从农场到餐桌：食品安全中的顶尖光谱技术

大家是否有过这样的经历？在吃饭的时候被莫名其妙夹在米饭里的石子硌到牙？或是吃苹果的时候惊恐地发现一只奄奄一息的小虫？当然，集中精力“小心翼翼地吃”也许会避免这样的问题，可是总不能每一口送到嘴里的食物我们都检查一下，一顿饭下来虽然吃饱了，但是眼睛的疲劳程度堪比读了一篇长论文 

食品加工过程中的分类和检查历来是人类的工作。但在许多任务上，机器都比人类做得更好，因为机器不会感到疲倦、无聊、分心或生病，并且机器视觉系统（Machine vision system）可以看到人类无法看到的细微细节，例如食物的水分含量或者化学组成，这就避免了刚刚提到的“尴尬问题”。

视觉系统涉及多种光电子技术：激光和LED、透镜、高分辨率照相机、高光谱传感器和光谱仪，这些技术与智能软件相结合，根据颜色、大小、形状或化学成分有效地检测外来物质，并对食物进行分类。

在大多数情况下，可见光探测范围的照相机足以在食品沿着传送带或溜槽过检时迅速区分好坏，但对于更深层次的分拣，传感器需要特定的光谱探测范围来完成这项工作。例如，紫外（UV）光谱可以检测出玉米、辣椒、花生、大米和坚果等食物中的表面黄曲霉毒素，红外（IR）光谱有助于从食物中分拣难以识别的杂质。

近年来随着光谱分析技术的发展，许多光谱分析手段在食品检测领域显示出极具潜力的应用前景，如拉曼光谱，近红外光谱以及高光谱成像等，可以快速实现样品的无损伤、定性和定量检测分析。

拉曼光谱（RAMAN SPECTROSCOPY）能够通过对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面的信息，是一种鉴定成分和化学组成的有效方法。

拉曼光谱技术可以验证食品来源的真实性和是否含有污染物，并且可以调整光源的波长以实现不同的应用。例如532 nm的Nd：YAG倍频激光结合CCD探测器通常用于鉴定聚合物和合成物中的芳族聚合物添加剂或复杂有机分子；紫外激光器用于蛋白质等生物分子的共振拉曼光谱；785 nm激光结合表面增强拉曼光谱用于检测如甲醛等食品污染物；以及1064 nm激光器应用于染料和其他发光样品的傅里叶变换红外拉曼光谱。拉曼光谱技术还可以验证塑料包装是否有广告宣传的层数、厚度和化学成分。研究人员使用532 nm激发光源对冷冻牛肉的保鲜膜进行拉曼分析，以确保它具有特定的乙烯醇共聚物抗氧化屏障，并判断水果杯盖的密封性是否达标。

近红外光谱（NIR SPECTROSCOPY）区域与有机分子中含氢基团（O-H、N-H、C-H）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息。

近红外光谱在食品安全方面发挥着重要作用，它可以提供从田间的土壤条件到水果和蔬菜收获时的成熟程度整个过程中的信息，近红外光谱还可以检测水和其他饮料中的病原体、毒素和掺杂物。牛奶掺假在一些国家很常见，偶尔会有不法供应商试图用有毒的洗涤剂或食用油来提高蛋白质和脂肪的含量。Avantes公司（荷兰一家光谱仪器开发公司）在今年三月份推出了一款只有扑克牌大小的手持InGaAs光谱仪，可用于乳品行业中诸如蛋白质、水分含量、固体成分、脂肪以及有害掺杂物等大量参数的获取，从而保证牛奶的质量；或用于精确检测树上果实的水含量、可溶性糖含量、酸度、pH值和芳香族化合物。

高光谱成像（HYPERSPECTRAL IMAGING）是一种结合了光谱和成像的新型分析技术，它在同一空间区域收集数百张不同波长的图像，每幅图像都是在电磁波谱的狭窄波段获得的，收集到的数据形成了一个所谓的高光谱立方体，其中两个维度表示场景的空间范围，第三个维度表示光谱成分。人眼看到的光有三个波段(红、绿、蓝)，而高光谱成像同时还覆盖了电磁波谱的近紫外以及近红外波段，以精细的波长分辨率为场景的每个像素测量光的连续光谱。

高光谱成像可对化学结构和污染物提供纳米级鉴定，或在机器视觉系统中从内到外扫描产品以查看可见和不可见的缺陷。它可以检测到满是榛子的传送带上的一块石头，确定一块牛肉是否有合适的花纹，并实时看到一块鸡肉上的细菌污染。来自Visratek公司（土耳其一家专门从事将高光谱成像技术应用于食品安全和质量的研究开发公司）的总经理说：“在过去，我们的客户从田间的产品中提取一些样品，然后在实验室进行测试，这需要一两天的时间，然后决定整个批次的产品是否被接受。这就是为什么高光谱成像是至关重要的。使用高光谱成像技术可以让我们实时分析每个在传送带上的榛果，而不仅仅是一些样本。”

最近的研究指出了高光谱成像技术可能的应用范围在不断扩大。它可以准确评估牛肉，鱼，鸡肉和干香肠中微生物的总数；鱼，猪肉，鸡，鸭和虾中挥发性碱性氮含量（衡量新鲜度和分解度）；以及牛肉，羊肉和其他肉类中的脂肪含量，蛋白质和水分。它还可以快速确定可溶性固体含量（一种测量多种水果和蔬菜中碳水化合物的方法），并能区分各种食品中影响咀嚼性、粘性、内聚性等特性的质地特征。

光谱分析已经成为一种方便、快捷、高效的检测技术，许多先进的食品安全应用中都涉及光谱学方法。尽管距离大范围使用还有很长的路需要走，但是随着人们对食品安全问题的日益重视，光谱分析在日常生活中的普及一定很快就会实现。

参考链接：

1. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.10.059

2. https://doi.org/10.1088/2040-8986/aab3a6

3. https://www.spie.org/news/photonics-focus/sepoct-2020/from-farm-to-fork_top-photonics-technologies-in-food-safety-