氣相色譜-質譜技術結合化學計量學對5種動物油進行判別分析

王同珍，陳孝建,2，安 愛，邱思聰，王修偉，姜春寶，

陳鵬飛1，曹維強1,2*

(1.深圳中檢聯(lián)檢測有限公司，廣東 深圳 518052；2.廣東工業(yè)大學 輕工化工學院，廣東 廣州 510006;

研究簡報

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氣相色譜-質譜技術結合化學計量學對5種動物油進行判別分析

王同珍1，陳孝建1,2，安 愛1，邱思聰1，王修偉1，姜春寶3，

陳鵬飛1，曹維強1,2*

(1.深圳中檢聯(lián)檢測有限公司，廣東 深圳 518052；2.廣東工業(yè)大學 輕工化工學院，廣東 廣州 510006;

3.惠州出入境檢驗檢疫局，廣東 惠州 516006)

測定了5種不同種類動物油(雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油)的脂肪酸組成和含量，探討了利用動物油脂肪酸的指標對不同種類的動物油進行分類和判別的可能性。采用氣相色譜-質譜聯(lián)用技術(GC-MS)對5種動物油脂肪酸的組成和含量進行測定，利用SPSS 19.0 統(tǒng)計軟件進行主成分分析、聚類分析和判別分析。對5種動物油的脂肪酸進行統(tǒng)計、分析和對比，得出動物油的主要組成為C16∶0，C18∶0，C18∶1c-9，C18∶2c-9,12和C14∶0，這5種脂肪酸在雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油中的總含量分別為92.1%，93.5%,93.5%，90.6%和95.6%。5種脂肪酸的不飽和度均小于1。主成分分析降維得到3個主成分，利用主成分分析數(shù)據(jù)，依次進行聚類分析和判別分析，建立了3個動物油典則判別函數(shù)，相關系數(shù)均大于0.995，對于雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油的初始分類正確率和交叉驗證正確率均為100%。

動物油；氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(GC-MS)；主成分分析；聚類分析；判別分析

油脂是一大類天然有機化合物，主要包括脂肪(甘油三酯)和類脂(磷脂、甾醇、色素等)[1]。其中，脂肪(甘油三酯)占動物油和植物油的95%以上[2-3]。食用油最主要的成分是脂肪酸，其組成及含量很大程度上決定了食用油的營養(yǎng)價值[4-6]，也是評定食用油質量的主要指標[7-10]。

食用油中的脂肪酸分為飽和脂肪酸(Saturated fatty acid，SFA)、單不飽和脂肪酸(Monounsaturated fatty acid，MUFA)和多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid，PUFA)。研究表明，脂肪酸在維持身體健康方面起著重要作用[11-13]。目前食用油中脂肪酸組成和含量的研究主要集中于植物油的組成和含量，鮮有研究動物油脂肪酸組成和含量的文獻報道。

本文采用氣相色譜-質譜聯(lián)用技術(GC-MS)，對5種動物油(雞油、鴨油、牛油、羊油和豬油)中的脂肪酸組成和含量進行測定，并利用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行主成分分析、聚類分析和判別分析，建立了3個動物油典則判別函數(shù)(相關系數(shù)均大于0.995)，對雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油的初始分類正確率為100%，交叉驗證正確率為100%。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

GC-7890A氣相色譜儀、質譜儀、Autosample-7693自動進樣器、DB-23色譜柱(60 m×0.25 mm，0.25 μm，美國Agilent公司)。

37種脂肪酸甲酯混標(美國Sigma-Aldrich公司)；正己烷、甲醇為色譜純；其它試劑均為分析純。對于動物油及購買的新鮮動物脂肪，應進行油脂的提取。

1.2 GC-MS條件

色譜柱為DB-23石英毛細管柱(60 m×0.25 mm，0.25 μm，美國Agilent公司)；程序升溫：初始溫度130 ℃，保持1 min，以6.5 ℃/min升溫至170 ℃后再以2.75 ℃/min升至215 ℃，保持12 min，最后以40 ℃/min升至230 ℃，保持3 min；載氣為高純氦氣(99.999%)，流速：1.2 mL/min；離子源：EI源；離子源溫度：230 ℃；溶劑延遲4.5 min；掃描方式：SIM，以m/z55，67，74，79，87為選擇性離子；進樣口溫度：260 ℃；進樣量：1 μL；分流比：75∶1。

1.3 樣品前處理

將市購的新鮮動物脂肪洗凈、切塊，在自動索氏提取器上用正己烷提取脂肪油脂，并用旋轉蒸發(fā)儀去除殘余的正己烷溶劑，將得到的動物油油脂置于4 ℃儲存?zhèn)溆谩?/p>

