1、 哈尔滨商业大学 本科 毕业设计（论文） 可食性颜料光谱研究 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 刘 壮 专 业 班 级 ： 印刷工程 学 号 ： 学 院： 轻工学院 二 XX 年 六 月 八 日 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） I 摘 要 本实验主要是针对现有 15 种可食性色素进行研究，将其配制 5 种不同浓度溶液，利用滤纸吸附，自然晾干， 并通过微小型光纤光谱仪测试其反射光谱（ 285900nm），建立了可食性颜料的光谱数据，研究了不同波段的反射发现可见光波段在不同色相对应光谱存在差异，红外、紫外基本相同（除中国兰）。利用 FTIR 测试了 15 种可食性色素红外光谱，解析了谱图，建
2、立了 15 种色素的特征结构所对应的红外特征峰。本文所得到的规律以及数据为印刷工业与食品安全检测等领域提供了工作的便利条件和理论依据，减少工作量。 关键词： 颜料 ;可食性色素 ;光纤光谱仪 ;红外光谱仪 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） II Abstract The main purpose of this experiment is to study the existing 15 edible pigment.They were formulated in 5 different concentrations of solution,then uses the adsorption
3、of filter paper,natural drying and its reflective spectrum(285900nm) was tested by a micro optical fiber spectrometer.Then the spectral data of edible pigment is established.After studying the reflection of different bands,the differences of visible light bands in different color spectra were found,
4、infrared and ultraviolet basic same(except Chinese blue).The infrared spectra of 15 edible pigment were tested by FTIR and resolved graphs.The infrared characteristic peaks corresponding to the characteristic structures of the 15 pigments are established.The law and data provided by this paper provi
5、de the convenience and theoretical basis for the industry and food safety testing,and reduce workload. Keywords: Pigment,Edible pigment,Fiber optic spectrometer,FTIR哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） I 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪 论 . 1 1.1 色素检测方法 . 1 1.1.1 毛细管电泳法 . 1 1.1.2 分光光度法 . 2 1.1.3 高效液相色谱法 . 2 1.1.4 极谱法 . 2
6、 1.1.5 薄层色谱法 . 2 1.2 常用的几种光谱技术 . 2 1.2.1 常规光谱技术 . 2 1.2.2 三维荧光光谱技术 . 3 1.2.3 同步荧光光谱技术 . 3 1.3 光谱分析技术的特点 . 3 1.3.1 灵敏度高 . 3 1.3.2 特异性好 . 3 1.3.3 选择性好 . 3 1.3.4 样品用量少 . 4 1.3.5 非侵入式检测 . 4 1.3.6 方便、快捷 . 4 1.4 国内研究现状 . 4 1.5 国外研究现状 . 5 1.6 光纤光谱仪的简介与原理 . 5 1.7 近红外光谱分析技术的基本原理 . 7 1.8 研究目的与意义 . 7 1.9 实验内容
