仪器分析在食品领域的应用与发展.docx

1、仪器分析在食品领域的应用与发展仪器分析在食品领域的应用及发展 仪器分析在食品领域的应用及发展仪器分析是指借用精密仪器测量物质的某些理化性质以确定其化学组成、含量及化学结构的一类分析方法，尤其适用于微量或痕量组分的测定。目前，在食品分析检测中仪器分析方法有代替传统手工操作方法的趋势，气相色谱仪、高效液相色谱仪、氨基酸自动分析仪、原子吸收分光光度计及可进行光谱扫描的紫外-可见分光光度计、荧光分光光度计等均得到了普遍应用。由于计算机技术的引入，使仪器分析的快速、灵敏、准确等特点更加明显，多种技术的结合与联用使仪器分析应用更加广泛，有力推动了食品仪器分析的发展，使得食品 分析处在一个崭新的发展时代。

2、现代分析仪器的种类十分庞杂，根据仪器的工作原理以及应用范围，可划分为：电化学分析仪器、光学式分析仪器、射线式分析仪器、色谱类分析仪器、离子光学式分析仪器、磁学式分析仪器、热学式分析仪器、电子光学、物性测定仪器及其它专用型和多用型仪器 1 电化学分析法 电化学分析是食品生产控制、理论研究的新型重要工具。由于电极品种仍限于一些低价离子(主要是阳离子)，因此在实际应用中还受到一定的限制；另一方面，电极电位值的重现值受实验条件变化影响较大，其标准曲线不及光度法测定的曲线稳定，由于这些因素的影响，目前许多已制成的离子电极，其实际应用的潜力尚未充分发挥。但其中涉及的极谱分析技术已进入了成熟阶段，特别是阳极

3、溶出法和极谱催化波的出现与应用，提高了极谱法的检测能力，使极谱法的检测下限向下延伸了三个数量级左右。在对食品及水样中的氰化物进行单扫描极谱法测定时，产生一个明显的极谱波峰，结果令人满意。另外电势溶出法特别适合于分析痕量金属和混合金属，能方便地测定酱油、醋等中砷的含量，且无需消化和预处理。同时表面活性剂的加入，更能显著提高分析的灵敏度、选择性和重现性，甚至还具有改善极谱波形和消除干扰等作用。 2 光谱分析法 光谱分析法法是食品分析中应用最广最多的方法之一，其中涉及可见、紫外、原子吸收等分光光度技术。2.1紫外-可见分光光度法 质吸收波长范围在200760nm区间的电磁辐射能而产生的分子吸收光谱称

4、为该物质的紫外-可见吸收光谱，利用紫外-可见吸收光谱进行物质的定性、定量分析的方法称为紫外-可见分光光度法。其光谱是由于分子之中价电子的跃进而产生的，因此这种吸收光谱决定于分子中价电子的分布和结合情况。从20世纪50年代开始，又提出并发展了许多新的分光光度法，例如双波长分光光度法、导数分光光度法及三波长法等。这些近代定量分析方法的特点是不经化学或物理方法分离就能解决一些复杂混合物中各组分的含量测定，在消除干扰，提高结果准确度方面起了很大的作用。其在食品分析领域应用相当广泛，特别是在测定食品中的铅、铁、铅、铜、锌等离子的含量中的应用。 2.2原子吸收分光光度法 随着用于准确测定生物样品中痕量矿物

5、质的原子吸收方法的发展，原子吸收光谱仪日渐普及，为食品分析、食品营养、食品生物化学、食品毒理学等诸多领域的空前发展铺平了道路。特别是采用等离子体作为原子发射光谱的激光光源，导致了20世纪70年代后期开始的感应耦合等离子体发射光谱仪的商业化普及。原子吸收光谱法既能测定食品中常规金属元素，如锌、铜等离子，又可精密测定锶、锗、硒等多种稀有元素。目前研究热点集中在：各种新型原子化器、不同类型原子化机理、基体干扰及基体改进效应和各种联用技术等。 2.3荧光分光光度法 荧光分析方法操作简单、快速、灵敏度高、精密度和准确度好，并且线形范围宽，检出限低。以AFS-2201型双道原子荧光光谱仪为例，在对食品中的

