近紅外光譜在液態(tài)奶分析與檢測中的應(yīng)用

胡亞云，崔璐

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

近紅外光譜在液態(tài)奶分析與檢測中的應(yīng)用

胡亞云，崔璐*

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

近紅外光譜技術(shù)因其固有的特點，在乳品行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。以液態(tài)奶品質(zhì)分析為切入點，綜述近紅外光譜技術(shù)在液態(tài)奶分析與檢測中的國內(nèi)外應(yīng)用進展情況，并分析該技術(shù)在液態(tài)奶品質(zhì)分析與檢測中存在的問題及應(yīng)用前景。

近紅外光譜；液態(tài)奶；分析與檢測；應(yīng)用

乳品營養(yǎng)豐富全面，深受廣大消費者的喜愛，隨著人民生活水平的提高，市場需求量逐年增加，在巨大經(jīng)濟效益的促使下，牛奶、羊奶等原料奶的品質(zhì)分析和監(jiān)測成為乳品產(chǎn)業(yè)中不可缺少的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的化學(xué)檢測方法耗時長、成本高，同時也不適用于現(xiàn)場及在線分析，已不能高效率滿足市場需求。近紅外（Near Infrared Reflectance，簡稱NIR）光譜技術(shù)是20世紀(jì)90年代以來分析化學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的高新分析技術(shù)之一，具有快速、操作簡便、無損、無毒、無污染、可在線監(jiān)測等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域的原料檢測、產(chǎn)品質(zhì)量控制與分析、品種鑒定、真假辨識等方面［1］。鑒于此，越來越多的學(xué)者將近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于乳品的生產(chǎn)、流通、質(zhì)檢過程，并取得了許多研究成果。

1NIR光譜技術(shù)在液態(tài)奶品質(zhì)分析與檢測中的應(yīng)用

1.1NIR光譜技術(shù)定量分析液態(tài)奶主要成分

NIR光譜分析技術(shù)對牛奶中脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖等主要營養(yǎng)成分的快速定量檢測，國內(nèi)外研究較多。早在1991年，聯(lián)邦德國的R.T.Carl［2］就利用近紅外光譜結(jié)合偏最小二乘法對牛奶中的脂肪含量作了定量分析，并做了重復(fù)性實驗驗證實驗結(jié)果的可再現(xiàn)性，結(jié)果表明近紅外光譜分析方法用來分析牛奶中的脂肪含量是非常有效的。

近十幾年來，國內(nèi)外許多學(xué)者也驗證了近紅外光譜技術(shù)可以快速定量檢測牛奶、羊奶等液態(tài)奶中的脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖、固形物含量等成分（Woo Young-Ah等［3］和李慶波等［4］，2002）。許多學(xué)者還相繼采取不同的光譜采集方式、光譜預(yù)處理方法及建模方法進行了研究，也得出了同樣的結(jié)論。如：Tsenkova R等［5］采用近紅外透射方式，在波長1100nm～2100nm快速檢測260個非均質(zhì)牛奶樣品的成分。Paradkar M M等［6］研究得出，利用FT-NIR和多元統(tǒng)計分析方法可成功地評價不同乳制品的膽固醇含量。呂麗娜等［7］研究得出近紅外漫反射光譜可以快速、準(zhǔn)確地測量牛奶中的主要成分。皮付偉等［8］研究得出用短波近紅外區(qū)域的電荷耦合器件（CCD）近紅外光譜儀測定牛奶中蛋白質(zhì)、脂肪和乳糖的含量是完全可行的。?ustová K等［9］研究得出，近紅外光譜可以用來快速測定牛奶、母羊奶、山羊奶和母羊初乳中的真蛋白和酪蛋白。Dracˇková M等［10］研究結(jié)果表明近紅外光譜技術(shù)可以用來評估山羊奶中的蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖、總固形物、無脂肪的固形物含量、凝固點、可滴定酸和pH。榮菡［11］研究表明Elman網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測鮮乳中脂肪、蛋白質(zhì)和乳糖的含量，從而為近紅外光譜的多組分定量分析提供了新思路。

