酸牛奶變質(zhì)過程的激光光致發(fā)光光譜分析

楊 琴 （長江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434023）

牛奶作為最古老的天然飲料之一，營養(yǎng)價值很高，是人體鈣的最佳來源，鈣磷比例非常適當(dāng)，利于鈣的吸收。酸牛奶是以新鮮的牛奶為原料，經(jīng)過巴氏殺菌后再向牛奶中添加有益菌，經(jīng)發(fā)酵后再冷卻灌裝的一種牛奶制品。酸牛奶不但保留了牛奶的所有優(yōu)點，而且某些方面經(jīng)過加工過程還揚長避短，成為更加適合于人類的營養(yǎng)保健品，人們食用酸牛奶已漸成習(xí)慣。然而，酸牛奶營養(yǎng)豐富，非常適宜多種微生物的生長繁殖，極易腐敗變質(zhì)。變質(zhì)的酸牛奶失去食用價值，甚至容易引起食物中毒。由于我國對于乳制品的檢測水平和力度不夠，因此使其質(zhì)量安全成為人們?nèi)粘Ｉ钪械碾[患。近年來食品安全事故頻發(fā)一次次挑戰(zhàn)公眾神經(jīng)，給人們敲響食品安全的警鐘，將乳制品質(zhì)量檢測推到了風(fēng)口浪尖上。因此，實時、快速、準確地檢測乳制品成分對提高乳制品質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義［1］。

目前對乳制品主要成分檢測最常用、最普及的方法是化學(xué)分析法，雖然較準確，但是測定過程繁瑣、操作復(fù)雜、用時較長，且受人員技術(shù)、試劑、儀器設(shè)備等諸多因素限制，只能在實驗室進行。如何簡便、快速、準確地檢測乳制品的質(zhì)量已成為維護乳品安全中急需解決的任務(wù)。近幾年來，光譜測量在該領(lǐng)域已逐步推廣使用［2－4］。光致發(fā)光光譜是現(xiàn)代檢測技術(shù)中一類具有重要應(yīng)用意義的光譜，可以定量測定許多物質(zhì)，已成為一種很實用的分析方法［5－7］。與傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法相比，光致發(fā)光光譜具有靈敏度高、檢測速度快、成本低、操作簡單、非破壞性、低能耗的優(yōu)點。同時，由于發(fā)射熒光時所放出的能量比從入射光所吸收的能量略小些，發(fā)光波長比入射光的波長稍長，因此與反射光譜法相比，光致發(fā)光光譜不易受到激發(fā)光的干擾［8］。

筆者把激光光致發(fā)光光譜分析技術(shù)應(yīng)用于牛奶變質(zhì)過程檢驗方面，以酸牛奶為研究對象，采用北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的光致發(fā)光光譜分析儀，采集600～1000nm波段的光致發(fā)光光譜信息，觀察其變質(zhì)期間光譜的變化規(guī)律。同時，為了驗證激光光致發(fā)光光譜法的可信度，分析了酸牛奶的物化特性，給出酸牛奶變質(zhì)伴隨的生物化學(xué)變化過程，測量了變質(zhì)過程中物化參量粘度、pH值、菌落總數(shù)等指標。最后，利用最小二乘法原理對光致發(fā)光強度與物化參量值進行比較分析，建立兩者的擬合曲線，了解酸牛奶變質(zhì)過程中物化特性的變化對其光譜特性的影響，從而可對酸牛奶變質(zhì)過程中的結(jié)構(gòu)變化進行分析及預(yù)測。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

從超市夠買10瓶新鮮的某品牌酸牛奶 （經(jīng)過巴氏殺菌處理，0～5℃條件下，保質(zhì)期為15d），每瓶采集5份樣品，共50份樣品。將10瓶酸牛奶置于實驗室里，使其處于實驗條件 （溫度為20～23℃，濕度為27%～31%）的相同環(huán)境下，每隔12h采集一次光譜數(shù)據(jù)。

圖1 激光光致發(fā)光光譜探測系統(tǒng)原理圖

1.2 儀器設(shè)備

試驗使用北京卓立漢光公司的ZLX－PL－I型光致發(fā)光光譜測量系統(tǒng)，如圖1所示。光源采用全固體化單頻綠光激光器，輸出波長532nm，輸出功率大于200mW；Omni－λ300型光譜儀的掃描范圍0～1200nm，分辨率0.1nm；R2949型光電倍增管的光譜響應(yīng)范圍185～900nm，峰值響應(yīng)波長 （400±30）nm；高壓穩(wěn)壓電源0～1500V連續(xù)可調(diào)；美國SRS公司的SR830型鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集器等。

系統(tǒng)的分析條件為：激光束直徑約0.5mm，激光器電流1.5A，光電倍增管所加電壓－1400V，增益32，分析波長范圍600～1000nm，掃描步距1nm，采樣速率300nm／min。每個樣本掃描50次，保存5條光譜曲線，以其平均光譜作為該樣本的原始光譜。

1.3 酸牛奶變質(zhì)過程的物化參量測量

為了驗證激光光致發(fā)光光譜法的可信度，將光致發(fā)光光譜技術(shù)與牛奶變質(zhì)過程的化學(xué)變化結(jié)合起來，采用理化方法結(jié)合牛奶變質(zhì)過程中理化特性變化，測量了變質(zhì)過程中的物化參量粘度、pH值、菌落總數(shù)等指標。試驗中，粘度的變化采用粘度計 （NDJ－8S型）直接測量讀數(shù)；pH值采用數(shù)字pH計（A301681型）測量，使用過程中應(yīng)特別注意校準；菌落總數(shù)采用標準平皿菌落計數(shù)法進行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光光致發(fā)光光譜分析

