应用太赫兹时域光谱技术检测粮食中氨基酸含量的方法
【专利摘要】本发明提供一种应用太赫兹时域光谱技术检测粮食中氨基酸含量的方法，通过将待测粮食样品研磨后压片，直接采用太赫兹时域光谱系统在透射测量模式、氮气氛围下对其进行测试，得到太赫兹时域光谱信号作为样品信号，在同样条件下采集氮气氛围下的太赫兹时域光谱信号作为参考信号，进而得到所述待测粮食压片样品的吸收系数谱，最后将所述待测粮食压片样品的吸收系数谱划分为校正集样本吸收系数谱和验证集样本吸收系数谱，用偏最小二乘回归法方法建立定量分析模型，获得各所述待测粮食样品的定量检测值。本发明所述方法样品制备简单，不需进行任何预处理，能够真实、有效地实现对粮食或食品中的氨基酸进行快速准确的定量检测。
【专利说明】应用太赫兹时域光谱技术检测粮食中氨基酸含量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应用太赫兹时域光谱技术检测粮食中氨基酸含量的方法，属于食 品成分检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 氨基酸是人体生长的重要营养物质，是构成体内多肽和生物功能大分子蛋白质的 基本组成单元。氨基酸不仅具有独特的生理功能，同时也在食品工业中具有独特的功能。在 食品工业中应用较多的氨基酸有谷氨酸，赖氨酸，苏氨酸，色氨酸，精氨酸等。其中，L-谷氨 酸由于其独特的呈味性，主要用于生产味精，香料等，并且L-谷氨酸也是重要的营养增补 剂和生化试剂，其本身可以作为药物，参与脑内蛋白质和糖的代谢，促进氧化过程。因此，需 要找到一种快速和准确检测食品中氨基酸的检测方法，从而为食品中氨基酸含量的评价提 供依据。
[0003] 中国专利文献CN102590129A公开了一种检测花生中氨基酸含量的方法，具体步 骤如下：（1)对已知氨基酸含量的花生标准品进行近红外光谱扫描，获得所述已知氨基酸 含量的花生标准品在近红外波长的所有光谱信息，得到校正集样本光谱的计算平均值；（2) 对所述步骤（1)所得校正集样本光谱进行预处理；（3)对所述步骤（2)预处理后的校正集 样本光谱中的信息数据进行主成分分析，提取特征信息数据；(4)以所述花生标准品的氨 基酸含量的化学测定值为校正值，将所述步骤（3)所得特征信息数据作为自变量，所述校 正值作为因变量，用化学计量学多元校正算法建立所述自变量与所述因变量之间的校正模 型；（5)将所述步骤（1)所述已知氨基酸含量的花生标准品替换为待测花生样品，重复所述 步骤（1)-步骤（3)，将所述步骤（3)所得特征信息数据输入所述步骤（4)的校正模型，得 到所述待测花生样品中的氨基酸含量。然而，上述采用近红外光谱检测花生中氨基酸含量 的方法，其存在的问题在于：近红外光谱的是基于分子内部振动的倍频与合频吸收，谱峰较 宽，重叠严重且吸收强度弱。由于近红外光谱的谱峰较宽，不能直接从近红外光谱中指认出 物质的相应特征吸收峰，因而需要利用全谱数据建立模型，进而容易引入较多的噪声信息。 同时近红外光谱的穿透性相对较弱，无法穿透具有一定厚度的涂层或者外包装，对于检测 涂层以下或者具有外包装的样品时，需要破坏涂层或者外包装，从而在一定程度上破坏了 样品的完整性。
[0004] 太赫兹辐射（也称"THz辐射"）是指频率在0. ΙΤΗζ-ΙΟΤΗζ，波长在0. 03-3mm之间 的电磁波，其波段位于微波和红外线之间，是宏观电子学向微观光子学过渡的区域，在电磁 波频谱中占有很特殊的位置。许多极性大分子在振动能级间的跃迁正好处于太赫兹频率范 围，因此，生物分子的太赫兹光谱可以反映由分子内或分子间集体振动和晶格振动引起的 低频振动膜的本征特性。太赫兹电磁波具有较低的光子能量，在进行样品检测时，不会产生 有害的光致电离。另外，太赫兹波具有较强的穿透性，可以穿透一定厚度的隔层检测分析样 品，可以避免破坏珍贵样品，如古文物等，是一种新型的有效的无损探测方法。然而，目前还 没有将太赫兹光谱技术用于氨基酸检测的相关报道。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种应用太赫兹时域光谱技术实现直接对 粮食中氨基酸进行定量检测的方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种利用太赫兹时域光谱技术检测粮食中氨基酸含量的方法，包括如下步骤：
[0008] (1)取待测粮食样品研磨后压片，即得待测粮食或食品压片样品；
