（光学工程专业论文）食用合成色素日落黄和柠檬黄荧光光谱的研究.pdf

摘要 摘要 食用色素，又称食用染料或着色剂，作为最重要的食品添加剂之一，一直被广泛用 于食品生产、医药和化妆品工业。食用色素按其来源可分为天然色素和食用合成色素， 食用合成色素大多为含有r - n = n r 键、苯环，或氧杂蒽等结构的化合物，被人体吸收后 可转化成致癌物质，对人体造成不同程度的损害。因此，必须严格控制其使用品种、数 量，限制每日允许摄入量( a d i ) ，并建立快速有效的检测方法。 近几年，在世界范围内，食品安全事件屡屡发生( 如苏丹红事件、农药残留、三聚 氰胺奶制品等) ，触目惊心、举世震惊。世界各国都将食品安全视为国家公共安全，纷 纷加强管理制度，积极建立有效的检测方法。目前，科研人员已运用紫外分光光度法， 高效液相色谱法，导数吸附伏安法等方法对食用合成色素进行了检测研究。 然而，在国内外，鲜有运用分子荧光光谱法定性表征、定量检测食用合成色素的报 道。分子荧光光谱法具有测量精确，样品量少、高分辨率等特点，能解决传统方法中， 分析过程繁琐、费时且不易推广等不足，是高效、精确的分析方法，近年来在测定物质 种类、含量残留等方面取得了很好的应用。但是，食用合成色素含有多个荧光团，其荧 光光谱规律较复杂，荧光相对强度与其浓度存在的非线性关系难以用偏最小二乘( p l s ) ， 多元线性回归等方法定性、定量分析。 本文采用r o p e rs c i e n t i f i cs p 一2 5 5 8 多功能光谱测量系统对浓度为0 1 0 0 m g m l 的日落 黄、柠檬黄溶液的荧光光谱进行了实验研究，实验发现，在波长3 1 0 n m 一4 0 0 n m 的紫外光 激励下，日落黄溶液荧光光谱的最佳激发波长为3 7 0 n m ，荧光峰值波长为5 7 6 n m ，柠檬 黄溶液荧光光谱的最佳激发波长为3 5 0 n m ，荧光峰值波长为5 6 9 n m 。根据分子光谱理论， i c = n ， 日落黄和柠檬黄能产生荧光，是因为其分子中含有= c = o 、 、苯环或萘环等荧 光发色基团及o h 、s 0 3 n a 等荧光助色基团，通过偶氮键连结在一起，形成足够长的共 轭双键体系，电子主要以万专万跃迁方式吸收光子，产生荧光。进而检测并分析了不 同浓度日落黄和柠檬黄溶液的荧光光谱特性。 在实验的基础上，本文运用导数光谱法对日落黄和柠檬黄的荧光光谱数据进行处 理，突显了日落黄和柠檬黄荧光光谱之间的差异，增强了荧光光谱对日落黄和柠檬黄的 识别能力；并引入b p 神经网络、径向基函数神经网络( r b f ) 、遗传算法- 神经网络 ( g a b p ) 等智能算法应用荧光光谱对日落黄和柠檬黄进行识别和浓度预测。这些方法 各有其优点：径向基函数神经网络与b p 神经网络在处理过程中不需要考虑系统误差、 不需要知道对象的数学模型，即能完成复杂的非线性识别，且相比之下，径向基神经网 络测得结果更精确，更稳定，训练时间也更短。遗传算法一神经网络( g a - b p ) 模型兼 有神经网络的广泛映射能力和遗传算法( g a ) 的快速、全局收敛以及增强式学习能力 等性能，能够准确预测日落黄的浓度。本文还将小波变换应用于对荧光光谱数据的压缩， 保持了原始光谱的特征峰，大大压缩了数据量，在网络训练及预测等程序上缩减了训练 时间，提高了测量精度。这些方法在利用本身优点的同时，也很好地发挥了荧光光谱法 高灵敏度、高准确度和高选择性的特点，将预测的平均误差和标准偏差( r s d ) 均保持 在5 以下。 本文虽以日落黄和柠檬黄为研究对象，但研究内容具有普遍性，所用方法也可应用 于其它的食用合成色素和食品添加剂的种类识别和浓度预测。通过探索日落黄和柠檬黄 的荧光产生机理和光谱特性与其分子结构的关系，为进一步研究食用合成色素的分子结 构及毒性产生机理提供了一定的理论支持，可促进分子光谱理论的发展，拓展其应用， 为食品安全检测提供新的思路与方法。 关键词：食用合成色素、荧光光谱、导数光谱、b p 神经网络、径向基函数神经网 络、遗传算法神经网络、小波变换、食品安全 i i a b s t r a c t a b s t r a c t f 0 0 dp i g m e n t ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf o o da d d i t i v e sa n da l s oc a l l e df o o dd y e so r c o l o r a n t ，h a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt of o o d ，m e d i c i n ea n dc o s m e t i ci n d u s t r y f o o dp i g m e n tc a n b ec l a s s i f i e da sn a t u r a lp i g m e n ta n ds y n t h e t i cf o o dd y e sa c c o r d i n gt ot h e i rs o u r c e s s y n t h e t i c f