紫外可见分光光度计及其在食品检验中的发展和应用解析.docx

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紫外可见分光光度计及其在食品检验中的发展和应用解析

紫外可见分光光度计及其在食品检验中的发展和应用

摘要：

紫外可见分光光度计是一类很重要的分析仪器，无论在物理学、化学、生物学、食品、材料学、环境科学等科学研究领域，还是在化工、医药、环境检测、冶金等现代生产与管理部门，紫外可见分光光度计都有广泛而重要的应用。

本文分别就紫外-可见光分光光度法在食品工业中的这些应用作了简要介绍。

目前利用紫外-可见光分光光度法的各种方法正在逐步发展，而且随着社会的发展和人们生活水平的提高，紫外-可见光分光光度法在食品行业中的应用也会越来越广泛。

本文将重点介绍uv-v计的原理，结构，特点及其在食品检测中的发展和应用。

关键词：

紫外可见分光光度计；食品检测

Uv-visspectrophotometeranditsdevelopmentandapplicationinfoodinspection

Abstract:

UVVISspectrophotometerisakindofveryimportantanalyticalinstrument.Ithasalonghistoryinthechemical,biological,medical,materialscience,environmentalscience,environmentalscience,environmentalscienceandothermodernproductionandmanagementdepartments,Thisarticleisultraviolet-visiblespectrophotometryrespectively,theauthorintroducetheapplicationinfoodindustry.Currentlyusedultraviolet-visiblespectrophotometrymethodsaregraduallydeveloped,andwiththedevelopmentofthesocietyandpeoplelivingstandardrise,ultraviolet-visiblespectrophotometryapplicationinthefoodindustryalsowillbemoreandmorewidely.Thisarticlefocusesontheprincipleofuv-vmeter,structure,characteristicsanditsdevelopmentandapplicationinfoodandfoodtesting.

Keywords:

uv-visiblespectrophotometer;Foodtesting

前言

l9世纪50年代，首先出现了用千目观比色法的纳氏（Nessler）比色管，不久有杜氏（Duboscq）比色计，后者一直沿用到本世纪的40年代。

1911年，使用硒光电池的Berg比色计制成。

而这种光电比色计是分光光度计的雏形和基础。

本世纪3O年代看，由于秉灯、氢灯和各种棱镜，光学器材和电学器材的发展，美国Beckman公司的第一台分光光度计终于在1941年问世。

至60年代，紫外可见光分光光度计（UV—V计）基本上取代了光电比色计1957年，美国Technicon公司按照Skaggs医生的方案，推出了世界上第一台自动化的食品生化分析仪。

六十年代以后．各种自动化分析仪层出不穷。

特别是70年代起，各种分光光度计与计算机联姻，明显地扩大了仪器功能现在，分光光度计作为综台光学、电学（尤其是计算机技术）和精密机械学的发展和应用，已广泛应用于食品、药品、工业和农业等许多领域。

其中以UV—V计系列彰响最广、应用最普遍，并且还是其他分光光度计（如原子吸收分光光度计）的基础。

紫外可见分光光度法具有仪器价格低廉适用性广泛，尤其是采用微机控制以来，该技术得到了突飞猛进的发展，成为食品检测中必备的一个常规仪器，

食品营养价值指食品中所含的热能和营养素能满足人体营养需要的程度。

食品中的各种营养物质必须通过一定的技术手段才能准确检测，每种营养物质的定性与定量检测都离不开科学的方法，本文简要介绍了紫外可见分光光度法检测食品种的某些物质的方法。

