拉曼光譜技術(shù)在物質(zhì)理化分析中的應(yīng)用

拉曼光譜技術(shù)是一種基于曼陀林散射效應(yīng)的光譜分析技術(shù)，可以提供分子振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)信息。拉曼光譜技術(shù)同化學(xué)分析技術(shù)和其他光譜技術(shù)相比,具有快速原位無損傷檢測(cè),樣品不需處理,使用樣品量少等特點(diǎn)1拉格朗日乘子法拉曼光譜原理是拉曼散射效應(yīng),它是分子對(duì)光子的一種非彈性散射效應(yīng)。處于基態(tài)的樣品分子受到能量為hv由于斯托克斯散射比反斯托克斯散射強(qiáng)的多,因此光譜儀檢測(cè)的主要是斯托克斯散射。其拉曼頻移、拉曼強(qiáng)度及線寬反映的是拉曼樣品池中散射物質(zhì)的特性,與物質(zhì)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)。從特征拉曼頻率可以確定分子中的原子團(tuán)和化學(xué)鍵的存在,從相對(duì)強(qiáng)度的變化能夠確定化學(xué)鍵的含量,而物質(zhì)化學(xué)環(huán)境的變化則會(huì)引起拉曼特征頻率的微小位移,從特征頻率位移的大小和方向能判定原子團(tuán)和化學(xué)鍵所處化學(xué)環(huán)境的變化隨著激光技術(shù)的發(fā)展,拉曼光譜技術(shù)也發(fā)展了多種分析技術(shù),如傅里葉變換拉曼光譜技術(shù)、表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)、激光拉曼光譜技術(shù)和共焦顯微拉曼光譜技術(shù)等2聚合物和礦物質(zhì)從肉的化學(xué)組成上分析,主要有蛋白質(zhì)、脂肪、水分、浸出物、維生素和礦物質(zhì)6種。其中蛋白質(zhì)和脂肪對(duì)肉的品質(zhì)影響較顯著,如肌肉蛋白對(duì)肉品的質(zhì)地和保水性有直接影響,肌肉內(nèi)脂肪的含量會(huì)影響肉的風(fēng)味和嫩度。2.1高級(jí)結(jié)構(gòu)的特性蛋白質(zhì)對(duì)肌肉食品的組織特性及功能特性有著重要的貢獻(xiàn),決定著終產(chǎn)品的品質(zhì)。蛋白質(zhì)的功能特性(溶解性、凝膠性和持水性等)和組織特性與其高級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān),主要包括二級(jí)結(jié)構(gòu)(α-螺旋、β-折疊和無規(guī)則卷曲等)、三級(jí)結(jié)構(gòu)(二級(jí)結(jié)構(gòu)的空間作用)和四級(jí)結(jié)構(gòu)(亞基間的相互作用)。這些結(jié)構(gòu)通過不同類型的相互作用來維持氫鍵、疏水相互作用、靜電力以及范德華力等2.1.1拉曼光譜譜帶的索引拉曼譜帶可以提供蛋白質(zhì)化學(xué)基團(tuán)變化的信息,利用這些信息可以預(yù)測(cè)溶液、固體、凝膠或結(jié)晶狀態(tài)的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)和微環(huán)境。Li-Chan2.1.2肌肉中的蛋白質(zhì)拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了分離出的肌原纖維蛋白和基質(zhì)蛋白結(jié)構(gòu)的測(cè)定中,這些蛋白對(duì)肌肉的組織和功能特性有著重要的貢獻(xiàn),但是特別易受加工處理以及貯藏條件的影響。肌肉中的肌原纖維蛋白主要包括肌球蛋白、肌動(dòng)蛋白、肌原蛋白和原肌球蛋白等。其中肌球蛋白占主導(dǎo),它是一種非對(duì)稱蛋白,由頭部和一部分尾部構(gòu)成的重酶解肌球蛋白和尾部的輕酶解肌球蛋白兩部分構(gòu)成。Carew等膠原蛋白是結(jié)締組織中主要的蛋白,含有大量的甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸,它的結(jié)構(gòu)對(duì)肌肉的質(zhì)構(gòu)特性有影響。Badii等2.1.3在豬肉中的應(yīng)用基于拉曼光譜可以進(jìn)行無損原位檢測(cè)的特點(diǎn),可將其直接應(yīng)用到未經(jīng)處理的肉樣上,研究食品體系中天然蛋白質(zhì)的相互作用以及構(gòu)象改變。Careche2.1.4加工和貯存過程中影響因素的研究由于凝膠對(duì)肌肉食品的品質(zhì)起著關(guān)鍵性的作用,所以研究其在加工和貯存過程中,因外界環(huán)境的改變而引起的變化是很必要的。以下是拉曼光譜技術(shù)在肌肉蛋白質(zhì)凝膠和肉糜凝膠特性測(cè)定中的應(yīng)用。2.1.4.血壓蛋白肌肉蛋白凝膠是決定肉品品質(zhì)的關(guān)鍵因素,對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)、保水性和與食品中其他成分的交互作用有重要作用豬血是屠宰廠中的主要副產(chǎn)物,其中血漿蛋白因其良好的凝膠特性而受到重視Davila等2.1.4.膳食纖維在肉制品質(zhì)構(gòu)特性上的作用隨著肉糜制品的發(fā)展,對(duì)肉糜凝膠特性的研究也逐漸多了起來。