肉类中品质评价检测方案(激光拉曼光谱)

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基于拉曼光谱的肉类品质评价 一、研究背景 拉曼效应是一种光子的非弹性散射现象，即光子和分子振动之间发生能量交换后被散射出来，频率发生变化的现象。拉曼光谱分析过程中操作快捷简便，特异性高，同时无须对样品进行复杂的前处理，尤其是在食品质量领域。脂质氧化有助于形成碳氢化合物、醛类和酮类等物质，而这些氧化产物对异味、酸败、颜色劣变和蛋白质氧化有贡献作用，最终导致肉品品质的劣变。 蛋白质是天然存在的复杂大分子，由氨基酸残基组成，具有重要的营养价值并直接参与生命活动中必不可少的化学过程。肉品的蛋白质氧化会导致肉的保水性降低、营养价值(必需氨基酸丧失)下降、生物利用度下降、以及色泽和风味的劣变。拉曼光谱是监测蛋白质构象变化的有效工具，可提供有关肽骨架结构、某些侧链氨基酸(如酪氨酸、色氨酸和疏水基团)的微环境、二硫键和蛋氨酸残基的局部构象等信息。 二、材料与设备 猪肉、牛肉、羊肉、河虾购自十八铺，使用 Portman1064 进行拉曼分析。 图1实验样品图 图2拉曼光谱采集 三、拉曼光谱分析 图3样品拉曼光谱 由图3可知，肉的种类不同，拉曼光谱的特征峰峰位及个数也有差异。目前消费者对肉品质的评价主要取决于观察肉的颜色和大理石花纹及感官评价，但却难以评价肉的嫩度、咀嚼性和多汁性。Beattie 研究发现，1460~1483 cm (-CH2 和-CH3弯曲振动)区域谱带能够反映肉品质的多汁性，表明脂肪族氨基酸残基间的疏水相互作用是影响肉品质评价中的多汁 性指标的重要因素。根据拉曼光谱的指纹性特征，也可实现快速鉴别肉的种类的目的。市场上肉制品掺假事件时有发生，需要科学的方法鉴别。 Boyaci 利用拉曼光谱技术结合 PCA 分析方法，能够快速辨别132种脱脂肉样及其香肠制品的肉类品种，并且检测时间短，检测准确度高。拉曼光谱技术凭借其快速、无损、精确度高等特点在肉品质评价领域快速发展。 拉曼光谱可以监测蛋白/脂质氧化过程中分子振动信息的变化。样品的完整拉曼谱图如图3所示。光谱主要是由蛋白质和脂肪的拉曼峰组成。通常，当蛋白质的二级结构改变时，酰胺Ⅰ区包括α-螺旋(1655 cm-l 附近)、β-折叠(1670 cm-l 附近)、β-转角(1685cm-l附近)和无规则卷曲(1665cm-l 附近)非常敏感。此外，940 cm-l处拉曼谱带的强度变化也被认为是能够反映α-螺旋结构含量的变化，该拉曼谱带是由α-螺旋蛋白主链 v(C-C)和α-螺旋蛋白侧链耦合所贡献。脂肪的典型分子振动主要包括有1080cm-(脂肪族伸缩振动v(C-C))，1302 cm(面内亚甲基弯曲振动β(CH2))， 1442cm-l(亚甲基剪式振动8(CH2))， 1655cm-1(碳碳双键伸聿振动 v(C=C))， 1745cm-(酯键伸缩振动v(C=O))。 I1655/I1442的拉曼强度比值变化是脂质不饱和程度的主要监测指标。陈清敏研究发现，脂质不饱和度与拉曼峰强度比值显著相关。 四、Portman1064 便携式拉曼光谱仪 PR1064是一款便携式高灵敏度高信噪比制冷的拉曼光谱仪，其内部采用 InGaAs 阵列探测器，并采用色散型的光学设计，提高了探测器的灵敏度，让仪器具备了捕捉微弱拉曼信号的能力。 相比于785nm、532nm拉曼光谱仪，1064nm对于组织等生物样品的破坏性更小，避开了玻璃、生物组织等很多物质的荧光发射区域，对于很多被测物质具备低荧光背景优势。1064nm 相对于可见段的532nm、785nm具备更好的穿透性，可以穿透棕色玻璃瓶、白色塑料包装以及纸等包装材料。 