o o dd y e sc o n t a i ns o m ec o m p o u n d si nw h i c hh a v et h es t r u c t u r e so fr - n = n rb o n 也b e n z e n e r i n go rx a n t h e n e ，a n ds oo n t h e s ec o m p o u n d sm a yb ec o n v e n e dt oc a r c i n o g e ni nh u m a n b o d 弘a n dc a u s ed a m a g e t h e r e f o r e ，t h ev a r i e t i e s ，t h en u m b e ra n dt h ea d io fs y n t h e t i cf c i o d d y e sm u s tb ec o n t r o l l e ds t r i c t l y m o r e o v e r ，f a s ta n de f f i c i e n ti n s p e c t i o nm u s tb ep e r f o r m e d i nr e c e n ty e a r s ，m a n yf o o ds a f e t yi s s u e so c c u r r e df r e q u e n t l ys u c ha ss u d a ni n c i d e n t ， p e s t i c i d ei n c i d e n t ，m e l a m i n ei n c i d e n t ，a n ds oo n m a n yn a t i o n sh a v er e g a r d e dt h ef o o ds a f e t y 嬲an a t i o n a lp u b l i cs a f e t ya n dh a v es t r e n g t h e n e dt h em a n a g e m e n ts y s t e m i ti si m p o r t a n tt o i m p r o v et h ed e t e c t i o nt e c h n i q u eo ff o o dp i g m e n t a tp r e s e n t ，m a n ym e t h o d ss u c ha su v s p e c t r o p h o t o m e t r y , h i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y , d e r i v a t i v ea d s o r p t i v e v o l t a m m e t r y , h a v er e s e a r c h e de x t e n s i v e l y f e wr e s e a r c h e sa b o u tt h e s y n t h e t i c f o o d d y e sq u a l i t a t i v e c h a r a c t e r i z a t i o na n d q u a n t i t a t i v eb yt h ef l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p ya n a l y s i sw e r er e p o r t e dn om a t t e rd o m e s t i c a l l y a n do v e r s e a s w h i l et h ep r o p e r t i e so fm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，s a m p l el e s s ，h i g h r e s o l u t i o n ， m a k em o l e c u l a rf l u o r e s c e n c es p e c t r o m e t r ya t t r i c t i v ef o rm a n ya p p l i c a t i o n si nr e s i d u a lc o n t e n t a n ds p e c i s ei d e n t i f i c a t i o n ，t h e yp o s eu n i q u ec h a l l e n g e st om e e tt h es h o r t a g eo ft h et r a d t i o n a l m e t h o d s u n f o r t u n a t e l y , t h es y n t h e t i cf o o dd y e sc o n t a i nal a r g en u m b e ro ff l u o r o p h o r e sa n d i t sf l u o r e s c e n c es p e t r al a wi sc