更重要的是，“民以食为天，食以安为先”，食品安全关乎人们健康和国计民生。

食品安全除了影响消费者健康外，还与食品进出口贸易、国家声誉，乃至社会安定有着密切关系。

近年来，国内外食品安全问题接连不断，食品安全问题已成为当今各国政府、消费者和科技界广为关注的焦点问题之一。

紫外可见分光光度法在检测食品中一些威胁人们健康的因素方面也有重要作用。

其应用范围包括：

①定量分析，广泛用于各种物料中微量、超微量和常量的无机和有机物质的测定。

②定性和结构分析，紫外吸收光谱还可用于推断空间阻碍效应、氢键的强度、互变异构、几何异构现象等。

③反应动力学研究，即研究反应物浓度随时间而变化的函数关系，测定反应速度和反应级数，探讨反应机理。

④研究溶液平衡，如测定络合物的组成，稳定常数、酸碱离解常数等。

紫外-可见光分光光度法在食品行业中的应用主要可大致分为在食品成分分析中的应用和在食品安全检测中的应用，其中在食品成分分析中的应用主要有紫外-可见分光光度计在食品酶分析中的应用、酸奶中维生素A的测定、水果汁中果糖的测定、番茄红素的测定、甜蜜素的测定等；而在食品安全检测中的应用主要有分光光度法测定食品中硼砂、紫外可见分光光度法检测食品中的镉、紫外可见分光光度法测定食品中的苏丹红Ⅲ、用分光光度法测定食品中吊白块的含量等。

一．紫外可见分光光度计的发展

（一）基本情况

1.紫外可见分光光度计简介　

1852年，比尔（Beer）参考了布给尔（Bouguer）1729年和朗伯（Lambert）在1760年所发表的文章，提出了分光光度的基本定律，即液层厚度相等时，颜色的强度与呈色溶液的浓度成比例，从而奠定了分光光度法的理论基础，这就是著名的比尔朗伯定律。

1854年，杜包斯克（Duboscq）和奈斯勒（Nessler）等人将此理论应用于定量分析化学领域，并且设计了第一台比色计。

到1918年，美国国家标准局制成了第一台紫外可见分光光度计。

此后，紫外可见分光光度计经不断改进，又出现自动记录、自动打印、数字显示、微机控制等各种类型的仪器，使光度法的灵敏度和准确度也不断提高，其应用范围也不断扩大。

2.原理

分子的紫外可见吸收光谱是由于分子中的某些基团吸收了紫外可见辐射光后，发生了电子能级跃迁而产生的吸收光谱。

它是带状光谱，反映了分子中某些基团的信息。

可以用标准光图谱再结合其它手段进行定性分析。

根据Lambert-Beer定律：

A=εbc，（A为吸光度，ε为摩尔吸光系数，b为液池厚度，c为溶液浓度）可以对溶液进行定量分析。

3.结构

无论哪一类分光光度计都由下列五部分组成，即光源、单色器、狭缝、样品池，检测器系统。

（1）光源

要求能提供所需波长范围的连续光谱，稳定而有足够的强度。

常用的有白炽灯（钨比灯、卤钨灯等）、气体放电灯（氢灯、氘灯及氙灯等）、金属弧灯（各种汞灯）等多种。

钨灯和卤钨灯发射320～2000nm连续光谱，最适宜工作范围为360～1000nm，稳定性好，用作可见光分光光度计的光源。

氢灯和氘灯能发射150～4O0nm的紫外光，可用作紫外光区分光光度计的光源。

红外线光源则由纳恩斯特（Nernst）棒产生。

汞灯发射的不是连续光谱，能量绝大部分集中在253.6nm波长外，一般作波长校正用。

（2）分光系统（单色器）

单色器是指能从混合光波中分解出来所需单一波长光的装置，由棱镜或光栅构成。

用玻璃制成的棱镜色散力强，但只能在可见光区工作，石棱镜工作波长范围为185～4000nm，在紫外区有较好的分辨率而且也适用于可见光区和近红外区。

棱镜的特点是波长越短，色散程度越好。

所以用棱镜的分光光度计，其波长刻度在紫外区可达到0．2nm，而在长波段只能达到5肿。

有的分光光系统是衍射光栅，即在石英或玻璃的表面上刻划许多平行线，刻线处不透光，于是通过光的干涉和衍射现象，较长的光波偏折的角度大，较短的光波偏折的角度小，因而形成光谱。

