表面增强拉曼光谱在食品添加剂检测方面的应用进展
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收稿日期:20200604 修回日期:20200814作者简介:宣芳,硕士,南京晓庄学院环境科学学院实验师,研究方向:功能材料.通信作者:胡耀娟,博士,南京晓庄学院环境科学学院副教授,研究方向:分析化学.E mail:hyj_sxnu@126.com
2020
年11月第6期
南京晓庄学院学报
JOURNALOFNANJINGXIAOZHUANGUNIVERSITY
Nov.2020No.6
表面增强拉曼光谱在食品添加剂检测方面的应用进展
宣 芳,许子旋,胡耀娟
(南京晓庄学院环境科学学院,江苏南京211171)
摘 要:
表面增强拉曼光谱技术是一种新型的无损分析技术,自发现以来备受关注,已逐步发展为一种具有广泛应用前景的分析检测技术,在快速分析食品安全方面有很大的应用潜力.该文概述
了表面增强拉曼光谱技术在食品添加剂,如防腐剂、增白剂、着色剂、甜味剂和抗氧化剂测定的应用进展,并对未来的发展前景进行了展望.
关键词:
表面增强拉曼光谱;食品添加剂;防腐剂;增白剂;着色剂中图分类号:
TS210 7 文献标识码:A 文章编号:10097902(2020)
06000607
0
引言
近年来,人们开始注重食品的安全问题,尤其是食品添加剂的使用问题.食品添加剂是一种由制造商添
加到食品中以防止变质或提高外观、口感、质地或营养价值的物质,按照其功效可分为防腐剂、发色剂、增白剂、着色剂、甜味剂及抗氧化剂等.我国对食品添加剂的用法和用量有明确的行业要求和法律限定,然而一些厂家为了追求利益,在食品制作中存在食品添加剂添加不当甚至是添加非食品添加剂的情况,严重损害消费者的安全权和健康权等.
寻求有效的食品添加剂检测手段是构建食品安全社会的重要技术保障.目前使用的检测方法包括气相
色谱法(GasChromatography,GC)、高效液相色谱法(HighPerformanceLiquidChromatography,HPLC)
及拉曼光谱法等,但是气相色谱法和液相色谱法存在检测手段操作复杂,检测速度慢,且专业性强等不足.作为一种
新型的光谱分析检测手段,表面增强拉曼光谱法(SurfaceEnhancedRamanSpectroscopy,SERS)
是指将待测分子吸附在粗糙的纳米金属材料表面,可使待测物的拉曼信号增强106
~1015
的光谱技术[1
].根据测定得到的光谱与标准数据库比对可以在定性识别分子结构信息的同时进行物质含量分析.表面增强拉曼光谱法和色谱法的优缺点对比详见表1.
表1 表面增强拉曼光谱法与色谱法优缺点对比方法指标表面增强拉曼光谱法色谱法
灵敏度高高样品量少少分析速度快,几秒至几分钟较慢,几分钟至几小时仪器便携且成本低,可现场检测体积大且昂贵
操作
简便,快速,无损分析复杂,
专业性强 SERS
具有操作简单、仪器便携以及快速检测样品等优点,已经较为广泛地应用于食品质量的检测,详
见表2.本文概述了SERS在一些食品添加剂,
如防腐剂、增白剂、着色剂、甜味剂和抗氧化剂测定的应用进展,并对SERS在食品检测应用的发展前景进行了展望,为科研人员研究课题提供有价值的依据.
