基于FTIR和理化性質(zhì)的乳粉溯源技術(shù)研究

梁曉琳，劉 燕，譚凱燕，2，蘇海雁，李全陽，*

（1.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004；2.廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，廣西南寧530004）

基于FTIR和理化性質(zhì)的乳粉溯源技術(shù)研究

梁曉琳1，劉 燕1，譚凱燕1，2，蘇海雁1，李全陽1，*

（1.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004；2.廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，廣西南寧530004）

為探索全脂乳粉產(chǎn)地溯源的可靠方法，以不同產(chǎn)區(qū)的6種全脂乳粉為研究對象，用理化分析的方法測定了樣品的蛋白、脂肪、灰分含量和溶解度4個理化指標，同時采用傅里葉變換紅外光譜儀掃描得到上述樣品的FTIR圖譜，采用SPSS統(tǒng)計分析對以上數(shù)據(jù)進行方差分析、相似性分析和聚類分析。結(jié)果表明不同地理來源乳粉的蛋白質(zhì)和脂肪含量差異顯著，灰分和溶解度相對穩(wěn)定，F(xiàn)TIR宏觀指紋圖譜具有一定的相似性，而特征峰的峰位和峰形存在差異，并在一定程度上反映了地理環(huán)境對乳粉理化性質(zhì)的影響。將理化特征和FTIR分析結(jié)果采用SPSS統(tǒng)計軟件分析處理，實現(xiàn)了6種乳粉樣品產(chǎn)地的識別，聚類的準確率為100%。

傅里葉變換紅外光譜，理化指標，相似性分析，聚類分析

民以食為天，食以安為先。隨著人民生活水平的提高，人們更多地關(guān)注食品的質(zhì)量安全，而保障食品質(zhì)量安全行之有效的方法之一就是——追根溯源。各地也紛紛出臺相關(guān)法律法規(guī)要求載明食品原產(chǎn)地，保護地理標志產(chǎn)品，因此，科研工作者對食品，尤其是乳制品的溯源研究成為新的熱點。乳粉這種營養(yǎng)物質(zhì)非常豐富的食品更是從“搖籃”時期就伴隨著人們的成長，加上其流通范圍非常廣泛，理應成為“追根溯源”的重中之重。

在食品溯源的研究中發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的牦牛乳脂肪、蛋白含量差異顯著[1]；意大利研究人員使用脂肪、蛋白、灰分含量等指標實現(xiàn)了水牛乳的產(chǎn)地溯源[2]。

傅里葉紅外光譜法（FTIR）由于具有比傳統(tǒng)紅外光譜法更好的分辨率和信噪比，近年來在產(chǎn)品溯源中被廣泛應用：在國內(nèi)，用FTIR光譜對黃驊冬棗產(chǎn)地的正確識別率達93.3%[3]；FTIR指紋光譜對4個產(chǎn)區(qū)的牛肉原產(chǎn)地識別正確率達100%[4]；FTIR結(jié)合聚類分析對山藥的產(chǎn)地正確識別率也達到了70%[5]。在國外，Karoui等先用紅外光譜結(jié)合熒光光譜區(qū)分了Emmental奶酪的原產(chǎn)地[6]；后又單獨使用中紅外光譜來識別原產(chǎn)地保護（PDO）奶酪的原產(chǎn)地，正確率在90%以上[7]。然而對于乳粉的溯源研究卻未能發(fā)現(xiàn)有關(guān)報道。

為此，本研究選用黑龍江和新疆兩個產(chǎn)地的6種全脂乳粉，研究比較它們的蛋白質(zhì)含量、脂肪含量、水分、灰分和溶解度及FTIR中紅外宏觀指紋圖譜的差異，并結(jié)合多元統(tǒng)計分析的方差分析、相似性分析和系統(tǒng)聚類分析以圖發(fā)現(xiàn)這些差異與其原產(chǎn)地直接的對應關(guān)系，為乳粉的原產(chǎn)地追溯提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

全脂乳粉 購買于黑龍江的全脂乳粉2種，購買于新疆的全脂乳粉4種，隨機編號1～6，所有樣品均生產(chǎn)于7月，同一品牌樣品有相同的生產(chǎn)日期和生產(chǎn)批號，以避免季節(jié)對其造成的影響，且樣品均為當?shù)仄放?，購買時已經(jīng)與有關(guān)廠家聯(lián)系，進行了核實用當?shù)啬淘催M行生產(chǎn)，保證了乳粉的產(chǎn)地，樣品的相關(guān)信息見表1；考馬斯亮蘭G-250和牛血清白蛋白標品 均由廣州威佳科技有限公司；乙醚 成都市科龍化工試劑廠；氨水 重慶川東化工有限公司；石油醚 天津市富宇精細化工有限公司；無水乙醇 成都市科龍化工試劑廠；光譜級KBr德國merck公司。

