關(guān)于大米品質(zhì)的儀器分析方法研究思考,分析化學(xué)論文內(nèi)容摘要：綜述了鮮度儀、電子鼻技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、頂空固相微萃取/氣質(zhì)聯(lián)用(HSSPME/GCMS)技術(shù)、低場(chǎng)核磁共振技術(shù)、拉曼光譜技術(shù)等快速分析方式方法在大米新鮮程度、加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)分析檢測(cè)中的研究進(jìn)展,提出了這些技術(shù)存在的問(wèn)題,瞻望了這些技術(shù)的應(yīng)用前景。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：大米,品質(zhì),儀器分析技術(shù)大米是地球上最主要的糧食作物之一,世界上有很多人把大米作為主食。我們國(guó)家每年不僅大米產(chǎn)量大,而且消耗量也非常多。據(jù)資料顯示,我們國(guó)家的水稻種植面積大,種植范圍廣,產(chǎn)量在世界排名前列。大米作為我們國(guó)家最主要的糧食供應(yīng),是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資,保障國(guó)家糧食安全具有很大意義,因而做好大米各個(gè)環(huán)節(jié)的品質(zhì)檢測(cè)顯得尤為重要[1]。大米屬于較難保存的成品糧,在大米加工時(shí)將稻殼和皮層去除,致使胚乳直接暴露于外界,而且大米加工時(shí)會(huì)有一定程度的機(jī)械損傷,因而大米很容易遭到外界不良環(huán)境的影響而變質(zhì)[2],比方在高溫、高濕條件下儲(chǔ)存大米,不僅加快大米的陳化和霉變速度,而且致使酸度值上升、黏性值下降,即大米的品質(zhì)劣變。劣變陳化的大米的色澤、氣味、營(yíng)養(yǎng)成分失去了新鮮大米應(yīng)有的特性,甚至有的會(huì)攜帶霉菌毒素,是不能直接作為口糧食用的。當(dāng)前傳統(tǒng)的檢測(cè)方式方法檢測(cè)速度慢,效率低,對(duì)樣品有一定的損壞,無(wú)法知足人們對(duì)大米品質(zhì)和無(wú)損檢測(cè)的要求。本文就當(dāng)前使用的快速儀器分析方式方法:鮮度儀法、電子鼻法、計(jì)算機(jī)圖像處理法、HSSPME/GCMS技術(shù)、低場(chǎng)核磁共振法、拉曼光譜分析法等進(jìn)行了概括總結(jié)。1大米品質(zhì)的儀器分析方式方法1.1鮮度儀在大米腐敗變質(zhì)的經(jīng)過(guò)中,外部形狀和內(nèi)部構(gòu)造都會(huì)出現(xiàn)一定的變化。基于此,日本都大田科學(xué)研究所的研究人員通過(guò)辨別它們的外觀形狀和內(nèi)部組織構(gòu)造來(lái)鑒定大米的新鮮程度,運(yùn)用這種理論開(kāi)發(fā)了大米鮮度鑒定儀,即鮮度儀。于素平等[3]在日本對(duì)新鮮度研究的基礎(chǔ)上,研制成功了合適中國(guó)稻谷品種的專(zhuān)用大米測(cè)鮮儀。該測(cè)鮮儀是利用特制的測(cè)鮮劑與大米樣品混合,得到呈現(xiàn)一定顏色的液體,通過(guò)可見(jiàn)光檢測(cè)分析儀檢測(cè)液體顏色的變化,得到反映大米新鮮度的新鮮度值。這種方式方法與傳統(tǒng)檢測(cè)方式方法相比,操作簡(jiǎn)便,省時(shí)省力,大大降低檢測(cè)成本。與其他新鮮度快速檢測(cè)方式方法相比,大米測(cè)鮮儀能夠?qū)⑿迈r程度數(shù)值化,愈加客觀、準(zhǔn)確地反映稻谷的新鮮程度。葛娜等[4]應(yīng)用RN820型大米鮮度儀來(lái)斷定大米新鮮度,該儀器是利用不同新鮮程度的大米pH不同的原理制造的,結(jié)果表示清楚,這種方式方法能直觀地區(qū)分新、陳大米。盡管這種儀器還存在著一定的局限性,主要包括:使用的專(zhuān)用試劑是專(zhuān)利產(chǎn)品,不易買(mǎi)到,成本較高,保質(zhì)期很短;該儀器是以日本大米和日本標(biāo)準(zhǔn)制定的,對(duì)我們國(guó)家大米研究的應(yīng)用需要進(jìn)一步探究。但是鮮度儀操作簡(jiǎn)單、測(cè)試速度較快,不僅能夠直觀地檢測(cè)大米新鮮度,還能夠識(shí)別新、陳大米的混雜現(xiàn)象。