基于傅里葉近紅外光譜的食用油過(guò)氧化值間接檢測(cè)研究

高 媛 王 寧 于修燭 陳秀梅

(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，楊凌 712100)

食用油在加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏過(guò)程中，極易受到光、熱、氧及水分和酶的作用，發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)生成氫過(guò)氧化物，其性質(zhì)不穩(wěn)定極易分解為揮發(fā)性的醛類、酮類和短鏈脂肪酸等［1］，這些物質(zhì)影響油脂風(fēng)味、降低其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，甚至對(duì)人體健康產(chǎn)生危害［2］。過(guò)氧化值不僅是衡量食用油中氫過(guò)氧化物含量的指標(biāo)，也是判斷油脂新鮮程度和質(zhì)量等級(jí)的重要指標(biāo)之一。因此，食用油過(guò)氧化值的快速檢測(cè)對(duì)其品質(zhì)及其食品安全控制具有重要意義［3－6］。目前過(guò)氧化值的檢測(cè)方法主要有滴定法、紫外檢測(cè)法、氣相色譜法、液相色譜法和電化學(xué)方法等，其中化學(xué)－碘量法存在操作繁瑣、試劑用量大、污染環(huán)境等問(wèn)題，紫外檢測(cè)法因未氧化脂質(zhì)成分會(huì)使其吸光峰值在最強(qiáng)光譜帶出現(xiàn)鈍邊具有靈敏度低等問(wèn)題，氣、液相色譜主要存在樣品前處理復(fù)雜、分析耗時(shí)耗力等問(wèn)題，電化學(xué)法一般存在選擇性較差等問(wèn)題，難以滿足食品安全簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確及在線檢測(cè)的要求［7－9］。近紅外光譜技術(shù)具有方便、快捷、準(zhǔn)確、不消耗化學(xué)試劑等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食用油氧化的快速檢測(cè)分析［10－14］。本試驗(yàn)以常見(jiàn)食用油為原料，采用傅里葉近紅外光譜技術(shù)，利用TPP與食用油氫過(guò)氧化物定量反應(yīng)生成TPPO間接檢測(cè)過(guò)氧化值，解決模型通用性差等問(wèn)題，以期為食用油過(guò)氧化值的快速測(cè)定提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菜籽油、花生油、芝麻油、橄欖油、苦杏仁油、調(diào)和油、玉米油、葵花仁油、山茶油、魚(yú)油、羊油等食用油:市售;不含氫過(guò)氧化物的菜籽油，通過(guò)活化硅膠柱除去活性氧等物質(zhì)獲得，并用碘量法測(cè)定加以確認(rèn)。

三苯基磷(＞99%)、三苯基氧磷(＞99%):均為分析純，美國(guó)Sigma公司;氯仿、冰乙酸、異辛烷、碘化鉀、硫代硫酸鈉等:均為分析純，天津博迪化工公司;TPP貯備液(準(zhǔn)確配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的TPP氯仿溶液)、TPPO貯備液(準(zhǔn)確配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的TPPO氯仿溶液)，避光保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

MPA型傅里葉變換近紅外光譜儀(檢測(cè)器為In-GaAs):德國(guó)布魯克公司。

1.3 方法

1.3.1 化學(xué)計(jì)量分析

過(guò)氧化值的測(cè)定是基于TPP與食用油中的氫過(guò)氧化物快速反應(yīng)生成TPPO，通過(guò)TPPO含量推算食用油過(guò)氧化值。其化學(xué)計(jì)量反應(yīng)式如下:

1 mol TPP(TPP相對(duì)分子質(zhì)量為262.28)能使1 mol氫過(guò)氧化物ROOH轉(zhuǎn)化成ROH，同時(shí)產(chǎn)生1 mol TPPO(TPPO相對(duì)分子質(zhì)量為278.28)，可將油樣中TPP、TPPO的含量折算成相應(yīng)的過(guò)氧化值。折算關(guān)系式如下:

式中:m1為TPP或TPPO的質(zhì)量/g;M1為TPP或TPPO的相對(duì)分子質(zhì)量/g/mol;m油為油脂質(zhì)量/kg。

根據(jù)油脂中TPP含量計(jì)算相應(yīng)的過(guò)氧化值(PV)，1 mmol/kg PV相當(dāng)于每千克油脂中含有0.262 3 g TPP，50 μL TPP 貯備液溶于4.000 g油樣，折算相應(yīng)PV為25 mmol/kg;TPPO的含量折算相應(yīng)的PV，1 mmol/kg PV相當(dāng)于每千克油脂中含有0.278 3 g TPPO，50 μL TPPO 貯備液溶于4.000 g油樣，折算相應(yīng)PV為23.6 mmol/kg。依據(jù)計(jì)量反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中TPPO的PV與TPP的PV之和保持不變，即為反應(yīng)前加入待測(cè)樣品中TPP的PV值，以TPPO的PV表示待測(cè)樣品的過(guò)氧化值。

