手持式4100 ExoScan红外光谱快速高效地检测食用燕窝

　　前言燕窝作为中国传统美食，其流行可以追溯到 1000 年以前。这道菜的中文名为“燕窝”，就是燕子的巢穴。事实上，可食用燕窝由金丝燕(Collocaliafuciphaga)制造，它与普通的燕子属同一科类，但是更小一些。虽然存在 90 多种东南亚金丝燕，但仅有四种雨燕的巢穴，是可供人类食用的。在繁殖的季节，雄燕吐出一种粘稠的唾液分泌物以构筑巢穴。由于含有丰富的氨基酸，碳水化合物和矿物盐，燕窝也在数百年来被传统中医作为一个重要的保健品来使用。例如用它来治疗营养不良，改善免疫系统和促进身体的新陈代谢。最近燕窝也被用在化妆品制造业中。
 

　　对于食用燕窝的大量需求，特别是来自中国大陆，香港和中国台湾市场的需求，以及其有限的供应导致围绕此产品形成了一个利润丰厚的市场。随之而来的是出现燕窝产品伪劣的高潮。不道德的供应商在燕窝中掺杂添加剂以增加其重量和市场售价。通常用于仿制燕窝的材料包括可食用植物，鱼皮，蘑菇和海藻。还可通过在价格较低的白燕燕窝中添加天然着色剂如刺梧桐胶，红海藻或木耳菌类或将其用硝酸钠处理，而伪造出更加名贵的“血燕”燕窝。用于鉴别纯正的，不掺假的燕窝的方法同时也用于生产和制造燕窝的食品安全检测中。一般食用燕窝要经过双氧水漂白的过程，还有很多程序涉及到防腐剂的添加，如硼酸，亚硫酸钾或二氧化硫(这是依照国家规定添加的)。同时添加糖，盐，味精(MSG)以改善口感。以及使用面筋，银耳，果冻和动物皮或合成橡胶来改善燕窝的形状和外观。
 

　　此应用报告提供了一种简单的方法，使用手持式傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪来鉴别可食用燕窝，识别伪劣产品并实现食品安全检测。IR 光谱通过测量化合物中的共价键，而创建其化合物分子特征“指纹”。这个指纹能够被用来识别和量化样品中存在的化合物。FTIR 光谱技术通常用于食品制造业的产品鉴别和污染鉴定。使用传统 FTIR 进行可食用燕窝分析的示例如图 1 所示。在这个例子中，可以看到蛋白质的主要吸收波数为 1640 和 1550 cm-1，碳水化合物则接近 1030 cm-1，脂类在接近 2930 cm-1 处。纯净和掺假的样品之间可看出明显的差异。最近的技术进步减小了 FTIR 分光光度计的尺寸和重量，产生了易于使用的手持式系统。这项新的技术实现了非破坏性的分析，这对于昂贵食品诸如可食用燕窝来说是非常有用的。
 

　　仪器安捷伦 4100 ExoScan FTIR(如图 2 所示)用于此项研究。它是一个多功能，耐用的手持式中红外系统，能够匹配范围广泛的互换采样接口。在本研究中，采用了漫反射接口。4100 ExoScan FTIR 由可充电并可更换的锂离子电池驱动，可以持续操作 4 个小时之久。它也可以安装在实验室内像台式 FTIR 那样操作，具有和传统的实验室用 FTIR 分光光度计同样的性能。由于采用漫反射采样接口，4100 ExoScan FTIR 实现了非破坏性的测试。这与传统的实验室台式FTIR使用衰减性全反射(ATR)采样方法而造成的燕窝样品物理结构的破坏形成了鲜明的对比。此外，漫反射采样接口可测量更大的样品容量，从而提供较之 ATR 更加敏感精准的测量。在实现非破坏性检测的同时，4100 ExoScan 紧凑的设计意味着样品分析可以在方便的地方进行，无论是在实验室，移动设施上还是在现场。
 

　　食用燕窝的漫反射中红外光谱分析纯净样品的漫反射红外光谱较之经典的吸收光谱具有不同的谱形，如图 3 所示。从二者的叠加光谱图中可以看出，漫反射光谱的谱线方向往往与 ATR 吸收光谱相反，这是由于材料的折光率变化与其吸收波段变化相一致。鉴于二者波段变化的频率相同，所以都可用于材料定性。尽管光谱形状不同，但使用漫反射和 ATR 采样接口得到的化合物信息是一样的。如上所述，燕窝可能被种类繁多的常见添加剂污染或者伪造，这些常用添加剂包括碳酸盐，糖，盐，味精和羽毛。使用 4100 ExoScan FTIR 测量掺假燕窝，用这些掺假的样品测得的光谱图列于图 4 到 7 中，证实了检测的简便性。进一步，我们开发了一个可以判定燕窝样品通过或未通过检验的方法并用该方法对掺假样品进行了测试。
 