表1 全脂乳粉產(chǎn)地相關(guān)信息Table.1 Producing area’information of whole milk powder

Spectrum Bx系列傅里葉變換紅外光譜儀 Perkin Elmer公司；YP-2壓片機 上海山岳科學儀器有限公司；JRA-2數(shù)顯磁力攪拌水浴鍋 金壇市科杰儀器廠；METASH UV-5200紫外/可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；TD6離心機 長沙平凡儀器儀表有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司。

1.2 理化指標測定方法

乳粉中蛋白質(zhì)的測定采用考馬斯亮蘭G-250法：先用牛血清白蛋白標準品做標準曲線，再將乳粉0.1g（精確至0.0001g）溶于1000mL蒸餾水中于595nm處測吸光度，最后換算成蛋白質(zhì)的百分含量[8]。平行測定三次，下同。

脂肪測定采用堿性乙醚提取法[9]。

水分的測定參照GB/T 5413.8-1997[10]。

灰分的測定參照GBT 5413.7-1997[11]。

溶解度的測定參照GB/T 5009.46-2003[12]。

1.3 FTIR光譜分析方法

樣品處理：稱取奶粉3～5g（精確至0.0001g）至干燥箱中（100±5）℃干燥至恒重，待冷卻后稱取樣品約0.0005g（精確至0.0001g），按樣品：KBr=1∶50的比例加入到KBr（紅外烤箱中干燥）中用瑪瑙研缽研磨后進行壓片，再進行紅外測定。

儀器條件：掃描范圍：4000～400cm-1；掃描次數(shù)：16次；分辨率4cm-1；檢測器：DTGS檢測器。

每個樣品平行測定三次并平均結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

用紅外儀器自帶Spectrum v 5.3.1光譜軟件對光譜進行自動基線校正和自動平滑處理；采用SPSS 19.0為主，Excel為輔對實驗數(shù)據(jù)進行方差分析、相關(guān)性分析和系統(tǒng)聚類分析。

相似性分析是對觀測量之間相似或不相似程度的一種測度，是計算一對觀測量之間的廣義距離，定距數(shù)據(jù)主要使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)和夾角余弦距離，本研究中使用的是夾角余弦距離。計算公式如下：

根據(jù)距離的遠近來判斷變量之間的兩兩相關(guān)程度，而在此種距離分析中不存在假設檢驗問題。在新疆不同產(chǎn)地的小白杏杏仁油研究中就曾采用了相似性分析[13]。兩兩比較系數(shù)值越大相似性越高，最大值為1。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化指標測定結(jié)果

對6種乳粉樣品的4項理化指標進行了檢測，結(jié)果見表2。

乳成分的變化受很多因素的影響，如品種、個體、泌乳期、飼料等，其中環(huán)境也是影響乳成分改變的一個重要因素。奶牛生活在一定的區(qū)域內(nèi)有其特定的環(huán)境條件，為了使奶牛適應當?shù)氐沫h(huán)境條件也會有特定的飼養(yǎng)模式（如放牧或圈養(yǎng)，飼料的組成模式等），這些“地理”因素都會被帶到牛乳當中去。

由表2可以看出，同一季節(jié)的6種樣品的4個理化指標總體上差異最大的是蛋白含量和脂肪含量，而灰分和溶解度相對穩(wěn)定。其中，蛋白質(zhì)含量的差異在0.77%～6.60%范圍內(nèi)，1、2號樣品蛋白含量高于3～6號樣品1%以上，并且1、2號樣品之間蛋白含量無顯著差異，同時3～6號樣品之間蛋白含量也無顯著差異。飼料會對乳蛋白率造成極大的影響，日糧的精粗比高時，乳蛋白率也會提高[14]?？梢猿醪酵茢?、2號樣品來源于同一個地區(qū)，3～6號樣品來源于另一個地區(qū)。環(huán)境中主要是溫度的差異會影響到牛乳的蛋白率，高溫會引起牛的熱應激從而使牛的采食量下降，最終使乳蛋白含量下降[15]。新疆氣候干旱，表現(xiàn)為光熱豐富，降水稀少，而黑龍江省屬于寒溫帶季風氣候，所以黑龍江地區(qū)樣品蛋白含量略高于新疆，從而進一步推斷1、2號樣品來自黑龍江，3～6號樣品來自新疆，這也正與實驗的樣品編號與地區(qū)相符。