1.3.2 光譜采集條件

在室溫下，采用傅里葉變換近紅外光譜儀采集光譜，將樣品裝于內(nèi)徑為8 mm玻璃管置于樣品腔中，樣品透射腔溫度為40℃，分辨率為4 cm－1，光譜范圍為12 000～4 000 cm－1，掃描次數(shù)為32次，作2次平行試驗(yàn)。

1.3.3 標(biāo)樣和驗(yàn)證樣品的制備

1.3.3.1 校正集樣品

分別將50μL TPP儲(chǔ)備液、50μL TPPO儲(chǔ)備液與2.000 g菜籽油(以GB/T 5538—2005測(cè)定油脂過(guò)氧化值，未檢出定義為0 mmol/kg，下同)混合形成TPP油及TPPO油。模擬反應(yīng)后生成的TPPO與有未反應(yīng)的TPP同時(shí)存在的體系，將零過(guò)氧化值的菜籽油、TPP油、TPPO油通過(guò)重量分析法隨機(jī)混合配制成標(biāo)準(zhǔn)樣品，將對(duì)應(yīng)油樣中TPP、TPPO換算成過(guò)氧化值(PV)，結(jié)果如表1。

1.3.3.2 驗(yàn)證集樣品

將氧化的花生油與零過(guò)氧化值的菜籽油，采用重量稀釋法配制20個(gè)系列樣品作為驗(yàn)證集樣品，其過(guò)氧化值的范圍是0～20 mmol/kg;從市場(chǎng)上隨機(jī)抽取10個(gè)不同種類的油樣進(jìn)行盲樣驗(yàn)證分析。

表1 標(biāo)樣中TPP和TPPO的配比關(guān)系

1.3.4 分析過(guò)程

稱取油樣2.000 g(精確至 0.001 g，下同)，加入50μL TPP(40%)貯備液，混合均勻(振蕩約1 min)使其充分反應(yīng)，然后將約1 mL的油樣注入玻璃管(內(nèi)徑為8 mm)樣品腔中，采集樣品的近紅外光譜。采用模型預(yù)測(cè)待測(cè)油樣中生成TPPO的質(zhì)量摩爾濃度，進(jìn)而折算出相應(yīng)的PV。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

將采集的光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入OMNIC 7.3和TQ Analyst 7.2軟件(美國(guó)尼高力公司)中進(jìn)行光譜預(yù)處理、譜區(qū)選擇和分析。首先采用偏最小二乘法(PLS法)對(duì)校正集樣品過(guò)氧化值建立定量分析模型，并選擇多種光譜預(yù)處理方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，如基線校正、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。采用GB/T 5538—2005測(cè)定油脂樣品的過(guò)氧化值作為實(shí)測(cè)值，通過(guò)近紅外光譜法模型預(yù)測(cè)獲得的過(guò)氧化值作為預(yù)測(cè)值;Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，確定2種檢測(cè)方法的相關(guān)性以及近紅外光譜法的可靠性。

1.3.6 過(guò)氧化值國(guó)標(biāo)法測(cè)定

參照GB/T 5538—2005。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜分析

為了確定光譜測(cè)定過(guò)氧化值的可行性，在透射腔溫度為40℃，分辨率為4 cm－1，光譜范圍為12 000～4 000 cm－1的條件下掃描含有 TPP、TPPO和 TPP+TPPO油樣光譜，掃描次數(shù)為32次，在此條件下采集標(biāo)準(zhǔn)樣品的光譜及對(duì)光譜進(jìn)行差減處理，見(jiàn)圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)樣品的近紅外光譜

