食品中营养成分的快速检测与分析方法研究

吴骅?周宇明

摘 要：本文介绍了食品营养成分的定义、分类及其生理功能，指出食品加工生产过程中各因素对营养成分的影响，同时针对快速检测技术的原理，如光谱分析技术、电化学传感技术、生物传感器技术以及纳米技术等在食品营养成分检测中的应用进行了论述，并提出了一系列优化策略，如优化样品前处理技术、检测条件优化、数据处理与分析算法以及多成分同时检测技术等，以提高检测效率，提高检测结果的准确性和可靠性。通过本文的研究，希望能为食品营养成分的快速检测与分析提供有力支持，从而保障食品安全和促进食品工业发展。

关键词：食品营养成分；快速检测；光谱分析；优化策略；应用研究

Research on Rapid Detection and Analysis Methods for Nutrients in Food

Abstract： This article introduces the definition， classification， and physiological functions of food nutrients， points out the influence of various factors in the food processing and production process on nutrients， and discusses the principles of rapid detection technology， such as spectral analysis technology， electrochemical sensing technology， biosensor technology， and nanotechnology in the detection of food nutrients. A series of optimization strategies are proposed， such as optimizing sample pretreatment technology， detection conditions， data processing and analysis algorithms， and multi component simultaneous detection technology， to improve detection efficiency， accuracy， and reliability of detection results. Through the research in this article， we hope to provide strong support for the rapid detection and analysis of food nutritional components， thereby ensuring food safety and promoting the development of the food industry.

Keywords： food nutritional components; rapid detection; spectroscopic analysis; optimization strategies; applied research

食品營养成分是维持生物体正常生理功能的重要物质基础。随着人们对食品安全和营养健康的关注日益增加，食品中营养成分的快速检测与分析方法成为研究热点。传统的检测方法通常耗时、费力且成本较高，难以满足现代食品工业对快速、准确检测的需求。因此，开发高效、便捷、准确的快速检测方法具有重要意义。

1 食品营养成分概述

营养成分，指的是食物中能够被生物体摄取、利用，以维持生命活动或促进生长发育的化学物质。这些物质在生物体内具有特定的生理功能和营养价值。根据其在生物体内的作用和性质，营养成分主要可以分为蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素和矿物质。①蛋白质是生物体细胞和组织的重要组成部分，参与多种生理功能的执行。②碳水化合物是主要的能量来源，对于维持生物体的生命活动至关重要。③脂肪不仅是能量储备，还参与细胞膜的构成和激素的合成。④人体对维生素和矿物质的需求量较小，但其在生物体的代谢过程中起着不可或缺的调节作用。各种营养成分在生物体内扮演着不同的角色，共同维持着生物体的正常生理功能。例如，蛋白质在维持肌肉、骨骼和内脏的结构与功能方面起着关键作用；碳水化合物通过糖酵解作用、糖异生等途径提供能量；脂肪除了作为能量来源外，还是细胞膜的重要成分；维生素和矿物质则参与生物体内的多种酶促反应和代谢过程，对维持生物体的正常生理功能至关重要[1-2]。

随着食品工业的发展和人们生活水平的提高，食品中的营养成分越来越受到关注。然而，在实际的食品生产和加工过程中，由于原料、加工技术、储存条件等多种因素的影响，食品中的营养成分往往会发生变化或损失。一些不法商贩为了追求经济利益，可能会在食品中添加一些非营养成分或有害物质，对消费者的健康造成威胁。例如，在谷物加工过程中，由于去除了有营养价值的谷皮和胚芽，导致精白米面中的维生素、矿物质和膳食纤维等营养成分大量损失。一些不法商贩为了延长食品的保质期或改善食品的感官性状，可能会违规添加各种食品添加剂。这些问题都严重影响了食品的营养价值和安全性，因此需要采取有效的检测和分析方法来监控食品中的营养成分和非营养成分。