—
6—
表2 表面增强拉曼光谱技术的应用应用领域具体应用范围
食品质量安全检测中的应用a.食品组分的分析:可快速判断分析食品的主要营养成分;①蛋白质:
蛋白质二三级结构定性与定量分析[2
];氨基酸和多肽的检测[3
];②油脂:
植物油脂肪酸组成;含油量和动物脂肪的结构[4
];③碳水化合物:碳水化合物的拉曼光谱明显,能提供准确的结构信息,如C=N、C=S、C-C、S-H等,目前在单糖、低聚糖、多糖的鉴别中应用较多[5];④其他微量成分:
维生素、色素、核酸、真菌毒素等[6
];b.抗生素及兽残[7
];c.农药残留:可对水果表皮的农药残留进行无损检测[8
];
d.保健食品中应用:
保健食品中减肥类、改善睡眠类、辅助降血压类等[9
].拉曼标准谱图库的建立
由于食品成分、分子结构、化学键等拉曼信息不同,利用拉曼特征峰的频率、峰位的变化、散射面积等信息,构建标准拉曼谱图库.
1 SERS
技术检测食品中的防腐剂
在现代食品保鲜中,防腐剂有两种作用:一是延缓食物的变质,二是确保食物尽可能保持其原有的质量.
防腐剂在食品中的添加用量有明确严格的限量规定,依规添加防腐剂可以有效地延长食品的保质期,但超量
使用则会影响食品品质,甚至危害食用者的身体健康.常见的防腐剂有二氧化硫、
苯甲酸钠、山梨酸钾、亚硝酸盐等[10
],本文针对SERS在这些防腐剂检测中的应用进行了综述
.
(a)山梨酸钾;(b)苯甲酸钠;(c
)山梨酸钾及苯甲酸钠混合鸡尾酒样品表面增强前;(d
)山梨酸钾及苯甲酸钠混合鸡尾酒样品表面增强后图1 混合山梨酸钾和苯甲酸钠的鸡尾酒样品的拉曼光谱[14
]
1.1 二氧化硫
二氧化硫在食品中可以作为防腐剂、抗氧化剂来使用,有保鲜、防腐的作用,目前在国内外都允许使用.我国对二氧化硫在食品中的使用作了限量的规定,例如《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》规定其在葡萄酒中的最大使用量(以二氧化硫残留量计)不超过0.25g/L[11
].Deng等[12
]采用顶空薄膜微萃取与表面
增强拉曼光谱分析技术相结合的方法检测葡萄酒中的二氧化硫残留量,在600cm-1
时的拉曼峰处,
SERS信号强度与二氧化硫浓度呈良好的线性关系,线性范围为1~200μg/mL,线性相关系数为0.992,检出限为
0 1μg/mL.该方法操作简单,
样品消耗量少,准确度高.王翊如等[13
]也利用该技术快速检测了枸杞子中二氧化硫的残留量,结果表明在654cm-1
可以检测到二氧化硫的拉曼光谱特征峰,线性范围为25~800mg/kg,
检测限为15mg/kg,
加标回收率在83.7%~107.3%.1.2 苯甲酸钠和山梨酸钾
在安全剂量范围内添加苯甲酸钠和山梨酸钾不会对人体产生不良的影响,但超量使用可能会威胁到肝脏的健康,更严重的可能会引起癌症.苯甲酸钠作为防腐剂在食品中普遍存在,如酱油、碳酸饮料等,国家对其在食品中的使用做了限量规定.我国明确规定苯甲酸钠和山梨酸钾在调制酒中的最大允许量均为0.4g/kg.房晓倩等[14
]以柠檬酸钠还原硝酸银配制的银溶胶为表面增强剂,实现了鸡尾酒中苯甲酸钠和山梨酸钾的同时检测.得到的谱图如图1所示,鸡尾酒中苯甲酸钠的拉曼特征峰在846.1cm-1
,1007cm-1
和1605cm-1
处,而山梨酸钾的拉曼特征峰在1164cm-1
,1389cm-1
和
1651cm-1
处.结果表明,
鸡尾酒中的这两种防腐剂的拉曼特征位移强度相互影响不大,具有很高的稳定性,说
明基于银溶胶表面增强拉曼技术完全可以实现鸡尾酒中这两种防腐剂的同时快速检测.1.3 亚硝酸盐亚硝酸盐在食品生产中可作为防腐剂,也可作为—
7—
发色剂,微量的亚硝酸盐在人体内易分解,限量使用是较为安全的,然而,它本身具有毒性,长期过量使用会致癌.我国规定亚硝酸盐在肉类食品中含量最大不能超过0.15g/kg,其残留量最多为30mg/kg.祝惠惠等[15
]采用SERS检测香肠等食品中的亚硝酸盐,检出限为30mg/kg,符合国家卫生标准的限量要求.该方法前处理步骤简单,仪器携带方便,耗时短且测定结果准确,是一种快速、灵敏、高选择性测定食品中亚硝酸盐的方法,可用于检测食品中非法或过量添加亚硝酸盐.Ma等[16
]采用SERS检测食品和水中的亚硝酸盐.
