析质量检测的生产样品,如今能够在生产线上直接完成[6]。
6 近红外光谱试验
采用移动近红外光谱仪,基于透射法测试8种常见的食用油的近红外光谱吸收特性,包括胡姬花花生油、九三葵花子油、九三大豆油、福临门玉米油、金龙鱼玉米油、西王玉米油、金龙鱼调和油、金龙鱼芝麻油,具体样品如图6所示。得到实验结果(相对吸收)如表1所示。
表1 不同食用油品牌相对吸收光谱强度
|
用油品牌 |
光谱成分的波长/nm |
|
610 |
680 |
730 |
760 |
810 |
860 |
|
胡姬花花生油 |
15 |
-5 |
-5 |
-13 |
637 |
551 |
|
九三葵花子油 |
-4 |
11 |
-79 |
-7 |
879 |
1 222 |
|
九三大豆油 |
-8 |
-33 |
-24 |
-38 |
660 |
492 |
|
福临门玉米油 |
11 |
3 |
3 |
5 |
620 |
904 |
|
金龙鱼玉米油 |
-15 |
-24 |
-24 |
-38 |
148 |
-115 |
|
西王玉米油 |
9 |
-20 |
-2 |
-14 |
644 |
811 |
|
金龙鱼调和油 |
-27 |
-50 |
-41 |
-67 |
34 |
-726 |
|
金龙鱼芝麻油 |
102 |
111 |
48 |
59 |
841 |
1 022 |
如图7所示,从食用油红外吸收光谱试验结果分析可知:(1)芝麻油相对其他食用油颜色较深,故可见光谱部分其明显与其他油品不同;(2)除了芝麻油,其他食用油颜色淡黄透明性强,故可见光谱部分在0附近;(3)所测的8种食用油在可见光谱部分,彼此很难区分;(4)只有在近红外区的两个频点处,才能够对8种食物油加以区分。
图7 食用油红外吸收光谱
7 近红外光谱应用
(1)小麦检测:
近红外光谱在小麦蛋白质含量、麦麸、灰分、淀粉、膳食纤维指标方面有更好的表现,还能够检测发酵动力学参数、谷蛋白等。
(2)稻谷检测:
近红外光谱在不同收获时期稻谷的水分、水稻籽粒中的蛋白质含量、糙米的直链淀粉含量等的检测上有较高的精准度。
(3)玉米检测:
采用近红外光谱对玉米种子进行漫反射定性识别,准确率高达97.5%,还可以检测玉米蛋白质、玉米面粉样品的总抗氧化能力等[7]。
(4)种子检测:
国内很多研究已经表明,近红外光谱在水稻品种识别和大豆种子质量判断等方面具有可用性。
(5)食用油检测:
近红外光谱技术能够对食用油种类和营养成分进行鉴别。
(6)水果和蔬菜检测:
近红外光谱能够定量和定性分析的信息有含糖量、纤维素、成熟度、品质分解、可溶固形物质、微量的农药残留。
8 粮食行业中近红外光谱的探索展望
8.1 推广应用
有助于加强现代粮食供应体系建设,健全粮食安全保障体系。能从粮食供应链的源头产地到中间流通环节对粮食品质进行红外光谱检测,完善粮食供应的溯源体系,使粮食安全风险更加可控。
8.2 持续研究
将提升我国科技自主创新的水平,加强粮食安全标准体系的基础研究,提升我国近红外光谱设备自主化开发和产业化,全面改造和提升粮食供应和安全产业。
8.3 追溯系统
有助于实现将真实物理世界和数字世界强绑定的溯源数据平台,进一步完善我国粮食供应与安全领域的信息监测与预警系统。目前的上链信息多采用二维码、标签等形式,这种外部标记方法无法从根本上解决数据的真实性问题。而基于每种物质的光谱独特性,在粮食供应链的每一个环节中采集相应的光谱数据并记录到追溯系统,能够建立全面、系统、准确的粮食供应和安全统计信息报告、监测预警平台,提高粮食供应和安全统计信息的质量和公信力。
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