近红外在农业和食品工业中的应用

一般农业研究中,分析一个样品的一种参数(如蛋白质、赖氨酸含量等),从制样到完成分析需耗费数小时到数天的时间。

  • 而采用“近红外分析技术”可在数分钟内完成多项参数的测定,分析速度可提高上百倍,分析成本可降低数十倍,而且整个分析过程不会对环境造成任何污染。
  • 近红外谱区的信息主要是分子内部原子间振动的倍频与合频的信息,几乎包括有机物中所有含氢基团的信息,信息量极为丰富。
  • 在农业领域,近红外分析可用于与蛋白质、氨基酸、脂肪、淀粉、水分以及其它营养成分有关的分析,适合于对各种农产品进行品质分析。
  • 近红外光对物质的穿透能力较强,所以近红外分析不需对样品作任何预处理 ¾ 近红外光子的能量比可见光还低,不会对人体造成伤害,属于绿色分析技术。近红外在农业方面的应用 。
  • 近红外光谱分析的最早应用领域
  • 应用范围含盖了多种农业产品:

–农作物:种子,水果,烟叶,茶叶等
–加工产品:咖啡、面粉、饲料等
–其它:乳制品、肉类等
 
一、农产品分析
农业为人类的生存提供了所需要的食品和纤维纺织品,其营养组分和质量的测定是设计合理的植物培育和动物饲养程序不可缺少的因素。近红外光谱技术最初的发展就是在农产品分析的应用中,在 90年代以前,大部分近红外光谱的应用文献都是在农产品分析中的应用。早在 50 年代,Birth Norris 等人将磨碎后的谷物及油菜子用氯仿或四氯化碳溶解成匀浆状,然后采用近红外透射光谱分析其中营养组分的含量。后来他们结合漫反射技术直接采用近红外光谱非破坏性分析谷类、油菜子、蔬菜及水果等农产品。也正是因为近红外光谱在农产品分析中的应用带来了经济效益,才促进了该技术的进一步发展和在其它领域中的作用。
 
大多数农产品的组成都很复杂且较难处理,采用传统的分析方法很难得到全面的表征数据。近红外光谱结合漫反射技术很适于农产品的快速分析。由于该技术对样品颗粒大小的依赖性较小,使得近红外光谱可以对各种食品及农产品,包括完整的水果和蔬菜、肉类和鱼类、奶制品及各种液体饮料等,直接进行测定而无需特殊的样品处理过程。此外,传统的实验室方法分析速度太慢,需要辅助设备及操作技能,而这些又是原始的生产者所不具备的。近红外光谱仪由于具有操作空间小、自动化程度高及受环境变化影响不大等特点,可以直接安装在粮仓的谷物传送带上,对各种谷物进行现场分析,其分析结果直接用于谷物的分类。这种快速、多组分的分析方法大大降低了装载货车和卸载货车的滞留时间,提高了粮食市场的交易速度,从而极大地提高了经济效益。
近红外光谱在农业和食品工业中的应用包括原料的分析和鉴定、产品的质量控制和标记及新产品的研制和开发;分析对象从粮食到饲料、从水果到蔬菜、从肉类到奶制品及各种液体饮料等;测定的性质参数包括各种农产品和食品的湿度及淀粉、蛋白质、油脂、糖分、纤维及灰分的含量。

上图是小麦中主要营养组分的近红外光谱图,其中淀粉即碳水化合物在 2100nm 处有 1 个强的 O—H合频吸收峰,其一级倍频在 1460nm 处;蛋白质中 N-H 合频吸收在 1980、2060 和 2180nm 处,一级倍频在1510nm 处;油类和脂肪有很尖的 G—H 合频和倍频吸收,这些特征吸收带在食品中各营养组分的定量测定中非常有用。水在 1940nm 处的合频吸收和 1450nm 处的倍频吸收常用于湿度测定。
 
二、粮食和饲料
近红外漫反射光谱在粮食分析鉴定中的应用一直是近红外光谱仪发展中所关注的问题。最初的应用主要是测定小麦中的水分含量,后来又延伸到了淀粉、蛋白质、油脂、糖分及食用纤维含量的测定。传统的水分测定方法是干燥失重法,将样品在加热炉中加热烘干,测定其质量的损失,即得样品中水分的含量。但样品中所含的挥发性组分也会在加热过程中损失,从而带来一定的测量误差。而近红外光谱则可以利用水在 1940nm 处较强的合频吸收带,直接测定各种粮食中水分的含量,样品所需要的唯一制备过程就是简单的磨碎,且磨碎前后都不需要称量,整个测定过程中需 9—30s。同时,由其它吸收带还可以得到淀粉、蛋白质及油脂等的含量参数。粮食中淀粉和蛋白质的含量直接影响其质量和价格,采用近红外光谱法可以快速测定各种粮食中淀粉和蛋白质的含量,从而将粮食进行分类。
近红外光谱由于设计合理、操作空间小、自动化程度高,使其可以直接安装在面粉加工流水线上,分析定时采集的样品,从而控制产品的质量。除了蛋白质含量和湿度测定外,加工过程控制的一个关键的要求是测定糠和内壳(Endosperm)的分离程度,该分离程度可用灰分来表示,灰分试验是测量面粉在高温焚化后残余氧化物的含量。糠的灰分含量比内壳高 10—30 倍,近红外光谱可以根据产品中纤维素(Cellulose)和油脂的含量估计糠的含量,从而由校正模型预测其灰分含量。同时,它还可以测定面粉加工过程中淀粉的损坏程度。此外,近红外光谱在小麦硬度和质地方面的测定也倍受人们的欢迎。
 