因而大米鮮度儀的應(yīng)用在大米品質(zhì)檢測(cè)、新鮮度判別、提高新陳大米的辨識(shí)度等方面具有重要作用。1.2電子鼻技術(shù)電子鼻最早是由英國(guó)的教授在探究一些有機(jī)揮發(fā)氣體時(shí)發(fā)明的。它是從上世紀(jì)末期之后發(fā)展起來(lái)的一種氣味掃描儀,近期幾年有一些專(zhuān)家和學(xué)者研究了電子鼻在大米品質(zhì)評(píng)價(jià)方式方法中的應(yīng)用。大米儲(chǔ)藏經(jīng)過(guò)中,大米本身代謝會(huì)產(chǎn)生一些物質(zhì),如酮、醛、醇類(lèi)等,且大米中的害蟲(chóng)也會(huì)產(chǎn)生一些物質(zhì)。Han等[5]利用電子鼻鑒別不同加工程度和儲(chǔ)存時(shí)間的大米中的揮發(fā)性成分。結(jié)果表示清楚,儲(chǔ)存時(shí)間越長(zhǎng),加工程度越大,檢測(cè)到的揮發(fā)性成分種類(lèi)越多,即電子鼻能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同加工程度和儲(chǔ)存時(shí)間大米中的揮發(fā)性物質(zhì)。趙阿丹等[6]用大米為原料,經(jīng)加工得到米茶,采用電子鼻技術(shù)研究了米茶制作經(jīng)過(guò)中的揮發(fā)性物質(zhì)的轉(zhuǎn)變經(jīng)過(guò),建立了基于電子鼻傳感器的數(shù)學(xué)模型,可定量分析米茶中部分氣味物質(zhì)的相對(duì)含量。宋偉等[7]應(yīng)用電子鼻對(duì)不同儲(chǔ)存條件下的稻谷品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表示清楚:利用不同分析方式方法對(duì)不同儲(chǔ)存條件的稻谷品質(zhì)進(jìn)行判別的正確率都能到達(dá)90%以上,證明用電子鼻對(duì)大米的品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)是可行的。Zheng等[8]用電子鼻對(duì)大米中的芳香化學(xué)成分進(jìn)行了分析研究,該試驗(yàn)是在電子鼻的參數(shù)優(yōu)化及不同氣敏傳感器的選擇下完成的。胡志全等[9]用電子鼻檢測(cè)了不同品種、不同新陳度的大米的揮發(fā)性氣味物質(zhì),分析研究得到:電子鼻能很好地區(qū)分出不同品種、不同新陳度大米氣味物質(zhì)的差異,因而我們能夠?qū)㈦娮颖菓?yīng)用于鑒別大米的品種和新陳度。1.3計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)近些年來(lái),隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,圖像分析技術(shù)已被應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科,在農(nóng)作物領(lǐng)域也獲得了很多突破性的進(jìn)展,并顯示出廣闊的應(yīng)用前景。采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)大米外觀品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析,具有快速便捷、客觀性強(qiáng)、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì),能夠避免人工方式方法的主觀性,并且能夠?qū)z測(cè)數(shù)據(jù)持久化,以便以后查詢(xún)、檢索[10,11]。國(guó)內(nèi)檢測(cè)大米外觀品質(zhì)使用最多的方式方法是感官評(píng)價(jià)法,包括直接比擬法和染色法,華而不實(shí)染色法又分為米類(lèi)加工精度異色相差分染色檢驗(yàn)法(IDS染色法)和蘇丹Ⅲ乙醇溶液染色法。隨著科技進(jìn)步,一些檢測(cè)大米品質(zhì)的化學(xué)方式方法也應(yīng)運(yùn)而生,包括磷含量分析法[12]、脂肪萃取法[13,14,15]、紫外可見(jiàn)光譜檢測(cè)法[16]、光電法[17]和計(jì)算機(jī)圖像辨別法[18,19,20,21,22]。吳杰[23]結(jié)合宏觀力學(xué)特性、微觀構(gòu)造和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)以及形式辨別技術(shù),研究了大米的不同破損方式。