o m p l e x i nt h ef l u o r e s c e n c es p e t r a , t h en o n - l i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e nf l u o r e s c e n c ei n t e n s i t ya n dc o n c e n t r a t i o nc o u l dn o tb eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e a n a l y s e db yt h em e t h o d ss u c ha sp l s ，m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n d s oo n i nt h i sp a p e r , o 1o o m g m ls u n s e ty e l l o wa n dt a r t r a z i n es o l u t i o nf l u o r e s c e n c es p e c t r aa r e d e t e c t e db yt h er o p e rs c i e n t i f i cs p - 2 5 5 8m u l t i - f u n c t i o ns p e c t r o m e t e r 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t t h e i rb e s te x c i t a t i o nw a v e l e n g t hi s3 7 0 n ma n d3 5 0 n mr e s p e c t i v e l y , t h e i rf l u o r e s c e n c ep e a ki s r e s p e c t i v e l ya t5 7 6 n ma n d5 6 9 n mi nt h ef l u o r e s c e n c es p e c t r ai n d u c e db y3 1o n t ot o4 0 0 n m u vl i g h t a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fm o l e c u l a rs p e c t r o s c o p y , t h em e c h a n i s mo ns u n s e t y e l l o wa n da r t r a z i n ee m i tf l u o r e s c e n c ei sd i s c u s s e d ，n l er e a s o nw h ys u n s e ty e l l o wa n d a r t r a z i n ec a l le m i tf l u o r e s c e n c ei sd i s c u s s e d t h e r ea r es o m ef l u o r e s c e n tc h r o m o p h o r i ca n d l c = n a u x o c h r o m eg r o u p se x i s t e di nm o l e c u l a r , s u c ha s = c = o ， ，b e n z e n er i n g ， n a p h t h a l e n er i n g ，o h ，- s 0 3 n a , e t c t h e ya r ec o n n e c t e dt o g e t h e rt h r o u g hr z ob o n d ，l e a dt o t h ef o r m a t i o no fc o n j u g a t e dd o u b l eb o n ds y s t e m e l e c t r o n i ce x i s t e di ni tc a ne a s i l ya b s o r b p h o t o n sb yt h et r a n s i t i o nf o r m so f 万j 万a n de m i tf l u o r e s c e n c e t h e n ，t h ef l u o r e s c e n c e s p e c t r ac h a r a c t e r i s t i ca td i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fs u n s e ty e l l o wa n dt a r t r a z i n ew e r ed e t e c t e d a n dd i s c u s s e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，d e r i v a t i v es p e c t r o p h o t o m e t r yi se m