基于介電譜法的油茶籽油摻偽檢測方法研究

張 冰 章穎強 魏佳莉 王曉萍

(浙江大學(xué)光電系浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室，杭州 310027)

油茶籽油，俗稱山茶油，是單不飽和脂肪酸(Monounsaturated Fatty Acids，MUFA)含量最高的食用油之一，主要產(chǎn)于我國南部山區(qū)，富含油酸、山茶苷、茶多酚，營養(yǎng)價值極高。由于油茶籽油價格遠(yuǎn)高于其他食用油，因此在油茶籽油中摻入廉價低質(zhì)量食用油而冒充純油茶籽油的情況時有發(fā)生，已見多個省市油茶籽油摻偽事件的報道。

目前已有多種物理、化學(xué)方法用以檢測食用油的品質(zhì)。Alonso－Salces等［1］通過檢測食用油的核磁共振氫譜(1H NMR)指紋圖來鑒定食用油的產(chǎn)地和品質(zhì)，綜合正確率在90%以上，但是核磁共振設(shè)備巨大的體積和昂貴的價格限制了它的應(yīng)用范圍;莊小麗等［2］、薛雅琳等［3］采用近紅外光譜法，Lerma－García 等［4］、Maggio 等［5］采用傅立葉變換近紅外光譜法(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)，Gurdeniz等［6］采用中紅外光譜法(Mid－infrared Spectrometry)，Zou等［7］以及 EI－ Abassy 等［8］采用了拉曼光譜法(Raman Spectrometry)，Marina 等［9］采用聲表面波電子舌傳感器(SAW Sensor Electronic Nose)，Dankowska 等［10］以及 Poulli等［11］等采用了同步熒光光譜法(synchronous fluorescence spectroscopy)分別對摻有廉價食用油的橄欖油進(jìn)行鑒別和預(yù)測，取得了較好的效果，但這幾種測量方法大都需對樣品進(jìn)行預(yù)處理，或者需要較大的設(shè)備，難以實現(xiàn)快速現(xiàn)場檢測;因此，研究快速、準(zhǔn)確、無損的食用油純度及成分的檢測方法是食品檢測領(lǐng)域的研究熱點之一。

介電譜法是一種通過測量物質(zhì)在電磁場作用下由于不同極化機制產(chǎn)生的介電常數(shù)對電場頻率的響應(yīng)，來推演物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及絕緣特性的方法。介電譜法具有無需樣品預(yù)處理、分析速度快、無損檢測、可同時測定多種成分等優(yōu)點，因此該方法已在國內(nèi)外的生物組織分析［12］、材料結(jié)構(gòu)分析［13］和食品檢測等領(lǐng)域有不少的應(yīng)用和研究成果，在食用油檢測方面，國外已有將介電譜法用于食用油貯藏性［14］和成分檢測［15－16］的報道。

本研究采用介電譜法檢測了油茶籽油、花生油、菜籽油、葵花籽油、大豆油5種食用油，運用主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)對5種油進(jìn)行分類分析;采用偏最小二乘法(Partial Least Squares，PLS)對油茶籽油中分別摻入葵花籽油和花生油的混合油的摻入量進(jìn)行定量分析，取得理想效果。

通過本研究工作，以期為食用油的摻偽鑒別和純度檢測提供了一種快捷、準(zhǔn)確的方法，為食用油介電譜的溫度補償提供了方法依據(jù)，也為研制小型化現(xiàn)場食用油檢測儀器奠定了理論和試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品

本研究采用的5類食用油樣品，包括單不飽和脂肪酸型(MUFA)的油茶籽油(3種)、花生油、菜籽油和多不飽和脂肪酸型(Polyunsaturated Fatty Acids，PUFA)的葵花籽油、大豆油。3種油茶籽油分別為不同品牌的一級壓榨油茶籽油，花生油、菜籽油、葵花籽油、大豆油均為市售。