氫氧化鉀-甲醇溶液：將6.6 g KOH-CH3OH溶于50 mL無水甲醇中，輕微加熱，加入無水硫酸鈉干燥、過濾，即得澄清溶液，約為2 mol/L。

為了降低脂肪酸沸點以利于GC-MS分析，通常需對油脂樣品進行脂肪酸甲酯化衍生預處理。稱取0.060 0 g動物油樣品于具塞試管中，加入4 mL正己烷溶解樣品(輕微加熱使油脂樣品溶解)，再加入200 μL 2 mol/L KOH-CH3OH溶液，旋渦混合30 s，室溫下反應30 min后，靜置使溶液澄清，向溶液中加入1 g硫酸氫鈉，以中和過量的氫氧化鉀，待無機鹽沉淀后，用0.45 μm針頭式濾膜過濾，供GC-MS分析[14]。

2 結果與討論

2.1 脂肪酸成分的定性與定量

GC-MS聯(lián)用技術的最大優(yōu)勢是可以利用MS數(shù)據(jù)對化合物進行定性分析。將動物油脂樣品的質譜圖數(shù)據(jù)與質譜圖檢索庫(NIST Mass Spectral Database)進行對比，初步確定脂肪酸的種類，再用GC色譜圖的保留時間與37種脂肪酸甲酯混合標準品色譜圖的保留時間進行比對。

對5種動物油(雞油、鴨油、牛油、羊油和豬油)樣品進行GC-MS分析，以MS數(shù)據(jù)和GC色譜圖的保留時間定性，面積歸一化法定量，每一樣品平行測定3次，最終數(shù)據(jù)取平均值±標準偏差，得到動物油脂肪酸的組成和含量[15]，結果見表1。

表1 動物油脂肪酸的組成和含量

Table 1 The fatty acids composition and contents of animal oil

FattyacidChanterelle(%)Butter(%)Duckfat(%)Suet(%)Lard(%)C10∶0C12∶0C14∶0C14∶1C15∶0C16∶0C16∶1c-9C16∶1c-11C17∶0C17∶1C18∶0C18∶1c-9C18∶1c-11C18∶2c-9，12C18∶3c-9，12，15C20∶0C20∶1C20∶2C20∶3c-8，11，14C20∶3c-11，14，17C20∶4U/S-?0146±00051317±00210108±00030094±000242505±11520267±00074554±01030169±0004-11508±012724027±03061450±002512718±01380608±00110099±00030190±00050089±00020057±00010094±0003-07910092±00030097±00025684±01210370±00080937±000938042±10910493±00051683±00241703±00260301±000530478±100418223±02590563±00081073±00060104±00070160±0050-----02980082±00022384±00352046±00210030±00010077±000243178±11210215±00101960±00230139±0003-12334±013223829±01510795±001112106±01010449±00020099±00010180±00030052±00010019±00020026±0001-06570265±00030110±00015383±01030386±00050978±001237609±11020085±00022248±00313681±00940575±000725564±087519770±01350634±00122267±00230324±00040073±00010048±0001----03580137±00040109±00032183±0031--38986±12310132±00030955±00120399±00020083±000127082±090118260±01151185±00369049±01510393±00080255±00050321±00030315±00050033±00010085±0002-0446

*below 0.010%or no detected(低于0.010%或未檢出);U/S:ratio of unsaturated and saturated fatty acids(不飽和度);C10∶0(癸酸),C12∶0(月桂酸),C14∶0(肉豆蔻酸),C14∶1(肉豆蔻腦酸),C15∶0(十五烷酸),C16∶0(棕櫚酸),C16∶1c-9(棕櫚烯酸),C16∶1c-11(11-十六碳烯酸),C17∶0(十七烷酸)，C17∶1(順-10-十七碳烯酸),C18∶0(硬脂酸),C18∶1c-9(油酸),C18∶1c-11(11-十八碳烯酸),C18∶2(亞油酸),C18∶3(亞麻酸),C20∶0(花生酸),C20∶1(順-11-二十碳烯酸),C20∶2(順-11,14-二十碳二烯酸),C20∶3c-8,11,14(順-8,11,14-二十碳三烯酸),C20∶3c-11,14,17(順-11,14,17-二十碳三烯酸),C20∶4(花生四烯酸)