（3）狭缝

狭缝是指由一对隔板在光通路上形成的缝隙，用来调节人射单色光的纯度和强度，也直接影响分辨率。

狭缝可在0～2mm宽度内调节，由于棱镜色散力随波长不同而变化，较先进的分光光度计的狭缝宽度可随波长一起调节。

（4）比色杯

比色杯也叫样品池或比色皿，用来盛溶液，各个杯子壁厚度等规格应尽可能完全相等，否则将产生测定误差。

玻璃比色杯只适用于可见光区，在紫外区测定时要用石英比色杯。

（5）检测器系统

有许多金属能在光的照射下产生电流，光愈强电流愈大，此即光电效应。

因光照射而产生的电流叫做光电流。

受光器有两种，一是光电池，二是光电管。

光电池的组成种类繁多，最常用的是硒光电池。

当连续照射一段时间会产生疲劳现象而使光电流下降，要在暗中放置一些时候才能恢复。

因此使用时不宜长期照射，以防止光电池因疲劳而产生误差。

光电管装有一个阴极和一个阳极，阴极是用对光敏感的金属（多为碱土金属的氧化物）做成。

光愈强，电子放出愈多，电子是带负电的，被吸引到阳极上而产生电流。

光电管产生电流很小，需要放大。

分光光度计中常用电子倍增光电管，在光照射下所产生的电流比其他光电管要大得多，这就提高了测定的灵敏度。

检测器产生的光电流以某种方式转变成模拟的或数字的结果，模拟输出装置包括电流表、电压表、记录器、示波器及与计算机联用等，数字输出则通过模拟/数字转换装置如数字式电压表等。

4.特点

紫外可见分光光度法对于分析人员来说，可以说是最常用和有效的工具之一。

几乎每一个分析实验室都离不开紫外可见分光光度计。

分光光度法具有以下主要特点。

4.1灵敏度高

由于新的显色剂的大量合成，并在应用研究方面取得了可喜的进展，使得对元素测定的灵敏度有所推进．特别是有关多元络合物和各种表面活性剂的应用研究，使许多元素的摩尔吸光系数由原来的几万提高到数十万。

4.2选择性好

目前已有些元素只要利用控制适当的显色条件就可直接进行光度法测定，如钴、铀、镍、铜、银、铁等元素的测定，已有比较满意的方法了。

4.3准确度高

对于一般的分光光度法，其浓度测量的相对误差在1～3％范围内，如采用示差分光光度法进行测量，则误差可减少到0.x％。

4.4适用浓度范围广

可从常量（1％～50％）（尤其使用示差法）到痕量（1O-8～1O-6％）（经预富集后）。

4.5分析成本低、操作简便、快速、应用广泛

由于各种各样的无机物和有机物在紫外可见区都有吸收，因此均可借此法加以测定。

到目前为止，几乎化学元素周期表上的所有元素除少数放射性元素和惰性元素之外）均可采用此法。

在国际上发表的有关分析的论文总数中，光度法约占28％，我国约占所发表论文总数的33％。

（二）国内外的一些新发展

紫外分光光度法在分析领域中的应用已经有数十年的历史，至今仍是应用最广泛的分析方法之一。

随着分光元器件及分光技术、检测器件与检测技术、大规模集成制造技术等的发展，以及单片机、微处理器、计算机和DSP技术的广泛应用，分光光度计的性能指标不断提高，并向自动化、智能化、高速化和小型化等方向发展，在分光元器件方面，经历了棱镜、机刻光栅和全息光栅的过程，商品化的全息闪耀光栅已迅速取代一般刻画光栅。

在仪器控制方面，随着单片机、微处理器的出现以及软硬件技术的结合，从早期的人工控制进步到了自动控制。

在显示、记录与绘图方面，早期采用表头（电位计）指示、绘图仪绘图，后来用数字电压表数字显示，如今更多地采用液晶屏幕或计算机屏幕显示。

在检测器方面，早期使用光电池、光电管，后来更普遍地使用光电倍增管甚至光电二极管阵列。

阵列型检测器和凹面光栅的联合应用，使仪器的测量速度发生了质的飞跃，且性能更加稳定可靠，受到仪器用户的青睐，最具有代表性的当数安捷伦的HP8452/8453[3J。

在仪器构型方面，从单光束发展为双光束，现在几乎所有高级分光光计都是双光束的，有些高精度的仪器采用双单色器，使得仪器在分辨率和杂散光等方面的性能大大提高，如Varian（瓦里安）的Cary1/3/400。

随着集成电路技术和光纤技术的发展，联合采用小型凹面全息光栅和阵列探测器以及USB接口等新技术，已经出现了一些携带方便、用途广泛的小型化甚至是掌上型的紫外可见分光光度计。