由于大米籽粒裂紋是大米產(chǎn)生碎米、發(fā)霉和食用品質(zhì)下降的主要原因,裂紋產(chǎn)生方式與構(gòu)造強(qiáng)度有關(guān),而籽粒構(gòu)造強(qiáng)度是微觀構(gòu)造的外在表現(xiàn),因而從微觀角度討論大米加工破損具有重要意義。崔雯雯等[24]提出了基于圖像分析的大米透明度定量評(píng)價(jià)方式方法。設(shè)計(jì)了大米透明度圖像采集設(shè)備,采集大米圖像,提取透明度特征值,采用逐步引入剔除法進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸分析,建立大米透明度預(yù)測(cè)模型,并用聚類(lèi)分析方式方法對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果和透明度感官分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行比照驗(yàn)證。結(jié)果表示清楚,該回歸方程檢驗(yàn)到達(dá)了顯著性水平,正確率達(dá)94.12%,即基于計(jì)算機(jī)圖像分析的大米透明度定量評(píng)價(jià)方式方法是可行的。張玉榮等[25]為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)米飯外觀品質(zhì),采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)獲取米飯外觀特征值,討論特征值與感官評(píng)價(jià)值的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表示清楚:通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)獲取的米飯外觀測(cè)定指標(biāo)與感官評(píng)價(jià)指標(biāo)具有很好的相關(guān)性;以各外觀感官評(píng)價(jià)指標(biāo)為因變量所建立的回歸方程及回歸系數(shù)均到達(dá)了顯著性水平。因而,能夠利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)替代部分外觀感官評(píng)價(jià)對(duì)米飯外觀進(jìn)行準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的大米顆粒檢測(cè)的方式方法存在一定的局限性,因而任景英等[26]嘗試應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來(lái)直接獲得大米顆粒的信息。首先對(duì)獲取的大米圖像進(jìn)行加強(qiáng)處理,在這里基礎(chǔ)上,研究幾種不同的邊緣檢測(cè)算子來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大米粒形的檢測(cè)并比擬其結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表示清楚,這種方式方法對(duì)大米粒形檢測(cè)效果良好,該方式方法用于大米粒形的辨別時(shí)對(duì)大米的斷定正確率較高。計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)在大米品質(zhì)的檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用并沒(méi)有很長(zhǎng)時(shí)間,近些年來(lái)發(fā)展迅速,但是要到達(dá)生產(chǎn)自動(dòng)化,還是有很多問(wèn)題需要克制。計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)在大米檢測(cè)技術(shù)行業(yè)里將來(lái)的發(fā)展是美妙的,不僅僅能做到全面地檢測(cè)大米外觀品質(zhì),而且還能檢測(cè)大米的內(nèi)在品質(zhì)。1.4頂空固相微萃取/氣質(zhì)聯(lián)用(HSSPME/GCMS)技術(shù)當(dāng)前,氣質(zhì)聯(lián)用(GCMS)已經(jīng)成為檢測(cè)揮發(fā)性物質(zhì)成分和含量的一種重要手段,在生命科學(xué)[27]、環(huán)境保衛(wèi)[28]和食品藥品質(zhì)量評(píng)價(jià)[29]上已有廣泛的應(yīng)用。