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關于大米品質的儀器分析方法研究思考

來源:糧食與油脂 作者:黃亞偉,李換,王若蘭
發布于:2021-02-09 共4881字
    摘要:綜述了鮮度儀、電子鼻技術、計算機圖像處理技術、頂空固相微萃取/氣質聯用(HS–SPME/GC–MS)技術、低場核磁共振技術、拉曼光譜技術等快速分析方法在大米新鮮程度、加工品質、外觀品質分析檢測中的研究進展,提出了這些技術存在的問題,展望了這些技術的應用前景。
   
    關鍵詞:大米,品質,儀器分析技術


儀器分析論文

   
    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。我國每年不僅大米產量大,而且消耗量也非常多。據資料顯示,我國的水稻種植面積大,種植范圍廣,產量在世界排名前列。大米作為我國最主要的糧食供給,是關系國計民生的重要戰略物資,保障國家糧食安全具有很大意義,因此做好大米各個環節的品質檢測顯得尤為重要[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,而且大米加工時會有一定程度的機械損傷,因此大米很容易受到外界不良環境的影響而變質[2] ,比如在高溫、高濕條件下儲存大米,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,即大米的品質劣變。劣變陳化的大米的色澤、氣味、營養成分失去了新鮮大米應有的特性,甚至有的會攜帶霉菌毒素,是不能直接作為口糧食用的。目前傳統的檢測方法檢測速度慢,效率低,對樣品有一定的損壞,無法滿足人們對大米品質和無損檢測的要求。本文就目前使用的快速儀器分析方法:鮮度儀法、電子鼻法、計算機圖像處理法、HS–SPME/GC–MS技術、低場核磁共振法、拉曼光譜分析法等進行了概括總結。
   
    1 大米品質的儀器分析方法
   
    1.1 鮮度儀
   
    在大米腐敗變質的過程中,外部形狀和內部結構都會出現一定的變化;诖,日本都大田科學研究所的研究人員通過識別它們的外觀形狀和內部組織結構來鑒定大米的新鮮程度,運用這種理論開發了大米鮮度鑒定儀,即鮮度儀。于素平等[3] 在日本對新鮮度研究的基礎上,研制成功了適合中國稻谷品種的專用大米測鮮儀。該測鮮儀是利用特制的測鮮劑與大米樣品混合,得到呈現一定顏色的液體,通過可見光檢測分析儀檢測液體顏色的變化,得到反映大米新鮮度的新鮮度值。這種方法與傳統檢測方法相比,操作簡便,省時省力,大大降低檢測成本。與其他新鮮度快速檢測方法相比,大米測鮮儀能夠將新鮮程度數值化,更加客觀、準確地反映稻谷的新鮮程度。葛娜等[4] 應用RN–820型大米鮮度儀來判定大米新鮮度,該儀器是利用不同新鮮程度的大米p H不同的原理制造的,結果表明,這種方法能直觀地區分新、陳大米。盡管這種儀器還存在著一定的局限性,主要包括:使用的專用試劑是專利產品,不易買到,成本較高,保質期很短;該儀器是以日本大米和日本標準制定的,對我國大米研究的應用需要進一步探究。但是鮮度儀操作簡單、測試速度較快,不僅可以直觀地檢測大米新鮮度,還可以辨別新、陳大米的混雜現象。因此大米鮮度儀的應用在大米品質檢測、新鮮度判別、提高新陳大米的辨識度等方面具有重要作用。
   
    1.2 電子鼻技術
   
    電子鼻最早是由英國的教授在探究一些有機揮發氣體時發明的。它是從上世紀末期之后發展起來的一種氣味掃描儀,最近幾年有一些專家和學者研究了電子鼻在大米品質評價方法中的應用。大米儲藏過程中,大米本身代謝會產生一些物質,如酮、醛、醇類等,且大米中的害蟲也會產生一些物質。Han等[5] 利用電子鼻鑒別不同加工程度和儲存時間的大米中的揮發性成分。結果表明,儲存時間越長,加工程度越大,檢測到的揮發性成分種類越多,即電子鼻能夠準確預測不同加工程度和儲存時間大米中的揮發性物質。趙阿丹等[6] 用大米為原料,經加工得到米茶,采用電子鼻技術研究了米茶制作過程中的揮發性物質的轉變過程,建立了基于電子鼻傳感器的數學模型,可定量分析米茶中部分氣味物質的相對含量。宋偉等[7] 應用電子鼻對不同儲存條件下的稻谷品質進行檢測,結果表明:利用不同分析方法對不同儲存條件的稻谷品質進行判別的正確率都能達到90%以上,證明用電子鼻對大米的品質進行檢測是可行的。Zheng等[8] 用電子鼻對大米中的芳香化學成分進行了分析研究,該試驗是在電子鼻的參數優化及不同氣敏傳感器的選擇下完成的。胡志全等[9] 用電子鼻檢測了不同品種、不同新陳度的大米的揮發性氣味物質,分析研究得到:電子鼻能很好地區分出不同品種、不同新陳度大米氣味物質的差異,因此我們可以將電子鼻應用于鑒別大米的品種和新陳度。
   
