◎ 趙益臻

（杭州娃哈哈集團(tuán)公司，浙江 杭州 310018）

1 近紅外光譜技術(shù)探究

近紅外光譜介于可見(jiàn)光和中紅外光譜之間，大多數(shù)化學(xué)樣品在近紅外光譜區(qū)域具有相應(yīng)的吸收帶。利用這些吸收信息，可以精確地定量分析樣品的化學(xué)含量和物理參數(shù)。因此，近紅外光譜技術(shù)是一種比傳統(tǒng)方法更簡(jiǎn)單、更快速、更快速的新型綠色分析技術(shù)。

然而，近紅外光譜也有缺點(diǎn)，其分析必須依賴模型，所以這種技術(shù)不適用于檢測(cè)頻繁變化的色散樣品。而且，近紅外光譜技術(shù)在初期投入很大，耗費(fèi)更多的人力、物力和時(shí)間。近紅外光譜受外界環(huán)境因素的干擾過(guò)大，非常容易使光譜的信息發(fā)生改變，因此在使用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須嚴(yán)格控制外界環(huán)境的變化。

2 材料與方法

2.1 材料與試劑

食用色素：包括檸檬酸、日落黃、檸檬黃、胭脂紅和莧菜紅標(biāo)準(zhǔn)品；飲料：橙味飲料（美年達(dá)）、葡萄味飲料（芬達(dá)）；白砂糖；超純水。

2.2 儀器與設(shè)備

近紅外光譜儀（配備有Mosic和WinISIII軟件）、十分之一的電子天平梅特勒-托利多儀器、PTD-20-3超純水制備儀、PB-10型 pH計(jì)，試管、燒杯、量杯、樣品杯和金箔杯等。

2.3 方法

用白砂糖、超純水、檸檬酸配制的糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、pH 3.60左右的母液（5份）；用母液稀釋日落黃、檸檬黃、胭脂紅和莧菜等5種標(biāo)準(zhǔn)合成色素溶液，用于近紅外光譜掃描；根據(jù)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，制備75份不同質(zhì)量濃度的食用合成色素標(biāo)準(zhǔn)溶液用于近紅外光譜掃描。將上述實(shí)驗(yàn)所需樣品溶液配制好后，放置到干燥陰涼的地方，避免陽(yáng)光直射，并在使用新樣品時(shí)，防止樣品產(chǎn)生雜質(zhì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[1]。

將一定量的不同質(zhì)量濃度的飲料溶液倒入樣品杯中，用近紅外分析儀收集光譜數(shù)據(jù)。并將環(huán)境溫度保持在25 ℃，將儀器光譜掃描范圍和分辨率調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行光譜采集。重復(fù)對(duì)不同質(zhì)量濃度的日落黃、檸檬黃、胭脂紅和莧菜紅色素溶液采集近紅外光譜3次后，取其平均光度光譜值為實(shí)驗(yàn)參照數(shù)據(jù)。

飲料樣品通過(guò)在水浴中加熱脫氣并在5min后取出。將該結(jié)果與《食品中合成著色劑的測(cè)定》進(jìn)行比較。通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)和近紅外光譜獲得的近紅外光譜比較了標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量交換和多重散射校正等幾種光譜預(yù)處理方法的效果。并建立數(shù)學(xué)模型來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。若準(zhǔn)確度不高，及時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤排析，回顧前面的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并重新構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型[2]。

建立校準(zhǔn)集和驗(yàn)證集樣本，并將校準(zhǔn)集與驗(yàn)證集合比率之間的關(guān)系用2∶1表示不同質(zhì)量濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。隨機(jī)選取50個(gè)樣本作為校準(zhǔn)樣本，其余25個(gè)樣本構(gòu)成獨(dú)立驗(yàn)證集合；同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的近紅外光譜進(jìn)行預(yù)處理，以防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的光散射和隨機(jī)噪聲信息干擾樣品中的光譜信息和有效成分。建立預(yù)測(cè)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出去最優(yōu)模型處理方法，使模型的相關(guān)系數(shù)最高接近于1，并且該模型更適合于樣本的預(yù)測(cè)，以滿足快速檢測(cè)的實(shí)際需要。使用通過(guò)驗(yàn)證獲得的最優(yōu)模型進(jìn)行兩種脫水飲料樣品的近紅外光譜分析。

2.4 結(jié)果與分析

葡萄味飲料（芬達(dá)）的主要著色劑是胭脂紅、檸檬黃和日落黃，橙味飲料（美年達(dá)）的主要著色劑是檸檬黃和莧菜紅。使用建立的模型確定脫氣的兩種飲料，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)與食品中合成著色劑的測(cè)定進(jìn)行比較。在建立光譜圖時(shí)，由于受到儀器及其他噪聲的一定影響，因此需要對(duì)光譜進(jìn)行一定的預(yù)處理，將會(huì)降低測(cè)得結(jié)果的失誤率。將不同模型進(jìn)行一定評(píng)估后，選出最優(yōu)模型，根據(jù)結(jié)果分析，近紅外光譜法比國(guó)標(biāo)法測(cè)得的結(jié)果數(shù)值略高，但在誤差范圍內(nèi)，所檢測(cè)樣品食用色素添加量均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可以放心食用。