　　图 4 显示了纯净的食用燕窝样品与被碳酸钙污染的样品得到的红外光谱图的比较，这种污染很可能是因为该燕窝样品采集于石灰岩或溶洞。纯燕窝可以由蛋白质(酰胺 I，II 和III)光谱与纤维素光谱进行表征。而被碳酸钙污染的燕窝除了含有这些特征谱带外，由于碳酸盐官能团的存在，其在波数 1410 cm-1 和 873 cm-1 处还会出现两个额外的谱带。如在图 4 所看到的，4100 ExoScan FTIR 能够轻松地区别纯燕窝样品和那些被碳酸钙污染了的样品。盐(氯化钠)通常被添加到燕窝中以提升口感并增加其重量和价值。氯化钠是一种无机化合物，因此它不能被红外光谱检测到。然而，掺杂了氯化钠的燕窝仍旧可以被 4100ExoScan FTIR 检测到。盐有效地稀释了样品，导致本应该呈现负向谱带的位置出现了正向谱带。这在图 5 中可以看到。
 

　　如同盐分，糖(蔗糖)同样可以添加到燕窝中增加重量和改善口感。使用 FTIR，蔗糖能够轻松地从食用燕窝中鉴别出来，如图 6a 所示。掺杂了蔗糖样品的光谱图在波数1050 cm-1，980 cm-1 和 905 cm-1 处显示出蔗糖的强吸收谱带。商业实验室的 ATR 蔗糖光谱库的参考数据证实了这点(如图 6b)。MSG)是另外一种食品添加剂，它被添加到燕窝中用以增强口感。如图 7 所示，掺杂了 MSG 的食用燕窝可通过蛋白质酰胺 I 波段重叠的双峰来鉴定，这是一个羧酸盐的双峰。
 

　　通过检测/未通过检测的判定方法结果显示很多类型的常用掺杂物能够通过食用燕窝的红外光谱检测发现。为了向质检人员提供可靠的答案，文中开发了一个方法，它能够给出通过检测或未通过检测的判定，同时实现了常规污染物的鉴定。该方法采用安捷伦 MicroLab Mobile FTIR 软件实现，可通过 MicroLabMobile 操作 4100 ExoScan FTIR，前者专门设计用于提供易于理解的定量或定性结果。在这种情况下为每种掺杂物都定义了一个含量的最高阈值。如果测量的某掺杂物成分高于设定的阈值，则该掺杂物显示为红色。这就使用户很容易发现样品有掺假的迹象，并且鉴定为掺假样品。图 8 展示了一个掺杂了碳酸盐和食盐的食用燕窝样品的例子。另外该检测中还包括微量羽毛残留的测量结果，这些羽毛残留会降低燕窝的价值。这种方法优于常规的谱库检索或相关方法因为它能够检测到微量的掺杂物质，而这些物质使用多数的谱库检索方法是检测不到的。
 

　　结论FTIR 光谱仪具有非破坏性，快速直接检测，无需样品制备，优异的灵敏度和专用性等特性，因此是食用燕窝鉴别，质量保证和认证的极有价值的技术手段。这些特点对于防止掺假燕窝的欺诈性贸易是非常重要的，同时确保了食品安全和卫生标准。围绕供应，加工和销售血燕燕窝的产业正由于中国的日益富裕而快速增长，中国成为最大的燕窝消费市场，并且到处充斥着消费燕窝对保健和健康有益的宣传。具有集成漫反射采样接口的安捷伦 4100 ExoScan FTIR 分析仪为此类应用提供了理想的分析能力：• 选择-对准-按压操作模式对于不熟练的操作人员是一个理想的选择• 使用轻便的手持式分析仪可以现场分析样品并确保快速得到结果和快速的样品周转，这就使得掺假的样品能够从根源上得到控制• 可以对样品的很多区域进行非破坏性分析，因此可以对燕窝进行逐个检测• 由 MicroLab Mobile 软件提供的定量方法使分析结果易于理解• 通过与传统技术获得的数据进行比较，表明检测的结果非常可靠