太赫兹光谱技术在食品添加安全领域的应用与研究.pdf

摘 要 非法添加剂的违规使用和食品添加剂的滥用屡屡引发食品安全问题，相比于传统检 测方法，太赫兹光谱技术具有快速、准确、无损等诸多优势，被广泛应用于食品添加安全 领域。近年来，非法添加剂和食品添加剂的太赫兹指纹谱研究成果被陆续报道，其中理论 计算多基于密度泛函理论（DFT ），但针对DFT 中不同泛函的计算性能缺乏深入的对比分 析，且没有根据研究对象的晶体结构特征对传统算法加以改进。以往研究通常针对单一的 食品添加剂进行定性或定量分析，而食品中往往含有多种添加剂，多元食品添加剂混合物 的鉴别分析具有很重要的实际意义。本文主要研究内容及成果如下： (1) 基于B3LYP 和PBE 两种泛函，深入研究了非法添加剂三聚氰胺的太赫兹光谱。采 用CRYSTAL14 软件包对周期性晶体结构进行计算，鉴于三聚氰胺属于富含氢键的 体系，伦敦色散作用力不可忽略，在B3LYP 和PBE 泛函的基础上添加了色散校正 项，构建了B3LYP-D 和PBE-D 模型。结果表明，本文提出的色散校正模型能产生 更高质量的模拟光谱。其中 B3LYP-D 模型预测精度稍高但耗时较长，PBE-D 模型 精度略低，但耗时仅为B3LYP-D 模型的二分之一。 (2) 选取了三种富含氢键的食品添加剂，即苯甲酸、山梨酸和木糖醇，探究色散校正模 型在富含氢键体系中的适用性。利用B3LYP 和PBE 泛函及色散校正后的两种泛函 （B3LYP-D 和PBE-D ）分别对三种食品添加剂进行理论计算。结果表明，相比于色 散校正前的模型，基于色散校正模型得到的理论与实验结果的吸收峰位平均绝对误 差（AAE ）降低了0.03 ~ 0.1 ，其中B3LYP-D 模型精度最高，验证了色散校正模型 对氢键系统具有良好的普适性。 (3) 多元食品添加剂混合物的定性鉴别和定量分析。将苯甲酸、山梨酸、木糖醇与聚乙 烯以不同比例混合，基于主成分分析与模糊模式识别建立模型，实现了食品添加剂 混合物定性鉴别，该方法为多组分混合物的定性鉴别提供了一种新的有效方法。利 用偏最小二乘 （PLS ）、反向传播人工神经网络（BP-ANN ）和最小二乘支持向量机 （LS-SVM）模型对食品添加剂混合物进行定量分析。研究发现，LS-SVM 模型的预 测精度最高，且混合物组成越复杂，LS-SVM 模型的优势越明显。提出了一种在保 证预测精度的前提下减少样本制备数量的方法。 关键词：太赫兹光谱；食品添加剂；色散校正；模糊识别；非线性模型 Application and research of terahertz spectroscopy in field of food additivity safety Abstract Illegal use or abuse of food additives can cause food safety issues. Terahertz spectroscopy was widely used in food additivity safety field with fast, accurate and non-destructive etc. advantages. In recent years, research on terahertz fingerprint spectra of illegal additives and food additives has been successively reported. The theoretical simulations were mostly performed using density functional theory (DFT). However, traditional algorithm lacked in-depth comparative analysis and improve according to the crystal structure characteristics. Moreover, previous studies usually performed qu