紫外可见光分光光度计等不同类别、不同等级和规格的检测，仅在植床食品检验中应用已十分普遍最新自动化生化分析仪也已经进入我国的食品食品检验领域。

二．紫外可见分光光度技术的基本应用

1.测定溶液中物质的含量

可见或紫外分光光度法都可用于测定溶液中物质的含量。

测定标准溶液（浓度已知的溶液）和未知液（浓度待测定的溶液）的吸光度，进行比较，由于所用吸收池的厚度是一样的。

也可以先测出不同浓度的标准液的吸光度，绘制标准曲线，在选定的浓度范围内标准曲线应该是一条直线，然后测定出未知液的吸光度，即可从标准曲线上查到其相对应的浓度。

含量

测定时所用波长通常要选择被测物质的最大吸收波长，这样做有两个好处：

（1）灵敏度大，物质在含量上的稍许变化将引起较大的吸光度差异；

（2）可以避免其他物质的干扰。

2．用紫外光谱鉴定化合物

使用分光光度计可以绘制吸收光谱曲线。

方法是用各种波长不同的单色光分别通过某一浓度的溶液，测定此溶液对每一种单色光的吸光度，然后以波长为横座标，以吸光度为纵座标绘制吸光度波长曲线，此曲线即吸收光谱曲线。