6、铅，进行原子荧光法测定时，检出限为0.3g/L，线形范围1.00500g/L，回收率87%98%。而对食品中硒用荧光法进行相关性研究测定时，发现变异系数为0.63%0.66% ，平均回收率为95.1%。 2.4近红外光谱分析法 近红外光谱分析方法省去了通常分析中的称量、定容和提取分离等烦琐步骤，一旦建立好合适的定标，就可以同时测定出同一样品中多个不同组分的含量。在食品分析中，即能有效地分析食品中防腐剂成分又能对粮食中的水分、蛋白质、脂肪、氨基酸、纤维素、灰分以及谷物加工品品质进行检测。例如双波长分光光度法、导数分光光度法及三波长法等。这些近代定量分析方法的特点是不经化学或物理方法分离，就能解决

7、一些复杂混合物中各组分的含量测定，在消除干扰，提高结果准确度方面起了很大的作用。其在食品分析领域应用相当广泛，特别是在测定食品中的铅、铁、铅、铜、锌等离子的含量中的应用。3 色谱分析 3.1气相色谱法 气相色谱是20世纪5060年代发展起来的一种高效、快速分析方法。一般根据该法所用色谱柱的形式，可将起分为毛细管气相色谱和填充气相色谱两种类型。在食品分析检测中，凡在气相色谱仪操作许可的温度下，能直接或间接气化的有机物质，均可采用气相色谱仪进行分析测定，如蛋白质、氨基酸、核酸、糖类、脂肪酸、农残等。 特别近年来对气相色谱改进性测定，如采用顶空气相色谱法测定食品添加剂磷酸中氟含量，其方法处理简便，灵

8、敏度高，与国家标准分析方法测得结果一致，准确度、精密度能够满足常规分析要求，同时该方法也可以检测保健食品中的抗氧化活性，结果显著。 3.2液相及高效液相色谱法 通常所说的主层析、薄层层析或纸层析就是经典的液相色谱，而高效液相色谱是以经典的液相色谱为基础，以高压下的液体为流动相的色谱过程，其所用固定相颗粒度小（510m）、传质快、柱效高。 高效液相色谱法是食品分析的重要手段，特别是在食品组分分析（如维生素分析等）及部分外来物分析中，有着其它方法不可替代的作用。同时近年来很多新型专用的高效液相色谱仪不断问世，如氨基酸分析仪、糖分析仪等，分别在检测食品中的污染物、营养成分、添加剂、毒素等方面得以充分

9、应用。 3.3离子色谱法 离子色谱法是1975年，Small等人首次提出并建立的，在出现了抑制型（或双柱）离子色谱法后相继又出现了单柱离子色谱法，在食品分析检测中应用日益广泛，所分析的样品几乎涉及食品工业分析的各个领域，如水、啤酒、奶制品、肉制品等。 4 质谱分析法 质谱仪是用一束电子流轰击被研究的物质，把形成的正离子碎片的图谱定量地记录下来，这种记录就是质谱图。而质谱分析法就是利用质谱图对被测物质进行组分的检测与鉴定。在食品分析中能够定性或定量地检测出食品中挥发性成分、糖类组成、氨基酸（蛋白质）、香味成分及有毒有害物质等成分。 特别液-质联用的使用，更能有效地测定被测流出物中的痕量组分，能成

10、功分析非挥发性的农药残留物、氨基酸、脂肪和糖类物质。而气-质联用也能较大程度地提高了分析效率。例如：在对食用油中矿物油的测定时，气-质联用在用皂化法测定表现为阳性的情况下，能够准确地分析出被测食用油中不含矿物油。 5 核磁共振分析法 在鉴定有机化合物的结构中，核磁共振谱是一个很有价值的工具，这项技术能够提供分子中不同类型氢原子的信息。在食品行业中可以对油脂、水分以及利用体系中不同质子的驰豫时间不同来研究淀粉的糊化、回生或玻璃化转化；另一方面，还可以利用其分析粉状食品结块的机理，研究食品的结块与玻璃态转变温度、化学组成之间的关系，为延长食品的保质期提供理论基础。 6 生物芯片检测技术 生物芯片检