p l o y e dt od e a lw i t h f l u o r e s c e n c es p e c t r ad a t ao fs u n s e ty e l l o wa n dt a r t r a z i n e t h e r ea r eo b v i o u sd i f f e r e n c e b e t w e e nt h es u n s e ty e l l o wa n dt h et a r t r a z i n ef l u o r e s c e n c es p e c t r a t h er e c o g n i t i o na b i l i t yi s l a b s t r a c t e n h a n c e db yu s i n gf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y s o m ei n t e l l i g e n ta l g o r i t h m s ，s u c ha sb pn e u r a l n e t w o r k ，r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k ，g a b pn e u r a ln e t w o r k ，a r eu s e dt od e t e c t s u n s e ty e l l o wa n dt a r t r a z i n eq u a n t i t a t i v e l y c o m p l e xn o n l i n e a rc l a s s i f i c a t i o nc o u l db e c o m p l e t e db yu s i n gr a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r ka n db pn e u r a ln e t w o r ki nt r e a t m e n t p r o c e s s ，w i t h o u tc o n s i d e r i n gs y s t e m a t i c e r r o ra n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fo b j e c t s f u r t h e r m o r e ，w h e nc o m p a r e dt ob pn e u r a ln e t w o r k ，t h er e s u l t sa r em o r ea c c u r a t ea n dm o r e s t a b l e ，t h ea n a l y s i st i m ei sm o r es h o r t e nb yu s i n gr a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k g a b p n e u r a ln e t w o r k ，c o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so fn e u r a ln e t w o r ka n dg a c o u l dp r e d i c tt h ee x a c t c o n c e n t r a t i o no fs u n s e ty e l l o w i nt h i sp a p e r w a v e l e tt r a n s f o r r nw a su s e dt oc o m p r e s s f l u o r e s c e n c es p e c t r ad a t a i tm a i n t a i n e dt h eo r i g i n a lc h a r a c t e r i s t i cp e a k m e a n w h i l e ，i t r e d u c e da m o u n to fd a t aa n dn e u r a ln e t w o r kp r o c e s s i n gt i m e ，a n de n h a n c e dt h em e a s u r i n g a c c u r a c yi nt h ep r o g r a mo fn e t w o r kt r a i n i n ga n dp r e d i c t i o n ，功e s em e t h o d sn o to n l yu t i l i z e t h e i ro w ns t r o n g p o i n t s ，b u ta l s oc o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so ff l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p ys u c h a sh i g hs e n