摘要：综述了鲜度仪、电子鼻技术、计算机图像处理技术、顶空固相微萃取/气质联用(HS–SPME/GC–MS)技术、低场核磁共振技术、拉曼光谱技术等快速分析方法在大米新鲜程度、加工品质、外观品质分析检测中的研究进展,提出了这些技术存在的问题,展望了这些技术的应用前景。
关键词：大米,品质,仪器分析技术
大米是地球上最主要的粮食作物之一,世界上有很多人把大米作为主食。我国每年不仅大米产量大,而且消耗量也非常多。据资料显示,我国的水稻种植面积大,种植范围广,产量在世界排名前列。大米作为我国最主要的粮食供给,是关系国计民生的重要战略物资,保障国家粮食安全具有很大意义,因此做好大米各个环节的品质检测显得尤为重要[1] 。
大米属于较难保存的成品粮,在大米加工时将稻壳和皮层去除,致使胚乳直接暴露于外界,而且大米加工时会有一定程度的机械损伤,因此大米很容易受到外界不良环境的影响而变质[2] ,比如在高温、高湿条件下储存大米,不仅加快大米的陈化和霉变速度,而且致使酸度值上升、黏性值下降,即大米的品质劣变。劣变陈化的大米的色泽、气味、营养成分失去了新鲜大米应有的特性,甚至有的会携带霉菌毒素,是不能直接作为口粮食用的。目前传统的检测方法检测速度慢,效率低,对样品有一定的损坏,无法满足人们对大米品质和无损检测的要求。本文就目前使用的快速仪器分析方法:鲜度仪法、电子鼻法、计算机图像处理法、HS–SPME/GC–MS技术、低场核磁共振法、拉曼光谱分析法等进行了概括总结。
1 大米品质的仪器分析方法
1.1 鲜度仪
在大米腐败变质的过程中,外部形状和内部结构都会出现一定的变化。基于此,日本都大田科学研究所的研究人员通过识别它们的外观形状和内部组织结构来鉴定大米的新鲜程度,运用这种理论开发了大米鲜度鉴定仪,即鲜度仪。于素平等[3] 在日本对新鲜度研究的基础上,研制成功了适合中国稻谷品种的专用大米测鲜仪。该测鲜仪是利用特制的测鲜剂与大米样品混合,得到呈现一定颜色的液体,通过可见光检测分析仪检测液体颜色的变化,得到反映大米新鲜度的新鲜度值。这种方法与传统检测方法相比,操作简便,省时省力,大大降低检测成本。与其他新鲜度快速检测方法相比,大米测鲜仪能够将新鲜程度数值化,更加客观、准确地反映稻谷的新鲜程度。葛娜等[4] 应用RN–820型大米鲜度仪来判定大米新鲜度,该仪器是利用不同新鲜程度的大米p H不同的原理制造的,结果表明,这种方法能直观地区分新、陈大米。尽管这种仪器还存在着一定的局限性,主要包括:使用的专用试剂是专利产品,不易买到,成本较高,保质期很短;该仪器是以日本大米和日本标准制定的,对我国大米研究的应用需要进一步探究。但是鲜度仪操作简单、测试速度较快,不仅可以直观地检测大米新鲜度,还可以辨别新、陈大米的混杂现象。因此大米鲜度仪的应用在大米品质检测、新鲜度判别、提高新陈大米的辨识度等方面具有重要作用。
1.2 电子鼻技术
电子鼻最早是由英国的教授在探究一些有机挥发气体时发明的。它是从上世纪末期之后发展起来的一种气味扫描仪,最近几年有一些专家和学者研究了电子鼻在大米品质评价方法中的应用。大米储藏过程中,大米本身代谢会产生一些物质,如酮、醛、醇类等,且大米中的害虫也会产生一些物质。Han等[5] 利用电子鼻鉴别不同加工程度和储存时间的大米中的挥发性成分。结果表明,储存时间越长,加工程度越大,检测到的挥发性成分种类越多,即电子鼻能够准确预测不同加工程度和储存时间大米中的挥发性物质。赵阿丹等[6] 用大米为原料,经加工得到米茶,采用电子鼻技术研究了米茶制作过程中的挥发性物质的转变过程,建立了基于电子鼻传感器的数学模型,可定量分析米茶中部分气味物质的相对含量。宋伟等[7] 应用电子鼻对不同储存条件下的稻谷品质进行检测,结果表明:利用不同分析方法对不同储存条件的稻谷品质进行判别的正确率都能达到90%以上,证明用电子鼻对大米的品质进行检测是可行的。Zheng等[8] 用电子鼻对大米中的芳香化学成分进行了分析研究,该试验是在电子鼻的参数优化及不同气敏传感器的选择下完成的。胡志全等[9] 用电子鼻检测了不同品种、不同新陈度的大米的挥发性气味物质,分析研究得到:电子鼻能很好地区分出不同品种、不同新陈度大米气味物质的差异,因此我们可以将电子鼻应用于鉴别大米的品种和新陈度。