SERS以柠檬酸盐包覆的银纳米微粒为活性基底,
利用便携式微型拉曼光谱仪检测偶氮染料(亚硝酸盐与对硝基苯胺和萘胺发生重氮化反应生成的衍生化产物),结果表明该方法线性范围为0.1~10.0mg/L,线性相
关系数为0.9995,
检出限为0.01mg/L,回收率在86.9%~103.4%之间.由此可见,该方法在食品中亚硝酸盐检测方面具有准确性、可靠性和潜在应用价值.
2 SERS
技术检测食品中的增白剂
如今面粉中的增白剂主要是过氧化苯甲酰,它可以阻止面粉中微生物的活动,适当使用可以延长其保质期,促进熟化并提高白度,但若在面粉中过量添加,对人体健康和面粉本身的品质都有极大的影响.
在面粉加工过程中,我国规定过氧化苯甲酰的添加量不得高于60mg/kg.目前气相色谱法、液相色谱法常作为检测面粉中过氧化苯甲酰的安全性并规范其使用的常规方法,但是这些传统的检测方法操作复杂,费时费力,而拉曼光谱法不需要对检测样品进行前处理,即可实现对样品非接触、非破坏的快速检测[17
].赵娟等[18]采用拉曼光谱技术非接触检测面粉中的增白剂(过氧化苯甲酰),通过从谱图上分别读取面粉纯品和过氧化苯甲酰纯品的拉曼峰强度,从而定性识别面粉混合物中过氧化苯甲酰的拉曼特征峰.结果表明1001
cm-1
处的拉曼峰特征性极强,
所以该处被定为过氧化苯甲酰的拉曼特征峰.该方法可以去除面粉荧光背景的干扰,作为一种有效、快速、非接触地识别掺杂在面粉中过氧化苯甲酰的检测方法.
3 SERS
技术检测食品中的着色剂
食品着色剂可以给食品增添色彩,使食品看起来更诱人,刺激食欲.大多数着色剂是合成染料,但有些是
天然形成的化学物质,如叶绿素、β-胡萝卜素和焦糖等.只要严格按照我国规定的使用范围,
着色剂是安全有保障的,可以放心食用,但仍有少数不良食品企业和黑心商家为追求经济利益非法添加着色剂.
(A)4 甲基咪唑;(B)
2 甲基咪唑图2 含焦糖色素饮料的SERS谱图[19
]
3.1 4 甲基咪唑和2 甲基咪唑焦糖属于天然色素,常被用于给饮料着色.然而,它含有一些对人体毒害作用很大的重金属元素,当它们
在人体内蓄积到一定的程度,就会造成慢性中毒.焦糖中的4 甲基咪唑(4 MeI)和2 甲基咪唑(2 MeI)是一
对同分异构体,对于4 MeI是否对人体有害一直存在争议.后经科学家们的多年努力研究发现,严格按照国家规定在正常范围内使用是无害的,但若超量使用则会有致癌的风险.世界卫生组织规定在食物中可以添加焦糖,最大使用量不得超过200mg/kg.陈小曼等[19
]选取金纳米粒子为增强基底,使用拉曼仪(便携式)检测含焦糖饮料中的4 MeI和2 MeI,得到的谱图如图2所示.优化实验条件后,4 MeI的线性范围为0.05~5.00mg/L,检出限为1.70μg/L,而对于2 MeI,其浓度在1.0~20.0mg/L呈线性关系,检出限为0.21mg/L,回收率分别为
80.2%~82.7%和78.1%~93.5%.研究结果表明,
该方法为食品中4 甲基咪唑和2 甲基咪唑的检测提供了一种灵敏度高且结果准确的检测手段.