s i t i v i t y ，s m a l lq u a n t i t yo fs a m p l i n g ，s p e e d i n e s sa n dc o n v e n i e n c e t h ea v e r a g ee r r o r a n dr s dw e r eb e l o w5 a l t h o u g hw et a k es u n s e ty e l l o wa n dt a r t r a z i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t s ，b u tt h ec o n t e n th a s u n i v e r s a l i t y o u rr e s e a r c hf i n d i n g sa l s oc a nb eu s e dt or e c o g n i z ea n dp r e d i c tt h ec o n c e n t r a t i o n o fo t h e rs y n t h e t i cf o o dd y e sa n da d d i t i v e s t h e yn o to n l yp r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o r f u r t h e rs t u d y i n gt h em o l e c u l a rs t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i s mo ft o x i c i t yo fs y n t h e t i cf o o dd y e s ， b u ta l s op r e s e n tan e wi d e aa n dan e ww a yf o rf o o ds a f e t yi n s p e c t i o n k e y w o r d s ：s y n t h e t i cf o o dd y e s ，f l u o r e s c e n c es p e c t r a , d e r i v a t i v es p e c t r o p h o t o m e t r y ，b p n e u r a ln e t w o r k ，r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k ，g a - b pn e u r a ln e t w o r k ，w a v e l e t t r a n s f o r m ，f o o ds a f e t y i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 扔 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，- j - 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 易爱 导师签名： 冱闺应 签名： 拯盘 导师签名： 芝堡! 型丛 日 期：塑艺：垒：墨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 食用合成色素 1 1 1 食用合成色素的现状和发展趋势【l - 4 食品添加剂是指为了加工工艺和防腐的需要以及为改善食品色、香、味而在食品中加 入的化学合成物质或天然物质。许多天然食品具有本身的色泽与香味，这些色泽与香味能 增加入的食欲，加快食物在人体中的消化，是食品的重要感官指标。但在食品的加工贮藏 过程中，天然食品常会不同程度地褪色或完全丧失原有的色泽。因此，为改善食品的色泽， 人们常常在食品加工过程中添加食用色素来提高食品的美观性。食用色素是一类调节食品 色泽的添加剂，有时又称之为食用染料或着色剂。现在常用的食用色素包括两类：天然色 素与食用合成色素。 天然色素来自天然物，主要从植物的根、茎、叶、花、果实和动物、微生物中提取， 成分一般比较安全，在食品中添加色素并不是现代人的专利，我国自古就有将红曲米酿酒、 酱肉、制红肠等习惯。但是，天然色素由于生产成本偏高，化学性质不稳定，染着力不强 等因素，其应用受到限制。食用合成色素是指用人工化学合成方法所制造的有机色素，自 1 9 世纪问世以来，由于成本低廉、色泽鲜艳、着色力强、性质稳定、可任意调配、让生产 者用起来得心应手，以至于在食品生产中应用广泛。在添加色素的食品中，使用天然色素 的不足2 0 ，其余均为食用合成色素。但是食用合成色素多以苯、甲苯、萘等化学产品为 原料，经过磺化、硝化、偶氮化等一系列化学反应合成。这些色素大多带有毒性，主要是 其化学性能直接影响人体健康，或在代谢过程中产生有害物质，使人体受到损害。大量研 究结果表明：食用合成色素有致癌性是由于其大多为偶氮化合物。食用类偶氮色素分子的 芳香部分大都有萘环与偶氮键，它们是偶氮色素的颜色载体，偶氮色素由于化学性质较活 泼，在强还原剂作用下，r - n = n r 容易发生断裂，萘环被还原成口萘胺、p 萘胺，这两种 物质具有致癌性。