1.2 試驗設(shè)備

介電譜測量設(shè)備采用自制小型介電譜測量儀和自主設(shè)計的液體測試電極。小型介電譜測量儀的結(jié)構(gòu)框圖和實物圖如圖1所示，設(shè)計的小型化介電譜測量儀和傳統(tǒng)的大型阻抗分析儀相比，具有質(zhì)量輕、體積小、利于現(xiàn)場測量等優(yōu)點。液體測試電極有效極板為圓形，直徑30 mm，電極其他區(qū)域被不銹鋼包裹，并通過屏蔽線引出以降低雜散電場的影響，提高抗干擾能力;極板間距可調(diào)，可以根據(jù)被測樣品的類型，選擇最優(yōu)間距測量。和常用的液體介電測量電極(Agilent，16452A，Agilent Technologies)［15］相比，該電極可用于開放容器的直接測量，配合小型介電譜測量儀，更適合于現(xiàn)場快速檢測。

圖1 小型介電譜測量儀及液體測試電極

1.3 試驗方法

復(fù)介電譜(ε*=ε+jk/2πf)由表征介電常數(shù)頻率響應(yīng)的介電譜ε(實部)和表征電導(dǎo)率頻率響應(yīng)的電導(dǎo)譜κ(虛部)組成。本研究中，復(fù)介電譜的掃描頻段1kHz～2MHz，按對數(shù)坐標(biāo)等間隔取100個測量點。介電譜測量儀以并聯(lián)模型測量樣本電容C和電導(dǎo)G，并通過公式(1)轉(zhuǎn)換成相對介電常數(shù)ε和電導(dǎo)率κ。

式中:d為電極極板間距，S為電極極板面積。

基于PCA的食用油鑒別試驗的樣品為純油茶籽油、花生油、菜籽油、葵花籽油、大豆油，每種食用油樣品測3次，以同時檢測其重復(fù)性?；赑LS的油茶籽油摻偽定量分析試驗的樣品如下，分別選取3種油茶籽油作為基底油，花生油(MUFA型)和葵花籽油(PUFA型)作為添加油，按摻雜油的類型將試驗總體分為兩組:每組按油茶籽油占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%～100%范圍、間隔10%配制33個油茶籽油的摻雜混合油，作為摻偽程度預(yù)測的建模訓(xùn)練樣本;再用花生油和葵花籽油分別摻雜3種油茶籽油，重復(fù)配置油茶籽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、40%、60%、80%、90%的混合油樣品各15份，作為預(yù)測樣本。以上所有測量試驗，測量溫度為(25±1)℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種食用油的鑒別

2.1.1 5種食用油樣品的介電譜

按1.3試驗方法，分別測量5種食用油的介電譜，此時只選取油茶籽油1號的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取每種食用油3次測量的平均值作為測量值，并計算每種食用油介電譜的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 5種食用油復(fù)介電譜

從圖2可見，在1～100 kHz頻段，食用油的介電譜和電導(dǎo)譜穩(wěn)定，這是由于低頻時油脂分子固有的德拜弛豫時間遠(yuǎn)小于交變電場的周期，油脂分子長期處于極化態(tài)，不能有效負(fù)載電荷遷移，宏觀表現(xiàn)為介電常數(shù)較大而電導(dǎo)率較小;在100 kHz～2 MHz頻段，交變電場的頻率接近德拜弛豫時間，油脂分子運動加劇，有效電荷遷移增加，宏觀表現(xiàn)為介電譜隨頻率上升而下降，電導(dǎo)譜隨頻率上升而上升，該現(xiàn)象和已有的測量結(jié)果符合［14］。

