拉曼光谱技术在食品分析中的应用_孙璐

蛋白质的凝胶作用与二硫键的变化密切相 关。 二硫键能够将相隔较远的 2 个肽段连在一起， 使蛋白质空间结构更为紧密， 对于蛋白质三级结
构的稳定起着重要作用。 刘海梅等[13]采用激光拉 曼观察二硫键的拉曼光谱， 发现生鱼糜中二硫键 的特征频率谱带很弱，凝胶化后变强，表明此时鱼 糜蛋白中的活性巯基氧化形成二硫键， 使结构更 紧凑。 该研究为鲢鱼糜凝胶形成机理奠定理论基 础。 韩敏义[14]以猪肉肌原纤维蛋白为原料，用拉曼 光谱研究加热温度、 离子强度等因素对肌原纤维 蛋白凝胶功能特性及蛋白质生化特性的影响，分 析了蛋白质结构与功能之间的相关关系， 为优化 加工工艺条件， 改善凝胶肉制品品质提供了理论 依据。 A.M. Herrero 等[15]用拉曼光谱研究添加血浆 粉和 NaCl 后肉类乳胶模型系统发生的结构变化。 血浆粉作为冷置结合剂， 能够改变肉类蛋白质的 流变学性质。 3.2 脂质
与传统方法相比，拉曼技术具有诸多优点：提 供直接无损伤的定量、定性分析，无需对样品进行 处理，样品用量较少，可避免产生误差；由于水的 拉曼散射很微弱，更适用于水溶液测定；操作时间
收稿日期： 2012-08-30 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （31000798）；江 苏 省 普
董瑞新等[9]测 量 了 胶 原 蛋 白 在 不 同 温 度 下 的 拉曼光谱， 发现温度升高， 多数谱线向低波数移 动，90℃时胶原蛋白二级结构 被 破 坏 ，150 ℃时 大 部分谱线消失，一级结构被破坏。 可见，拉曼谱线 的变化可以提供胶原蛋白结构改变的微观信息。 刘 燕 燕 等[10]采 用 自 行 研 制 的 高 强 脉 冲 电 场 设 备 ， 通过拉曼光谱分析脉冲电场对大豆分离蛋白微观 结构的影响， 为脉冲电场在食品工业中的推广应 用提供可靠的理论基础。 王斌等[11]采用 FT-Raman 光谱仪对不同 pH 值处理的溶菌酶、 牛血清白蛋 白及胰蛋白酶水溶液多次扫描， 以子峰面积表征 对应二级结构含量， 发现蛋白质在一定的 pH 范 围是稳定的， 超过该范围就发生变性， 并且不同 的蛋白对酸碱的敏感性也不同， 因此拉曼光谱技 术为从蛋白质结构方面了解食品工业中相关蛋白 质乳化机理提供了有力工具。 Badii 等[12]发现添加 抗冻剂后， 用来表征酪氨酸残基的暴露程度的强 度比 I850/I830 为 0.87，添加抗氧化剂 VC 后 I850/I830 为 0.88，均高于储存在-10 ℃和-30 ℃的样品。 这个增 长表明酪氨酸残基暴露于蛋白质表面， 与水分子 相互作用作为氢键供体或受体， 有利于控制加工 贮藏过程中添加剂的使用。 3.1.3 蛋白质结构特性与功能特性的关系研究 人们在研究蛋白质分子的成分和结构之后， 进一 步寻找结构与功能之间的关系。 蛋白质的功能性 质是指在食品体系中的蛋白质在加工、贮藏、生产 和消费期间所体现的物理和化学性质，如凝胶性、 乳化作用等。 在物理化学方法处理后蛋白质结构 发生何种变化及其与功能特性发生变化存在何种 关系，是蛋白变性研究的难点，国内外只有少数的 研究报告。
2 拉曼光谱分析技术
2.1 傅里叶变换拉曼光谱分析技术 FT-Raman 使用傅里叶变换干涉仪变换采集
到的信号。 拉曼散射光经干涉仪进入探测器，获得 干涉图，通过傅里叶变换得到拉曼光谱。 用波长 1 064 nm 的激光照射样品，可以消除荧光背景，精 度高，适用于色深样品。Samiramis Sarkardei 等[1]利 用 FT-Raman 对冻干的鲭 鱼 和 在 22 ℃下 贮 存 12 周的鲭鱼进行结构分析， 发现蛋白结构的变化是 因肌原纤维在盐溶液中溶解度的降低所致。 2.2 显微拉曼光谱分析技术