7、. 8 2 试验方法、材料及仪器 . 9 2.1 试验原料 . 9 2.2 试验设备 . 12 2.3 试验过程 . 13 2.3.1 反射光谱的检测 . 13 2.3.2 红外光谱的检测 . 13 3 结果与分析 . 14 3.1 反射光谱分析结果 . 14 3.2 红外光谱分析结果 . 22 结 论 . 30 参考文献 . 31 致 谢 . 33 附 录 . 34 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 1 1 绪 论 近年来随着人们生活水平的提高，人们对生活质量也有了更高的要求，尤其是食品的安全问题，越来越受到人们的关注。然而食品添加剂却成了人们不可或缺的一部分，其中可食性色素是食品添加剂的
8、一个重要组成部分。可食性色素具有改善食品色泽，增强食欲等功能，世界各国尤其是西方发达国家和地区不仅 在色素对人体健康影响方面做了大量调查和研究，而且在食用色素的管理合成色素的使用方面均有严格的规定，多种合成色素已被禁止或严格限量使用。根据日本食品添加剂使用标准显示，允许使用色素种类有 12 种，禁止色素种类 16 种；美国联邦规定法 CFR21 第70 部分显示允许色素种类 9 种，禁止色素种类 16种；中国 GB2760-2011食品安全国家标准 食品添加剂使用标准非食用物质名单中规定允许色素种类 11 种，禁止色素种类 6 种 1。 食用色素按其来源和性质区分，分为天然色素和合成色素，天然
9、色素是指从自然资源中提取并经 过处理而获得的，包括葡萄果皮色素、焦糖、玫瑰茄色素、红花黄色素，具有安全无毒、色调色彩自然、来源相对丰富及对环境的无污染等优点 2。但是天然色素的稳定性不好，然而合成色素的稳定性要相对好很多，弥补了这一缺点，并且，合成色素成本低、附着度强，但是对人类的身体健康造成了很大的威胁，我国允许在食品中使用的合成色素种类有苋菜红、新红、胭脂红、亮蓝、柠檬黄、赤藓红、日落黄和靛蓝以及铝色淀、酸性红和喹啉黄 3。 我国对人工合成色素的使用范围及标准有明确的规定，但是有许多只求利益的不法商家滥用色素，肆意妄为，不顾国家 规定，随意在食品中添加色素，这种现象的不断发生，很有可能危害
10、到他人的健康，所以要杜绝这种现象的发生，对合成色素的检测非常重要，国家应积极严格检测食品的安全问题。 1.1 色素检测方法 针对食品中色素的检测问题，许多国家已经研制出了一些方法，目前国内外对食用色素的检测方法主要有：高效液相色谱法、薄层色谱法、极谱法、毛细管电泳法、光度法等，这些检测方法在一定程度上基本上能够满足食品安全监管中对合成食品色素检测的需要，但同时也存在着一些弊端，比如前处理过程复杂、测量费时、成本高，及灵敏度、准确性不够高等，这些都将给 人们带来一些不便。以下是对一些色素检测方法的简介： 1.1.1 毛细管电泳法 毛细管电泳也被称作高效毛细管电泳，依据样品中各组分之间淌度和分配行
11、为上哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 2 的差异通过弹性石英毛细管而实现分离的电泳分析方法。它以毛细管为分离通道，将高压直流电场做为驱动力的一种新型液相分离技术。该方法具有高效、快速的特点，在复杂体系多组分的同时测定中更加适用。 1.1.2 分光光度法 也称为吸收光谱法，物质对光的吸收具有选择性，所以分光光度法就是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸光度或发光强度，对该物质进行定性和定量分析的 方法。但是此方法对含有单色素的食品检测比较方便，而对于含有混合色素的食品来说，其图像可能出现吸收峰叠加的问题，需要进行分离，否则会受到测试干扰。 1.1.3 高效液相色谱法 高效液相色谱
12、法是目前最受欢迎的一种分析检测方法，是分局保留时间定性以及峰面积定量的方法。但是在使用高效液相色谱法对食用色素进行分析检测时，对样品的前处理过程比较繁琐且要求严格。 1.1.4 极谱法 极谱法是以滴汞电极点解合成色分析样液，使色素产生敏感的电流 -电压曲线（即极谱波），由于各种色素的还原电位不同，以此进行定性分析，根据还原电位峰高 与其浓度成线性关系进行定量分析。该法只适用于成分简单的食品，对于复杂的组成，抗干扰性差，同样会影响还原波的产生无法进行测定。 1.1.5 薄层色谱法 薄层色谱法又叫薄层层析，是以涂布于支持板上的支持物作为固定相，以合适的溶剂为流动相，对混合样品进行分离、鉴定和定量的
13、一种层析分离技术。当移动向流经固定相时，连续的产生吸附，解吸附、再吸附、再解吸附，从而达到各成分的相互分离的目的。将合成色素从食品中分离提取，再通过薄层色素法进行分离后，由分光光度计进行吸光度检测，与标准试样比较进行定性定量分析的方法。 8 1.2 普遍 的几种光谱技术 1.2.1 常规光谱技术 吸收光谱、发射光谱和荧光激发光谱技术都属于常规光谱技术。对于测量吸收光谱来说，可以得到样品的吸收峰值波长、以及吸光度等；而荧光光谱中，发射峰值的波长、最佳激发波长以及荧光谱宽等参数可以在其中体现出来。这三种常规光谱技术都可用于对被测样品进行定性、定量分析。与此同时，荧光激发光谱和发射光谱还为哈尔滨商业