2 食品营养成分快速检测技术

2.1 光谱分析技术

光谱分析技术是一种通过测量物质与光的相互作用来获取物质信息的方法。在食品营养成分分析中，常用的光谱技术包括紫外-可见光谱、红外光谱和拉曼光谱等。这些技术能够快速地确定食品中营养成分信息。例如，近红外光谱（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS）技术被广泛应用于食品中蛋白质、脂肪和碳水化合物等营养成分的快速测定。该技术通过测量食品样本在近红外区域的吸收光谱，利用化学计量学方法对光谱数据进行解析，从而得到营养成分的含量信息。这种技术具有非破坏性、无须前处理、快速且准确的优点[3]。

2.2 电化学传感技术

电化学传感技术是利用电化学原理来检测和分析物质的方法。在食品营养成分分析中，电化学传感技术可以通过测量电极反应所产生的电流、电压或电导等电信号来推算食品中特定成分的含量。例如，葡萄糖氧化酶电极是一种常用的电化学传感器，用于快速测定食品中的葡萄糖含量。该电极表面固定有葡萄糖氧化酶，当葡萄糖与电极反应时会产生电流信号，电流大小与葡萄糖浓度成正比。这种技术具有高灵敏度、高选择性和快速响应的优点，因此在食品工业中得到广泛应用。

2.3 生物传感器技术

生物传感器技术是一种利用生物分子（如酶、抗体、DNA等）作为识别元件来检测和分析物质的方法。生物传感器通常包括识别元件和信号转换器两部分。识别元件用于特异性地与目标分子结合，而信号转换器则将结合事件转换成可测量的电信号或光信号。例如，免疫传感器可以用于快速检测食品中的过敏原或毒素。这些传感器通常利用特定的抗体与过敏原或毒素结合，并通过测量结合后产生的电信号或光信号来确定目标分子的含量。生物传感器技术具有高特异性、高灵敏度以及可实时监测的优点，因此在食品安全领域具有广泛的应用前景。

2.4 纳米技术在快速检测中的应用

纳米技术是一种在纳米尺度上操作和控制物质的技术。在食品营养成分分析中，纳米技术可以提高检测方法的灵敏度和特异性。例如，利用纳米材料增强的拉曼光谱技术可以用于快速检测食品中的添加剂或污染物。这种技术通过在食品样本表面沉积一层纳米材料（如金属纳米粒子），增强拉曼光谱的信号强度，从而提高对添加剂或污染物的检测灵敏度。此外，纳米线生物传感器也被开发用于快速检测食品中的细菌和病毒等微生物污染物，这些传感器通过纳米线材料的高比表面积和优异的电学性能来提高检测灵敏度和响应时间。

3 快速检测方法的优化策略

3.1 样品前处理技术的优化

样品前处理是快速检测过程中的关键环节，直接影响检测结果的准确性和重现性。优化样品前处理技术可以提高检测效率并降低干扰。例如，采用微波辅助萃取、超声波萃取或固相微萃取等现代萃取技术，可以更有效地从复杂食品基质中提取目标营养成分。利用分子印迹聚合物等新型材料对样品进行净化，可以去除干扰物质，提高检测的选择性和灵敏度[4]。

3.2 检测条件的优化

检测条件的优化是确保快速检测方法的准确性和可靠性的重要手段。这包括选择合适的检测波长、优化反应温度和时间、调整pH值等。例如，在光谱分析中，通过优化波长选择，可以降低光谱干扰并提高信噪比；在电化学传感技术中，优化电极材料和反应条件可以提高传感器的灵敏度和稳定性。

3.3 数据处理与分析算法

数据处理与分析算法在快速检测中起着至关重要的作用。通过采用先进的数学方法和计算模型，可以对检测数据进行有效处理和分析，从而提高检测结果的准确性和可靠性。例如，利用化学计量学方法（主成分分析、偏最小二乘法等）对光谱数据进行解析，可以提取出与目标营养成分相关的特征信息；利用机器学习算法（支持向量机、随机森林等）对检测数据进行分类和预测，可以实现自动化和智能化的检测。