产品特点 > 高灵敏度和信噪比，1S对于很多物质内可以获得信噪比 300：1以上的优质信号； ( 宽积分时间：积分时间可以从1mS S60S设定； ) 高稳定性：峰值波动RMS<1%@2hrs； 良好的穿透性：可以穿透棕色玻璃、白色塑料、包装纸； 高分辨：相对于同类产品， 优化的光路设计和512pixels 可以提供 15-18cm²1的分辨率； ( > 内置操作系统、光谱采集软件和分析软件 ) 产品型号 PR1064 尺寸 300×210×80mm 重量 4.4kg 光谱范围 200-3000cm 波长分辨率 ~15cm'@25um slit 激发波长 1064+0.5nm，线宽≤0.2nm 温度稳定性 <2nm @-10~35℃ 激光功率 0-500mW 可调 激光功率稳定性 ≤3% P-P(@2hrs) 激光器寿命 10000hrs 信噪比 15000：1 动态范围 12000：1 暗噪声 ~60 RMS 积分时间 1ms-60s 电源电压 100-240VAC@50/60Hz 探头工作距离 7.5mm 工作温度 0-50°C 工作湿度 10-80% 组配件清单 选配件清单 类别 规格型号 数量 选择 便携式拉曼光谱仪 主机 PR1064 1台 必选 电源适配器 配件 5V/2A 1个 必选 USB连接线 配件 USBA-MicroUUSB 1根 必选 注：以上规格为标准配置，可根据客户具体需求，提供定制产品。 ( 参考文献 ) ( 陈清敏.反复冻融牛肉品质变化评价技术的适用性研究[D].江南大 学，2020.DOI：10.27169/d.cnki.gwqgu.2020.001044. ) ( 蒋伊帆.复杂食品基质中脂肪酸和蛋白质结构变化的拉曼光谱研究[D].合肥工业大 学，2021.DOI：10.27101/d.cnki.ghfgu.2021.000689. ) ( Beattie JR， Bell S E J， Borggaard C， et a l . Preliminary investigations on the effects of f a geing and cooking on the Raman spectra of porcine l o ngissimus d o rsi[J]. Meat Sci， 2008， 80(4)： 1205-1211. ) ( Boyaci IH， Uysal R S ， Temiz T， et al . A rapid method for determination of the origin of meat and m eat products based on th e extracted fa t spectra by using of Ra m an spectroscopy and chemometric method[J]. European Food R esh Technol， 2014， 2 38(5)：845-852. ) 基于拉曼光谱的肉类品质评价一、研究背景拉曼效应是一种光子的非弹性散射现象，即光子和分子振动之间发生能量交换后被散射出来，频率发生变化的现象。拉曼光谱分析过程中操作快捷简便，特异性高，同时无须对样品进行复杂的前处理，尤其是在食品质量领域。脂质氧化有助于形成碳氢化合物、醛类和酮类等物质，而这些氧化产物对异味、酸败、颜色劣变和蛋白质氧化有贡献作用，最终导致肉品品质的劣变。蛋白质是天然存在的复杂大分子，由氨基酸残基组成，具有重要的营养价值并直接参与生命活动中必不可少的化学过程。肉品的蛋白质氧化会导致肉的保水性降低、营养价值（必需氨基酸丧失）下降、生物利用度下降、以及色泽和风味的劣变。拉曼光谱是监测蛋白质构象变化的有效工具，可提供有关肽骨架结构、某些侧链氨基酸（如酪氨酸、色氨酸和疏水基团）的微环境、二硫键和蛋氨酸残基的局部构象等信息。二、材料与设备猪肉、牛肉、羊肉、河虾购自十八铺，使用Portman1064进行拉曼分析。图1 实验样品图图2 拉曼光谱采集三、拉曼光谱分析图3 样品拉曼光谱由图3可知，肉的种类不同，拉曼光谱的特征峰峰位及个数也有差异。目前消费者对肉品质的评价主要取决于观察肉的颜色和大理石花纹及感官评价，但却难以评价肉的嫩度、咀嚼性和多汁性。Beattie研究发现，1460~1483 cm-1（-CH2和-CH3弯曲振动）区域谱带能够反映肉品质的多汁性，表明脂肪族氨基酸残基间的疏水相互作用是影响肉品质评价中的多汁性指标的重要因素。根据拉曼光谱的指纹性特征，也可实现快速鉴别肉的种类的目的。市场上肉制品掺假事件时有发生，需要科学的方法鉴别。Boyaci利用拉曼光谱技术结合PCA分析方法，能够快速辨别132种脱脂肉样及其香肠制品的肉类品种，并且检测时间短，检测准确度高。拉曼光谱技术凭借其快速、无损、精确度高等特点在肉品质评价领域快速发展。拉曼光谱可以监测蛋白/脂质氧化过程中分子振动信息的变化。样品的完整拉曼谱图如图3所示。