    1.3 計算機圖像處理技術
   
    近些年來,隨著信息技術的飛速發展和計算機的廣泛應用,圖像分析技術已被應用于多個學科,在農作物領域也取得了很多突破性的進展,并顯示出廣闊的應用前景。采用計算機圖像處理技術對大米外觀品質進行檢測分析,具有快速便捷、客觀性強、結果準確等優勢,能夠避免人工方法的主觀性,并且能夠將檢測數據持久化,以便以后查詢、檢索[10,11] 。
   
    國內檢測大米外觀品質使用最多的方法是感官評價法,包括直接比較法和染色法,其中染色法又分為米類加工精度異色相差分染色檢驗法(IDS染色法)和蘇丹–Ⅲ乙醇溶液染色法。隨著科技進步,一些檢測大米品質的化學方法也應運而生,包括磷含量分析法[12] 、脂肪萃取法[13,14,15] 、紫外–可見光譜檢測法[16] 、光電法[17] 和計算機圖像識別法[18,19,20,21,22] 。
   
    吳杰[23] 結合宏觀力學特性、微觀結構和計算機圖像處理技術以及模式識別技術,研究了大米的不同破損方式。因為大米籽粒裂紋是大米產生碎米、發霉和食用品質下降的主要原因,裂紋產生方式與結構強度有關,而籽粒結構強度是微觀結構的外在表現,因此從微觀角度探討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價方法。設計了大米透明度圖像采集設備,采集大米圖像,提取透明度特征值,采用逐步引入–剔除法進行多元線性回歸分析,建立大米透明度預測模型,并用聚類分析方法對預測結果和透明度感官分類結果進行對比驗證。結果表明,該回歸方程檢驗達到了顯著性水平,正確率達94.12%,即基于計算機圖像分析的大米透明度定量評價方法是可行的。張玉榮等[25] 為了準確評價米飯外觀品質,采用計算機圖像處理技術獲取米飯外觀特征值,探討特征值與感官評價值的相關關系。結果表明:通過計算機圖像處理技術獲取的米飯外觀測定指標與感官評價指標具有很好的相關性;以各外觀感官評價指標為因變量所建立的回歸方程及回歸系數均達到了顯著性水平。因此,可以利用計算機圖像處理技術替代部分外觀感官評價對米飯外觀進行準確地評價。傳統的大米顆粒檢測的方法存在一定的局限性,因此任景英等[26] 嘗試應用計算機圖像處理技術來直接獲得大米顆粒的信息。首先對獲取的大米圖像進行增強處理,在此基礎上,研究幾種不同的邊緣檢測算子來實現對大米粒形的檢測并比較其結果。試驗結果表明,這種方法對大米粒形檢測效果良好,該方法用于大米粒形的識別時對大米的判定正確率較高。
   
    計算機圖像處理技術在大米品質的檢測系統中的應用并沒有很長時間,近些年來發展迅速,但是要達到生產自動化,還是有很多問題需要克服。計算機圖像處理技術在大米檢測技術行業里未來的發展是美好的,不僅僅能做到全面地檢測大米外觀品質,而且還能檢測大米的內在品質。
   
    1.4 頂空固相微萃取/氣質聯用(HS–SPME/GC–MS)技術
   
    目前,氣質聯用(GC–MS)已經成為檢測揮發性物質成分和含量的一種重要手段,在生命科學[27] 、環境保護[28] 和食品藥品質量評價[29] 上已有廣泛的應用。而頂空固相微萃取(SPME)是常用的測定揮發性物質的方法。二者聯用將濃縮、萃取和檢測等多種技術集于一體,具有很多優點,例如檢測速度快、操作方便、試驗結果的靈敏度高、不需要溶劑和適用范圍廣等[30] 。
   
    很早以前就有很多外國學者對大米中的揮發性物質進行研究[31] ,但是卻很晚才將HS–SPME/GC–MS技術應用到大米揮發性成分的分析中[32,33] 。Bryant等[34] 對香米進行了分析鑒定,在檢測出的90多種揮發性物質中,其中有60多種目前還沒人進行過報道。Tananuwong等[35] 也研究了有機香米中的揮發性物質在不同儲存條件下的變化情況。林家永等[36] 用HS–SPME/GC–MS技術研究分析了稻谷中的揮發性成分,結果發現,稻谷的主要揮發性成分是有機酸類、酯類、烴類、醇類、醛類、酮類和雜環類化合物,其中較高含量的是酮類、烴類和醛類。黃亞偉等[37] 通過HS–SPME/GC–MS技術分析了不同種類的五常大米中的揮發性氣體成分之間的差異。姜雯翔等[38] 運用HS–SPME/GC–MS分析了發芽糙米在不同儲藏溫度下揮發性成分的變化,結果發現:發芽糙米中含量較多的揮發性成分是烴類、醛類和酯類,含量少的是醇類和酸類;隨著儲存時間增加,揮發性成分明顯發生變化;不同儲藏溫度的發芽糙米的揮發性成分種類、含量不同;诟鞣N研究報道,儲存時間不同,大米中含有的揮發性物質不同,且含量也不一樣,因此,未來將HS–SPME/GC–MS技術應用于大米的品質檢測和新鮮度鑒別是我們的重點研究方向。
   