Donato Andueza，Coppa M等［12-13］分別于2010年和2013年研究利用近紅外反射光譜預(yù)測羊奶中的脂肪酸。結(jié)果表明所建模型可以預(yù)測不同羊奶中的脂肪酸，也可以嘗試用此模型作為一種新的食品標(biāo)簽規(guī)定用于羊奶的常規(guī)測試。李曉云等［14］采用便攜式短波近紅外儀大光斑漫反射附件采集牛奶樣品光譜并對樣品中脂肪、蛋白質(zhì)以及干物質(zhì)進行定量分析，所建立的近紅外模型對牛奶樣品進行快速無損檢測是可行的。谷月等［15］也同樣得出，近紅外光譜分析法可用于液態(tài)奶制品生產(chǎn)中脂肪、乳糖和蛋白質(zhì)質(zhì)量含量的快速、無損的定量檢測。楊晉輝等［16］利用近紅外透反射光譜法檢測牛奶中主要成分的可行性，結(jié)果表明所建模型對蛋白質(zhì)、乳糖和非脂固形物含量的預(yù)測效果較好，但對于脂肪的預(yù)測能力較弱，仍需進一步改進。Mauro Coppa等［17］比較NIR和IR預(yù)測鮮奶和解凍奶中的脂肪酸組成。發(fā)現(xiàn)NIR對鮮奶和烘干奶的脂肪酸組成預(yù)測結(jié)果較為相似，但對解凍奶的脂肪酸組成結(jié)果預(yù)測較差，因此NIR可用于常規(guī)牛奶的脂肪酸組成預(yù)測。

1.2NIR光譜技術(shù)用于液態(tài)奶摻假分析

隨著乳品工業(yè)的飛速發(fā)展，市場競爭日益激烈，個別奶農(nóng)和企業(yè)為了短期的經(jīng)濟利益，常常在奶中加入植脂末、水解蛋白、乳清粉、豆?jié){、水、甚至尿素、三聚氰胺等物質(zhì)以牟取暴利，這種行為嚴(yán)重影響了消費者的身體健康。對于各種摻假物質(zhì)的檢測，相關(guān)部分和企業(yè)也使用了很多檢測方法。利用近紅外光譜技術(shù)定性定量檢測液態(tài)奶摻假物質(zhì)是其中的一種快速檢測方法。

李凱歌等［18］利用傅里葉變換近紅外光譜儀積分球漫反射附件，探討了近紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)算法對純牛奶中是否摻入還原奶鑒別的可行性。王右軍等［19］研究利用近紅外光譜快速定量檢測牛奶中摻假物質(zhì)的可行性。結(jié)果表明，所建模型對摻入的水解植物蛋白粉的定量預(yù)測準(zhǔn)確度較高，可以滿足定量檢測的需要。預(yù)測乳清粉和植脂末含量時，由于很多樣品的摻假物濃度低于0.1%時，受近紅外光譜檢測限的限制，難以準(zhǔn)確預(yù)測牛奶中這兩種摻假物的含量。董一威等［20］通過應(yīng)用近紅外光譜對合格牛奶樣品及摻入三聚氰胺的牛奶樣品的檢測，表明近紅外光譜受檢測限的限制，難以準(zhǔn)確預(yù)測牛奶中摻入的三聚氰胺的含量。但應(yīng)用近紅外光譜，結(jié)合判別偏最小二乘法，則可以實現(xiàn)對合格牛奶及摻入三聚氰胺牛奶的定性檢測，正確率達(dá)100%。李亮等［21］用主成分分析法結(jié)合Fisher線性判別分析建立了摻植物奶油、摻植物蛋白、摻淀粉、的牛奶判別模型，驗證了近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于摻假牛奶檢測的可行性。郭美蘭等［22］認(rèn)為選擇合適的模式識別方法和對牛奶近紅外光譜作預(yù)處理，能夠快速區(qū)分純奶及摻加各種偽蛋白的摻水牛奶。劉蓉等［23］在研究摻雜三聚氰胺牛奶二維相關(guān)譜特性的基礎(chǔ)上，采用PLS-DA方法對純牛奶與摻偽牛奶進行判定，其正確率為100%。同時得出，直接利用二維相關(guān)譜矩陣建立模型實現(xiàn)摻偽牛奶的定量分析是可行的。Zhang L G等［24］使用近紅外光譜結(jié)合非線性校正方法---支持向量機方法（I-SVM）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（IS-ANN），建立了兩種用于識別摻假生牛奶的校正模型，當(dāng)摻假物（不同偽蛋白和增稠劑）的濃度≥5%時，識別效果最好。