另外，在加工过程中，砷、铅、铜、苯酚、苯胺、乙醚、氯化物等化工 产品会对食用合成色素造成不同程度的污染，也会对人体造成危害。 鉴于食用合成色素对人类健康所具有的危害性，世界各国尤其是西方发达国家不仅在 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，食用合成色素的使用种类、使用量及允许使用的食品范围均有明确 规定。联合国粮食与农业组织、世界卫生组织( f a o ：币i j w h o ) 联合法典委员会制定的食品法 典标准中也有相关规定，且随着研究的逐步深入，这些标准也在不断地被调整，例如，苋 菜红多年来被公认为安全性较高的色素而被世界各国普遍使用，然而前苏联在1 9 6 8 - - 1 9 7 0 年进行的长期动物试验表明其致癌率高达2 2 。1 9 7 2 年f a o w h o 联合添加剂专家委员会 将每日允许摄入量( a d i ) 从0 至1 5m g k g 修改为0 至0 7 5m g k g ，1 9 8 4 年其a d i 值被再 次修改为：0 至o 5m g k g ，有些国家如美国则坚决废除了苋菜红的使用。在世界各国使用 合成色素最多时，品种多达1 0 0 余种，日本曾批准使用的合成色素有2 7 种，现己禁止使用其 中的1 6 种。目前有些国家已完全禁止使用食用合成色素，例如瑞典、芬兰、挪威、印度、 江南大学硕士学位论文 丹麦、法国等国家。 食品加工中食用色素的用量一般很少，但是在着色方面却能发挥巨大的作用，近年来， 我国食品结构发生了巨大变革，食用合成色素在食品工业中起的作用越发突出，每年食用 合成色素的用量已增至8 0 0 吨左右。随着食品工业的发展其需求量仍在不断增长，目前年 增长率约为3 2 。至2 0 0 0 年止，我国批准使用的食用合成色素有苋菜红、胭脂红、赤藓 红、新红、诱惑红、日落黄、柠檬黄、亮蓝、靛蓝以及它们的色淀，酸性红、二氧化肽、 1 3 叶绿素铜钠，胡萝i - 素( 合成) 等2 1 种。我国政府对食用合成色素的使用范围和使用 量均作出了严格的规定：凡是肉类及其加工品( 红肠肠衣除外) 、鱼类及其加工品、醋、 酱油、腐乳等调味品、水果及其制品、乳类及乳制品、婴儿食品、饼干、糕点都不能使用 人工合成色素。只有汽水、冷饮食品、糖果、配制酒和果汁露可以少量使用，一般不得超 过1 1 0 0 0 0 。然而，事实上，在巨大的经济利益的驱使下，食品中合成色素的超标、超范围 使用现象屡禁不止。据国家质检总局近年来的国家监督抽查显示，滥用食用色素的现象主 要集中在粮食、蜜饯、水果罐头、肉制品等行业。2 0 0 4 年7 月，国家质检总局对全国6 3 家企 业的肉制品进行了抽查，共抽查出2 3 种产品不合格，其中有2 0 种产品违禁使用了人工合成 色素，占不合格产品总数的8 7 ；同年11 月，国家质检总局对水果罐头产品质量进行了监 督抽查。共抽查了全国5 9 家企业，在2 0 种不合格的产品中，有6 种产品违禁添加了人工合成 色素。对市场抽检结果表明，一方面消费者在购买食品时较重视食品的外观色泽，另一方 面对又滥用色素的现象缺乏鉴别的知识和手段，以及国家相关部门监管和控制等方面所存 在的难度都使得滥用合成色素的违法行为在食品工业中有日益扩展的趋势。 天然食用色素大部分取自于植物，部分取自动物和矿物。在“绿色运动呼声越来越 高的今天，天然食用色素的发展前景更加看好。世界各国相继制定法规，淘汰大部分有毒 的化学合成色素，少用或不用合成色素，用天然色素取代合成色素以及研制开发天然色素 已成为世界各国发展的趋势。目前，可从以下几方面采取措施：开发新品种的天然色素， 凡是不容易受金属离子或其他化合物影响，又对热、光、氧化作用稳定，只要对人体确证 无害，应当设法提取；积极研究保持天然食品颜色持久不变的方法；大力研究生物色素， 例如红曲色素等；研究新法合成工艺，以降低天然色素的生产成本，提高效益；开发不易 被人体吸收的大分子聚合物合成色素，美国d y n a p o l 公司已成功研制出p o l y r t m 一4 8 1 、 p o l y r t m 6 0 7 两种红、黄聚合色素：相对分子质量分别为3 0 0 0 0 、1 3 0 0 0 0 。 天然色素由于价格还较高和受目前生活水平所限，其在国内食品制造业中的应用量还 较少。随着我国人民生活水平的进一步提高及大众健康意识的增强，回归大自然、食用全 天然原料的产品必将成为今后食品消费的主流。广大消费者在日常生活中应加强自我健康 和维权意识，在购买商品时不要过分追求食品的色泽，同时认真查阅商品包装上的成分标 识，尽量选用无色素或使用天然色素的食品。 1 1 2 日落黄和柠檬黄的物理化争l 生质1 5 】 日落黄为橙色的颗粒或粉末，无臭，易溶于水。o 1 水溶液呈橙黄色，日落黄溶于 甘油、丙二醇，但难溶于乙醇，不溶于油脂，2 1 时在水中的溶解度为2 5 3 ，乙醇 中的溶解度为0 9 一5 0 。耐光性、耐热性、耐酸性非常强，耐碱性较好，遇碱呈红褐 2 第一章绪论 色，还原时褪色。我国食品添加剂卫生标准规定，日落黄最大使用量为0 1 k g ，婴儿食 品不得使用。人体日允许摄入量暂定为0 - 2 5 m g k g 。 