[0009] (2)利用太赫兹时域光谱系统，采用透射测量模式采集其氮气氛围下的太赫兹时 域光谱信号作为参考信号E ref (t)，并在相同条件下采集所述待测粮食压片样品的太赫兹 时域光谱信号作为样品信号Esam(t)，将参考信号E Mf(t)和样品信号Esam(t)分别经过傅 里叶变换后得到参考的频域信号ΕΜ?(ω)和样品的频域信号Ε_(ω)，将参考的频域信号 Ε#(ω)和样品的频域信号Ε_(ω)的比值定义为函数Η(ω)，见式⑴，基于函数Η(ω)，计 算出样品的折射率η(ω)和吸收系数谱α (ω)，见式（2)和式（3)，并根据目标氨基酸的性 质选择所述吸收系数谱的重现性较好的波段区间作为所述目标氨基酸的特征波段：
[0010]
【权利要求】
1. 一种利用太赫兹时域光谱技术检测粮食中氨基酸含量的方法，其特征在于，包括如 下步骤： (1) 取待测粮食样品研磨后压片，即得待测粮食或食品压片样品； (2) 利用太赫兹时域光谱系统，采用透射测量模式采集其氮气氛围下的太赫兹时域光 谱信号作为参考信号Eref (t)，并在相同条件下采集所述待测粮食压片样品的太赫兹时域光 谱信号作为样品信号Esam(t)，将参考信号EMf(t)和样品信号Esam(t)分别经过傅里叶变换 后得到参考的频域信号ΕΜ?(ω)和样品的频域信号Ε_(ω)，将参考的频域信号ΕΜ?(ω)和 样品的频域信号Ε_(ω)的比值定义为函数Η(ω)，基于函数Η(ω)，计算出样品的折射率 η(ω)和吸收系数谱α(ω)，并根据目标氨基酸的性质选择所述吸收系数谱的重现性较好 的波段区间作为所述目标氨基酸的特征波段：
上述式（1)-(3)中，η'为待测粮食压片样品的复折射率，k(c〇)为每个频率下的消光 系数，d为待测粮食压片样品的厚度，ω为频率，p(ω)为振幅，口〇)表示相位，c表示真 空中光的传播速度； (3) 在选定的所述特征波段内，将所述待测粮食压片样品的吸收系数谱划分为校正集 样本吸收系数谱和验证集样本吸收系数谱； (4) 利用偏最小二乘回归法建立所述校正集样本吸收系数谱和所述验证集样本吸收系 数谱的定量分析模型，获得各所述待测粮食样品中氨基酸的定量检测值。
2. 根据权利要求1所述的一种利用太赫兹时域光谱技术检测粮食和食品中氨基酸含 量的方法，其特征在于，所述氨基酸为L-谷氨酸。
3. 根据权利要求2所述的一种应用太赫兹时域光谱技术检测粮食和食品中氨基酸含 量的方法，其特征在于，所述的粮食样品为大米。
4. 根据权利要求3所述的一种应用太赫兹时域光谱技术检测粮食和食品中氨基酸含 量的方法，其特征在于，所述步骤（2)中，所述特征波段为0.3-1. 8THz。
5. 根据权利要求1-4任一所述的一种应用太赫兹时域光谱技术检测粮食和食品中氨 基酸含量的方法，其特征在于，所述步骤（2)中，所述太赫兹时域光谱的测试条件是：温度 为20°C，频率范围为0. 3-3.OTHz。
6. 根据权利要求1-5任一所述的一种应用太赫兹时域光谱技术检测粮食和食品中氨 基酸含量的方法，其特征在于，所述步骤（3)中，所述校正集样本和所述验证集样本吸收系 数谱的划分采用拉丁配分法进行。
7. 根据权利要求1-6任一所述的一种应用太赫兹时域光谱技术检测粮食和食品中 氨基酸含量的方法，其特征在于，利用所述拉丁配分法进行划分时选择配分数为4,取其中 3/4作为校正集样本，1/4作为验证集样本。
8. 根据权利要求1-7任一所述的一种应用太赫兹时域光谱技术检测粮食和食品中氨 基酸含量的方法，其特征在于，所述待测粮食压片样品为直径13mm、厚度约I.Omm的圆薄 片。
9. 根据权利要求1-8任一所述的一种应用太赫兹时域光谱技术检测粮食和食品中氨 基酸含量的方法，其特征在于，所述步骤（4)中，采用交叉验证法确定偏最小二乘回归的主 因子数。
10. 根据权利要求1-9任一所述的一种应用太赫兹时域光谱技术检测粮食和食品中氨 基酸含量的方法，其特征在于，所述步骤（4)中，采用测试集的均方误差MSE和平方相关系 数R2评价所建立模型的预测性能准确性，所述MSE和R2的计算公式如（4)和（5):
【文档编号】G01N21/3586GK104237157SQ201410508617
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】张卓勇, 陈泽炜, 杨玉平 申请人:首都师范大学, 中央民族大学, 北京远大恒通科技发展有限公司