近紅外自動(dòng)分析儀測(cè)定食用油酸價(jià)和過(guò)氧化值

近紅外自動(dòng)分析儀測(cè)定食用油酸價(jià)和過(guò)氧化值

近紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用在儲(chǔ)存過(guò)程中，食用油中的脂肪酸易受光、氧氣、微生物和酶的影響，導(dǎo)致脫水和氧化反應(yīng)，導(dǎo)致游離脂肪酸和氫氧化物。氫過(guò)氧化物極易分解成小分子的醛、酮、酸等化合物;氧化脂質(zhì)對(duì)人體細(xì)胞膜、酶、蛋白質(zhì)造成破壞作用,甚至可致癌,危害人體健康[1~2]。酸價(jià)和過(guò)氧化值是食用油重要的安全性指標(biāo),而國(guó)標(biāo)中酸價(jià)和過(guò)氧化值測(cè)定方法則需要消耗大量的有機(jī)溶劑,如乙醚、三氯甲烷、冰乙酸等,操作過(guò)程繁瑣且人為誤差也比較大。近紅外光譜分析技術(shù)具有分析快速、高效、安全、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),光譜主要由含碳、氫、氧基團(tuán)的倍頻和組頻吸收峰組成[3~4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用近紅外光譜技術(shù)在食用油的酸價(jià)和過(guò)氧化值檢測(cè)方面進(jìn)行了一定的研究[5~9]。近紅外光譜技術(shù)在油脂酸價(jià)和過(guò)氧化值檢測(cè)方面的研究雖取得一定進(jìn)展,但在標(biāo)樣選擇上存在油種類(lèi)較為單一,所建模型通用性差,另外對(duì)食用油酸價(jià)和過(guò)氧化值自動(dòng)化快速檢測(cè)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文以常見(jiàn)食用油為原料,利用近紅外光譜自動(dòng)分析儀結(jié)合連續(xù)進(jìn)樣流通池,建立酸價(jià)和過(guò)氧化值的定量模型,并對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)食用油酸價(jià)和過(guò)氧化值自動(dòng)化快速檢測(cè),旨在為食用油多指標(biāo)自動(dòng)化檢測(cè)提供參考。1材料和方法1.1測(cè)試樣品的制備實(shí)驗(yàn)所用食用油種類(lèi)有菜籽油、大豆油、花生油、葵花仁油、玉米油、棕櫚油、亞麻籽油、初榨特級(jí)橄欖油、芝麻油、蘇籽油、油茶籽油、苦杏仁油等,來(lái)自不同品牌和等級(jí)食用油,基本涵蓋我國(guó)常見(jiàn)的食用油種類(lèi)。所用試劑有乙醚、95%乙醇、三氯甲烷、冰乙酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉、氫氧化鉀等,均為分析純。將采集的油樣按質(zhì)量比為1∶1和1∶1∶1進(jìn)行隨機(jī)調(diào)配,連同各類(lèi)食用油共得到50個(gè)油樣。將50個(gè)油樣置于105℃干燥箱中進(jìn)行加速氧化,隔一段時(shí)間后取出,取氧化程度較輕和氧化程度較重的100個(gè)油樣,共得到150個(gè)不同的樣品,將樣品放于0℃冰箱中密閉保存。依照GB/T5009.37—2003測(cè)定所有樣品的酸價(jià)和過(guò)氧化值。校正集(110個(gè))和驗(yàn)證集(40個(gè))樣品酸價(jià)和過(guò)氧化值實(shí)測(cè)值分析結(jié)果如表1所示。1.2流通池的組成自動(dòng)分析儀由帶有DTGS檢測(cè)器的ABBBomen傅里葉近紅外分析儀(加拿大魁北克Bomen公司)、233型Gilson自動(dòng)進(jìn)樣盤(pán)(美國(guó)Gilson公司)、微型蠕動(dòng)泵(加拿大Vissers公司)(圖1)及相應(yīng)計(jì)算機(jī)組成。流通池使用的是連續(xù)進(jìn)樣流通池(圖2)。連續(xù)進(jìn)樣流通池包括可變光程長(zhǎng)度的液體流通池、進(jìn)樣瓶、廢液缸和真空系統(tǒng)。其工作原理是:在真空條件或者在蠕動(dòng)泵作用下,把液體樣品吸入預(yù)先設(shè)定光程長(zhǎng)度的流通池中進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)完畢后,將測(cè)定的樣品吸入廢液缸中,下一個(gè)樣品檢測(cè)時(shí),通過(guò)壓力直接用待測(cè)樣品對(duì)流通池進(jìn)行潤(rùn)洗后采集待測(cè)樣品光譜。1.3m-1環(huán)境設(shè)置光譜采集條件為:12000~4000cm-1范圍內(nèi),溫度設(shè)為40℃,分辨率為4cm-1,掃描次數(shù)為32次,光譜掃描時(shí)間約為15s,以空氣為背景,流通池光程設(shè)為5mm。1.4校正、多元散射校正、標(biāo)準(zhǔn)正交變換、sots活性、血清剝削指標(biāo)采用偏最小二乘法(PLS法)建立酸價(jià)和過(guò)氧化值定量模型。光譜預(yù)處理方法選擇基線(xiàn)校正、多元散射校正(MSC)、標(biāo)準(zhǔn)正交變換(SNV)、Norris導(dǎo)數(shù)平滑(NF)、Savitzky-Golay平滑(SF)、一階求導(dǎo)、二階求導(dǎo)等。