而頂空固相微萃取(SPME)是常用的測(cè)定揮發(fā)性物質(zhì)的方式方法。二者聯(lián)用將濃縮、萃取和檢測(cè)等多種技術(shù)集于一體,具有很多優(yōu)點(diǎn),例如檢測(cè)速度快、操作方便、試驗(yàn)結(jié)果的靈敏度高、不需要溶劑和適用范圍廣等[30]。很早以前就有很多外國(guó)學(xué)者對(duì)大米中的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行研究[31],但是卻很晚才將HSSPME/GCMS技術(shù)應(yīng)用到大米揮發(fā)性成分的分析中[32,33]。Bryant等[34]對(duì)香米進(jìn)行了分析鑒定,在檢測(cè)出的90多種揮發(fā)性物質(zhì)中,華而不實(shí)有60多種當(dāng)前還沒(méi)人進(jìn)行過(guò)報(bào)道。Tananuwong等[35]也研究了有機(jī)香米中的揮發(fā)性物質(zhì)在不同儲(chǔ)存條件下的變化情況。林家永等[36]用HSSPME/GCMS技術(shù)研究分析了稻谷中的揮發(fā)性成分,結(jié)果發(fā)現(xiàn),稻谷的主要揮發(fā)性成分是有機(jī)酸類(lèi)、酯類(lèi)、烴類(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)和雜環(huán)類(lèi)化合物,華而不實(shí)較高含量的是酮類(lèi)、烴類(lèi)和醛類(lèi)。黃亞偉等[37]通過(guò)HSSPME/GCMS技術(shù)分析了不同種類(lèi)的五常大米中的揮發(fā)性氣體成分之間的差異。姜雯翔等[38]運(yùn)用HSSPME/GCMS分析了發(fā)芽糙米在不同儲(chǔ)藏溫度下?lián)]發(fā)性成分的變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn):發(fā)芽糙米中含量較多的揮發(fā)性成分是烴類(lèi)、醛類(lèi)和酯類(lèi),含量少的是醇類(lèi)和酸類(lèi);隨著儲(chǔ)存時(shí)間增加,揮發(fā)性成分明顯發(fā)生變化;不同儲(chǔ)藏溫度的發(fā)芽糙米的揮發(fā)性成分種類(lèi)、含量不同。基于各種研究報(bào)道,儲(chǔ)存時(shí)間不同,大米中含有的揮發(fā)性物質(zhì)不同,且含量也不一樣,因而,將來(lái)將HSSPME/GCMS技術(shù)應(yīng)用于大米的品質(zhì)檢測(cè)和新鮮度鑒別是我們的重點(diǎn)研究方向。1.5低場(chǎng)核磁共振技術(shù)自美國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象,核磁共振技術(shù)作為一種重要的當(dāng)代分析手段已被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域[39]。核磁共振技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都非常成功,核磁共振技術(shù)能夠同時(shí)得到被測(cè)物體的物理信息和化學(xué)信息,獲得樣品中的唯一指紋信息[40]。低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的原理是采用特定的脈沖序列對(duì)樣品中具有固定磁矩的原子核進(jìn)行激發(fā),然后產(chǎn)生一串強(qiáng)度衰減的可檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)。基于這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,低場(chǎng)核磁共振技術(shù)為我們研究檢測(cè)分析糧油食品在儲(chǔ)藏和加工經(jīng)過(guò)中品質(zhì)變化提供了新的思路,因其具有快速無(wú)損的特點(diǎn),該項(xiàng)技術(shù)在大米品質(zhì)的檢測(cè)中具有宏大潛力[41,42]。