由圖1a可以看出，含TPP和TPPO的標(biāo)準(zhǔn)樣品均在 8 268、5 801、5 680、4 670、4 590 cm－1波數(shù)處有明顯的吸收峰，但峰值差異大，進(jìn)一步進(jìn)行光譜選擇性差減得圖1b。由圖1b可知，TPP與TPPO在近紅外光譜中有不同的特征吸收峰，TPPO分別在4 575、4 550、4 526 cm－1波數(shù)處有特征吸收。TPP在4 592 cm－1波數(shù)處有明顯特征吸收。TPP和 TPPO在4 601、4 569 、4 553 cm－1波數(shù)處都有特征吸收，由此可知TPP與TPPO近紅外光譜吸收峰相互重疊，波數(shù)范圍縮?。?5－16］。從 TPP和 TPPO的化學(xué)結(jié)構(gòu)上分析，TPPO比TPP多了一個(gè)雙鍵;樣品在4 650～4 500 cm－1之間有顯著的差異性。而體系中同時(shí)存在TPP及TPPO，根據(jù)化學(xué)定量反應(yīng)可知，消耗的TPP物質(zhì)的量與生成TPPO的物質(zhì)的量相等，可以選擇某一波數(shù)下TPP和TPPO的吸光度之和來(lái)衡量TPP與氫過(guò)氧化物反應(yīng)生成TPPO的情況進(jìn)而推算出氫過(guò)氧化物的含量，可選擇光譜范圍為4 650～4 500 cm－1建立PV模型。

2.2 模型建立與驗(yàn)證

采集校正集樣品和驗(yàn)證樣品的光譜，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入OMNIC 7.3和 TQ Analyst 7.2軟件，通過(guò)比較分析確定在一階求導(dǎo)、Norris導(dǎo)數(shù)平滑(NF)效果較好，采用偏最小二乘法(PLS)在光譜范圍為4 650～4 500 cm－1建立模型。以碘量法測(cè)定的過(guò)氧化值作為實(shí)測(cè)值，模型預(yù)測(cè)的結(jié)果作為預(yù)測(cè)值，得到最佳校正集和驗(yàn)證集的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值關(guān)系，如圖2和圖3所示。

圖2 校正集中食用油過(guò)氧化值實(shí)測(cè)值和模型預(yù)測(cè)值關(guān)系

由圖2可知，當(dāng)光譜范圍為4 650～4 500 cm－1時(shí)，過(guò)氧化值的校正集實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性良好，其實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)方程為y=0.013 7+1.003 9x(R=0.999 4，RMSEC=0.143 9)，由相關(guān)方程可知R值為0.999 4，校正均方根誤差(RMSEC)為0.143 9。

圖3 驗(yàn)證集中食用油過(guò)氧化值實(shí)測(cè)值和模型預(yù)測(cè)值關(guān)系

由圖3可知，過(guò)氧化值驗(yàn)證集實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性良好，其實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的方程為y=0.031 7+1.049 4x(R=0.992 6，RMSEP=0.555 6)，由相關(guān)方程可知R值為0.992 6，預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)為0.555 6。即基于化學(xué)計(jì)量關(guān)系的近紅外光譜法測(cè)定食用油過(guò)氧化值與碘量法測(cè)定結(jié)果一致。

2.3 盲樣驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型及油脂種類對(duì)模型的影響，隨機(jī)選取10種不同的油脂用模型預(yù)測(cè)過(guò)氧化值，并用碘量法平行測(cè)定其過(guò)氧化值，其結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 盲樣過(guò)氧化值實(shí)測(cè)值和模型預(yù)測(cè)值關(guān)系

由圖4可知，盲樣驗(yàn)證中模型過(guò)氧化值預(yù)測(cè)值與碘量法測(cè)定結(jié)果高度線性相關(guān)，其實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)方程為 y=0.011 8+0.982 1x(R=0.997 1，SD=0.400 1)，由關(guān)系方程可知相關(guān)方程的斜率為0.982 1 接近于 1，截距為 0.011 8 接近于 0，R 值為0.997 1接近于1，表明2種方法測(cè)定結(jié)果過(guò)氧化值線性相關(guān)性良好;同時(shí)也驗(yàn)證模型不受油脂種類的影響，模型通用性好。

2.4 精密度與準(zhǔn)確度分析

對(duì)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10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)。過(guò)氧化值的t值為0.85，小于臨界值 t9，0.05=2.262，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)，過(guò)氧化值的 RSD為6.198%，表明方法重現(xiàn)性較好。

3 結(jié)論

利用氫過(guò)氧化物與三苯基磷(TPP)快速反應(yīng)生成三苯基氧磷(TPPO)的定量反應(yīng)關(guān)系。TPP和TPPO在近紅外光譜4 650～4 500 cm－1范圍內(nèi)具有明顯的差異性，采用PLS建立食用油過(guò)氧化值測(cè)定模型;對(duì)驗(yàn)證集樣品及盲樣進(jìn)行驗(yàn)證并與國(guó)標(biāo)碘量法進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明:盲樣驗(yàn)證測(cè)定結(jié)果與國(guó)標(biāo)法測(cè)定結(jié)果相比非常接近且不受油脂種類的影響，模型通用性好，其相關(guān)系數(shù) R 為0.997 1，標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)為0.400 1，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10% ，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

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