食品組學:食品分析現在和未來的挑戰(2)

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　　在這篇文章中，我們不會對大量應用於食品分析的技術進行論述。本文將主要聚焦於以下幾個主要的食品分析技術方法：(1)光譜學技術，如質譜、核磁共振、紅外、原子光譜、螢光法等;(2)生物技術，如聚合酶鏈反應（PCR）、免疫技術、生物傳感器等;(3)分離技術，如高效液相色譜、氣相色譜、毛細管電泳、超臨界流體色譜等;(4)樣品製備技術，如固相萃取、超臨界流體萃取、頂空法、流動注射分析、吹掃補集、加壓液體萃取、微波輔助萃取、自動熱解析法等;(5)電化學法;(6)聯用技術等。如果將上述各類技術的分支技術也考慮在內，那用於食品分析的技術就更多了。

圖1.樣品製備、生物技術、光譜技術和分離技術在食品分析當中的應用，根據2000-2011年間食品科技文摘中相應的引文數量分析。生物技術中的「others」包括：放射免疫法和酶法分析。光譜學技術中的「others」包括：拉曼光譜(402)，電子自旋共振(366)，介電光譜法(57)，折光度法(54)， 旋光度法(38)，化學發光法(15)和光聲量熱法(0)。

　　為了總結食品分析當中大量被使用到的技術以及被解決的課題，表S-1（見附件）作為輔助信息，對2009-2011年間發布的針對不同食品分析的文章、綜述、文章章節進行了總結。同時，圖1和圖2，提供了2001-2011年間發表的關於食品分析的文章統計，其中的數據是通過食品科技文摘(FSTA)資料庫，以各類技術為關鍵詞搜索整理所得。如果我們將圖1和圖2的數據，與1990-2000年間發布的類似食品分析文章統計數據相比，能夠得到許多重要的結論。其中最重要的變化趨勢是，生物技術和樣品處理技術的應用明顯增多，而放射化學和熱分析技術的應用嚴重減少。光譜學技術、生物技術和樣品處理技術的應用和20世紀末相比，分別增加了2倍、3倍和4倍，熱分析和放射化學技術的應用則減少了一半。其他比較成熟的技術，如色譜技術的應用依然比較多，但如今，它的應用也不如以前(1990-2000年)廣泛，因為光譜學技術的應用越來越多，而且成為了目前食品分析中應用最廣泛的技術。實際上，對於食品組分進行定性和定量分析，以及進行食品特性的研究，都可以通過測量電磁輻射(可見光、紅外光、螢光、拉曼散射光等的吸收)與食品的相互作用來實現。得益於新型光譜儀器技術及多元化學計量學的發展，能夠對不同的紅外或螢光光譜表現出的細微差別進行評估，例如對食品光譜分析所展現出的細微差別，從而使得開發預測模型成為可能。

圖2.電化學法、流變學、放射化學、熱分析技術在食品分析中的應用，根據2000-2011年間食品科技文摘中相應的引文數量分析。

　　近年來，成像技術如共聚焦雷射掃描顯微鏡，或高光譜成像耦合圖像分析技術已被成功地用於研究高度異質性食品。實際上，成像分析技術，例如數學形態學、或圖像紋理分析，使得對圖像中的結構進行定量分析，或展示不同的加工過程對於食品中蛋白質網絡微觀結構的影響成為可能。從另一方面來說，食品分析中光譜學技術應用的重要增長也許是由於NMR、紅外光譜等技術大量的最新應用，以NMR為例，由於對具有生物和代謝等特性的未知化合物的明確鑑定的需要，使得這類技術的應用數量接近於一些成熟的技術，如螢光、甚至質譜的應用數量。