1.3 计算机图像处理技术
近些年来,随着信息技术的飞速发展和计算机的广泛应用,图像分析技术已被应用于多个学科,在农作物领域也取得了很多突破性的进展,并显示出广阔的应用前景。采用计算机图像处理技术对大米外观品质进行检测分析,具有快速便捷、客观性强、结果准确等优势,能够避免人工方法的主观性,并且能够将检测数据持久化,以便以后查询、检索[10,11] 。
国内检测大米外观品质使用最多的方法是感官评价法,包括直接比较法和染色法,其中染色法又分为米类加工精度异色相差分染色检验法(IDS染色法)和苏丹–Ⅲ乙醇溶液染色法。随着科技进步,一些检测大米品质的化学方法也应运而生,包括磷含量分析法[12] 、脂肪萃取法[13,14,15] 、紫外–可见光谱检测法[16] 、光电法[17] 和计算机图像识别法[18,19,20,21,22] 。
吴杰[23] 结合宏观力学特性、微观结构和计算机图像处理技术以及模式识别技术,研究了大米的不同破损方式。因为大米籽粒裂纹是大米产生碎米、发霉和食用品质下降的主要原因,裂纹产生方式与结构强度有关,而籽粒结构强度是微观结构的外在表现,因此从微观角度探讨大米加工破损具有重要意义。崔雯雯等[24] 提出了基于图像分析的大米透明度定量评价方法。设计了大米透明度图像采集设备,采集大米图像,提取透明度特征值,采用逐步引入–剔除法进行多元线性回归分析,建立大米透明度预测模型,并用聚类分析方法对预测结果和透明度感官分类结果进行对比验证。结果表明,该回归方程检验达到了显着性水平,正确率达94.12%,即基于计算机图像分析的大米透明度定量评价方法是可行的。张玉荣等[25] 为了准确评价米饭外观品质,采用计算机图像处理技术获取米饭外观特征值,探讨特征值与感官评价值的相关关系。结果表明:通过计算机图像处理技术获取的米饭外观测定指标与感官评价指标具有很好的相关性;以各外观感官评价指标为因变量所建立的回归方程及回归系数均达到了显着性水平。因此,可以利用计算机图像处理技术替代部分外观感官评价对米饭外观进行准确地评价。传统的大米颗粒检测的方法存在一定的局限性,因此任景英等[26] 尝试应用计算机图像处理技术来直接获得大米颗粒的信息。首先对获取的大米图像进行增强处理,在此基础上,研究几种不同的边缘检测算子来实现对大米粒形的检测并比较其结果。试验结果表明,这种方法对大米粒形检测效果良好,该方法用于大米粒形的识别时对大米的判定正确率较高。
计算机图像处理技术在大米品质的检测系统中的应用并没有很长时间,近些年来发展迅速,但是要达到生产自动化,还是有很多问题需要克服。计算机图像处理技术在大米检测技术行业里未来的发展是美好的,不仅仅能做到全面地检测大米外观品质,而且还能检测大米的内在品质。
1.4 顶空固相微萃取/气质联用(HS–SPME/GC–MS)技术
目前,气质联用(GC–MS)已经成为检测挥发性物质成分和含量的一种重要手段,在生命科学[27] 、环境保护[28] 和食品药品质量评价[29] 上已有广泛的应用。而顶空固相微萃取(SPME)是常用的测定挥发性物质的方法。二者联用将浓缩、萃取和检测等多种技术集于一体,具有很多优点,例如检测速度快、操作方便、试验结果的灵敏度高、不需要溶剂和适用范围广等[30] 。
很早以前就有很多外国学者对大米中的挥发性物质进行研究[31] ,但是却很晚才将HS–SPME/GC–MS技术应用到大米挥发性成分的分析中[32,33] 。Bryant等[34] 对香米进行了分析鉴定,在检测出的90多种挥发性物质中,其中有60多种目前还没人进行过报道。Tananuwong等[35] 也研究了有机香米中的挥发性物质在不同储存条件下的变化情况。林家永等[36] 用HS–SPME/GC–MS技术研究分析了稻谷中的挥发性成分,结果发现,稻谷的主要挥发性成分是有机酸类、酯类、烃类、醇类、醛类、酮类和杂环类化合物,其中较高含量的是酮类、烃类和醛类。黄亚伟等[37] 通过HS–SPME/GC–MS技术分析了不同种类的五常大米中的挥发性气体成分之间的差异。姜雯翔等[38] 运用HS–SPME/GC–MS分析了发芽糙米在不同储藏温度下挥发性成分的变化,结果发现:发芽糙米中含量较多的挥发性成分是烃类、醛类和酯类,含量少的是醇类和酸类;随着储存时间增加,挥发性成分明显发生变化;不同储藏温度的发芽糙米的挥发性成分种类、含量不同。基于各种研究报道,储存时间不同,大米中含有的挥发性物质不同,且含量也不一样,因此,未来将HS–SPME/GC–MS技术应用于大米的品质检测和新鲜度鉴别是我们的重点研究方向。