各种物质有它自己一定的吸收光谱曲线，因此用吸收光谱曲线图可以进行物质种类的鉴定。

一定物质在不同浓度时，其吸收光谱曲线

中，峰值的大小不同，但形状相似，即吸收高峰和低峰的波长是一定不变的。

紫外线吸收是由不饱和的结构造成的，含有双键的化合物表现出吸收峰。

紫外吸收光谱比较简单，同一种物质的紫外吸收光谱应完全一致，但具有相同吸收光谱的化合物其结构不一定相同。

除了特殊情况外，单独依靠紫外吸收光谱决定一个未知物结构，必须与其他方法配合。

紫外吸收光谱分析主要用于已知物质的定量分析和纯度分析。

3.比较最大吸收波长吸收系数的一致性

由于紫外吸收光谱只含有2～3个较宽的吸收带，而紫外光谱主要是分子内的发色团在紫外区产生的吸收，与分子和其它部分关系不大。

具有相同发色团的不同分子结构，在较大分子中不影响发色团的紫外吸收光谱，不同的分子结构有可能有相同的紫外吸收光谱，但它们的吸收系数是有差别的。

如果分析样品和标准样品的吸收波长相同，吸收系数也相同，则可认为分析样品与标准样品为同一物质。

4．反应动力学研究

借助于分光光度法可以得出一些化学反应速度常数，并从两个或两个以上温度条件下得到的速度数据，得出反应活化能。

5.纯度检验

紫外吸收光谱能测定化合物中含有微量的具有紫外吸收的杂质。

如果化合物的紫外可见光区没有明显的吸收峰，而它的杂质在紫外区内有较强的吸收峰，就可以检测出化合物中的杂质。

6.氢键强度的测定

不同的极性溶剂产生氢键的强度也不同，这可以利用紫外光谱来判断化合物在不同溶剂中氢键强度，以确定选择哪一种溶剂。

7.络合物组成及稳定常数的测定

金属离子常与有机物形成络合物，多数络合物在紫外可见区是有吸收的，我们可以利用分光光度法来研究其组成。

三．在食品成分分析中的主要应用

⑴紫外-可见分光光度计在食品酶分析中的应用：

1.酶对食品加工的影响

酶是生物活细胞产生的一类具有催化功能的蛋白质。

酶除了具有高的催化效率特性外，还具有很高的专一性，利用它能选择性地将个别食品组分改性，而不影响到其它组分。

因此，酶在食品科学中相当重要，通过酶的作用能引起食品原料的品质发生变化，也能在比较温和的条件下加工和改良食品。

2.紫外-可见分光光度法测定酶活

2.1β-半乳糖苷酶

β-半乳糖苷酶，又称乳糖酶（Lactase）。

能水解乳糖来降低乳制品的乳糖含量，从而提高乳制品的可消化性，用于低乳糖牛奶和非结晶型浓缩牛奶的生产及奶酪风味的改变，同时还可用于生产低聚半乳糖。

【酶活测定】以ONPG为底物测定β-半乳糖苷酶活力。

【酶活定义】以ONPG为底物，37℃5保温酶解，每分钟释放lμmol／L邻硝基酚的酶量，定义为1个酶活力单位。

2.2超氧化物歧化酶

超氧化物歧化酶（SuperoxideDismutase，简称SOD）是一种十分重要的生物体防止氧化损伤的酶类，是生物体内超氧阴离子清除剂，保护细胞免受损伤。

SOD广泛存在于各类生物体内，所有好氧微生物细胞中都含有SOD。

自1969年Mccord等人首次发现了SOD生物活性后，医学界对其医疗作用做了许多研究，证明它具有抗衰老、抗肿瘤、抗辐射、抗缺血、提高人体免疫力等作用，被专家称为21世纪最有前途的药用酶。

欧美国家已开始将其应用于医疗、食品、保健、化妆品等领域。

【酶活测定】在25℃4.5ml50mmol／LpH8.3的K2HPO4-KH2PO4缓冲液中加入待测SOD样液，再加入10ul50mmol／L的连苯三酚，迅速摇匀，倒人光径lcm的比色杯，在325nm波长下每隔30s测一次A值。

同时测定Sigma公司的SOD标准品，对所测样品SOD活性进行校正。

【酶活定义】在lmL反应液中，每分钟抑制连苯三酚自氧化速率达50％时的酶量为一个酶活单位，即325nm0.035OD／min为一个酶活单位。

2.3多酚氧化酶

多酚氧化酶（PPO）是一类由核基因编码在细胞质中合成的含铜质体的金属酶，其作用机理在于铜的氧化-还原作用。

大麦中的多酚物质经过PPO的催化氧化后，具有单宁性质，易和蛋白质起交联作用而沉淀出来，进而影响啤酒的色泽、泡沫、风味和非生物稳定性。

大麦中部分PPO以“潜伏”状态存在，在浸麦过程中，可通过去除一些酶抑制剂、蛋白酶作用或其他的一些方式使其活性在浸麦过程中提高。

在大麦发芽过程中，PPO的活力较高，影响着麦芽的质量。

因此，在制麦过程中应该降低PPO活性。

酶活测定】0.1mL酶液与lmL0.1mol／L邻苯二酚（用pH8.4柠檬酸-磷酸缓冲液配制）80℃反应3min，用2mL20％TCA终止反应，于波长450nm处用分光光度计测定吸收值。

【酶活定义】上述条件下，将每分钟OD值增加0.01定义为1个酶活力单位。

⑵紫外-可见分光光度法分析食品中的多种物质：

①酸奶中维生素A的测定

酸奶是一种发酵奶制品，由于其丰富的营养成分以及独特的风味、口感而深受人们的喜爱。

酸奶中含有一定量的维生素A，作为人体必需的营养元素，分析测定维生素A的含量具有重要的意义。

目前分析维生素A的方法很多，有荧光分光光度法、气相色谱洁、高压液相色谱法、可见分光光度法。

其中比较常用的是采用三氯化锑作为显色剂的分光光度法，但这种方法有几个缺点。

首先，生成的蓝色化合物不稳定，很快褪色，比色测定必须在6s内完成：

其次，三氯化锑具有强腐蚀性及毒性；此外，很易吸水，受温度、湿度的影响大，器皿装过试剂后难于洗涤等。

王明华等采用紫外分光光度法分析测定酸奶中维生素A的含量，样品经过皂化、提取、除溶剂等步骤后，于328nm处测定其吸光度，测得维生素A的回收率为103.3%，平均值的标准偏差为0.32，变异系数为0.01;同时进行了维生素D对维生素A测定的干扰实验，实验结果表明，维生素D的存在不影响维生素A的测定结果。

该方法与三氯化锑比色法相比，操作简便、安全。

【1】

②水果汁中果糖的测定

果糖的测定法有高效液相色谱法、离子选择电极法、傅里叶变换近红外光谱法和分光光度法等，前三种方法的操作都较复杂，而分光度法报道的方法中均加入显色剂，如间苯二酚，铁氰化钾等，这些物质对环境有污染。