14、大学本科毕业设计（论文） 3 荧光测试中激发波长和发射波长的选择提供了有力的依据。 1.2.2 三维荧光光谱技术 三维等角以及三维等高线荧光光谱都是三维荧光光谱。其图谱展现的是荧光强度与发射波长和激发波长三 者之间的关系。其中，三维等角荧光光谱图是一种三维的立体图，通常三维荧光在 X、 Y、 Z 三个维度上分别代表着发射波长、激发波长以及荧光强度；三维等高线特征图是一种具有指纹特性的平面图，故也称为指纹图，它展现的是发射波长与激发波长之间的变化关系，三维等角图中的荧光强度是由其图谱中的轮廓线体现。相对于常规荧光光谱，三维荧光光谱可以提供更为全面直观的信息。 1.2.3 同步荧光光谱技术 同步荧
15、光光谱与常用的荧光测定方法最大的区别是同时扫描激发和发射两个单色器波长，由测得得荧光强度信号与对应的激发波长（或发射波长）构成光谱 图。同步荧光法按光谱扫面方式的不同可分为恒（固定）波长法、恒能量法、可变角法和恒基体法。同步光谱、发射光谱以及激发光谱三者之间存在着一定的关系。它同时利用了化合物的吸收特性和发射特性，进而改善了光谱分析的选择性，对多组分混合被测样品的分析在很大程度上得到了帮助，它可以减小弱带的干扰信息使强带增强，因此同步光谱要优于常规光谱。 1.3 光谱分析技术的特点 1.3.1 灵敏度高 光谱分析技术具有较高的灵敏度，尤其是荧光光谱技术。激光诱导荧光光谱技术的不断进步和对微弱信
16、号探测器灵敏度的改进，使得光谱分析技术在灵敏度这 一特性中有了很大的提升，甚至可以突破单分子检测水平。微型光纤光谱仪中的全息光栅具有较小的杂散光，而机械刻划光栅具有更高的反射率和灵敏度，给人们在科学研究中带来了很多便利。 1.3.2 特异性好 不同物质具有着不同的能级结构，而能级结构决定着其吸收光谱和荧光光谱的特性，使得吸收光谱和荧光光谱因物质的能级结构不同而具有特异性，可对物质的细微差别，这种较好的特异性，使光谱分析在更加适合对不同物质的定性分析。 1.3.3 选择性好 在光谱测量中，不仅可以获得被测样品的激发和发射波长、吸收及反射峰值波长、荧光量子产率等参 数外，还可以利用一些手段使谱线分
17、开而不受干扰，如同步荧光光哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 4 谱技术、导数荧光分析法以及时间分辨荧光光谱技术等。所以光谱分析法成为分析这些化合物的得力工具，可测定化学性质比较相近的元素和化合物。 1.3.4 样品用量少 测量过程中使用的样品量少，如对液体样品的测量仅需大概 13 毫升的样品溶液，因此在被测样品稀少或贵重的情况下，比如古物以及刑事侦查等领域，光谱分析技术就展现出了明显的优势。 1.3.5 非侵入式检测 在光谱检测过程中，对于反射光谱、吸收光谱和荧光光谱法，无需将探测器浸入到样品中，也无需添加其他试剂，因 此这种非浸入式测量方法不会污染及损坏样品，在一定程度上保护样品的完整性。
18、 1.3.6 方便、快捷 光谱分析技术中无需复杂的预处理工作，操作方便、测量速度快，相对于其他方法而言，在现场或在线检测中，光谱分析技术则具有突出的优势。快捷、便利的检测特点有利于检测成本的降低，使光谱分析技术得到更好的推广与普及。 光谱分析技术自身的诸多优点使其在工业和农业生产、环境检测、生命科学、材料学、食品安全监管等领域得到高度的认可 4。 1.4 国内研究现状 李帮锐等 5将高效液相色谱 -质谱 /质谱联用，建立了可以定性、定量分析 含于饮料中 8 种人工合成色素的方法，其中包括苋菜红色素、日落黄色素、诱惑红、柠檬黄、胭脂红、赤藓红、酸性靛蓝以及亮蓝；欧阳燕玲等 6对含于葡萄酒中的 5
19、 种 （柠檬黄色素、亮蓝色素、日落黄色素、苋菜红以及胭脂红） 合成色素进行了高效液相色谱法的建立； 奚星林等 7使用固相萃取与高效液相色谱法相结合，对 食品中 12 种合成色素 (柠檬黄、亮黑、荧光桃红、日落黄、诱惑红、坚牢绿、丽春红 3R、丽春红 2R、荧光素钠、专利蓝、金黄粉、孟加拉玫瑰红）进行了检测。罗利军等建立的 1.5 次线性扫描伏安法可以同时测定胭脂红、赤藓红、柠檬黄、 日落黄、苋菜红 5 种食用人工合成色素。在无机盐存在下，水溶性高聚物水溶液可分为两相，杜建中等利用这一特性，将胭脂红和苋菜红转入高聚物相，避免了其他物质干扰，利用双波长等吸收法胭脂红和苋菜红的含量测定。赵新颖等建立