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中国食品学报
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2.3 共振增强拉曼光谱分析技术 共振拉曼光谱是激发光的频率等于或接近待
测物电子吸收带频率时， 待测物的某些拉曼谱带 强度增至正常的 104～106 倍 ，具 有 灵 敏 度 高 ，所 需 样品浓度低，适宜定量分析等优点。 Filip Tintchev 等[3]用共振拉曼光谱研 究 了 烟 熏 鲑 鱼 在 加 压 工 程 中的氧化－还原反应过程，结果表明加压处理促进 虾青素和肌红蛋白的氧化降解。 2.4 表面增强拉曼光谱分析技术
表面增强拉曼是用通常的拉曼光谱法测定吸 附在胶质金属颗粒，如银、金、铜表面的样品或吸 附在这些金属片的粗糙表面上的样品。 被吸附样 品的拉曼光谱强度可提高 103～106 倍。 如果将表面 增强拉曼与共振拉曼结合， 光谱强度的净增加值 几乎是两种方法增强值的积，而检测限可低至 10-9～ 10-12 mol/L。 Carolina V. Di Anibal 等 [4]用 普 通 拉 曼、傅里叶拉曼、表面增强拉曼分别检测烹饪调味 品中的苏丹 I 染料，结果表明当分析复杂体系时， 表面增强拉曼是较适合提供拉曼信号的方式。
关键词 拉曼光谱； 食品； 应用； 发展前景 文章编号 1009-7848（2012）12-0113-06
1 拉曼原理
拉曼光谱是 1928 年在印度物理 学 家 拉 曼 发 现了光的拉曼散射效应的基础上发展起来的一种 分子振动光谱。 当单色光照射到物质上，入射光光 子与分子相互作用， 可发生弹性散射和非弹性散 射。 发生弹性散射的光子仅改变方向，没有能量交 换，不改变频率，这种散射称为瑞利散射；而非弹 性散射有能量交换，波长位移有变化，大部分频率 不发生改变，只有小部分发生偏移，这种散射称为 拉曼散射。 当能量减少，波数位移变小，产生斯托 克斯线；当能量增加，波数位移变大，产生反斯托 克斯线，它们对称地分布在瑞利散射线的两侧，分 别相应于得到或失去 1 个振动量子的能量。 一般 讨论的拉曼散射就是指斯托克斯散射。 拉曼散射 谱线与入射光波长无关， 只和样品的振动转动能 级有关，因此研究拉曼光谱，可以得到相关分子振 动或转动的信息。
摘要 近年来拉曼光谱技术作为无损快速检测技术在食品行业中得到广泛应用。 本文介绍拉曼光谱的原理及 其优缺点，同时列举几种拉曼光谱分析技术，重点综述其在食品 主 要 成 分— ——蛋 白 质 、脂 类 、碳 水 化 合 物 、水 和 微量成分等分析中的应用研究进展，并根据拉曼技术目前发展情况展望其应用前景。
在油脂产业， 传统化学方法和气相色谱法通 常用来量化脂肪酸的顺反异构体和不饱和度。 一 些现代检测分析手段， 如粉末衍射、X-射线和差 示扫描量热法可以提供甘油三酯和甘油二酯的信 息。 随着傅里叶变换技术的出现，拉曼技术可以检 测到植物油的脂肪酸组成， 含油量和动物脂肪的 结构，有可能作为质量控制的快速筛选的方法。 早 在 1972 年，激光拉曼就用于测定食用植物油里的 顺式和反式异构体， 它们的波数位移分别在 1 656 cm-1 和 1 670 cm-1[16]。 