11、测技术是一种全新的微量分析技术。基本技术包括方阵构建、样品制备、化学反应和结果检测。这项技术在食品微生物领域、食品卫生检测领域、食品毒理学、营养学、转基因产品检测中均有应用。其主要分类有蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片以及特别适用于检测转基因食品的基因芯片。 基因芯片又称DNA芯片或DNA微阵列，通常采用原位合成与合成点样法制作，其能以高信息量、高通量，同时检测、分析大量的DNA/RNA。此项技术是将大量的探针分子固定在支持物上，与标记的样品分子杂交，通过检测每个探针分子杂交信号的强度，对结果进行数据分析，可以获取样品分子的序列和数量信息，判断该样品是否含有转基因的成分，鉴定该食品是天然的还是转

12、基因的，是否在安全的限度内。利用该技术可检测食用成品和鲜活的动植物材料，灵敏性强、自动化程度高、特异性强、假阳性低、简便快速。随着该技术的发展，成本的降低，此技术在将会来转基因食品的检测中必将处于里程碑的地位。 7 其它方法 7.1 化学发光分析 化学发光分析较荧光分析更加灵敏，如直接测定氨基酸，灵敏度可达310-11mol/L，而且重现性较好。同时新的化学发光试剂和光增敏剂同免疫分析法结合后，增强了化学发光免疫分析技术迅速在基因分析、食品卫生监测等方面显示的极好的应用前景。 7.2 高效毛细管电泳 相对于经典电泳技术，高效毛细管电泳具有高效、快速、简便、微量并可实现仪器化等优异特点，它不再局

13、限于生物大分子分离测定，还可以在一次分析中实现阳离子、阴离子以及中性物质的分离。由此对食品中样品珍贵、基体复杂的生物大分子，高效毛细管电泳技术更显出特有的分析能力与极大的应用前景。 7.3 生物传感技术 随着生物技术的日臻完善，生物传感器作为一种多学科交叉的高新技术日渐渗透到食品分析领域，并把热点集中在微型化、分子识别元件、感觉传感器（酸、甜、苦、辣、咸）、图像传感（颜色、外貌）等方面。如电子鼻在食品、饮料、酒类、烟草等方面的广泛应用。 总之，为适应食品工业发展的需要，食品仪器分析将在准确、灵敏的前提下，向着简易、快速、微量、可同时测量若干成分的小型化、自动化、智能化的方向发展。3国产科学仪器

14、在我国食品安全检测分析工作中应用现状国产科学仪器底子薄，原有水平不高，但近几年来取得了长足的进步，现逐一浅析如下。3.1致病菌微生物检测仪器分离培养法，是传统而有效的生物分析方法，通过分离培养，然后利用形态学、生化特性加以鉴定，用光学显微镜或电子显微镜等加以确证。近几年来，我国大量引进国外的新方法和仪器，国外著名生产厂家有ABI、Bio-Rad、Thermo-Fisher、Agilant、Biomerieux、Dupont，Biologe、GEHeailhcare3等。而随着科技发展与市场需要，国内已经开始开发研制微生物快速检测仪，逐步商品化、产业化。3.2食品农药残留、兽药残留检测仪器食品中

15、农药残留和兽药残留问题一直是政府和公众非常关注的问题，为了防止对人畜的危害，目前很多国家和地区都将农药残留和兽药残留作为主要的控制项目，列为必检指标，我国就有10种化学农药列为优先检测，近年已公布实施了8个农药多残留检测的国标。检测农药和兽药残留的主要方法包括气相色谱、高效液相色谱法和色-质联用检测法等28，所用的仪器为GC、HPLC、GC-MSLC-MS-MS，后二类仪器多用于确认和多残检测。国际上GC、GC-MS、GC-MS-MS的高端产品为Agilent、Shimadzu、Thermo-Fisher、PerkinElmer、Varian等统领；LC、LC-MS和LC-MS-MS的高档产品

16、为Thermo-Fisher、Waters、ABI、Agilent、PerkinElmer、Dionex、Varian等统领3。国内产品虽然在整体上不能与国外产品相媲美，但近几年来在GC、LC、GC-MS方面取得了长足进展，如北京东西电子、上海精科、天美、伍丰、温岭、北分、依利特等家的产品赢得了用户的好评，并拥有一定的市场空间。3.3食品有毒有害元素检测仪器原子吸收光谱法（AAS）和电感耦合等离子发射光谱法（ICP）是食品中有毒有害物质最经典的检测方法，尤其是AAS最为普及。近几年来ICP与MS联用（ICP-MS）检出限可达到ng级，得到重视。国外著名的生产厂家为：Thermo-Fisher、