MUFA型食用油中主要的脂肪酸是油酸(C18∶1)和芥酸(C22∶1)等，不飽和度為1;PUFA型食用油中主要的脂肪酸是亞油酸(C18∶2)和亞麻酸(C18∶3)等，不飽和度大于等于2;油茶籽油是一種MUFA型食用油，其油酸達(dá)90%以上。對比圖2中，兩種類型食用油的介電譜，發(fā)現(xiàn)MUFA型食用油(油茶籽油、菜籽油、花生油)的介電譜明顯低于PUFA型食用油(葵花籽油、大豆油)，其中油酸含量最高的油茶籽油，介電譜最低，即脂肪酸的介電譜與不飽和度有較好的相關(guān)性。向油茶籽油中添加其他食用油會使得油茶籽油的油酸含量下降，從而影響復(fù)介電譜。因此基于不同不飽和度的脂肪酸對宏觀介電激勵的不同頻譜響應(yīng)，通過對復(fù)介電響應(yīng)數(shù)據(jù)的分析處理，就可以得到油茶籽油的純度信息。

2.1.2 用PCA評估鑒別能力

對2.1.1中5種食用油樣品平均值的介電譜數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析，結(jié)果如圖3所示。主成分1和2的總貢獻(xiàn)率達(dá)99.91%，說明能夠很好的反映數(shù)據(jù)樣本的特性。圖3中，3種MUFA型食用油聚集于左側(cè)，兩種PUFA型食用油聚集于右側(cè)，不同類型的食用油區(qū)分效果明顯;同一類型的食用油由于其組分不同，也有良好的區(qū)分效果。通過對電導(dǎo)譜數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，由于食用油的電導(dǎo)率低，電導(dǎo)譜區(qū)分度小，在本研究的定性和定量數(shù)據(jù)分析中，只采用介電譜數(shù)據(jù)。

圖3 5種食用油PCA分析圖

2.2 摻偽混合油的定量分析

2.2.1 不同摻偽程度混合油的介電譜

按1.3試驗方法，對建模訓(xùn)練樣本的摻雜花生油和葵花籽油的混合油各33個樣品進(jìn)行介電譜檢測，首先分析油茶籽油1號的22個摻雜樣品，結(jié)果如圖4所示，其中，油茶籽油的介電譜隨油茶籽油摻偽程度的上升而上升，因此可以建立油茶籽油摻偽程度與介電譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性模型，從而實現(xiàn)油茶籽油的摻偽程度預(yù)測。

圖4 不同純度的油茶籽油介電譜

2.2.2 PLS模型主成分?jǐn)?shù)的確定

分別用摻雜花生油和葵花籽油的油茶籽油各33個樣本的介電譜數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)分別建立PLS模型。采用“去一法”交叉驗證來確定最佳主成分?jǐn)?shù)，即對于每一主成分?jǐn)?shù)，依次選擇每一個樣本作為預(yù)測數(shù)據(jù)，用剩下的樣本作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，按該主成分?jǐn)?shù)建模并計算預(yù)測殘差平方和(Predicted Residual Sum of Squares，PRESS)。即可得到每一主成分?jǐn)?shù)對應(yīng)的PRESS，選擇PRESS最小的主成分?jǐn)?shù)作為最佳主成分?jǐn)?shù)建立PLS模型，可獲得預(yù)測效果最佳的模型。“去一法”交叉驗證結(jié)果如圖5所示，兩種混合油的最佳主成分?jǐn)?shù)均為1，進(jìn)一步驗證了單一主成分貢獻(xiàn)率大，數(shù)據(jù)點集中在同一水平面的現(xiàn)象。

圖5 混合油PLS模型的PRESS值和主成分?jǐn)?shù)關(guān)系圖

2.2.3 PLS 模型的外部驗證

對1.3試驗方法中的預(yù)測樣本進(jìn)行介電譜測量，測量得到的介電譜數(shù)據(jù)用已建立的PLS模型分別進(jìn)行預(yù)測，實際值和預(yù)測值的對比結(jié)果如圖6所示?；ㄉ?油茶籽油混合油的預(yù)測均方根誤差(Root Mean Square Prediction Error，RMSEP)為2.10%，決定系數(shù)(Coefficient of Determination，R2)為0.998 9;葵花籽油/油茶籽油混合油的 RMSEP為1.27%，R2為 0.999 5。從預(yù)測結(jié)果可以看出，2.2.2中建立的PLS模型對油茶籽油濃度的預(yù)測效果令人滿意。