姜潮等[43]提出一種基于低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的快速、無(wú)損鑒別大米品種的新方式方法,即以不同地域的大米為低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)對(duì)象,利用PCA分析處理CPMG序列的檢測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)果表示清楚,不同地域的大米在主成分得分圖上能夠得到很好的區(qū)分,講明這種方式方法能夠?qū)Υ竺灼贩N進(jìn)行鑒定和分類(lèi),為大米的品種鑒定提供了一種新的思路。當(dāng)前隨著科技水平的提高,低場(chǎng)核磁共振儀器的配件制造技術(shù)也不斷進(jìn)步,加之這種儀器逐步的國(guó)產(chǎn)化,使價(jià)格持續(xù)下降,因而低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在我們國(guó)家普及應(yīng)用的腳步也越來(lái)越快。但相對(duì)于其他快速檢測(cè)技術(shù),該技術(shù)在國(guó)內(nèi)糧油食品中的應(yīng)用研究仍處于初始階段,將來(lái)將該技術(shù)應(yīng)用在大米品質(zhì)的快速檢測(cè)中也是我們的研究方向之一。1.6拉曼光譜技術(shù)拉曼光譜是在光的拉曼散射效應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種分子振動(dòng)光譜。與一般的檢測(cè)方式方法相比,拉曼光譜技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì):拉曼光譜能夠進(jìn)行多樣品無(wú)損傷的定性分析和定量分析,且測(cè)定時(shí)只需要少量樣品,測(cè)試前樣品不需要預(yù)處理,能夠避免系統(tǒng)產(chǎn)生誤差;由于水的拉曼散射很微弱,因而拉曼光譜更適宜水溶液測(cè)定;拉曼光譜儀器使用簡(jiǎn)便,測(cè)試速度快,靈敏度高,可明顯表征特定分子的構(gòu)造。基于這些優(yōu)勢(shì)拉曼光譜在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[44,45,46,47]。當(dāng)前拉曼光譜在谷物領(lǐng)域的應(yīng)用報(bào)道較少,主要應(yīng)用在成分構(gòu)造分析[48]、安全質(zhì)量控制、谷物產(chǎn)地檢測(cè)[49]等定性檢測(cè)方面,以及成分含量的定量檢測(cè)等少數(shù)幾個(gè)方面。孫娟等[50]以拉曼光譜技術(shù)為手段,結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方式方法,對(duì)不同地區(qū)的大米樣品進(jìn)行光譜采集,并對(duì)得到的拉曼圖譜進(jìn)行主成分分析和偏最小二乘判別分析,建立大米快速分類(lèi)判別方式方法。作為一種快速、無(wú)損、簡(jiǎn)便的分析檢測(cè)手段,拉曼光譜技術(shù)為大米品種、產(chǎn)地的快速判別、大米的品質(zhì)檢測(cè)以及市場(chǎng)的有序監(jiān)控提供了可能。2前景與瞻望隨著分析方式方法的改良和儀器設(shè)備的開(kāi)發(fā),快速的儀器分析技術(shù)在大米品質(zhì)分析中的作用將愈加突出。當(dāng)前,大米的品質(zhì)分析多集中于儲(chǔ)存及加工生產(chǎn)階段的研究,而在運(yùn)輸、銷(xiāo)售等環(huán)節(jié)的品質(zhì)變化研究較少,因而微型便攜式的儀器如微型近紅外、微型拉曼等在大米品質(zhì)中的檢測(cè)分析將會(huì)成為今后的發(fā)展趨勢(shì);開(kāi)發(fā)建立一些性能穩(wěn)定、精到準(zhǔn)確度高、操作方便的大米分析檢測(cè)系統(tǒng),繼而建立多地域、多品種的大米品質(zhì)分析數(shù)據(jù)庫(kù)顯得尤為重要;同時(shí),大米品質(zhì)的在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)也有待開(kāi)發(fā)。以下為參考文獻(xiàn)[1]WUY,CHENZ,LIX,etal.Retrogradationpropertiesofhighamylosericeflourandrice