17、PerkinElemer、Shimazu、Varian、Agilent、JenaAG等；国内AAS生产厂家有普析通用、东西电子、瑞利、上海精科、上海光谱、天美等，近年来其技术得到大幅度提升和完善，主要技术指标已接近国外同档水平，且价格便宜，具有一定的竞争力。原子荧光光谱仪（AFS）用于检测砷、铅、汞、锡、硒、锗、锑等元素，灵敏度高、检出限低、可多元素同时检测。原子荧光光谱仪是目前我国具有自主知识产权的产品，主要厂家有吉天、海光、瑞利等，其中吉天还生产LC-AFS，即元素价态检测仪，其灵敏度、检出限均能满足农产品、食品安全检测的要求，且性价比高2，产品不仅满足国内需求，且已有外商代理、销往国外。

18、AAS和AFS两种仪器是我国科学仪器中基础最好的产品，其中、AAS的技术与国外差距不很大，而AFS已处领先水平的科学仪器，很值得在实施产业化中予以有力支持，扩大产业化规模，不断提升技术水平，势必能与国外产品抗衡。可以看出，我国国产仪器基本上能够满足有毒有害物质的检测，尤其是对于县、地（市）级食品安全质检站，而且国产仪器完全可以代替进口仪器2、9。3.4转基因食品检测仪器现在，国际市场出现越来越多的转基因食品，其检测主要借鉴转基因植物产品的检测技术。国内也将转基因食品的检测作为食品安全检测的一项重要内容。转基因食品检测包括两方面的内容：一是核酸的检测，也就是基因水平的检测，主要用各种PCR定性、

19、定量方法和基因芯片技术10；二是蛋白质的检测，也就是外源基因表达的蛋白质的检测。核酸是遗传信息，是对热十分稳定的分子，在环境中释放的影响要比蛋白质大，而且在加热过程中破坏较小，利于检测；而蛋白质是热敏分子，在食品的深加工中会被破坏，而且蛋白质免疫检测在方法学上还存在着一些局限性，所以，转基因食品的检测主要集中在对特征性DNA进行的检测。主要使用仪器按检测程序分三部份：3.4.1用于制备DNA样品的仪器设备试剂盒、微量移液器、离心机、水浴锅、分光光度计等。在对转基因产品进行定量检测时，核酸制备有时会用到试剂盒方法，试剂盒操作简易、使用方便，试剂不需要自己配制，不接触氯仿等有机试剂，因此在提取DN

20、A上应用很广泛。目前，生产这种试剂盒的国产品牌有很多：天根生化科技有限公司、杭州维特洁、上海华舜、中鼎生物、上海生工、上海申能博彩等等。天根生化科技有限公司，从2001年注册到现在，仅仅四年的时间就成为国内一线的核酸纯化品牌。离心机是实验室分析提纯必备的设备，市场需求量大，国内在上海、北京、长沙、图门等地都有生产企业，较典型的是上海天美，但只能生产台式、小型及一般高速离心机，我国至今缺乏高速、超高速、大离心力变频电机（专用电机），且稳速、制冷、恒温、真空、超高速运行部件的材料和加工以及整体安全稳定运行控制诸多方面的技术性能尚不及国外产品，所以，尽管价格昂贵，在高校、科研机构或国家的一些重点实验

21、室还是选用进口的产品，高端产品均被国外垄断；而对于水浴锅、分光光度计这类中低档产品，实验室要求不高，价格便宜，国内产品在实验室被普遍采用，代表性的厂家有：普析通用、北分瑞利、上海棱光、上海光谱、上海精科、北京拓普等。3.4.2用于基因扩增、分离、分析、检定的仪器设备定性PCR扩增仪以及混合液，保真DNA聚合酶，试剂盒，核酸电泳系统、成像分析、核酸测定仪、自动电泳分析系统、酶标仪、洗板机、定量PCR仪等。这些仪器设备国外著名厂家是Bio-Rad、Thermo-FisherSciences、GE等；在国内，西安天隆科技有限公司生产民族品牌PCR仪已有十年历史，是国内唯一具有定性、终点定量、实时定量