    1.5 低場核磁共振技術
   
    自美國學者發現核磁共振現象,核磁共振技術作為一種重要的現代分析手段已被廣泛應用于很多領域[39] 。核磁共振技術在各個領域的應用都非常成功,核磁共振技術能夠同時得到被測物體的物理信息和化學信息,取得樣品中的唯一指紋信息[40] 。低場核磁共振技術的原理是采用特定的脈沖序列對樣品中具有固定磁矩的原子核進行激發,然后產生一串強度衰減的可檢測感應信號;谶@項技術的廣泛應用,低場核磁共振技術為我們研究檢測分析糧油食品在儲藏和加工過程中品質變化提供了新的思路,因其具有快速無損的特點,該項技術在大米品質的檢測中具有巨大潛力[41,42] 。姜潮等[43] 提出一種基于低場核磁共振技術的快速、無損鑒別大米品種的新方法,即以不同地域的大米為低場核磁共振檢測對象,利用PCA分析處理CPMG序列的檢測數據。結果表明,不同地域的大米在主成分得分圖上可以得到很好的區分,說明這種方法可以對大米品種進行鑒定和分類,為大米的品種鑒定提供了一種新的思路。目前隨著科技水平的提高,低場核磁共振儀器的配件制造技術也不斷進步,加之這種儀器逐漸的國產化,使價格持續下降,因此低場核磁共振技術在我國普及應用的腳步也越來越快。但相對于其他快速檢測技術,該技術在國內糧油食品中的應用研究仍處于初始階段,未來將該技術應用在大米品質的快速檢測中也是我們的研究方向之一。
   
    1.6 拉曼光譜技術
   
    拉曼光譜是在光的拉曼散射效應的基礎上發展起來的一種分子振動光譜。與一般的檢測方法相比,拉曼光譜技術有很多優勢:拉曼光譜可以進行多樣品無損傷的定性分析和定量分析,且測定時只需要少量樣品,測試前樣品不需要預處理,可以避免系統產生誤差;由于水的拉曼散射很微弱,因此拉曼光譜更適宜水溶液測定;拉曼光譜儀器使用簡便,測試速度快,靈敏度高,可明顯表征特定分子的結構;谶@些優勢拉曼光譜在很多領域都得到了廣泛的應用[44,45,46,47] 。目前拉曼光譜在谷物領域的應用報道較少,主要應用在成分結構分析[48] 、安全質量控制、谷物產地檢測[49] 等定性檢測方面,以及成分含量的定量檢測等少數幾個方面。孫娟等[50] 以拉曼光譜技術為手段,結合化學計量學方法,對不同地區的大米樣品進行光譜采集,并對得到的拉曼圖譜進行主成分分析和偏最小二乘判別分析,建立大米快速分類判別方法。作為一種快速、無損、簡便的分析檢測手段,拉曼光譜技術為大米品種、產地的快速判別、大米的品質檢測以及市場的有序監控提供了可能。
   
    2 前景與展望
   
    隨著分析方法的改進和儀器設備的開發,快速的儀器分析技術在大米品質分析中的作用將更加突出。目前,大米的品質分析多集中于儲存及加工生產階段的研究,而在運輸、銷售等環節的品質變化研究較少,因此微型便攜式的儀器如微型近紅外、微型拉曼等在大米品質中的檢測分析將會成為今后的發展趨勢;開發建立一些性能穩定、精確度高、操作方便的大米分析檢測系統,繼而建立多地域、多品種的大米品質分析數據庫顯得尤為重要;同時,大米品質的在線檢測技術也有待開發。
   
    參考文獻   
    [1]WU Y,CHEN Z,LI X,et al.Retrogradation properties of high amylose rice flour and ricestarch by physical modification[J].LWT-Food Science and Technology,2010,43(3):492-497.   
    [2]黃之斌,程緒鐸.大米的儲藏特性及生態儲糧桶的設計[J].糧食儲藏,2012,41(6):13-17.   
    [3]于素平,石翠霞,楊冬平,等.稻谷新鮮度快速檢測技術研究進展[J].糧食科技與經濟,2015,40(6):26-28.   
    [4]葛娜,崔宗巖,周樂,等.大米鮮度儀在大米新鮮度檢測中的應用[J].食品研究與開發,2015,36(20):141-144.
作者單位:河南工業大學糧油食品學院
原文出處:黃亞偉,李換,王若蘭.大米品質的儀器分析方法研究進展[J].糧食與油脂,2017,30(01):1-4.
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