表2 乳粉理化指標測定結(jié)果Table.2 The results of physical and chemical index of milk powder

乳脂肪是牛乳中比較容易發(fā)生變化的一個因素，從表2可以看出，各樣品的脂肪含量差異較大，總體差異范圍在0.27%～5.71%之間，除1、2號樣品和6號樣品外，其余各樣品兩兩之間均差異顯著，但是明顯的變化趨勢為3～6號樣品中脂肪含量均高于1、2號樣品0.33%以上。日糧的結(jié)構(gòu)對乳脂率有顯著的影響，有研究表明當日糧中精飼料含量高時有利于提高乳蛋白率，但卻會使乳脂率降低[16]。結(jié)合前文的乳蛋白率可以推測，在特定的區(qū)域內(nèi)，為了滿足奶牛的健康生長，養(yǎng)殖人員采用一種特定的飼養(yǎng)模式，在這種條件下所產(chǎn)的牛乳也會帶上區(qū)域的“烙印”。此外隨著海拔高度的上升，牦牛乳脂肪呈現(xiàn)明顯上升的趨勢[1]。荷斯坦牛乳也可能存在這種現(xiàn)象。由此推斷1、2號樣品來源于黑龍江，3～6號樣品來源于新疆，追溯實驗樣品編號發(fā)現(xiàn)判斷與地區(qū)位置相符。

灰分主要反映的是乳中無機物的含量。表2反應出灰分的變化幅度較小，各樣品灰分含量較為穩(wěn)定，變化幅度在0.02%～0.32%，灰分受飼料的影響較小，各樣品之間的灰分差異無明顯的規(guī)律性，其溯源的價值需進一步與其他儀器分析手段及統(tǒng)計分析結(jié)合才能得以體現(xiàn)。

由表2可以看出，6個樣品之間溶解度差異在0.09%～2.24%，變化相對穩(wěn)定，但也呈現(xiàn)出一些規(guī)律，1、2號樣品與3～6號樣品之間差異顯著，前者溶解度低于3～6號樣品1.4%以上，而1、2號樣品之間無顯著差異，3～5號樣品之間也無顯著差異。乳粉的溶解度除了受加工工藝的影響外，原料乳的濃度、酸度和脂肪含量也會對乳粉的溶解性造成影響[17]。可以推斷1、2號樣品可能來源于同一地區(qū)，3～6號樣品可能來源于同一地區(qū)。需與其他指標及統(tǒng)計分析相結(jié)合才能更好的體現(xiàn)其溯源價值。

2.2 紅外光譜結(jié)果

對6個樣品進行紅外測定的FTIR光譜圖結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 6種乳粉的FTIR分層平鋪圖Fig.1 FTIR layered spectra of 6 kinds of milk powder注：從上到下依次為1～6號樣品。

從圖1可以看出不同產(chǎn)地乳粉的圖譜有很高的相似度，直觀可見的差異較小。從圖2則可發(fā)現(xiàn)各產(chǎn)地樣品之間特征峰則存在一定的差異，所有的樣品在3000～2800cm-1區(qū)域內(nèi)都有兩個明顯的吸收峰出現(xiàn)，這是牛乳脂肪的特征峰，這兩個峰分別在（2926± 1）cm-1和（2859±1）cm-1位置，它們分別是牛乳脂肪酸的亞甲基和甲基的C-H鍵伸縮振動峰，后者與樣品中脂肪分子的大小和多少都有關(guān)系。表2結(jié)果顯示各地區(qū)樣品的脂肪含量差異顯著，F(xiàn)TIR則是從微觀上通過脂肪分子反映了不同地理來源樣品的差異。在1700～1500cm-1區(qū)域包含了大量與蛋白質(zhì)相關(guān)的信息，主要是蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用以及蛋白質(zhì)和水、離子等其他物質(zhì)的相互作用的信息[18]。同樣是從蛋白質(zhì)的微觀層面來反映地理差異。1200～900cm-1這個波數(shù)段表征的則是乳糖等糖類的相關(guān)信息。有研究人員分三個波段（3000～2800cm-1、1700～1500cm-1、1500～900cm-1）對奶酪進行掃描后識別原產(chǎn)地，效果良好[7]。本研究發(fā)現(xiàn)，6個樣品圖譜的上述三個波段也是差異存在的主要區(qū)域，蘊含著重要溯源線索。