20、了毛细管电泳法测定糖果中 5 种人工合成色素（亮蓝、日落黄、苋菜红、胭脂红、柠檬黄）的分析方法，认为毛细管电泳法简便、快速、灵敏度高、重现性好。陈悦鸣等利用静电离子色谱法测定食品中的人工合成色素。聂晶等研究了合成色素胭脂红、柠檬黄、苋菜红、赤藓红的快速检测方法微柱法。哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 5 微柱法检测合成色素的原理为，根据水溶性 酸性合成色素在酸性条件下被聚酰胺吸附，在碱性条件下被解吸的特性，利用被分离物质在吸附剂与展开剂之间分配系数不同，达到分离目的。李必斌等应用紫外可见分光光度计进行吸收光谱扫描，发现不同色素具有不同的吸收谱图，此方法可实现合成色素的定性、定量测定。卓婧等利
21、用可见波段全光谱扫描及偏最小二乘变量筛选法，研制出合成色素快速检测仪，并实现对5 种合成色素体系（柠檬黄、日落黄、胭脂红、苋菜红和亮蓝）进行定性和定量分析。北京智云达科技有限公司研发的多功能食品安全快速检测仪（ PCS 型 )即应用了光谱扫描法 ,能实现 6 种合成色素苋菜 红、胭脂红、柠檬黄、日落黄、亮蓝、靛蓝的检测3。 1.5 国外研究现状 Pokorny 等人 9基于白葡萄酒的颜色，使用 Ocean Optics 系列的 S2000 光纤光谱仪对品质进行检测； Tincher 等人采用 Ocean Optics 的 SD1000 光谱仪实现了对纺织品染色的实时测量。 Snehalatha
22、 等 10用傅里叶变换红外光谱法对日落黄进行了振动光谱分析，并根据密度泛函理论计算了它的振动光谱，得到了日落黄的第一超极化率，并分析了羟基振动红移、偶氮基振动频率下降的原因。 Cheung 等 11用表面加 强拉曼散射法对苏丹红色素进行了实验测量，并结合主成分分析、偏最小二乘回归、人工神经网络和支持向量回归等方法实现了对苏丹的定量检测。 Altnz 等 12用一阶导数紫外吸收光谱法结合 Vierordt 法实现了对食物样品中靛蓝、胭脂红的同时测定。 1.6 光纤光谱仪的简介与原理 本实验将采用光纤光谱仪进行光谱测量，光纤光谱仪的优点在于系统的模块化和灵活性 13。微小型光纤光谱仪在测量速度上非
23、常快，使得它可以用于在线分析，可实现多种不同的采样方式。此外，微小型光纤光谱仪体积小、重量轻、探测速度快、使用方便、 可集成化、可批量制造以及价格低等，操作起来也简单方便，所以微型光纤光谱仪在市场上有着很大的竞争力，可以应用在工业过程监控、实验室物理化学分析、临床医学检验、航空航天遥感等领域，因而引起了人们广泛的兴趣。以下为光纤光谱仪的光学系统图（见图 1.1）。 此外，在微小型光谱仪中还应用进了低损耗光纤、低噪声高灵敏 CCD 阵列检测器、全息光栅和小型高效半导体等新型光电子器件，使微小型光谱仪器性能明显提高，还具有以下特点： 哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文） 6 (1)引入 光纤技术，使
24、采样方法更为灵活，使用光纤探测器将远离光谱仪的被测样品引到光谱仪器，从而避免了 样品池的限制，还可以应变样品的不平整表面或凹凸形状。此外，使用光纤将光信号引入，可以使光谱仪内部与环境隔绝，避免其内部被外部的恶劣环境的干扰以及腐蚀。从而延长了光谱仪的使用寿命，并且可长期可靠运行。 图 1.1 光纤光谱仪光学系统图 (2)检测器使用 电荷耦合器件 (CCD)阵列，在扫描光谱过程中不需移动光栅，可瞬态采集，时间短，并与计算机相连，实时输出信息。 (3)分光器件使用 全息光栅，从而降低杂散光，提高测量精度 14。 本实验是采用光纤光谱仪测量色素的反射光谱，光的反射主要分为镜面反射和漫反射，镜面反射 的
25、光并不进入样品的内部，不与样品内部发生发生作用，只是发生在表面，所以镜面反射光不会记载被测样品的结构和组成的信息，不适用与样品的定量或者定性的分析。然而漫反射光则是会进入到样品内部，在其内部发生多次反射、折射、衍射、吸收后返回表面的光，与样品内部的组成发生了相互作用，因此，漫反射光记载了样品的主要内在信息，我们可以利用反射光的特性来分析研究被测样品的特性。 使用光纤光谱仪检测样品时，对不同状态的物体，可采用不同的光纤探头进行检测，反射式探头、积分球直接测量以及透射式浸入型探头是测量的三种方式，当被测样品为 固体或漆膜时，可用反射式探头或积分球对其颜色进行直接测量；透射式浸入型探头可对待测物是液体的颜色进行直接测量；对于在线流动液体的测量，需设计旁路，并将待测物引出，与样品流动池相结合进行实时检测分析。 根据现有条件采用 Y 型光纤，它由照明和接受两束光纤在一端合为一束作为探头，光源发出的光经照明光纤束，传至探头输出，输出光被待测物调制后返回探头，经接收光纤将信号光传到有光电探测器的另一分端输出，从而使光电探测器获得所需