模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇相關(guān)系數(shù)(R)、校正標(biāo)準(zhǔn)偏差(RMSEC)和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RMSEP)。1.5集光譜預(yù)測(cè)指數(shù)從市場(chǎng)收集不同種類(lèi)和等級(jí)食用油樣品40個(gè),采集光譜利用相應(yīng)模型預(yù)測(cè)酸價(jià)和過(guò)氧化值;依照GB/T5009.37—2003測(cè)定所有盲樣的酸價(jià)和過(guò)氧化值,對(duì)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析。1.6umpie-s儀測(cè)定流通池參數(shù)近紅外光譜儀、微型蠕動(dòng)泵和自動(dòng)進(jìn)樣盤(pán)都由Windows版多功能紅外分析平臺(tái)(universalmethodplatformforinfraredevaluation,簡(jiǎn)稱(chēng)UMPIREPro)軟件控制。UMPIREPro軟件基于微軟開(kāi)發(fā),可用于WindowsXP或Windows7系統(tǒng)。該軟件是一個(gè)多功能分析平臺(tái),它具有光譜自動(dòng)采集、命名、數(shù)據(jù)分析、模型調(diào)用、結(jié)果輸出和保存等功能,還可以驅(qū)動(dòng)進(jìn)樣器、機(jī)械臂和蠕動(dòng)泵等。定量分析時(shí),預(yù)先設(shè)定好光譜預(yù)處理信息及建模分析方法,采集光譜后可調(diào)用模型,進(jìn)行自動(dòng)分析。所有測(cè)定結(jié)果可以自動(dòng)保存,如分析結(jié)果、進(jìn)樣參數(shù)、模型預(yù)處理參數(shù)、分析方法及操作者信息等。軟件可通過(guò)樣品設(shè)定特征吸收峰來(lái)檢查流通池中樣品是否含有氣泡等。如果檢測(cè)該吸收峰出現(xiàn)異常,就說(shuō)明流通池中含有氣泡或者進(jìn)樣不完全(樣品未完全充滿(mǎn)流通池)。軟件會(huì)自動(dòng)終止運(yùn)行,并提醒用戶(hù)檢查出現(xiàn)的問(wèn)題。結(jié)果可以直接打印、輸出到其他軟件(如Excel、Orgrin等)作進(jìn)一步分析和報(bào)告或直接輸出光譜到其他分析軟件進(jìn)行分析。本文將酸價(jià)和過(guò)氧化值模型參數(shù)設(shè)置于UMPIREPro軟件中。35mL待測(cè)油樣置于40mL的進(jìn)樣瓶中依次編號(hào)放入自動(dòng)進(jìn)樣盤(pán)中,進(jìn)樣前先掃描背景光譜,機(jī)械臂通過(guò)進(jìn)樣針借助蠕動(dòng)泵把待測(cè)樣吸進(jìn)流通池中,采集光譜,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。樣品光譜掃描時(shí)間約為15s,機(jī)械臂移動(dòng)時(shí)間約為10s,進(jìn)樣和潤(rùn)洗流通池時(shí)間約為20s(相對(duì)于以約20mL的待測(cè)樣品來(lái)清洗容積約1mL的流通池,通過(guò)分析表明可以將流通池完全潤(rùn)洗,達(dá)到檢測(cè)要求),一個(gè)樣品檢測(cè)時(shí)間約為45s,每小時(shí)檢測(cè)速度可達(dá)90個(gè)樣品。2結(jié)果與分析2.1合成甲基的質(zhì)譜特征圖3a為食用油原始光譜圖,光譜在8280、7074、5801~5795、5678、4663cm-1波數(shù)處有較強(qiáng)的吸收峰。食用油是多種脂肪酸甘油三酯的混和物,其主要為甘油基以及多種脂肪酸基,其化學(xué)成分有—CH3、—CH2、Cue5caC、O—H、Cue5caO等基團(tuán),成分較為單一,特征波段較明顯,8280cm-1處的吸收峰認(rèn)為與亞甲基和甲基的二級(jí)倍頻吸收有關(guān),7200~7000cm-1間的雙峰與亞甲基第二組合頻吸收有關(guān),在6000~5500cm-1有兩個(gè)吸收峰與亞甲基組合頻譜吸收和甲基三級(jí)倍頻吸收有關(guān),4700~4600cm-1之間的吸收峰可能是雙鍵的組合頻吸收譜帶。圖3b、3c、3d分別是原始光譜經(jīng)一階求導(dǎo)、二階求導(dǎo)、一階求導(dǎo)+NF(15,6)處理后的圖譜,其中NF(15,6)表示段長(zhǎng)為15,段間距為6。經(jīng)Norris平滑處理,提高分析信號(hào)的信噪比,降低噪聲對(duì)模型的影響,經(jīng)一階求導(dǎo)處理,去除同波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的漂移,強(qiáng)化譜帶特征、克服譜帶重疊,光譜條帶更為清晰。2.2酸價(jià)和過(guò)氧化值的建模2.2.1最佳建模條件的確定從收集的150個(gè)樣品中隨機(jī)選擇110個(gè)樣品數(shù)作為校正集樣品,其余40個(gè)為驗(yàn)證集樣品,選擇不同的光譜預(yù)處理方式和光譜范圍,酸價(jià)PLS建模效果見(jiàn)表2,表中(9085,10192)和(6524,4823)表示采用9085cm-1,10192cm-1兩點(diǎn)和6524cm-1,4823cm-1兩點(diǎn)基線(xiàn)校正。