光谱主要是由蛋白质和脂肪的拉曼峰组成。通常，当蛋白质的二级结构改变时，酰胺I区包括α-螺旋（1655 cm–1附近）、β-折叠（1670 cm–1附近）、β-转角（1685 cm–1附近）和无规则卷曲（1665 cm–1附近）非常敏感。此外，940 cm–1处拉曼谱带的强度变化也被认为是能够反映α-螺旋结构含量的变化，该拉曼谱带是由α-螺旋蛋白主链 ν（C–C）和α-螺旋蛋白侧链耦合所贡献。脂肪的典型分子振动主要包括有1080 cm–1（脂肪族伸缩振动ν（C–C）），1302 cm–1（面内亚甲基弯曲振动 β（CH2）），1442 cm–1（亚甲基剪式振动 δ（CH2）），1655 cm–1（碳碳双键伸缩振动 ν（C=C）），1745 cm–1（酯键伸缩振动 ν（C=O））。I1655/I1442 的拉曼强度比值变化是脂质不饱和程度的主要监测指标。陈清敏研究发现，脂质不饱和度与拉曼峰强度比值显著相关。四、Portman1064便携式拉曼光谱仪PR1064是一款便携式高灵敏度高信噪比制冷的拉曼光谱仪，其内部采用InGaAs阵列探测器，并采用色散型的光学设计，提高了探测器的灵敏度，让仪器具备了捕捉微弱拉曼信号的能力。相比于785nm、532nm拉曼光谱仪，1064nm对于组织等生物样品的破坏性更小，避开了玻璃、生物组织等很多物质的荧光发射区域，对于很多被测物质具备低荧光背景优势。1064nm相对于可见段的532nm、785nm具备更好的穿透性，可以穿透棕色玻璃瓶、白色塑料包装以及纸等包装材料。产品特点Ø  高灵敏度和信噪比，1S对于很多物质内可以获得信噪比300:1以上的优质信号；Ø  宽积分时间：积分时间可以从1mS60S设定；Ø  高稳定性：峰值波动RMS<1% @2hrs；Ø  良好的穿透性：可以穿透棕色玻璃、白色塑料、包装纸；Ø  高分辨：相对于同类产品， 优化的光路设计和512pixels 可以提供15-18cm-1 的分辨率；Ø  内置操作系统、光谱采集软件和分析软件规格参数产品型号PR1064尺寸300×210×80mm重量4.4kg光谱范围200-3000cm-1波长分辨率~15cm-1@25μm slit激发波长1064±0.5nm，线宽≤0.2nm温度稳定性<2nm @ -10~35℃激光功率0-500mW 可调激光功率稳定性≤3% P-P(@2hrs)激光器寿命10000hrs信噪比15000:1动态范围12000：1暗噪声~60 RMS积分时间1ms - 60s电源电压100-240V AC@50/60Hz探头工作距离7.5mm工作温度0-50℃工作湿度10-80%组配件清单选配件清单类别规格型号数量选择便携式拉曼光谱仪主机PR10641台必选电源适配器配件5V/2A1个必选USB连接线配件USB A-Micro USB1根必选注：以上规格为标准配置，可根据客户具体需求，提供定制产品。参考文献陈清敏. 反复冻融牛肉品质变化评价技术的适用性研究[D].江南大学,2020.DOI:10.27169/d.cnki.gwqgu.2020.001044.蒋伊帆. 复杂食品基质中脂肪酸和蛋白质结构变化的拉曼光谱研究[D].合肥工业大学,2021.DOI:10.27101/d.cnki.ghfgu.2021.000689.Beattie J R, Bell S E J, Borggaard C, et al. Preliminary investigations on the effects of  ageing and cooking on the Raman spectra of porcine longissimus dorsi[J]. Meat Sci, 2008, 80(4): 1205-1211.Boyaci Ì H, Uysal R S, Temiz T, et al. A rapid method for determination of the origin of meat and meat products based on the extracted fat spectra by using of Raman spectroscopy and chemometric method[J]. European Food Resh Technol, 2014, 238(5): 845-852.