3 近紅外光譜在飲料中的應(yīng)用

現(xiàn)在市場(chǎng)上售賣許多有色飲料，受到廣大群眾的歡迎。飲料具有眾多受大眾喜愛(ài)的特點(diǎn)，如較好的味道等，故深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)，因此具有廣闊的消費(fèi)市場(chǎng)。糖含量、酸度和可溶性固形物是飲料質(zhì)量測(cè)試的主要指標(biāo)。飲料中食用合成色素的過(guò)度添加不僅會(huì)制約飲料行業(yè)健康發(fā)展，更威脅著大眾的健康安全。因此，實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損檢測(cè)已成為飲料行業(yè)的熱門(mén)話題，對(duì)飲料行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，近紅外光譜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于茶飲料、果汁飲料和乳制品中食用合成色素和其他添加劑的檢測(cè)，并取得了不錯(cuò)的成效[3]。

3.1 茶飲料

通過(guò)使用近紅外光譜技術(shù)，可以通過(guò)隨機(jī)選擇的茶飲料樣品建立茶飲料成分的快速定量分析和校正模型，而不需要任何化學(xué)物質(zhì)。它可以在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量茶飲料的可溶性固形物，包括茶多酚、總氨基酸、茶紅素、咖啡因和茶黃素等的含量。且實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值相比并無(wú)顯著差異，從而完成對(duì)茶飲料的質(zhì)量檢測(cè)，保證消費(fèi)者的健康及商家的合法利益。

3.2 果汁飲料

近紅外光譜技術(shù)還可以快速檢測(cè)果汁飲料是否摻假。建立摻有蔗糖溶液和玉米糖漿的蘋(píng)果汁近紅外光譜模型，鑒別出的蘋(píng)果汁的準(zhǔn)確率在90%以上，接近100%；SIMCA方法用于建立定性模型來(lái)檢測(cè)與蘋(píng)果汁混合的草莓汁和覆盆子汁。其中，覆盆子果汁多達(dá)100多個(gè)分子，用最小二乘法建立定量模型。

3.3 乳制品

近紅外光譜還可以快速檢測(cè)和分析液態(tài)奶中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。當(dāng)近紅外光照射到液態(tài)奶樣品中時(shí)，它含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖、維生素和與近紅外光子相互作用的礦物質(zhì)。通過(guò)相應(yīng)的吸收帶，在近紅外光譜中產(chǎn)生吸收，并且分析吸收信息以檢測(cè)液態(tài)奶中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。同時(shí)，還可以通過(guò)近紅外光譜檢測(cè)乳制品的摻假。

3.4 飲料包裝

飲料包裝主要有塑料瓶、玻璃瓶、易拉罐，其中塑料瓶因其造價(jià)低，在飲料產(chǎn)品的包裝中最為常見(jiàn)。但在塑料包裝中，如果在飲料產(chǎn)品的包裝中使用不合格塑料，或者在塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工中使用超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的有害成分的塑料材料，會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故，嚴(yán)重危害人體健康。近紅外光譜技術(shù)可以有效檢測(cè)飲料包裝中的有害物質(zhì)是否超標(biāo)。能高效檢測(cè)出塑料阻燃劑及塑料涂層出現(xiàn)的問(wèn)題，避免不法商家使用成本低的不合格塑料制品。

4 近紅外光譜技術(shù)存在的問(wèn)題

近年來(lái)，近紅外光譜技術(shù)在飲料檢測(cè)方面取得了顯著進(jìn)展，但其大部分研究仍在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)。只有極少數(shù)進(jìn)行了商業(yè)化的生產(chǎn)。同時(shí)，近紅外光譜技術(shù)雖然較其他的檢測(cè)方法已經(jīng)具有了不少的優(yōu)勢(shì)，但其本身其實(shí)也存在這一些弱點(diǎn)。飲料樣品屬于液體，液體中的水分掩蓋了其他成分在近紅外光譜中吸收的信號(hào)。如何在減少檢測(cè)誤差的同時(shí)獲得具有較強(qiáng)待測(cè)組分的近紅外信號(hào)是飲料中近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題之一。同時(shí)，近紅外光譜測(cè)試的靈敏度相對(duì)較低。對(duì)于那些含量及其微小的物質(zhì)不能進(jìn)行有效的檢驗(yàn)。另外，近紅外光譜的使用必須依賴于模型，并且由于可以選擇少量的數(shù)據(jù)，對(duì)于在測(cè)量項(xiàng)目中頻繁變化的分散樣本，它不符合建立模型的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，因此建立的模型不具有代表性。

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，近紅外光譜技術(shù)不斷發(fā)展，其缺點(diǎn)也逐漸減少。簡(jiǎn)化，便利和綠色的趨勢(shì)正在增加，食用合成色素的檢測(cè)也更加準(zhǔn)確。近紅外光譜技術(shù)不僅可以分析與含氫基團(tuán)的有機(jī)物質(zhì)，而且在無(wú)機(jī)物質(zhì)的檢測(cè)方面也有進(jìn)一步的發(fā)展。其作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

使用近紅外光譜法檢測(cè)飲料中的合成色素不需要溶解、稀釋或使用特殊化學(xué)試劑來(lái)溶解測(cè)試樣品。因此，在檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，也不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成污染。隨著近紅外光譜應(yīng)用的不斷深入，現(xiàn)在可以集中精力開(kāi)發(fā)一種可適應(yīng)工廠生產(chǎn)的在線近紅外光譜設(shè)備。這種簡(jiǎn)單、方便、快速、綠色和無(wú)污染的檢測(cè)技術(shù)適用于實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)商業(yè)化。近紅外光譜學(xué)的廣泛推廣對(duì)禁止一些不法商人起到了積極作用。