占达东通过114研究发现：

果糖在盐酸的作用下可生成羟甲基糠醛，通过对果糖在盐酸介质中的吸收光谱进行扫描，发现在波长291nm处有最大吸收：

果糖浓度在0～30ug/mL范围内服从比尔走律。

利用该研究用紫外分光光度法测定了苹果鲜汁、鸭梨鲜汁和桶子鲜汁中的果糖含量。

通过研究发现该方法具有很好的选择性和较高的灵敏度，适用于组成较复杂的分析对象中的果糖含量测定。

该方法具有简便、快速、灵敏，对环境不造成污染，样品无需预处理等特点。

【3】

③番茄红素的测定

番茄红素是一种具有多种生理功能的类胡萝I、素，通常状况下与其它类胡萝I、素同时存在于多种生物体中。

在实际研究中，番茄红素的准确测定始终是困扰研究人员的一个难题。

目前的测定方法主要有：

（1）以苏丹红代替番茄红素作为标准品，绘制标准曲线，用以测定番茄红素的含量；

（2）以石油醚或正己烷为溶剂，在472nm比色测定其吸收光度，用摩尔消光系数（E100巾1cm=3450）来计算其中番茄红素的含量；（3）依高压液相色谱法，通过与标准样品的峰面积比来测定样品中番茄红素的含量。

现有这几种测定番茄红素的方法普遍存在着一定的缺陷，

（1）和

（2）不需要标准品，但其系统误差较太，同时又不能排除B一胡萝l、素等其它类胡萝I、素的干扰；（3）要求番茄红素的标准样品，而高纯度的番茄红素本身稳定性很差，不宜长期存放，且价格非常昂贵，日常测定难度很大。

而HPLC测定又要受到仪器设备及标准样品的限制。

张连富心1等从番茄红素及B一胡萝l、素（影响番茄红素测定的含量最多的类胡萝l\素）的紫外吸收光谱的差异入手，确定了以含2%二氯甲烷为溶剂、以502nm吸收峰为检测波长的番茄红素测定方法，避免了其它类胡萝I、素的干扰，并将其转化为用消光系数来计算的形式，避免了番茄红素标准样品的制约。

溶液中番茄红素的浓度在0.0017～3.12ug/mL范围内时，该检测方法的可信度在90%以上。

【2】

④食品中甜蜜素的测定

用乙酸乙酯在酸性条件下提取食品中的甜蜜素,再以碱性水反提取,加入过量的次氯酸钠将甜蜜素转变为N,N-二氯环己胺,溶于环己烷\[4],在波长304nm处测定。

仪器和试剂：

754紫外分光光度计为上海第二光学仪器厂产品;乙酸乙酯、环己烷、10%（φ）硫酸、0.1mol/L氢氧化钠、20g/L次氯酸钠溶液（均为分析纯试剂）;1.0g/L甜蜜素标准液,由国家标准物质研究中心提供,1999年1月定值。

标准曲线制作：

分别吸取甜蜜素标准液0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mL（相当于甜蜜素0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mg）于250mL分液漏斗中。

各加入10%硫酸100mL,乙酸乙酯80mL振摇提取2min,弃水相。

用30、20、20mL0.1mol/L氢氧化钠溶液振摇提取3次,每次1min,合并水相于另一250mL分液漏斗中。

往水相加入环己烷10mL振摇提取1min,弃去环己烷,加入10%硫酸15mL、环己烷10.0mL、20g/L次氯酸钠溶液5mL,振摇2min,再加入20g/L次氯酸钠溶液5mL,振摇2min,弃水相。

先后用0.1mol/L氢氧化钠、蒸馏水各50mL洗涤环己烷层,经脱脂棉将环己烷滤于10mL比色管中,用环己烷调零,于波长304nm处测定吸光度。

样品测定：

1.液体食品称取相当含甜蜜素6.0mg样品（如含二氧化碳,先加热除去）于250mL分液漏斗中,以下同标准曲线方法测定。

2.可溶于水的固体称取相当含甜蜜素6.0mg样品加入适量的水溶解后,转入250mL分液漏斗中,以下同标准曲线方法测定。

3.不溶于水的固体称取适量经磨碎的固体于100mL容量瓶中,加水至刻度,不时摇匀,浸泡1h以上,取相当于甜蜜素6.0mg的滤液于250mL分液漏斗中,以下同标准曲线方法测定。

【4】

三：

在食品安全检测中的主要应用

1分光光度法测定食品中硼砂

碉砂、硼酸曾作为食品的防腐剂和膨松剂添加到肉