由表2可知,在波數(shù)范圍為5500~4600cm-1時(shí)建模效果較為理想,這可能與O—H伸縮振動(dòng)和Cue5caO伸縮振動(dòng)組合頻在5290cm-1處吸收有關(guān),而酸價(jià)是衡量食用油中游離脂肪酸含量的指標(biāo),與O—H和Cue5caO基團(tuán)有著密切相關(guān)。最佳建模條件為在5500~4600cm-1范圍內(nèi)光譜采用(6524,4823)兩點(diǎn)基線(xiàn)校正和標(biāo)準(zhǔn)正交變換(SNV),R達(dá)到0.9903,RMSEC達(dá)到0.082mg/g。在此建模條件下,校正集和驗(yàn)證集中實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值關(guān)系分布如圖4和圖5所示。驗(yàn)證集中R為0.9873,RMSEP為0.114mg/g。2.2.2使用13個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和1.結(jié)論收集的150個(gè)樣品中110個(gè)樣品數(shù)作為校正集樣品,40個(gè)為驗(yàn)證集樣品,選擇不同的光譜預(yù)處理方式和光譜范圍,過(guò)氧化值PLS法建模結(jié)果如表3所示,表中SF(13,3)表示在13個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、多項(xiàng)式次方為3。由表3可知,在過(guò)氧化值校正集建模中,在8000~4450cm-1范圍內(nèi)采用原始光譜和Norris導(dǎo)數(shù)平滑+一階求導(dǎo)的建模效果均較好,相關(guān)系數(shù)R分別達(dá)到0.9949和0.9960,校正誤差均方根RMSEC分別為0.88mmol/kg和0.78mmol/kg,最佳建模條件為Norris導(dǎo)數(shù)平滑+一階求導(dǎo),在此建模條件下,校正集和驗(yàn)證集中實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值關(guān)系分布如圖6和圖7所示,驗(yàn)證集中R為0.9958,RMSEP為0.90mmol/kg。2.3盲樣驗(yàn)證結(jié)果對(duì)收集的40個(gè)盲樣,先掃描光譜,用國(guó)標(biāo)方法測(cè)定樣品的酸價(jià)和過(guò)氧化值,并對(duì)預(yù)測(cè)酸價(jià)和過(guò)氧化值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析,其結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9。由圖8、圖9可以看出,盲樣驗(yàn)證中所得到酸價(jià)和過(guò)氧化值預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)方程的斜率接近于1,截距接近于0,R值均大于0.98,表明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較接近。通過(guò)各指標(biāo)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算,其值均小于10%,測(cè)定結(jié)果符合有關(guān)國(guó)標(biāo)規(guī)定要求,進(jìn)一步表明,近紅外自動(dòng)分析儀結(jié)合連續(xù)進(jìn)樣流通池自動(dòng)化快速檢測(cè)食用油的酸價(jià)和過(guò)氧化值是可行的。2.4預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值配對(duì)t對(duì)酸價(jià)和過(guò)氧化值驗(yàn)證集樣品進(jìn)行精密度和準(zhǔn)確度檢驗(yàn),采用t檢驗(yàn)法判斷近紅外光譜法和國(guó)標(biāo)法是否存在顯著性差異,對(duì)盲樣預(yù)測(cè)集樣品中40個(gè)樣品的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)。酸價(jià)和過(guò)氧化值相應(yīng)t值分別為2.03和-1.695,其絕對(duì)值均小于臨界值t40,0.05=2.02,說(shuō)明近紅外法和國(guó)標(biāo)法無(wú)明顯差異。對(duì)同一樣品進(jìn)行10次光譜掃描,由模型獲得各組分含量的預(yù)測(cè)值,并得到10次測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),酸價(jià)和過(guò)氧化值RSD分別為1.330%和0.865%,表明方法重現(xiàn)性較好。3盲樣驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果利用近紅外自動(dòng)分析儀結(jié)合連續(xù)進(jìn)樣流通池實(shí)現(xiàn)食用油酸價(jià)和過(guò)氧化值的快速檢測(cè),建模和模型驗(yàn)證結(jié)果表明:在5500~4600cm-