圖6 PLS模型外部預(yù)測結(jié)果

對比兩種混合油的預(yù)測結(jié)果，PLS模型對PUFA型食用油/油茶籽油混合油的預(yù)測能力要優(yōu)于MUFA型食用油/油茶籽油混合油。這是因為油茶籽油本身屬于MUFA型食用油，其MUFA質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%以上，是MUFA含量最高的食用油，雖然在油茶籽油中摻雜其他MUFA型食用油也會降低MUFA/PUFA比率，但添加同等比率的PUFA型食用油會使混合油中的MUFA/PUFA比率更低，由于MUFA和PUFA對介電譜的貢獻(xiàn)不同，使得介電譜出現(xiàn)更大的區(qū)分，因此介電譜法對PUFA型食用油/油茶籽油混合油的預(yù)測能力更強。

2.3 溫度特性

考慮到油的介電譜受溫度影響，本研究開展了油茶籽油介電譜的溫度特性，選取油茶籽油1號在10、15、20、25、30、40、50 ℃條件下分別進(jìn)行測量，每個溫度環(huán)境下測量3次，取其平均值，可以得到介電譜隨溫度變化的趨勢，如圖7所示，從圖7中可以看到隨溫度的升高，介電譜呈總體下降趨勢。這是因為隨著溫度的上升，脂肪酸分子活動加劇，分子偶極子的極化時間下降，引起介電常數(shù)下降。

圖7 油茶籽油在不同溫度下的介電譜

提取介電譜中10 kHz、100 kHz和1 MHz 3個頻率的介電常數(shù)，進(jìn)一步分析其隨溫度變化的趨勢，結(jié)果如圖8所示，從圖中可見，隨著溫度上升，各頻段介電常數(shù)線性下降，斜率 Δk在 －5.6～ －5.2(×10－4℃－1)之間。用2.2.2 中建立的葵花籽油/油茶籽油PLS模型預(yù)測10℃時的純油茶籽油介電譜數(shù)據(jù)，得到的預(yù)測油茶籽油純度為80.19%，即25℃時80.19%純度油茶籽油介電譜等效于10℃時100%純度油茶籽油介電譜，因此溫度對介電譜的影響是不能忽視的。

圖8 介電譜的溫度依存特性

通過分析檢測數(shù)據(jù)，提出了介電譜的溫度補償方法:

式(3)中ε(T)、ε(25)分別為在溫度T和25℃時的介電常數(shù)，Δk(f)表示在頻率為f時介電常數(shù)隨溫度的變化率。因此，在油茶籽油現(xiàn)場測量時，可根據(jù)現(xiàn)場溫度T，推算出25℃時的等效介電譜，并利用已建立的PLS模型預(yù)測油茶籽油的摻偽程度。

3 結(jié)論

通過對包括油茶籽油在內(nèi)的5種食用油及兩組油茶籽油摻雜混合油進(jìn)行介電譜測量和數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論。

3.1 對食用油的介電譜數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析，可顯著的區(qū)分不同類型的食用油和相同類型的不同油品。

3.2 油茶籽油摻雜混合油的介電譜隨著油茶籽油濃度的上升而下降，利用偏最小二乘法(PLS)，建立油茶籽油濃度與介電譜數(shù)據(jù)的定量分析模型，可比較準(zhǔn)確的預(yù)測油茶籽油的濃度。

3.3 油茶籽油的介電譜隨著溫度的增加線性下降，斜率在 －5.6～ －5.2(×10－4℃－1)之間。結(jié)果表明食用油介電譜具有溫度特性，為提高測量精度給出了溫度補償?shù)姆椒ā?/p>

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