1.5 低场核磁共振技术
自美国学者发现核磁共振现象,核磁共振技术作为一种重要的现代分析手段已被广泛应用于很多领域[39] 。核磁共振技术在各个领域的应用都非常成功,核磁共振技术能够同时得到被测物体的物理信息和化学信息,取得样品中的唯一指纹信息[40] 。低场核磁共振技术的原理是采用特定的脉冲序列对样品中具有固定磁矩的原子核进行激发,然后产生一串强度衰减的可检测感应信号。基于这项技术的广泛应用,低场核磁共振技术为我们研究检测分析粮油食品在储藏和加工过程中品质变化提供了新的思路,因其具有快速无损的特点,该项技术在大米品质的检测中具有巨大潜力[41,42] 。姜潮等[43] 提出一种基于低场核磁共振技术的快速、无损鉴别大米品种的新方法,即以不同地域的大米为低场核磁共振检测对象,利用PCA分析处理CPMG序列的检测数据。结果表明,不同地域的大米在主成分得分图上可以得到很好的区分,说明这种方法可以对大米品种进行鉴定和分类,为大米的品种鉴定提供了一种新的思路。目前随着科技水平的提高,低场核磁共振仪器的配件制造技术也不断进步,加之这种仪器逐渐的国产化,使价格持续下降,因此低场核磁共振技术在我国普及应用的脚步也越来越快。但相对于其他快速检测技术,该技术在国内粮油食品中的应用研究仍处于初始阶段,未来将该技术应用在大米品质的快速检测中也是我们的研究方向之一。
1.6 拉曼光谱技术
拉曼光谱是在光的拉曼散射效应的基础上发展起来的一种分子振动光谱。与一般的检测方法相比,拉曼光谱技术有很多优势:拉曼光谱可以进行多样品无损伤的定性分析和定量分析,且测定时只需要少量样品,测试前样品不需要预处理,可以避免系统产生误差;由于水的拉曼散射很微弱,因此拉曼光谱更适宜水溶液测定;拉曼光谱仪器使用简便,测试速度快,灵敏度高,可明显表征特定分子的结构。基于这些优势拉曼光谱在很多领域都得到了广泛的应用[44,45,46,47] 。目前拉曼光谱在谷物领域的应用报道较少,主要应用在成分结构分析[48] 、安全质量控制、谷物产地检测[49] 等定性检测方面,以及成分含量的定量检测等少数几个方面。孙娟等[50] 以拉曼光谱技术为手段,结合化学计量学方法,对不同地区的大米样品进行光谱采集,并对得到的拉曼图谱进行主成分分析和偏最小二乘判别分析,建立大米快速分类判别方法。作为一种快速、无损、简便的分析检测手段,拉曼光谱技术为大米品种、产地的快速判别、大米的品质检测以及市场的有序监控提供了可能。
2 前景与展望
随着分析方法的改进和仪器设备的开发,快速的仪器分析技术在大米品质分析中的作用将更加突出。目前,大米的品质分析多集中于储存及加工生产阶段的研究,而在运输、销售等环节的品质变化研究较少,因此微型便携式的仪器如微型近红外、微型拉曼等在大米品质中的检测分析将会成为今后的发展趋势;开发建立一些性能稳定、精确度高、操作方便的大米分析检测系统,继而建立多地域、多品种的大米品质分析数据库显得尤为重要;同时,大米品质的在线检测技术也有待开发。
参考文献
[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]黄之斌,程绪铎.大米的储藏特性及生态储粮桶的设计[J].粮食储藏,2012,41(6):13-17.
[3]于素平,石翠霞,杨冬平,等.稻谷新鲜度快速检测技术研究进展[J].粮食科技与经济,2015,40(6):26-28.
[4]葛娜,崔宗岩,周乐,等.大米鲜度仪在大米新鲜度检测中的应用[J].食品研究与开发,2015,36(20):141-144.