1.3NIR光譜技術(shù)用于液態(tài)奶農(nóng)殘檢測

Dracˇková M等［25］利用FT-NIR測定生原料乳中的青霉素G和鄰氯青霉素殘留量，利用PLS法建立校正模型，再經(jīng)過交叉驗證后可以預(yù)測來自同一個農(nóng)場的原料乳中鄰氯青霉素的最大殘留量（MRL）。然而標(biāo)準(zhǔn)誤差去超出了青霉素G的最大殘留量（MRL）。因此，近紅外光譜技術(shù)不能夠準(zhǔn)確檢測原料奶中的這兩種物質(zhì)。在這兩種物質(zhì)含量非常低的情況下，牛奶成分的變化對測量結(jié)果影響很大。Tsenkova R等［26］研究利用短波近紅外光譜分析測定未均質(zhì)牛奶的體細(xì)胞數(shù)。結(jié)果表明，短波近紅外光譜是一個用于牛奶日常檢測和奶牛健康管理的非常有價值的檢測工具。Melfsen A等［27］研究得出在波長856 nm～1 649 nm處，利用近紅外漫反射光譜可以準(zhǔn)確測定牛奶中的脂肪、蛋白質(zhì)和乳糖含量；對尿素殘留量的測定不能夠得到很滿意的結(jié)果。馬小紅等［28］采用InfraXact型多功能近紅外分析儀，建立了牛奶中青霉素定標(biāo)模型，結(jié)果表明：近紅外光譜定量分析牛奶中青霉素的含量是可行的，且其檢測精度能達(dá)到ppb級。

1.4NIR光譜技術(shù)在線檢測液態(tài)奶品質(zhì)

NIR光譜技術(shù)可以使用低成本的光纖實現(xiàn)產(chǎn)品分析的在線化，在幾秒鐘內(nèi)得到多個待測參數(shù)，實現(xiàn)綠色分析，并可與反饋控制技術(shù)聯(lián)用，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的在線控制。NIR光譜技術(shù)用于乳品生產(chǎn)線的質(zhì)量控制可實時反饋乳品的各項指標(biāo)。

Shuao Kawamura等［29］構(gòu)建了在線近紅外光譜檢測系統(tǒng)，在波長600 nm～1 050 nm對擠奶過程中的非均質(zhì)牛奶進行檢測，研究表明近紅外測試系統(tǒng)可以在奶場對單個奶牛的擠奶過程進行在線檢測。Masataka Kawasaki等［30］利用近紅外感應(yīng)系統(tǒng)研究了自動化擠奶過程中牛奶指標(biāo)的變化情況，結(jié)果表明，該近紅外光譜系統(tǒng)可用來評估實時自動擠奶系統(tǒng)過程中牛奶的質(zhì)量，為奶農(nóng)提供單個牛的牛奶質(zhì)量和生理條件的信息。通過使用該系統(tǒng)，奶農(nóng)將能夠生產(chǎn)高品質(zhì)的牛奶，實現(xiàn)精確的奶牛養(yǎng)殖。Melfsen A等［31］對近紅外漫反射光譜在線預(yù)測生牛奶中的脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖、尿素含量及擠奶過程中的體細(xì)胞數(shù)的精確度進行了研究，通過比較分析研究得出，在線分析設(shè)備能較為精確地預(yù)測牛奶的主要成分。Al-Qadiri H M等［32］基于可見/近紅外短波光譜結(jié)合多變量分析方法，研究了脫脂牛奶巴氏消毒過程中的牛奶質(zhì)量損失程度。研究結(jié)果表明：新陳代謝作用、蛋白水解作用和脂解作用可以引起細(xì)菌細(xì)胞生長、導(dǎo)致pH降低及不良的生物化學(xué)變化，這些變化可以通過可見近紅外光譜（600 nm～1 100 nm）區(qū)分。此技術(shù)適用于預(yù)測牛奶的貨架期和巴氏消毒過程中微生物的變化。在以后的工作中可以進一步利用近紅外光譜研究具體的腐敗微生物和精確地微生物變化情況。Lyndgaard C B［33］等利用近紅外光譜反射法，研究了牛奶酪蛋白水解、膠束聚合、網(wǎng)狀物形成3個凝固過程。建立了兩個動力學(xué)模型，一個是牛奶完全凝結(jié)過程模型，一個是牛奶凝結(jié)過程的三個分段模型，兩個模型的實驗數(shù)據(jù)擬合值很高（R2＞0.99）。此研究是第一個實時監(jiān)測牛奶凝固過程的研究，通過模擬生產(chǎn)狀態(tài)，逐步增加數(shù)據(jù)、驗證和完善模型，可以為奶酪生產(chǎn)企業(yè)提供更好的開發(fā)、控制和優(yōu)化生產(chǎn)過程。