3.4 多成分同时检测技术

多成分同时检测技术是快速检测方法的重要发展方向之一。通过采用多通道、多波长或多传感器的检测方式，可以同时测定食品中的多种营养成分，从而提高检测效率并降低成本。例如，利用多波长光谱仪可以同时测定食品中的蛋白质、脂肪和碳水化合物等多种营养成分；利用微流控芯片技术可以实现多种生物标志物的同时检测和分析。这些技术的发展为快速检测方法的优化提供了新的思路和手段。

4 快速检测方法在食品营养成分检测中的应用

4.1 农产品中营养成分的快速检测

在农产品领域，快速检测方法的应用对于评估新鲜蔬果、谷物以及畜牧产品中的营养成分含量至关重要。这些检测方法能够有效监测出农产品质量，还可为农业生产者、加工商和消费者提供重要的依据。以近红外光谱技术为例，这一技术已成为测定谷物中蛋白质、脂肪和水分含量的重要手段。通过对谷物样品进行近红外光谱扫描，研究人员能够迅速获得样品中相关营养成分信息，从而判断谷物的品质和营养价值。该技术已被成功应用于水果中糖分和维生素的测定[5]。

4.2 加工食品中营养成分的快速检测

在加工食品领域，快速检测方法的应用对于确保产品营养标签的准确性具有至关重要的意义。随着食品工业的快速发展，消费者对食品营养成分和安全性的要求越来越高。加工企业需要采用快速、准确的方法来检测食品中的营养成分，以确保产品质量能够满足消费者的需求。近年来，拉曼光谱和核磁共振等技术在加工食品营养成分快速检测方面已取得重要进展。这些技术具有快速、无损、高分辨率和高灵敏度等特点，能够快速测定加工食品中的脂肪、蛋白质、碳水化合物以及添加剂等物质成分。

4.3 现场快速检测技术的应用

现场快速检测技术对于确保食品安全和及时应对食品安全事件具有至关重要的作用。随着科技的不断进步，便携式光谱仪、电化学传感器等先进设备相继问世，为现场快速检测提供了有力支持。这些设备具有便携性和高效性等优点，使得现场快速筛查食品中有害物质成为可能，极大地提高了食品安全监管的效率和准确性。以便携式光谱仪为例，这种设备能够在短时间内对食品中的多种成分进行快速分析。在食品安全检查站或农贸市场等场所，工作人员可以利用便携式光谱仪对农产品中农药残留和重金属进行快速检测。

4.4 快速检测技术在食品安全监管中的作用

快速检测技术在食品安全监管中发挥着越来越重要的作用。监管部门可以利用这些技术对市场上的食品进行快速筛查和风险评估，及时发现并处理食品安全问题。此外，通过建立基于快速检测技术的食品安全信息系统，可以实现食品安全信息的实时共享和追溯，提高监管效率和透明度。

5 结语

快速检测方法在农产品、加工食品、现场快速检测以及食品安全监管等领域具有广泛的应用前景。然而，目前的研究仍存在一些挑战和限制，如复杂食品基质的干扰、多成分同时检测难度大，以及现场快速检测设备的便携性和稳定性等问题。未来的研究应致力于这些问题的解决，以推动快速检测技术的进一步发展和应用。

参考文献

[1]李慧，顾洪涛，苏婷婷.近红外光谱技术用于快速检测藜麦营养成分的研究进展[J].农产品加工，2024（1）：93-97.

[2]宋白玉，赵桂云，孫健.基于近红外光谱技术对草莓品质的快速检测及结果分析[J].食品界，2023（11）：99-101.

[3]梁世岳，李泽青，李宁，等.基于冷冻干燥基础的猪肉营养成分近红外快速检测模型构建[J].天津农业科学，2023，29（10）：37-41.

[4]赵海霞，孙丽华，赵晓宁.浅析食品添加剂的应用及快速检测技术的发展[J].现代食品，2023，29（6）：182-184.

[5]吴丹丹，刘玥如，何静，等.不同部位驼肉营养成分检测与近红外光谱快速预测模型建立[J].食品与发酵工业，2022，48（16）：264-269.