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食品分析現(xiàn)在和未來的挑戰(zhàn)

[2014/6/26]

  在這篇文章中,我們不會對大量應(yīng)用于食品分析的技術(shù)進行論述。本文將主要聚焦于以下幾個主要的食品分析技術(shù)方法:(1)光譜學(xué)技術(shù),如質(zhì)譜、核磁共振、紅外、原子光譜、熒光法等;(2)生物技術(shù),如聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)、免疫技術(shù)、生物傳感器等;(3)分離技術(shù),如高效液相色譜、氣相色譜、毛細管電泳、超臨界流體色譜等;(4)樣品制備技術(shù),如固相萃取、超臨界流體萃取、頂空法、流動注射分析、吹掃補集、加壓液體萃取、微波輔助萃取、自動熱解析法等;(5)電化學(xué)法;(6)聯(lián)用技術(shù)等。如果將上述各類技術(shù)的分支技術(shù)也考慮在內(nèi),那用于食品分析的技術(shù)就更多了。

  為了總結(jié)食品分析當中大量被使用到的技術(shù)以及被解決的課題,表S-1(見附件)作為輔助信息,對2009-2011年間發(fā)布的針對不同食品分析的文章、綜述、文章章節(jié)進行了總結(jié)。同時,圖1和圖2,提供了2001-2011年間發(fā)表的關(guān)于食品分析的文章統(tǒng)計,其中的數(shù)據(jù)是通過食品科技文摘 (FSTA)數(shù)據(jù)庫,以各類技術(shù)為關(guān)鍵詞搜索整理所得。如果我們將圖1和圖2的數(shù)據(jù),與1990-2000年間發(fā)布的類似食品分析文章統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比,能夠得到許多重要的結(jié)論。其中最重要的變化趨勢是,生物技術(shù)和樣品處理技術(shù)的應(yīng)用明顯增多,而放射化學(xué)和熱分析技術(shù)的應(yīng)用嚴重減少。光譜學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)和樣品處理技術(shù)的應(yīng)用和20世紀末相比,分別增加了2倍、3倍和4倍,熱分析和放射化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用則減少了一半。其他比較成熟的技術(shù),如色譜技術(shù)的應(yīng)用依然比較多,但如今,它的應(yīng)用也不如以前(1990-2000年)廣泛,因為光譜學(xué)技術(shù)的應(yīng)用越來越多,而且成為了目前食品分析中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。實際上,對于食品組分進行定性和定量分析,以及進行食品特性的研究,都可以通過測量電磁輻射(可見光、紅外光、熒光、拉曼散射光等的吸收)與食品的相互作用來實現(xiàn)。得益于新型光譜儀器技術(shù)及多元化學(xué)計量學(xué)的發(fā)展,能夠?qū)Σ煌募t外或熒光光譜表現(xiàn)出的細微差別進行評估,例如對食品光譜分析所展現(xiàn)出的細微差別,從而使得開發(fā)預(yù)測模型成為可能。

  近年來,成像技術(shù)如共聚焦激光掃描顯微鏡,或高光譜成像耦合圖像分析技術(shù)已被成功地用于研究高度異質(zhì)性食品。實際上,成像分析技術(shù),例如數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、或圖像紋理分析,使得對圖像中的結(jié)構(gòu)進行定量分析,或展示不同的加工過程對于食品中蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)的影響成為可能。從另一方面來說,食品分析中光譜學(xué)技術(shù)應(yīng)用的重要增長也許是由于NMR、紅外光譜等技術(shù)大量的最新應(yīng)用,以NMR為例,由于對具有生物和代謝等特性的未知化合物的明確鑒定的需要,使得這類技術(shù)的應(yīng)用數(shù)量接近于一些成熟的技術(shù),如熒光、甚至質(zhì)譜的應(yīng)用數(shù)量。

  生物技術(shù)的大量應(yīng)用并不奇怪,這些技術(shù),以生物體及他們的產(chǎn)品如酶、抗體、DNA等為基礎(chǔ),來實現(xiàn)鑒別和分析食品,它們在食品分析中的應(yīng)用增長了3 倍。其中PCR技術(shù)的應(yīng)用占據(jù)了所有生物技術(shù)應(yīng)用的60%,相當于之前生物技術(shù)在食品分析當中的所有應(yīng)用的2倍。PCR技術(shù)的大量應(yīng)用主要歸因于要采取不同的步驟,來克服影響DNA提取質(zhì)量和數(shù)量的主要難題。目前,針對許多樣品的新儀器和新標準化協(xié)議,使得PCR成為世界范圍內(nèi)一種廣泛應(yīng)用的技術(shù),可以在幾乎所有的食品分析實驗室中看到它。

