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近红外光谱分析技术在发酵工程中的应用

一、研究背景和意义

随着科学技术的不断发展，发酵工程在食品、医药、化工等领域

的应用越来越广泛。为了提高发酵产品的品质和产量，对发酵过程进

行精确控制和优化已成为行业的重要课题。近红外光谱分析技术

(NearInfraredSpectroscopy,NIRS)作为一种非接触式、快速、灵

敏的检测方法，已经在生物科学、化学、环境监测等领域得到了广泛

应用。发酵工程作为一门涉及生物学、化学、微生物学等多学科交叉

的学科，利用近红外光谱技术对其发酵过程进行实时监测和分析具有

重要的理论和实践意义。

近红外光谱技术可以实时、准确地反映发酵过程中样品的物理

学性质的变。通过对发酵液中特定吸收峰的测量，可以获取样品中

的蛋白质、糖类、脂肪等大分子有机物的含量及其结构信息，从而为

发酵过程的优化提供依据。近红外光谱技术还可以用于检测发酵过程

中产生的副产物和有害物质，如酪氨酸酶活性过高导致的酒精产生量

增加等问题。

近红外光谱技术可以实现对发酵过程的无损监测，与传统的化学

分析方法相比，近红外光谱技术不需要对样品进行破坏性的处理，避

免了因样品制备、提取等因素导致的分析结果不准确的问题。这对于

保护发酵产品的质量和延长其保质期具有重要意义。

近红外光谱技术在发酵工程中的应用有助于提高生产效率和降

低生产成本。通过对发酵过程的实时监测和优，可以实现对反应条

件（如温度、pH值、溶氧度等）的精确控制，从而提高发酵产品的品

质和产量。近红外光谱技术还可以为发酵工艺的改进提供有力支持，

有助于开发新型发酵技术和产品。

利用近红外光谱技术对发酵工程进行实时监测和分析具有重要

的理论和实践意义。本研究旨在探讨近红外光谱技术在发酵工程中的

应用，为相关领域的研究和实践提供参考。

1.发酵工程的概述

发酵工程是一种利用微生物进行生物转化过程的技术，广泛应用

于食品、饮料、医药、化工等领域。发酵工程的核心是微生物的生长

和代谢调控，通过优化生产条件（如温度、pH、溶解氧等）来促进微生

物的生长和代谢，从而实现对原料物质（如淀粉、蛋白质、糖类等）

的高效转。随着科学技术的发展，特别是光谱学技术的不断进步，

近红外光谱分析技术在发酵工程中的应用越来越广泛。

近红外光谱分析技术是一种非破坏性、快速、灵敏的分析方法，

可以实时、在线地监测发酵过程中样品的光学特性变。通过测量发

酵液中特定波段的吸收或透射率，可以获取微生物数量、代谢产物浓

度等关键信息，为发酵过程的优化提供依据。近红外光谱分析技术还

可以用于发酵产品的品质评价，如乳酸菌发酵乳的酸度、酒精发酵啤

酒的酒精含量等。

近红外光谱分析技术在发酵工程中的应用为微生物生长和代谢

调控提供了一种有效的手段，有助于提高发酵过程的可控性和产品质

量，为发酵产业的发展注入了新的活力。

2.近红外光谱分析技术的发展历程

随着科学技术的不断发展，近红外光谱分析技术在发酵工程中的

应用也日益广泛。自20世纪60年代以来。

20世纪60年代，傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术开始应用于发

酵过程的监测和控制。FTIR具有灵敏度高、选择性好、成本低等优

点，但其分辨率较低，无法满足对复杂样品的高分辨需求。

20世纪70年代，拉曼光谱技术的出现为发酵过程的检测提供了

新的手段。拉曼光谱具有高空间分辨率、对样品无损伤、可同时测量

多种化学物质等特点。拉曼光谱受到环境因素的影响较大，如湿度、

温度等，限制了其在实际应用中的广泛推广。

20世纪90年代，激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的发展为发酵过

程的实时监测提供了有力支持。LIBS具有高时间分辨率、快速响应、

灵敏度高等优点，能够实时、准确地测量发酵过程中产生的化学物质。

LIBS设备昂贵，限制了其在大规模发酵生产中的应用。

随着科技的进步，现代近红外光谱技术如超快速傅里叶变换红外

光谱(SUPERFTIR)、多波长近红外光谱(MWNIRS)等得到了快速发展。

这些技术在提高检测灵敏度、拓宽检测范围、降低检测成本等方面取

得了显著成果，为发酵过程