同样，C=C 伸缩键对 C-H 键 引起的散射强度比， 证明与甘油三酯和游离植物 油的碘值呈正相关[17]。 李占龙等[17]用拉曼光谱分析 玉米种子不同部位的成分， 发现不同部位脂类的 特征吸收峰的相对强弱是不同的， 其中胚乳中吸 收峰强度最强，表明胚乳中脂类占主导。 通过拉曼 光谱能够监测脂质单分子的结构变化， 亚油酸在 自氧化过程中，拉曼光谱的谱型和峰强都有变化， 就可以反映到分子内部的结构变化[18]。 D.K. Pedersena 等[19]用 拉 曼 光 谱 检 测 猪 肉 样 本 ， 结 果 顺 式 C=C 键在谱图 1 660 cm-1 处有特征谱峰。 3.3 碳水化合物
3 拉曼光谱分析技术在食品成分快速检 测中的应用
食品的主要成分为蛋白质、 脂质、 碳水化合 物、水和微量元素等。 常规分析蛋白质的方法如高 效液相色谱法、X 射线衍射法、质谱法和分光光度 法等，都存在操作繁琐，处理样品复杂，样品被破 坏的缺点。 拉曼光谱分析技术能克服这些缺点。 以 拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术， 其信号来源于分子的振动和转动， 提供不同食品 成分的信息， 是测定固体和液体样品结构信息的 有效方法之一。 在对食品主要成分的结构与功能 特性的变化测定上， 拉曼光谱技术比传统化学方 法具有更强的优势。 通过拉曼谱图不仅可以定性 分析被测物质所含成分的化学结构和化学键的变 化，还可以定量检测食品某些成分的含量。 3.1 蛋白质
共聚焦显微拉曼是指装有显微镜系统的拉曼 光谱仪，它采用低功率激光器，高转换效率的全息 CCD 技术，使光源、样品、探测器 3 点共轭聚焦，消 除杂散光，信号可增强 104～106 倍，具有灵敏度高， 所需样品浓度低，信息量大的优点。 钱晓凡等[2]在 室温环境下用激光显微拉曼光谱测试 5 种新鲜 水果，结果测得的拉曼谱线均为 β-胡萝卜素的谱 线，不同水果的谱线位置略有偏移，可作为判别不 同水果的依据。
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中国食品学报
Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology
Vol． 12 No． 12 Dec． 2 0 1 2
拉曼光谱技术在食品分析中的应用
孙 璐 陈 斌 高瑞昌 * 袁 丽 李雯雯 （江苏大学食品与生物工程学院 江苏 镇江 212013 ）
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拉曼光谱技术在食品分析中的应用
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质主链构象和侧链构象及其存在形式随其微环境 而变的情况。
通过拉曼技术能够从分子水平较深入地研究 蛋白构象或构型的变化以及它们相互作用的过 程， 有助于人们探讨生产加工的工艺参数对生物 大分子结构及其功能的影响， 进一步为研究食品 蛋白质的营养功能机理提供可靠的依据。
蛋白质作为大部分食品中的主要原料成分， 是衡量食品品质、营养价值的重要指标之一。 蛋白 质为人体提供所必需的能量和氨基酸。 不同食品 中的蛋白质功能取决于多样化的蛋白质结构，而 有关结构与功能的研究很早就受到关注。 根据结
构与功能的关系， 人们研究改善蛋白质特性的改 性方法， 以达到合理利用蛋白质功能特性优化加 工条件的目的。 目前拉曼光谱技术已被应用于研 究食品蛋白质， 它可以鉴定底物或化学键变化以 及肉类加工中的蛋白结构。