采用ZLX－PL－I型光致發(fā)光光譜測量系統(tǒng)，采集酸牛奶樣品 （50份）的激光光致發(fā)光光譜。發(fā)現(xiàn)保鮮期與變質(zhì)后的光致發(fā)光光譜有較大的差別，圖2所示為酸牛奶樣品的激光光致發(fā)光光譜，表1列出了其光致發(fā)光光譜與時間的對應(yīng)關(guān)系，譜線1～10對應(yīng)時間0～108h，間隔12h。

圖2中的光致發(fā)光譜線在752nm和851nm附近均有較強的峰，752nm處的各峰強度相當(dāng)，只是隨著時間的推移，半峰寬在不斷增加；譜線的顯著變化部分集中在800～900nm波段，隨著時間的推移，該區(qū)段的譜峰強度逐漸增加，半峰寬也在不斷增加，并且峰位發(fā)生變化，特別是譜線1～3和譜線10的峰位變化最明顯。譜線1～3在700～800nm和800～900nm譜段變化都較小，可以認為24h內(nèi)酸牛奶的生物化學(xué)組分在所處的測量環(huán)境條件下改變不是很大。為了確立激光光致發(fā)光方法與物化參量的相關(guān)性，在進行譜圖處理時，著重研究不同時段的峰值強度，并期望找出與物化參量的關(guān)系。

2.2 牛奶變質(zhì)過程中物化參量的變化

進行光譜采集及分析后，將酸牛奶樣品在相同的實驗條件下測定粘度、pH值、菌落總數(shù)3個指標的變化，如圖3所示。在酸牛奶變質(zhì)過程的初始階段，粘度和pH值得變化較小，雖然菌落總數(shù)稍有增加，但同樣表明24h以內(nèi)酸牛奶受外界影響較小，生物化學(xué)組分變化幾乎沒變。隨著時間的增加，圖3（a）中酸牛奶的粘度顯著增加，圖3（b）中的pH值持續(xù)降低，圖3（c）中的菌落總數(shù)逐步增加，由于其數(shù)量級較大，因此縱坐標取對數(shù)。

表1 酸牛奶光致發(fā)光光譜與時間的對應(yīng)關(guān)系

2.3 光致發(fā)光強度與物化參量值比較分析

在光致發(fā)光相對峰值強度和物化參量值的基礎(chǔ)上，根據(jù)最小二乘法原理，利用SPSS11.0對酸牛奶樣品的粘度、pH值、菌落總數(shù)與其光致發(fā)光相對強度分別進行擬合，擬合曲線圖如圖4所示。圖4中顯示了實驗測得的各個散點，圖4（a）為粘度與光致發(fā)光峰值強度擬合曲線，其相關(guān)系數(shù)r＝0.9833；圖4 （b）為pH值與光致發(fā)光峰值強度擬合曲線，其相關(guān)系數(shù)r＝0.9726；圖4（c）為菌落總數(shù)與光致發(fā)光峰值強度擬合曲線，同樣由于菌落總數(shù)的數(shù)量級較大，為了增強兩者的線性效果，對菌落總數(shù)取對數(shù)后再進行建模分析，其相關(guān)系數(shù)r＝0.9866。

圖3 酸牛奶變質(zhì)過程的物化參量隨時間的變化

圖4 光致發(fā)光峰值強度與物化參量的擬合曲線圖

由上述比較分析結(jié)果可知，在酸牛奶樣品變質(zhì)過程中，其激光光致發(fā)光光譜在851nm附近的峰值存在著明顯的變化，且該峰值相對強度與樣品的物化參量近似為線性關(guān)系，即激光光致發(fā)光相對強度與粘度、菌落總數(shù)取對數(shù)后的值的增大而增大，卻與pH值的增大而減小。其中與pH值的線性關(guān)系效果要稍差一點，與菌落總數(shù)的對數(shù)值的線性關(guān)系最好，相關(guān)系數(shù)高達0.9866，數(shù)據(jù)信息丟失較少。從而通過物化參量對激光光致發(fā)光光譜法進行了驗證，可以根據(jù)酸牛奶的激光光致發(fā)光光譜對其變質(zhì)程度做出大致的判斷。

3 結(jié) 語

采用ZLX－PL－I型光致發(fā)光光譜測量系統(tǒng)，研究了酸牛奶變質(zhì)過程的激光光致發(fā)光光譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)伴隨著酸牛奶的變質(zhì)過程，其光致發(fā)光光譜在752nm和851nm附近均有較強的峰。其中在851nm附近的光譜峰存在著明顯的變化，其相對強度值與酸牛奶的物化參量粘度、pH值、菌落總數(shù)分別具有對應(yīng)關(guān)系。因此可以通過檢測酸牛奶的激光光致發(fā)光光譜的方法為研究其變質(zhì)過程提供了可能性。牛奶變質(zhì)伴隨著極為復(fù)雜的化學(xué)變化，在此過程中其組分和結(jié)構(gòu)都有很大的變化，而物化參量的變化只是其化學(xué)變化的外在表現(xiàn)。為了能夠?qū)⒓す夤庵掳l(fā)光技術(shù)更便捷準確地應(yīng)用于變質(zhì)過程的檢驗，需要作進一步的研究，特別是能找到反映酸牛奶變質(zhì)化學(xué)變化的關(guān)鍵核心指標，將光致發(fā)光光譜技術(shù)與牛奶變質(zhì)過程的化學(xué)變化結(jié)合起來，為酸牛奶變質(zhì)和食品檢驗提供一條新的技術(shù)途徑。