從表1可以看出，動物油的主要脂肪酸組分相同，即動物油主要由C16∶0，C18∶0，C18∶1c-9，C18∶2c-9,12和C14∶0 5種脂肪酸組成，其在雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油中的總含量分別為92.1%，93.5%，93.5%，90.6%和95.6%。在動物油的5種主要脂肪酸中，包括了飽和的C14∶0，而植物油則為C18∶3c-9,12,15，可見動物油以飽和脂肪酸為主要成分，而植物油以不飽和脂肪酸為主要成分[16]。從表1還可看出，不同種類的動物油中各脂肪酸的含量均不相同，部分脂肪酸甚至未能檢出。如棕櫚酸(C16∶0)在動物油中的含量為37.6%～43.2%,并以在鴨油中的含量最高(43.2%)，在羊油中含量最低(僅為37.6%)。硬脂酸(C18∶0)在雞油中的含量最低(11.5%)，在牛油中的含量最高(30.5%)，可以看出硬脂酸在動物油中的波動范圍較大，在牛油中的含量為在雞油中的2.6倍。油酸(C18∶1c-9)具有降低低密度蛋白(Low density lipoprotein-LDL)膽固醇水平的功效[17]，亞油酸(C18∶2c-9,12)具有預防心血管疾病的功效。動物油中油酸和亞油酸含量最高的均為雞油，分別為24.0%和12.7%，可見雞油在這方面的營養(yǎng)價值高于其它動物油。油酸在動物油中的含量為18.2%～24.0%。亞油酸在動物油中含量波動較大，在牛油中含量最低(僅為1.1%)，而在雞油中的含量為牛油中的11.8倍。

表1結果顯示，動物油含有C10∶0和C12∶0，這兩種脂肪酸在植物油中很少甚至未檢出。動物油中含有少量奇數(shù)碳鏈脂肪酸，即C15∶0，C17∶0和C17∶1。這3種脂肪酸的總含量在雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油中的含量分別為0.26%，2.94%，0.22%，5.23%和0.48%，遠高于植物油。不飽和度(U/S)是動物油中總不飽和脂肪酸含量與飽和脂肪酸含量的比值。由表1可以看出，動物油的不飽和度均小于1，其中最小為牛油(0.30)，最高為雞油(0.79)。而植物油的不飽和度均大于2[16]，因此，不飽和度可作為區(qū)分純動物油和純植物油的重要依據(jù)，不飽和度小于1為動物油，不飽和度大于2為植物油。

圖1 三維載荷圖Fig.1 Three-dimensional load diagram

2.2 主成分分析

利用SPSS 19.0進行主成分分析[18-21]，同時可得前4個主成分的特征值以及貢獻率。從結果可知，第一和第二主成分的特征值分別為9.43和3.03，按16個主成分計算，其累計方差貢獻率為77.8%[(9.43+3.03)/16×100%]，而前3個主成分的累計方差貢獻率為88.4%，可以代表原有16個變量的大部分信息，故提取前3個主成分，載荷圖如圖1所示。

從表2可看出，第1主成分與C18∶2，C16∶0，C18∶3，C18∶1c-11，C18∶1c-9負相關，與C14∶0，C15∶0，C14∶1，C18∶0，C17∶0正相關。第2主成分與C20∶0負相關，與C17∶1正相關。第3主成分與C10∶0負相關，與C16∶1正相關。

表2 主成分載荷矩陣

Table 2 Principal component loading matrix

FattyacidPrincipalcomponent1234C10∶0C12∶0C14∶0C14∶1C15∶0C16∶0C16∶1c-9C16∶1c-11C17∶0C17∶1C18∶0C18∶1c-9C18∶1c-11C18∶2c-9，12C18∶3c-9，12，15C20∶00668-0536096908910931-08910226-0548084406940889-0814-0786-0974-08560000035402440125027102780009-0475051105000690-04490507-002401400355-0926-0646-0038010903390229011908220399-0156-0050-00710226-0099-0103-0192-0324-0050-0802-010600920001-0025-01970525010001060036-00770603-0047-01300174

2.3 聚類分析

將主成分分析得到的數(shù)據(jù)(雞油:72個樣品,牛油：90個樣品,鴨油：104個樣品,羊油：72個樣品,豬油：69個樣品)PC1，PC2和PC3，以平方歐式距離為度量準則，以組間連接法(Between-group linkage)為組群合并準則，用SPSS19.0統(tǒng)計軟件進行K均值聚類分析[22]。聚類數(shù)為5，最大迭代次數(shù)為25，最終在SPSS 19.0中聚類成功,其最終聚類結果如表3所示。

表3 最終聚類中心

Table 3 The final cluster centers

No12345ChanterelleButterDuckfatSuetLardPC1PC2PC3-12716035330875208750-06916084461067916167-08240-03515-13909-17917-1120105066-00839