柠檬黄为橙黄色均匀粉末，无臭，易溶于水。o 1 水溶液呈黄色，柠檬黄溶于甘 油、丙二醇、微溶于乙醇，不溶于油脂。2 1 时在水中的溶解度为1 1 8 ，在乙醇中的 溶解度为9 1 0 。耐热性、耐光性、耐盐性均好。耐氧化性较差，遇碱稍变红，还原 时褪色。我国食品添加剂卫生标准规定，柠檬黄最大使用量为0 1 m g k g ，婴儿食品不得 使用。人体日允许摄入量暂定为0 - 0 7 5 m g k g 。 1 2 食用合成色素的检测技术 近年来，为了加强对食用合成色素的监督管理，许多国家对食用合成色素的安全性及 理化性质做了深入细致的研究，食用合成色素的使用量、使用范围及使用品种得到了明确 的规定，各种检测方法也相继问世。目前，食用合成色素的测定方法主要有前处理的分离 提取技术、高效液相色谱( h p l c ) 法、分光光度法、微柱法、纸上层析法、导数吸附伏安 法、极谱法和紫外一可见吸收光谱法等【9 。1 引，现对其中几种方法的应用情况简介如下： 杨义善等采用离心分离法对色素进行吸附与解吸附，样品加标回收率在9 0 1 0 5 ， 该方法简便、快速，且准确度能满足测定的要求。沈士秀等通过用纸上层析法对熟肉制品 中的红曲天然色素掺杂胭脂红进和鉴别，有较好的分离效果。冯江等采用稳定回归一分光光 度法同时测定食用合成色素，采用最小二乘法的多波长线性回归光度法，改变了最d x - 乘 法的不足，并取得比较满意的结果。高效液相色谱法( h p l c ) 为国家标准方法的第一法。 刘丽珍等用 玎，l c 测定四种食用合成色素，在流动相为甲醇0 0 2 m o l l 、乙酸铵( 2 0 8 0 ，v v ) ； 流速：l m vm i n ；检测器波长：2 5 4 n m 色谱条件下，回收率8 0 9 5 ，该方法具有设备要 求简单、工作效率高等优点。鄢兵等用h p l c 法检测饮料中的日落黄和柠檬黄，检测结果平 均回收率为8 8 8 ，线性回归方程为y = 0 0 11 3 + 5 2 1 0 。3 x ，相关系数r = 0 9 9 9 4 。钱桂平等 用微机极谱法测定食品中的日落黄、柠檬黄、苋菜红、胭脂红的混合色素，对底液的组成、 稳定性、线性范围、精密度、检出限、准确度等进行研究，取得了令人满意的结果。白洁 玲等用导数吸附伏安法在p h 8 2 的硼酸钠盐酸介质中同时测定日落黄和柠檬黄，分了几种 饮料中的日落黄和柠檬黄，取得了满意的结果，该方法简便快速。根据统计，在分析化学 面临的任务中，将近5 0 的检验由紫外可见分光光度法完成。不同的物质吸收不同光波的 光，应用紫外一可见分光光度计对日落黄、柠檬黄、亮蓝、苋菜红和胭脂红进行吸收光谱 扫描，发现这五种食用合成色素具有不同的吸收光谱图。将测得的吸收光谱图与标准谱光 图对比，即可快速鉴别其种类。且一定浓度下峰值强度与含量成正比，故可定量分析食用 合成色素的浓度。 1 3 荧光光谱在食品安全检测中的应用 近几年，在我国，荧光光谱检测技术已经逐步应用于食品安全领域，也取得了一些 进展。食品安全检验的指标主要包括食品的一般成分分析、微量元素分析、农药残留分 析、兽药残留分析、霉菌毒素分析、食品添加剂分析和其他有害物质的分析等。例如在 江南大学硕士学位论文 农药的毒性、残留量分析上。王忠东等【l9 】分析了几种常用的氨基甲酸酯类农药，西维因、 残杀威、克百威等的分子结构，并揭示了它们的荧光光谱特性。李英等【2 0 】采用高效液相 色谱法结合荧光分析法，同时测定水果和蔬菜中的3 种代谢物残留及1 2 种氨基甲酸酯类 农药。该方法采用氨基固相萃取柱分离净化，乙腈提取，反相分配色谱梯度洗脱，柱后 衍生化，然后进行荧光检测。结果表明，在3 5 分钟内，3 种代谢物及1 2 种农药可很好地 被分离，在浓度0 0 1 0 - - 1 0 1 t g m l 的范围内线性良好，检出限为0 0 0 l 珈0 0 5 m g 蚝。这3 种代谢物及1 2 种农药包括：涕灭威矾、涕灭威亚砜、灭多威、杀线威、涕灭威、抗蚜威、 羟基克百威、速灭威、克百威、残杀威、异丙威、恶虫威、仲丁威、甲萘威、灭虫威等。 荧光分析法多与h p l c 法结合使用，在用h p l c 进行食品的抗生素残留分析中，通常要对 样品进行预分离。为了运用h p l c 法测定测定动物食品中残留的四环素和土霉素( o t c ) ， 任一平等【2 l j 首先将样品分离，然后用8 氧氯化锆溶液柱后衍生，在激发波长4 0 6 n m 的 激励下，检测发射波长5 1 5 n m 处的锆，检测结果得出，四环素和土霉素的检出限分别为 3 p , g l 和5 9 9 l ，有较高精度。 在食品添j j l 齐t 方面，荧光光谱检测技术也逐步地被应用，例如：在激发波长2 2 5 n m 、 发射波长3 1 0 n m 、溶液的p h 值2 3 时，谢跃生等【2 2 1 用荧光光谱法对市售饮品中的苯甲酸 进行了测定。鉴于甲醛对人体极为有害，刘嘉坤等【2 3 】利用甲醛催化氧化吡罗红b ，由于 产生荧光淬灭，应用荧光动力学法建立了在酸性条件下测定痕量甲醛的新方法，结果检 出限为8 6 x 1 0 6 9 l ，线性范围为0 0 1 6 _ o 1 4 m g l 。陈新焕等用原子荧光光谱法测定了 食品添加剂焦亚硫酸钠中微量砷。