22、PCR仪三个医疗器械注册证和CE认证的民族品牌，其生产的PCR仪在国产同类产品中累计销量第一；东南大学自主研发的管盖基因芯片及其检测系统，已经成功地检测了国家生物制品检定所提供的SARS标准品，并在华大基因中心检测了30多个SARS样本，取得了满意的结果。该基因芯片对于SARS、人、禽流感的预防和控制具有重要的价值；另外，东南大学还研制开发了核酸扩增杂交荧光检测仪，该仪器集PCR过程、杂交过程、清洗过程、检测过程于一体的自动检测仪器，能快速地进行PCR反应，应用于医学进行高通量基因表达平行分析、大规模基因序列分析、寻找新基因、基因多态性分析和基因组研究等，此外，国内生产PCR仪的还有杭州博日、

23、郎基等企业。雷勃、上海三科、北京拓普、南京华东电子集团医疗装备有限责任公司生产酶标仪、洗板机；北京市六一仪器厂，是我国目前生产电泳仪电源、电泳仪及配套仪器品种全、产量大、质量好、销售覆盖面广的行业知名企业，在各大高校实验室、科研单位都普遍使用。3.5食品安全快速检测仪器随着食品流通的加快，尤其在我国食品生产企业多、规模小，法治和自律意识弱，而消费人群多、渠道杂，所以对食品安全快速检测和筛查具有特殊意义，要求能在很短的时间内得到检测结果，甚至要求在现场检测。有很多新鲜食品要求检测的时效性特别高，如果检测时间过长，食品已被售出或已经腐烂，检测结果就失去了意义。另一方面，面对食品安全突发事件的发生，

24、快速检测和筛查的应急分析是应急机制不可缺少的技术支撑之一，而实验室一些常规的检测虽然准确可靠，但程序复杂、繁琐，检测仪器昂贵，检验周期较长，分析操作人员还需要专业培训等等，因此快速检测筛查技术和手段来是适应社会发展的急需。高新技术的迅速发展为食品快速检测提供了极好的技术平台。快检仪器在“光-机-电-算一体化”的基础上，大量引进日新月异的高新技术，诸如纳米、芯片、免疫学、传感器、基因工程等新技术，成为各种高新技术的集大成者。快速检测仪器具有高灵敏度、高通量、快速、简便等特点，实现现场或在线的实时检测。国外在此方面起步比较早，发展比较快，许多产品较成熟，且部分已商品化。在我国，近年来也涌现一批厂家

25、，其中具有代表性的生产厂商有：1上海雷勃、上海三科、北京拓普、南京华东生产的酶标仪和洗板机，用于农药、兽药残留，致病菌、毒素以及转基因检测，应用范围广，产品较成熟；2中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室是国内最早开展表面等离子体谐振（SPR）生化分析仪研究的单位，其成功研制具有自主知识产权的一系列SPR生化分析仪，该仪器应用领域宽，实用化程度高，在国内已有多家科研单位和高校使用1112。3以山东省生物传感器重点实验室中的服务系统为支撑，乳酸、葡萄糖、谷氨酸三种生物传感器已成为我国生物传感器应用的基本品种，每年消费的固定化酶超过1000多个，年实现生物传感器的快速分析200万次以上。并形

26、成系列化的产品和配套的固定化酶膜及试剂盒，与国外同类仪器的竞争中表现明显的优势。4博奥生物有限公司等近几年来取得了长足的进步，已开发并生产食源性致病菌检测、食源性病毒检测和兽药残留检测的生物芯片（仪器和试剂盒），目前暂适用于实验室，将进一步面向现场速测、并向微缩芯片实验室发展9。5我国是农业大国，在农产品快速检测方面发展比较迅速，国产的农产品快速检测仪（硝酸盐、甲醛、吊白块、二氧化硫、过氧化值等）做的也比较成熟，其产品性能、技术指标都能满足国内检测的要求，这方面吉林大学的小天鹅企业有优势。国内企业在快速检测领域已经显示了相当的势力，很多技术和产品都走在了快速检测的前列，进一步开发、完善快速检测