三、饲料分析
随着人们对高营养价值的肉类、奶类和蛋类食品的需求量逐渐增加,动物饲养商对其所用饲料营养价值也越来越关注,因而饲料中营养组分的评价也就成为动物饲养过程中一个必不可少的环节。近红外光谱由于其快速、非破坏性的特点,使其在这方面的应用有很大的优势。初,人们将晒干粉碎的各种天然饲料经近红外光谱扫描后建立了包括蛋白质、纤维、木质数、活体和离体消化度、灰分及消化撮入量的校正模型,从而用于定量表征各种饲料。目前近红外光谱可以直接分析未经晒干和粉碎的新鲜饲料,这种技术已被用于农作物中动态检测树叶、湿草中营养组分的含量。
制备动物饲料使用 20 多种原料,一般包括谷物、含油籽及其副产物和各种矿物质,其合适的组成将直接影响其市场价格和原料的可获得性。采用近红外光谱分析无需将样品磨碎,可快速得到原料及产品的湿度和各种营养组分的含量,从而得出正确的组成配方用于其加工控制。
 
四、肉类和奶制品
肉类和鱼类在许多国家的进出口贸易中占有非常重要的地位,其化学组成直接影响其市场价格和贸易情况。一般情况下,肉类的组成随部位的不同而变化,又由于其中水分含量很高,因此,很难制得均匀的样品。传统的湿化学方法费时、费力且污染严重,用于肉类和鱼类分析不甚理想。由于近红外光在固体中的穿透程度相对较深,故可采用透射式近红外光谱对肉类和鱼类进行非破坏性测定,得到其中脂肪、蛋白质的含量及湿度数据,然后根据其营养组分的含量进行分类,在特定的生产过程中选择合适的原料,优化加工过程,同时对产品质量进行监控,提高经济效益。另外,近红外光谱还可以监测肉类和鱼类随季节变化而引起的组成变化。 随着人类生活水平的提高,奶制品在人类生活中的地位越来越重要。正确、快速的组成测定不仅可以为奶制品的加工过程提供适时指导,还可以为动物的优良培育提供参考。近红外光谱在奶制品工业中早期的应用是分析干燥后的奶制品,测定奶粉中脂肪、蛋白质、乳糖的含量和湿度,后来又推广到半干奶酪的分析。奶酪和奶粉加工者采用近红外光谱监控加工过程中液体奶制品在进入蒸发系统时脂肪和水分的损失,从而进行现场调控,优化干燥过程,提高效率,以得到合适湿度和组成的奶酷及奶粉。
近红外光谱在液体牛奶研究的应用崛起于 80 年代,采用近红外光谱及多元校正方法建立了不同地方、不同培育类型奶牛牛奶中脂肪总量、固体、蛋白质和乳糖含量的校正模型,实时测定不同来源的牛奶中各营养组分的含量,为奶牛优良品种的培育提供了指导性参数。
 
五、水果和蔬菜
传统的水果和蔬菜的质量评价都是基于一些外部参数,如颜色、形状、伤痕及大小来判断的,近年来一些内部参数,如甜度、酸度、湿度及脆度在其质量评价中变得越来越重要。水果和蔬菜的化学组成随种类、生长区域、气候及种植和收割条件的变化而不同,实时监测其中营养组分的含量,可以调节其生长条件,确定合适的收割时间,以得到营养价值高且视觉效果好的产品。传统的分析方法都需要将水果去皮,取出其中的果汁分析。近红外光谱借助于光导纤维,不仅可以非破坏性监测成熟水果和蔬菜中和种营养组分及上述内部参数,而且还可以在植物生长过程中在线监测其化学组成,从而确定植物在生长循环过程中是否从土壤中得到了合适的营养成份,同时它还可以监测土壤的条件,确定哪种土壤适合哪种植物的栽种。
近红外光谱在农业和食品工业中的应用除上述外,还可用于各种酒精饮料中醇含量、果汁中糖和酸含量、各种食用油和固体油脂中脂肪、水分及其它营养成分含量的测定,并用于这类食品的分类。同时,它还可用于各种快餐食品中食用纤维和淀粉含量的测定、豆类食品中蛋白质和碳水化合物含量的测定及烟草中生物碱和湿度的测定等。总之,近红外光谱在农业和食品工业中的应用遍及到了每一个角落,它为农业生产和食品加工提供了一种简单、快速、准确的质量控制手段,大大地提高了经济效益。

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