2.4 判別分析

以主成分分析得到的PC1，PC2和PC3 3個主成分作為判別分析的自變量，在K均值聚類中得到的聚類號作為判別分析的分組變量，進行判別分析，得到3個典則判別式函數(shù)。其中累計方差貢獻率為100.0%(DA1：方差48.3%,DA2：方差36.0%,DA3：方差15.7%)，且3個函數(shù)的相關性很好，r2均不小于0.995。

DA1=6.759PC1-10.556PC2+10.062PC3,r2=0.998

(1)

DA2=10.939PC1+8.416PC2+1.481PC3,r2=0.998

(2)

DA3=-4.134PC1+4.123PC2+7.102PC3,r2=0.995

(3)

圖2 判別式函數(shù)散點圖Fig.2 The scatterplot of discriminant function

將雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油的PC1，PC2，PC3數(shù)據(jù)代入上述方程，得到每種動物油脂對應的典則判別函數(shù)的判別值。因前兩個典則判別函數(shù)的累計貢獻達84.3%，故可用典則判別函數(shù)(1)和(2)分別作為X和Y作圖。如圖2所示，5種動物油可區(qū)分開，說明判別分類的效果良好。

利用得到的3個判別函數(shù)對407個動物油樣品進行判別分類，結果如表4。從表4可以看出，判別分析對于5種動物油407個樣品進行分類判別。在交叉驗證中，分析中的每個案例均通過該案例以外的其他案例派生的函數(shù)進行分類，對初始分組案例和交叉驗證分組案例分別進行分析，正確率均為100%。故可用典則判別函數(shù)(1)、(2)、(3)對以上5種動物油的未知油脂樣品進行分析判別。

表4 分類結果

Table 4 Results of classification

NoPredictgroupmembership12345TotalInitialCount12345720000090000001040000072000006972901047269Correctrate(%)12345100000000100000000100000000100000000100010001000100010001000CrossvalidationCount12345720000090000001040000072000006972901047269Correctrate(%)12345100000000100000000100000000100000000100010001000100010001000

3 結 論

采用氣相色譜-質譜聯(lián)用(GC-MS)測定了5種不同種類動物油(雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油)的脂肪酸組成和含量，利用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行主成分分析、聚類分析和判別分析，最終建立了3個動物油的典則判別函數(shù)，其相關系數(shù)(r2)分別為0.998，0.998和0.995。對各動物油樣本典則判別函數(shù)的分值作圖，通過主成分分析、聚類分析和判別分析，不同動物油的分類和判別效果良好。研究表明，該方法對于雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油的初始分類正確率為100%，交叉驗證正確率為100%。根據(jù)動物油脂肪酸的指標對不同種類的動物油進行分類和判別是可行的，從而為動物油脂肪酸圖譜庫的建立和地溝油的鑒別提供了依據(jù)。

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Discriminant Analysis of Five Kinds of Animal Oils by Gas Chromatography-Mass Spectrometry Combined with Chemometrics

WANG Tong-zhen1,CHEN Xiao-jian1,2,AN Ai1,QIU Si-cong1,WANG Xiu-wei1,JIANG Chun-bao3,CHEN Peng-fei1,CAO Wei-qiang1,2*

(1.Sino Assessment Group,Shenzhen 518052,China;2.Faculty of Chemical Engineering and Light Industry, Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;3.Huizhou Entry-Exit Inspection and Quarantine,Huizhou 516006,China)

Gas chromatography-mass spectrometry was used to determine the fatty acid compositions in five different animal oils,and chemometric methods(such as principal component analysis(PCA),cluster analysis(CA) and discriminant analysis(DA)) were applied to the obtained data.The fatty acids in five animal oils samples were investigated,and the results showed that the main compositions of animal oils were C16∶0,C18∶0,C18∶1c-9,C18∶2c-9,12 and C14∶0.Total contents of the five major fatty acids were 92.1%,93.5%,93.5%,90.6%and 95.6%corresponding to the chanterelle,butter,duck fat,suet and lard,respectively.The ratios of unsaturated and saturated fatty acids(U/S) were all less than 1 for five animal oils.Three PCs were sequentially used for CA and DA.Three discriminant functions were established and the correlation coefficients were larger than 0.995.The initial classification accuracy and cross-validation accuracy of chanterelle,butter,duck fat,suet and lard all reached up to 100%.

animal oils；gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS)；principal component analysis；cluster analysis；discriminant analysis

2015-10-13；

2015-11-20

研究簡報

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.05.010

O657.63；TQ645.3

A

1004-4957(2016)05-0557-06

*通訊作者：曹維強,博士,高級工程師,研究方向:食品安全檢測,Tel:0755-2651492,E-mail:caowqciq@163.com