27、技术成为国内企业又一重点4我国国产科学仪器的发展存在的问题4.1我国国产仪器的总体水平还比较落后，基础比较薄弱我国国产科学仪器工业经过多年发展，已具有一定的研究、开发和生产的能力，但是我国国产科学仪器的总体水平还较落后，基础比较薄弱，集成度不高，稳定性和可靠性欠佳。科学仪器产品总体技术水平与国际先进水平相差约5-10年，目前，我国科研用分析测试仪器70%左右仍依赖进口，一些急需的专用仪器还属空白，严重制约了我国科学技术和国民经济的发展。4.2对科学仪器研究和发展的投入低于发达国家。总体来讲，我国自主研发投入少，核心技术匮乏。近年来，我国对科技的投入大幅度增加，但“重引进，轻自主研发”的现象仍比

28、较严重。据统计，“十五”期间，863计划、973计划和国家科技攻关计划等科技计划经费的20左右用于购置科学仪器，985工程、211工程以及知识创新工程更将大量的经费用于科学仪器购置，但在科学仪器研发方面，政府支持仍显不足。863计划、973计划和国家科技攻关计划等国家3大主体科技计划“十五”期间共计330亿元，用于“科学仪器设备研制与开发”项目的仅0.85亿元，而美国，仅以国家自然基金（NSF）为例，2003和2004年投入到大学的相关项目中，有关科学仪器研制或功能改进等占支持科学仪器发展的资金占总金额的25.3%。投入不足使我国具有自主知识产权的科学仪器十分有限。4.3国内市场巨大，但科学研

29、究主要依赖进口，不利于我国科学仪器创新我国每年上万亿元的固定资产投资中，有60%是用于进口设备，其中精密科学仪器等高技术含量和高附加值的产品主要依赖进口。以分析测试仪器为例，据保守统计，分析仪器进口总额从2001年的9亿美元猛增到2004年20亿美元以上。在生命科学仪器方面，我国对发达国家的依赖则更为严重。尤其是国家投入大量资金建立的研究实验基地，虽然装备精良，但重要科学仪器及其辅助设备基本都依赖进口。科学研究依赖进口科学仪器不仅科技发展受制于人而且也使得我国科学仪器创新面临十分不利的局面。4.4提高国产科学仪器的稳定性和可靠性，注重售后服务由于我国科学仪器的加工业和制造业等还比较落后，使得国

30、产科学仪器在稳定性、可靠性方面与国际发达国家产品有一定的差距。据调查，80%以上的国内用户由于产品的稳定性和可靠性不高，而不选择国产仪器，这样极大地限制了国产科学仪器的使用范围，降低了使用的可信度。国外厂商的优势在于能够提供先进的设备，还能提供完善的售后服务。目前Agilent、Thermo-FisherSciences、Waters、Dionex、AB、GEHeailhcare、Dupont、Shimadzu等国外供应商在中国的市场份额都非常可观，一般政府检测机构在采购时都会在这些供应商之间选择产品。因为他们的产品无论在稳定性方面还是智能化、自动化方面都做得较为出色，更重要的一点是这些国外供

31、应商都能提供非常全面的售后服务。所以，对于国内检测设备制造企业而言，要不断在产品的稳定性、可靠性、操作自动化、智能化方面进行研发，还应该逐步健全售后服务体系，因为这两点正是目前国内企业的缺陷所在。5展望科学仪器的水平是国家发达程度的重要标志，发展自主的科学仪器及其工业是立国之本，富国之需，强国之源。针对我国国产科学仪器的现状和市场需求，我国政府已在“九五”、“十五”“十一五”科技发展计划中，不断加大对国产科学仪器开发、研究与应用的支持和扶植力度：“九五”期间，选择农业科学、生命科学、材料科学、环境分析所用的色谱、光谱、电化学、生化分离分析及电子光学仪器作为重点；“十五”重点加强科研基础设施和平台的建设，加大研发力度，提升国产科学仪器整体技术水平和产业规模；“十一五”重点建设一批国家大型科学仪器中心，加强国家重点实验室等基地仪器设备建设，提升仪器设备整体水平，整合资源，大幅提高仪器设备使用效率，加强科学仪器设备自主研发。我国科学仪器产业还处于不断发展阶段，我们应该冷静、清醒地看到并承认差距和困难，也要意识到今后10-15年是我国仪器工业追赶