　　生物技術的大量應用並不奇怪，這些技術，以生物體及他們的產品如酶、抗體、DNA等為基礎，來實現鑑別和分析食品，它們在食品分析中的應用增長了3倍。其中PCR技術的應用佔據了所有生物技術應用的60%，相當於之前生物技術在食品分析當中的所有應用的2倍。PCR技術的大量應用主要歸因於要採取不同的步驟，來克服影響DNA提取質量和數量的主要難題。目前，針對許多樣品的新儀器和新標準化協議，使得PCR成為世界範圍內一種廣泛應用的技術，可以在幾乎所有的食品分析實驗室中看到它。

　　至於分離技術的分布和重要性，液相色譜（LC）和毛細管電泳（CE）的應用增長主要來自於技術本身的發展，如：在確保解析度和分離效率的同時降低分析時間(UPLC、微流控晶片電泳技術、整體柱)，新的分離機理(親水相互作用色譜等)，將質譜作為LC或CE的檢測器。另一方面，氣相色譜（GC）的應用基本和過去持平，並在一些特定的應用領域展示了它的重要性。最後，聯用分離技術，如中心切割多維色譜法(LC−LC, GC−GC, LC−GC, LC−CE等)，或全二維技術(LC×LC, GC×GC)，它們可提供更多信息來支持破譯食物的複雜性，以及研究食品對於人類健康真實影響的理論。

　　事實上，多維色譜已經成為一種分析複雜樣品的可選擇方法，在食品分析中有一種情況，即某類技術的改進，如新的色譜柱技術，似乎已經達到了它們的極限。然而，多維色譜峰容量的增加到目前要比經過各種改進的一維色譜高。多維色譜允許兩個或更多個獨立或幾乎獨立的分離步驟結合，顯著增強相應的一維色譜技術的分離能力，因而提高分離複雜樣品中化合物的能力。儘管兩種不同色譜分離技術的耦合併不是什麼新技術，但是這一技術的發展拓展了綜合應用，在這些應用中，整個樣品可以從不同的獨立的維度進行分析，並減少了樣品製備的步驟。食品分析領域，有關這種綜合技術的應用每年都在增長，而且預計將持續保持增長狀態。

　　對於食品分析當中樣品製備技術應用的顯著增長(4倍左右)，我們需要給予特別的關注。樣品製備技術的改進目標在於減少實驗室溶劑的使用和有害物質的產生，減少勞動力和時間，降低每個樣品製備的成本，同時提高被分析物質的分離效率。目前，新型綠色制樣技術，如超臨界流體萃取(SFE)、亞臨界水萃取(SWE，也稱為加速溶劑萃取)將在食品科學中有更廣泛的應用，不僅僅是在食品分析當中，還有在食品功能成分的提取中。這些萃取技術基於壓力流體可提供更高的選擇性、更短的萃取時間、和對環境更友好的特性。關於這些技術的文章在2001-2011年10年間超過1500篇，而20世紀末時，關於這些技術的文章還只在300篇左右。舉一個有趣的例子，例如，加壓流體萃取(PLE)，在以前還沒有這種技術，但現在卻是食品分析當中僅次於SFE的十分重要的「綠色」樣品製備技術。

　　同時, 相較於傳統萃取方式，不同的液相微萃取模式，如單液滴微萃取、分散液-液微萃取、中空纖維膜液相微萃取(HF-LPME)等操作更簡便、更有效、速度更快，並且有機溶劑的消耗量更低，所以在食品分析當中它們被越來越多地用於從不同的基質中提取有機或無機物質。當比較樣品製備和分離技術的數量和分布時，另一個比較重要的觀察結果是，在過去10年中，固相萃取(SPE)應用的增長在某種程度上和液相色譜的應用是相關聯的，對於液相色譜來說，在過去10年當中，新的分離機理、新應用和新方法已經建立。另外，比較有趣的發現還有，固相微萃取(SPME)的應用和其他發展比較成熟的技術，如頂空法的應用數量比較接近。在過去幾年中，SPME的快速增長主要由於其操作簡便、纖維和塗層應用範圍的日益廣泛，以及新發展起來模式，這些模式拓寬了SPME的應用範圍。 

　　附件：表S-1

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　　註：文章譯自美國分析化學雜誌。