圖2 6種乳粉的FTIR光譜圖Fig.2 FTIR spectra of 6 kinds of milk powder

2.3 檢測結(jié)果的統(tǒng)計分析

將紅外光譜特征峰相關(guān)信息和4種理化指標測定結(jié)果用SPSS 19.0做相似性分析，結(jié)果見表3。

表3 乳粉紅外和理化指標的相似性矩陣Table.3 The similarity matrix of infrared and physiochemical indexes of milk powder

由表3可知，所有樣品和自身的相似度為1。1號和2號樣品相似度達到了0.992，而和3～6號樣品的相似度均小于0.992，最低時僅有0.947。同樣的，4～6號樣品之間相似度也在0.991以上，尤其是4號和6號樣品的相似度高達0.999。由此可以推斷1、2號樣品來源于同一個地區(qū)的可能性大，3～6號樣品來源于同一個地區(qū)的可能性大，這也正與實驗編號1、2來源于黑龍江，3～6號來源于新疆的實際情況相符。

將紅外光譜特征峰相關(guān)信息和基礎(chǔ)理化指標測定結(jié)果用SPSS 19.0做系統(tǒng)聚類分析（歐氏距離和最近鄰元素），結(jié)果見圖3。

圖3 系統(tǒng)聚類樹狀圖Fig.3 Dendrogram of hierarchical cluster analysis

由圖3可以看出，經(jīng)過5階聚類后，所有的樣品最終聚為一類。在歐氏距離為18.74時所有的樣品可以明顯的分為兩個表征群，結(jié)合橫坐標樣品編號，其中一個表征群為4、6、5、3號樣品，另一個表征群為1、2號樣品，這也正與1、2號樣品來自黑龍江，3～6號樣品來自新疆相符，說明乳粉的紅外光譜和理化指標結(jié)合聚類分析能夠較好地區(qū)別其原產(chǎn)地。聚類分析是研究“物以類聚”的一類典型統(tǒng)計分析方法，在牛奶和奶酪的產(chǎn)地溯源中被廣泛采用[2，19-20]，并且取得了較好的聚類效果，本實驗的聚類正確率為100%。

3 結(jié)論

3.1兩地乳粉的蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和溶解度具有一定的差異，尤其是蛋白質(zhì)和脂肪含量與產(chǎn)品的地理來源呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，可以輔助進行產(chǎn)地識別。

3.2兩個產(chǎn)區(qū)乳粉FTIR光譜反映了乳粉化學組成的復雜性和多樣性，兩地乳粉的特征吸收峰的差異為乳粉的產(chǎn)地識別提供了溯源線索。

3.3利用傅里葉變換中紅外光譜和理化指標相結(jié)合，相關(guān)性分析和聚類分析可以識別不同產(chǎn)區(qū)乳粉的地理來源，對乳粉地理溯源研究具有很強的借鑒意義。

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Study on geographic origin of milk powder based on FTIR and physicochemical properties

LIANG Xiao-lin1，LIU Yan1，TAN Kai-yan1，2，SU Hai-yan1，LI Quan-yang1，*
（1.College of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Testing Institute of Product Quality Supervision，Nanning 530004，China）

In order to explore the reliable method of whole milk powder origin traceability，6 kinds of whole milk powder came from different regions were regarded as object of study.The physicochemical analysis was used to measure samples’content of protein，fat，ash and solubility，at the same time Fourier transform infrared spectrometer was used to obtain all samples’FTIR spectra.Then SPSS was used to analyze the data by analysis of variance，similarity analysis and cluster analysis.Results showed that the content of protein and fat of whole milk powder came from different regions had significant difference，and ash content and solubility were relatively stable.FTIR macroscopically fingerprint had a certain similarity，but the peak position and peak shape of the characteristic peaks had difference，and to a certain extent，reflect the geographical environment influence on the physicochemical properties of milk powder.SPSS statistical software was used to process physicochemical properties and FTIR results，the producing area identification of 6 kinds of milk powder was realized，the accuracy of cluster analysis achieved 100%.

FTIR spectra；physical-chemical indexes；similarity analysis；cluster analysis

TS207.3

A

1002-0306（2014）04-0049-05

2013－07－16 *通訊聯(lián)系人

梁曉琳（1986-），女，碩士研究生，研究方向：乳品科學。

國家自然科學基金項目（31071576）；廣西大學科研基金項目（GXL090325）。