在一定的条件下，荧光相对强度与砷浓度在 0 1 5 0 n g m l 范围内线性关系良好，相关系数0 9 9 9 3 ，回收率9 8 o - - 1 0 0 5 ，相对标准 偏差( r s d ) 不超过3 7 。该方法充分利用了荧光光谱法灵敏度高的特点。由于食品包 装材料中一般含有害酚类物质，能直接或间接地影响食品性质。采用荧光分光光度法， 方亚敏等阱】测定了饮用水和食品包装材料中苯酚含量，测得检出限达0 0 0 1 m l l ，该方 法操作简便、灵敏度高，可以满足饮用水国家卫生标准要求。 但是，荧光光谱在食品安全检测领域的应用，现阶段，还远没有色谱、近红外检测 那样得到更深入和广泛的研究，大部分只是停留在对物质的线性检测范围、检出限、回 收率以及普通的荧光光谱研究范畴，研究的对象范围较窄，尤其是还没有用荧光光谱对 食品添加剂做过较全面的定性标识，也尚未有运用荧光光谱结合智能算法对食用合成色 素进行定量检测的研究报道。 1 4 课题研究的目的和意义 目前，一方面利益驱使，另一方面是检测方法不够简便、快速，检测监督工作未能 有效地开展。违法滥用食用合成色素的现象屡见不鲜，且有扩展趋势。 食用合成色素因色泽鲜艳、着色力强、稳定性好、价格低廉等特点而被广泛使用。 而合成食用色素多以苯、甲苯、萘等化工产品为原料，经过磺化、硝化、偶氮化等一系 列有机反应而成，大多为含有r - n = n r 键、苯环或氧杂蒽结构化合物。许多合成色素有 4 第一章绪论 一定毒性，必须严格控制使用品种、范围和数量，限制每日允许摄入量( a d i ) 。有些 色素长期低剂量摄入，也存在致畸、致癌的可能性。更不用说一些不法分子，在利欲驱 使下，突破允许使用品种、范围和数量，滥用、违规添加色素，甚至将工业色素( 染料) 用于食品，更使食品安全面临挑战【2 5 1 。 面对食品安全问题的不断出现，世界各国都将食品安全视为国家公共安全，纷纷加 大监管力度，我国制订、颁布了国家食品药品安全“十一五”规划， 中华人民共 和国食品安全法即将颁布实施，其中，特别明确要对食品添加剂加强监管。食用合成 色素作为最常用的食品添加剂，有关其毒性、使用安全性及其检测技术的研究越来越受 到重视，许多国家都对食用合成色素的理化性质及安全性展开深入细致的研究，食用合 成色素的毒性与安全性的研究、评估和监督已形成国际化趋势。其中，关键的问题有两 个：一是从分子结构及其变化上弄清食用合成色素在人体中产生毒性的机理。这方面的 研究未见方法和结果的报道；二是食用合成色素的高效检测。目前常用的检测方法有前 处理的分离提取技术、纸上层析法、分光光度法、微柱法、高效液相色谱( 瑚，l c ) 法、 极谱法和紫外一可见吸收光谱法、导数吸附伏安法等，这些方法往往存在前处理过程复 杂、耗时、不经济等缺陷，有些准确度、灵敏度又有限。近几年也有学者测量了个别色 素的吸收光谱和荧光光谱【2 o 】，但长期以来，国内外学者都尚未对食用合成色素作过光 谱方面的系统研究，至今鲜有运用紫外激励分子荧光光谱法，对食用合成色素系统地进 行定性表征、定量检测和准确鉴别的报道。 食用合成色素分子结构大多都具有苯环或萘环等芳环或杂环，具有刚性平面结构和 共轭双键体系。根据紫外吸收光谱和分子荧光光谱的理论，食用合成色素分子应当具有 相应的吸光结构、发色基团和荧光助色基团，电子能吸收入射光子，发生能级跃迁，在 其返回基态时发射荧光光子。 本课题以食用合成色素中最常见的日落黄和柠檬黄为研究对象，首先，检测其紫外 吸收光谱和系统地检测其紫外激励下的荧光光谱，分析各谱的特性，归纳出光谱线型特 征、变化规律、光谱的宽度、峰值位置、相对强度、及在一定条件下荧光峰值位置红移 规律等，探索有机分子光谱机理及光谱特征与分子结构的关系。这对丰富分子荧光光谱 理论，促进对物质结构的认识和作进一步的科学研究都十分必要。其次，利用荧光光谱 法 3 1 - 3 4 测得食用合成色素的荧光光谱后，需要对其进行分析，但是，食用合成色素含有 多个荧光团，荧光光谱相对强度与其浓度存在的非线性关系难以用p l s ，多元线性回归 等方法定性、定量分析。本文采用小波变换压缩光谱数据，并分别结合导数光谱法、b p 神经网络、径向基函数神经网络( r b f ) 、遗传算网神经网络等方法应用荧光光谱对日 落黄、柠檬黄进行识别和浓度预测，取得了较好的效果。这些方法在利用本身方法优点 的同时，很好地发挥了荧光光谱法具有高灵敏度、高准确度和高选择性的特点。 本论文以食用合成色素中常用的日落黄、柠檬黄作为研究对象，原因有三：1 、是 同一种颜色的食品添加剂，具有同一的色泽表观。2 、应用较为广泛，具有一定代表性。 3 、两种添加剂均易溶解于水，可以配成各种浓度的溶液，而且是非荧光物质，测得的 两种添加剂溶液荧光光谱具备纯一性，反映其本身特征。 5 江南大学硕士学位论文 多年以来，相关领域的学者在日落黄、柠檬黄检测方面也做了一些研究，紫外分光 光度法，高效液相色谱法，导数吸附伏安法等方法【6 墙】都被应用于对日落黄、柠檬黄定 性分析和定量检测。但这些传统的方法分析过程繁琐，费时且仪器设备要求较高，不易 推广。分子荧光光谱法具有测量精确、样品量少、高分辨率的特点，是精确分析方法， 近年来在测定物质种类、含量残留方面取得了很好的应用。但在国内外，少有