—
8—
3.2 赤藓红
赤藓红是一种人工合成色素,易着色且成本较低,一般在糕点和饮料中使用较多,可以改善食品的颜色和香味感官性,但过量食用会对人体造成一定的危害.《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》规定赤藓红用于果汁饮料时最大用量为0.05g/kg.李言等[20]采用以金纳米颗粒为增强基底的SERS技术检测赤藓红,并利用密度泛函理论确定了赤藓红的拉曼光谱,优化反应条件后,检测限为lμg/mL,低于我国规定的最大允许添加量,结果表明该技术可以快速准确地检测食品样品中赤藓红的含量.谢云飞等[21]利用多孔整体柱材料作为SERS基底,用于检测赤藓红,检测限可达到0.1μg/mL.该方法利用金纳米颗粒在整体柱介孔材料的有效负载形成的独特结构来增强SERS信号,在SERS检测中将会有广阔的应用前景.
3.3 罗丹明B
罗丹明B作为人工合成色素之一,在辣椒粉的制作中使用较多,后科学家们发现其具有致癌性,已于
2008年被我国列入食品添加剂的禁用名单,目前在许多国家也都被禁止添加入食品[22].但仍有一些不良商家在使用,对消费者饮食安全和身体健康造成威胁.陈蓓蓓等[23]采用SERS技术对辣椒粉中的罗丹明B进
行了定量分析,结果表明,辣椒粉中罗丹明B的浓度在1~10mg/kg呈良好的线性关系,相关系数为
0 9918,检测限为0.2mg/kg.许丽梅等[24]选用金纳米溶胶作SERS活性基底,结合自制样品前处理仪,采用便携式拉曼光谱检测仪实现了对食品中(辣椒制品、腊肉、果汁、葡萄酒)罗丹明B的快速检测.该方法可不
受样品其他成分干扰,结果准确可靠,且前处理方法简单,大大缩短了分析时间,提高了检测效率,可用于食品中罗丹明B的快速筛查和检测.
4 SERS技术检测食品中的甜味剂
由于非糖类甜味剂可以部分替代糖,减少糖的摄入,其已在食品行业被普遍使用,但人们对于食用人工甜味剂是否安全存在一些质疑.甜味剂的滥用也成了社会各界高度重视的问题.常用的甜味剂有甜蜜素、阿斯巴甜、糖精钠.这三种甜味剂均含有N、S等杂原子,特别是糖精钠和阿斯巴甜还含有芳环或杂环结构,因此会出现较好的拉曼信号,可直接进行SERS检测[25].
4.1 甜蜜素
甜蜜素由于会威胁人体健康已被许多国家禁止使用.然而大量的实验研究结果表明,其对人体没有致癌作用,因此,我国允许在食品中添加甜蜜素,并制定了甜蜜素的使用范围及其用量标准[26].Chen[27]等在不同的参数下制备了三种不同结构的纳米金作为SERS基底,用于食品中甜蜜素的检测.结果表明,该方法的检出限为1.6×10-9mol/L,且该技术易于实现,成本低廉,制备的SERS基底具有较大的面积、良好的均匀性和长期稳定性.更重要的是,该制备方法得到的SERS基底不存在还原剂和表面活性剂等化学物质,因此可以产生清洁表面,适合于对基底表面具有弱亲和力的分析物,在检测化学分子方面具有潜在的应用前景.