  至于分離技術(shù)的分布和重要性,液相色譜(LC)和毛細管電泳(CE)的應(yīng)用增長主要來自于技術(shù)本身的發(fā)展,如:在確保分辨率和分離效率的同時降低分析時間(UPLC、微流控芯片電泳技術(shù)、整體柱),新的分離機理(親水相互作用色譜等),將質(zhì)譜作為LC或CE的檢測器。另一方面,氣相色譜(GC)的應(yīng)用基本和過去持平,并在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域展示了它的重要性。最后,聯(lián)用分離技術(shù),如中心切割多維色譜法(LC−LC, GC−GC, LC−GC, LC−CE等),或全二維技術(shù)(LC×LC, GC×GC),它們可提供更多信息來支持破譯食物的復(fù)雜性,以及研究食品對于人類健康真實影響的理論。

  事實上,多維色譜已經(jīng)成為一種分析復(fù)雜樣品的可選擇方法,在食品分析中有一種情況,即某類技術(shù)的改進,如新的色譜柱技術(shù),似乎已經(jīng)達到了它們的極限。然而,多維色譜峰容量的增加到目前要比經(jīng)過各種改進的一維色譜高。多維色譜允許兩個或更多個獨立或幾乎獨立的分離步驟結(jié)合,顯著增強相應(yīng)的一維色譜技術(shù)的分離能力,因而提高分離復(fù)雜樣品中化合物的能力。盡管兩種不同色譜分離技術(shù)的耦合并不是什么新技術(shù),但是這一技術(shù)的發(fā)展拓展了綜合應(yīng)用,在這些應(yīng)用中,整個樣品可以從不同的獨立的維度進行分析,并減少了樣品制備的步驟。食品分析領(lǐng)域,有關(guān)這種綜合技術(shù)的應(yīng)用每年都在增長,而且預(yù)計將持續(xù)保持增長狀態(tài)。

  對于食品分析當中樣品制備技術(shù)應(yīng)用的顯著增長(4倍左右),我們需要給予特別的關(guān)注。樣品制備技術(shù)的改進目標在于減少實驗室溶劑的使用和有害物質(zhì)的產(chǎn)生,減少勞動力和時間,降低每個樣品制備的成本,同時提高被分析物質(zhì)的分離效率。目前,新型綠色制樣技術(shù),如超臨界流體萃取(SFE)、亞臨界水萃取 (SWE,也稱為加速溶劑萃取)將在食品科學(xué)中有更廣泛的應(yīng)用,不僅僅是在食品分析當中,還有在食品功能成分的提取中。這些萃取技術(shù)基于壓力流體可提供更高的選擇性、更短的萃取時間、和對環(huán)境更友好的特性。關(guān)于這些技術(shù)的文章在2001-2011年10年間超過1500篇,而20世紀末時,關(guān)于這些技術(shù)的文章還只在300篇左右。舉一個有趣的例子,例如,加壓流體萃取(PLE),在以前還沒有這種技術(shù),但現(xiàn)在卻是食品分析當中僅次于SFE的十分重要的“綠色”樣品制備技術(shù)。

  同時, 相較于傳統(tǒng)萃取方式,不同的液相微萃取模式,如單液滴微萃取、分散液-液微萃取、中空纖維膜液相微萃取(HF-LPME)等操作更簡便、更有效、速度更快,并且有機溶劑的消耗量更低,所以在食品分析當中它們被越來越多地用于從不同的基質(zhì)中提取有機或無機物質(zhì)。當比較樣品制備和分離技術(shù)的數(shù)量和分布時,另一個比較重要的觀察結(jié)果是,在過去10年中,固相萃取(SPE)應(yīng)用的增長在某種程度上和液相色譜的應(yīng)用是相關(guān)聯(lián)的,對于液相色譜來說,在過去10年當中,新的分離機理、新應(yīng)用和新方法已經(jīng)建立。另外,比較有趣的發(fā)現(xiàn)還有,固相微萃取(SPME)的應(yīng)用和其他發(fā)展比較成熟的技術(shù),如頂空法的應(yīng)用數(shù)量比較接近。在過去幾年中,SPME的快速增長主要由于其操作簡便、纖維和涂層應(yīng)用范圍的日益廣泛,以及新發(fā)展起來模式,這些模式拓寬了SPME的應(yīng)用范圍。