2問題與展望

近紅外光譜技術(shù)作為一種快速無損檢測方法，其發(fā)展及推廣應(yīng)用提高了乳品的檢測水平，推進了奶業(yè)的發(fā)展。許多科研工作者利用NIR光譜技術(shù)在液態(tài)奶品質(zhì)分析與檢測方面做了大量研究工作，但仍存在一些問題：

1）建立校正模型的精確度對預(yù)測模型的預(yù)測準(zhǔn)確度有很大的影響。通常情況下，定量校正模型的建立，一般采用常規(guī)的化學(xué)分析方法，而用這種分析方法測得的數(shù)據(jù)誤差較大，液態(tài)奶的近紅外光譜信息受水等因素的干擾較大，如何減小誤差和排除無信息因素的干擾是提高模型精度的關(guān)鍵所在?？梢钥紤]利用一些精密儀器如色譜技術(shù)代替常規(guī)的化學(xué)分析方法建立校正模型；利用先進分析軟件，在模型算法優(yōu)化和光譜預(yù)處理方法方面開展深入探索，建立性能穩(wěn)定、精度高、通用性好的模型用于科學(xué)研究和指導(dǎo)生產(chǎn)。

2）乳品與人類的生活息息相關(guān)，從節(jié)約和合理利用資源的角度考慮，如何建立一個成熟穩(wěn)健的模型數(shù)據(jù)庫，共享于全國乳品企業(yè)、科研單位和檢測機構(gòu)等，是科研工作者需要努力的方向。

3）液態(tài)奶所含成分復(fù)雜，且不同成分由于顆粒大小不同，其存在形式也不同，這種復(fù)雜的分布情況必然會影響近紅外光在其中的通過情況。因此，光譜采集方式等試驗細(xì)節(jié)及參數(shù)就顯得尤為重要，如何降低液態(tài)奶NIR光譜檢測時的誤差，獲得較強的待檢測成分信號，也是廣大科研工作者急需要解決的問題。

4）對于液態(tài)奶摻假物的檢測，目前基本停留在定性階段，而且檢測精度還較低，僅僅限于少數(shù)幾種摻假物質(zhì)。當(dāng)多種摻假物質(zhì)同時存在時如何定性定量檢測是需要深入研究的問題。

5）在液態(tài)奶在線檢測方面，如何實現(xiàn)近紅外技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用也是需要進一步研究和解決的問題。國外在這方面的研究較早，國內(nèi)則鮮有報道，因此，如何使NIR光譜技術(shù)進一步實現(xiàn)和適應(yīng)工廠化生產(chǎn)，還需要許多研究者們共同努力。

NIR光譜分析技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，隨著乳品工業(yè)的快速發(fā)展以及人們對乳品質(zhì)的日益關(guān)注；隨著NIR光譜儀器性能、化學(xué)計量學(xué)方法等硬件技術(shù)的不斷改良和發(fā)展，NIR光譜技術(shù)在液態(tài)奶品質(zhì)分析與檢測中尚有許多值得研究和解決的問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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The Prospect and Current Situation of Near Infrared Spectroscopy for Liquid Milk Analysis and Detecting

HU Ya-yun，CUI Lu*
（Department of Food Science and Engineering，Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling 712100，Shaanxi，China）

Near infrared reflectance spectrum technology because of its unique advantages，application in the dairy industry was more and more widely.Based on the quality of the liquid milk analysis as the breakthrough point，the paper reviewed the liquid milk the application progress of domestic and foreign，analyzed the technical problems existing in the liquid milk quality analysis and detection and application prospect.

near infrared reflectance spectrum；liquid milk；analysis and detection；application

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.16.042

2014-08-16

西北農(nóng)林科技大學(xué)大型儀器設(shè)備功能開發(fā)項目（dysb130310）

胡亞云（1974—），女（漢），實驗師，碩士，從事實驗教學(xué)與大型儀器設(shè)備管理工作。