4.2 阿斯巴甜
阿斯巴甜的主要成分是氨基酸和乙醇,属于低热量甜味剂,常用于调制酒、软饮料(苏打水、雪碧、可乐、芬达)等.欧盟食品科学委员会限定阿斯巴甜每日容许摄入量为40mg/kg(体重),阿斯巴甜在软饮料中最大添加量为600mg/L[28].罗丹等[29]以纳米银为活性基底,并采取超声技术进行预处理,结合化学计量法使用
SERS技术对纯品及软饮料中的阿斯巴甜进行了定量检测,得到的谱图如图3所示.结果表明,阿斯巴甜纯品的水标准溶液的线性范围为0.5~100mg/L,相关系数为0.9933,检出限为0.41mg/L;在一些软饮料中,其
标准溶液的相关系数为0.9747~0.9848,加标平均回收率在88.4%~121%之间.该技术用于检测软饮料中的阿斯巴甜,是一种效率高、对环境污染小且对样品无损的分析方法.Buyukgoz等[30]同样采用银纳米粒子作为SERS基底,建立了另一种快速、简便地检测软饮料中阿斯巴甜含量的方法.该方法借助湿化学法合成银纳米粒子,根据1002cm-1处的拉曼谱带强度与阿斯巴甜浓度的关系绘制了校准曲线.该方法在测定水、矿泉水和果味矿泉水中阿斯巴甜含量时的相关系数R2分别为0.969、0.977和0.977,线性范围为0~0.6mg/mL,阿斯巴甜在加标矿泉水中的检出限和含量分别为0.17mg/mL和0.56mg/mL,回收率为81%~95%,RSD为7.3%.该技术具有不需要前处理、分析时间短、样品需求量小等优点,是一种更为实用的检测分析方法.
—9—
图3 阿斯巴甜的拉曼光谱(A)及软饮料中阿斯巴甜的SERS光谱图(B)[29
]
4.3
糖精钠
作为合成甜味剂之一的糖精钠,常被添加于碳酸饮料、雪糕等中,然而长期食用糖精钠会威胁人体健康.我国政府规定,糖精钠允许在冷冻饮品等食品中使用,但对其用量有一定的限制,且禁止添加在糕点等食品中.覃文霞等[31
]借助溶剂萃取法提取糕点及白酒中的糖精钠,采用SERS技术对其进行快速检测,增强基底为浓缩后的金溶胶,优化实验条件后,糕点中的糖精钠的浓度为0.5mg/kg,而白酒中为0.5mg/L,该方法的回收率在75%~120%,RSD(n=5)
为3.3%~8.6%.此方法检测速度快,特异性强,可作为一种食品中糖精钠的快速检测手段.Han等[32
]采用银纳米棒为SERS基底,利用表面增强拉曼光谱法测定软饮料中糖精钠的含量,线性范围在0.5~100mg/L,检测限为0.3mg/L.结果表明,经SERS检测,雪碧、可乐、芬达和怡泉中糖精钠的含量分别为20、5、20和10mg/L,远远低于国家标准,这种基于SERS的检测方法能够快速、高灵敏度地检测糖精钠,且样品用量少,预处理简单.
(a)标准BHA的拉曼光谱图;(b)10μg/mL;(c)100μg/mL
;
(d)
500μg/mL;(e)750μg/mL;(f)1000μg/mL
图4 BHA的拉曼光谱图及其不同浓度下的SERS谱图[34
]
5 SERS
技术检测食品中的抗氧化剂
抗氧化剂是一种有助于防止脂肪和油脂变质或水果变质的化学物质,合理使用可以使食品的贮存期延长,但超范围食用会致癌和引起呼吸酶抑制作用[33
].然而,由于它价格低廉,常被一些不法食品生产商过量添加在
食品中.目前使用较多的食品抗氧化剂为丁羟基茴香醚(BHA)、二丁基羟基甲苯(BHT)和抗坏血酸等.