LiuRu等膳食纖維具有很強(qiáng)的吸水能力或與水結(jié)合的能力,可以賦予肉制品很好的質(zhì)構(gòu)特性,并且具有預(yù)防心血管疾病和癌癥等疾病的作用。Sanchez-Gonzalez等2.2味物質(zhì)的前體脂肪是影響肌肉食品品質(zhì)的重要因素,它不僅是風(fēng)味物質(zhì)的前體,也是引起氧化變質(zhì)的主要成分。肉的氧化變質(zhì)取決于脂肪酸的不飽和程度在拉曼光譜中,脂肪結(jié)構(gòu)的變化主要通過以下一些譜帶來反映3肉品品質(zhì)的半定量分析肉在加工、貯藏過程中,其主要成分蛋白質(zhì)和脂肪等大分子都會(huì)發(fā)生變化,伴隨著其功能性和組織特性的變化,進(jìn)而影響其風(fēng)味、色澤、質(zhì)地和保水性等品質(zhì)方面的變化,通過拉曼光譜圖可以定性地分析肉品中這些成分的分子結(jié)構(gòu)和各種基團(tuán)之間的關(guān)系,進(jìn)而檢測(cè)肉品的品質(zhì),此外還可以根據(jù)拉曼光譜峰強(qiáng)度與被測(cè)物質(zhì)濃度成正比的關(guān)系進(jìn)行半定量分析。3.1肌紅蛋白的形成肉色是肉質(zhì)評(píng)定的重要指標(biāo)之一。肉色主要取決于肉中肌紅蛋白(myoglobin,Mb)和血紅蛋白(hemoglobin,Hb)兩大色素蛋白的含量及化學(xué)狀態(tài)。在放血充分的條件下,肌紅蛋白的比例可達(dá)到80%~90%,是構(gòu)成肉色的主要因素。肌紅蛋白由一條珠蛋白多肽鏈和一個(gè)血紅素輔基(hemegroup)結(jié)合而成的復(fù)合蛋白質(zhì),它的呈色作用源于其分子內(nèi)的亞鐵血紅素。肌紅蛋白與血紅蛋白的主要差別是前者只結(jié)合一分子的血色素,而血紅蛋白結(jié)合四分子的血紅素3.1.1氧化氮肌紅蛋白腌肉制品因其特殊的風(fēng)味與色澤深受消費(fèi)者喜愛,其特征性的粉紅色是腌制劑亞硝酸鹽與肌紅蛋白作用生成的一氧化氮肌紅蛋白(MbNO)所致。李濤等腌肉色素MbNO加熱后珠蛋白變性,隨后與血紅素分離,由鮮肉的MbNO變成了蒸煮腌肉的亞硝酰血紅素化合物,對(duì)這種化合物的結(jié)構(gòu)一直存在爭(zhēng)議。Sun等隨著高壓處理技術(shù)在肉制品中的廣泛應(yīng)用,使得其作用后的肉品品質(zhì)也得到了相應(yīng)的研究。Wackerbarth等3.1.2著色劑的制備亞硝酸鹽也會(huì)與血紅蛋白反應(yīng)生成亞硝基血紅蛋白,它可以代替亞硝酸鹽作為肉品的著色劑。沈高山等目前,拉曼光譜技術(shù)主要是應(yīng)用到各種色素蛋白的結(jié)構(gòu)鑒定與分析方面,并沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)肉色的直接檢測(cè),如果在進(jìn)行肉質(zhì)的感官特征評(píng)定時(shí),拉曼光譜技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合,則在一定程度上可能提高在線檢測(cè)效率和實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益。3.2保水力的測(cè)定保水性是肌肉受外力作用下其保持原有水分與添加水分的能力,它對(duì)肉的品質(zhì)有很大的影響,是肉質(zhì)評(píng)定時(shí)的重要指標(biāo)之一。保水力的高低可直接影響到肉的風(fēng)味、顏色、質(zhì)地和嫩度等。與傳統(tǒng)測(cè)定保水性的方法相比,拉曼光譜技術(shù)雖不能準(zhǔn)確地測(cè)定出肉的保水性,但是能夠快速地分析推測(cè)出保水性。Pedersen等3.3肉中脂肪酸的組成拉曼光譜技術(shù)在肉品脂肪檢測(cè)方面的應(yīng)用較少,研究多集中在脂肪酸組成問題上,并通過建立數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行定量分析。Olsen等此外,利用拉曼光譜技術(shù)還可以研究經(jīng)凍干和凍藏后的肉中脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)。Sarkardei等3.4肌肉松弛和多汁的評(píng)估肉的嫩度是重要的食用品質(zhì)之一,它是指肉在食用時(shí)口感的老嫩,反應(yīng)了肉的質(zhì)地。Beattie等4熒光背景扣除技術(shù)的應(yīng)用展望拉曼光譜技術(shù)在肉品領(lǐng)域中的應(yīng)用雖然起步較晚,但是憑借著其無需樣品前處理、快速、操作簡便無損傷等優(yōu)點(diǎn)在肉品成分分析中取得了一定進(jìn)展。在食品分析檢測(cè)研究中,由于激光光源照射樣品時(shí),有機(jī)分子吸收光子轉(zhuǎn)化為熒光分子產(chǎn)生的熒光效應(yīng),進(jìn)而影響對(duì)拉曼光譜分析,因此對(duì)熒光背景扣除技術(shù)的研究可拓寬拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用范圍。另外,拉曼光譜儀器仍以高精密度、價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器為主,難以適應(yīng)