5.1 丁羟基茴香醚
丁羟基茴香醚是一种在食品制作中普遍使用的抗氧化剂,在供应链中可以迁移到食品中.BHA具有致癌作用,所以近年来备受关注.我国《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》规定BHA可在油炸类等食品中添加,最大使用量不得超过0.2g/kg.Yao等[34
]探讨了以50nm金纳米粒子为SERS活性基底,利用表面增强拉曼散射技术快速检测痕量BHA的可行性,得到的SERS谱图如图4所示,结果表明,
480cm-1
处为BHA的拉曼特征峰,
该方法的检测限为10μg/mL,线性相关系数R2
=0.9803.该SERS技术是一种简单快速、高灵敏度和高选择性的检测方法,在食品和食品包装材料中BHA的快速检测领域具有潜在的应用前景.
5.2 二丁基羟基甲苯
二丁基羟基甲苯具有化学稳定性好、成本低等优点,是一种常用的抗氧化剂,用于防止油脂类食品和食品包装材料中的脂质过氧化.然而,过量使用这种合成抗氧化剂已被证明会抑制人的呼吸酶,而BHT的安全性也因其潜在的风险而受到质疑.我国—
01—
规定BHT的最大使用量为0.2g/kg.Sun等[35]以金纳米粒子为活性基底,利用表面增强拉曼光谱技术检测BHT.结果表明,其拉曼特征峰在766cm-1处,检出限为10μg/mL,相关系数为0.9761;孙莹莹等[36]采用表面增强拉曼光谱检测抗氧化剂BHA和BHT,480cm-1和766cm-1处分别为BHA和BHT的拉曼特征峰,相关系数R2分别为0.9993和0.9997,该方法检出限均为10μg/mL.
6 结论
表面增强拉曼光谱技术由于具备分子指纹信息以及无损等特性,已广泛应用于食品安全分析检测领域.然而,在实际应用中,仍存在一些亟待解决的问题,如目前常用的SERS活性基底材料多为贵金属,成本较高;拉曼光谱信号较弱,易受荧光干扰;该方法的重现性较差等.因此,表面增强拉曼光谱技术在以下方面还有很大的上升空间:如进一步研究和优化表面增强拉曼光谱技术的活性基底,实现标准化和商业化;进一步探讨如何去除或减少该领域的荧光效应;进一步提升表面增强拉曼光谱技术的稳定性和重现性等.不仅如此,还可以进一步探索表面增强拉曼光谱技术与其他技术的结合,这样可以拓宽该技术的应用领域.随着研究的深入,表面增强拉曼光谱技术显示出巨大的潜力,有望成为食品添加剂检测的可靠分析技术.
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(责任编辑:宁 境)
TheApplicationProgressofSurfaceEnhancedRamanSpectroscopy
intheDetectionofFoodAdditives
XUANFang,XUZi xuan,HUYao juan
(SchoolofEnvironmentalScience,NanjingXiaozhuangUniversity,Nanjing211171,China)
Abstract:SurfaceenhancedRamanspectroscopyisanewnon destructiveanalysistechnology,whichhasattractedmuchattentionsinceitwasfound.Becauseofitsadvantagesofshortreactiontime,highsensitivity,simpleopera tion,smallnumberofsamplesrequiredandlowdetectionlimit,ithasgraduallybecomeawidelyusedanalyticaltechnology,andhasgreatpotentialinrapidanalysisoffoodsafety.Inthispaper,thedetectionitemsofpreserva tives,brighteners,colorants,sweetenersandantioxidantsinfoodbysurfaceenhancedRamanspectroscopyaresummarized,theapplicationprogressisbrieflydescribed,andthefuturedevelopmentprospectisprospected.Keywords:surfaceenhancedRamanspectroscopy;foodadditives;preservatives;brighteners;colorants
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