近紅外光譜法快速檢測(cè)飲料中的食用合成色素

田 晶，李巧玲*

近紅外光譜法快速檢測(cè)飲料中的食用合成色素

田 晶，李巧玲*

（河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

以光譜掃描范圍為1 100～1 650 nm，分辨率為0.2 nm，通過(guò)對(duì)不同質(zhì)量濃度的日落黃、檸檬黃、胭脂紅和莧菜紅溶液掃描，得到的原始光譜圖經(jīng)過(guò)一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)等方法進(jìn)行預(yù)處理。然后通過(guò)修正的最小二乘（modified partial least square，MPLS）法結(jié)合變量標(biāo)準(zhǔn)化且去散射處理的光譜預(yù)處理手段建立相關(guān)的MPLS模型。最后利用所建模型，對(duì)飲料中的食用合成色素含量進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.991，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差最低為0.009%，相對(duì)分析誤差最大為3.51。結(jié)果表明，近紅外光譜可作為一種簡(jiǎn)單、快速、無(wú)損、可靠的方法用于檢測(cè)飲料中的食用合成色素。

近紅外光譜；飲料；食用合成色素；檢測(cè)

近些年，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，準(zhǔn)許使用的合成色素越來(lái)越多，而且使用的范圍也在逐年擴(kuò)大[1]。食用色素已被廣泛應(yīng)用在糕點(diǎn)、飲料、糖果、制造酒、冰淇淋等各種食品的著色上。盡管?chē)?guó)家對(duì)每種色素的添加量與添加范圍均做了明確規(guī)定，但仍然有許多不法商家為了增加食品的誘人色澤或掩蓋一些產(chǎn)品的不良感官而濫用食用色素。

目前，食用色素的檢測(cè)方法主要有：毛細(xì)管電泳法[2]、高效液相色譜法[3-4]、超高效液相色譜法[5]、離子對(duì)色譜法[6]、高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[7]、極譜法、紫外分光光度法等[8-11]，這些檢測(cè)方法通常需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，存在耗時(shí)長(zhǎng)、檢測(cè)程序復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理繁瑣等問(wèn)題[12]。近紅外光譜分析技術(shù)不同于上述有損檢測(cè)手段，一般通過(guò)化學(xué)計(jì)量法抽取所需要的特征信息對(duì)物質(zhì)成分進(jìn)行預(yù)測(cè)，不需要對(duì)樣品進(jìn)行溶解、稀釋、去除基體干擾等過(guò)程，也不需要使用特殊的溶劑溶解被測(cè)物質(zhì)，因此，無(wú)有害物質(zhì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成的任何污染。它的主要優(yōu)點(diǎn)是，檢測(cè)所需時(shí)間極短，檢測(cè)程序和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，檢測(cè)費(fèi)用低廉，可以很好的滿(mǎn)足普通消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品色素使用安全信息的快速檢測(cè)要求，是一種無(wú)損產(chǎn)品檢測(cè)的方法。近紅外光譜技術(shù)在果汁飲料中的應(yīng)用多集中于對(duì)果汁含量、品種及摻偽等方面的檢測(cè)[13-20]，在合成色素方面的研究較少[21]。本研究擬結(jié)合文獻(xiàn)[22-28]，探索用近紅外光譜檢測(cè)飲料中最常添加的食用合成色素的含量。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

橙味飲料、葡萄味飲料、白砂糖 市購(gòu)；檸檬酸、日落黃、檸檬黃、胭脂紅、莧菜紅標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞99.0%） 河北省食品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院。

1.2 儀器與設(shè)備

NIRSTMDA1650近紅外光譜儀（配有Mosic和WinISI II軟件，帶有樣品杯和金箔杯） 丹麥Foss公司；AL204萬(wàn)分之一電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PTD-20-3超純水制備儀 上海力新儀器有限公司；PB-10型pH計(jì) 德國(guó)賽多利斯集團(tuán)。

1.3 方法

1.3.1 色素標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

母液的配制：稱(chēng)取白砂糖100 g用超純水溶解，并用檸檬酸調(diào)節(jié)pH值，定容至1 000 mL的容量瓶中，配制成糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、pH 3.60左右的溶液備用。配制此母液5 份，備用。

標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：準(zhǔn)確稱(chēng)取日落黃和檸檬黃各0.1 g，胭脂紅和莧菜紅各0.05 g，分別用母液定容至50 mL的容量瓶中，作為基準(zhǔn)溶液。取上述各不同量基準(zhǔn)溶液，分別用母液稀釋后定容至10 mL容量瓶中，配制成不同質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液75 份，用于近紅外光譜掃描。

4 種食用合成色素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：依據(jù)GB 2760—2014《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中食品添加劑的使用規(guī)定，食品添加劑（相同色澤著色劑、防腐劑、抗氧化劑）在混合使用時(shí)，各自用量占其最大使用量的比例之和不應(yīng)超過(guò)1[1]的原則，準(zhǔn)確量取不同質(zhì)量濃度的日落黃、檸檬黃、胭脂紅和莧菜紅的基準(zhǔn)溶液，分別用母液稀釋后定容至10 mL的容量瓶中，配制成含日落黃、檸檬黃、胭脂紅和莧菜紅不同質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液75 份，其質(zhì)量濃度范圍分別為5～100、5～100、2～50 mg/L和2～50 mg/L，用于近紅外光譜掃描。

1.3.2 光譜數(shù)據(jù)的采集

將不同質(zhì)量濃度的日落黃、檸檬黃、胭脂紅和莧菜紅色素溶液大約2 mL小心倒入近紅外分析儀的樣品杯中，蓋上反射板，防止光從樣品中溢出。光譜采集過(guò)程中環(huán)境溫度保持在25 ℃，儀器工作參數(shù)為：光譜掃描范圍1 100～1 650 nm，分辨率0.2 nm，每份樣品重復(fù)采譜3 次，每次掃描時(shí)樣品要求重新裝樣，保持裝樣的均一性，取平均漫反射吸光度光譜作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.3 所建模型對(duì)飲料中色素含量測(cè)定

將所測(cè)飲料倒入燒杯中進(jìn)行水浴加熱除氣，直到?jīng)]有殘留氣體，冷卻到室溫后，用建立的近紅外光譜模型進(jìn)行測(cè)定。并將此結(jié)果與GB 5009.35—2016《食品中合成著色劑的測(cè)定》[32]進(jìn)行比較。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用WinISI Ⅱ軟件對(duì)采集得到的近紅外光譜圖進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量交換（standard normal variate，SNV）和多元散射校正（multiplication scatter correction，MSC）等幾種光譜預(yù)處理方法的效果進(jìn)行比較。應(yīng)用修正的最小二乘（modified partial least square，MPLS）法、偏最小二乘（partial least square，PLS）法和主成分回歸（principle component regression，PCR）法3 種數(shù)學(xué)校正方法分別建立數(shù)學(xué)模型。用模型相關(guān)系數(shù)R、交互驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)誤差（standard error of cross validation，SECV）、校正標(biāo)準(zhǔn)差（standard error of calibration，SEC）作為模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，用預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)（correlation coefficient of prediction，Rp）、預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差（standard error of prediction，SEP）和相對(duì)分析誤差（standard deviation ratio，SDR）檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確度[29-31]。一般情況下，R值越大，SECV和SEC值越小，模型的精度越高。Rp值越大，SEP和SDR值越小，表明模型的預(yù)測(cè)性能越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 校正集和驗(yàn)證集樣品的確立

不同質(zhì)量濃度的日落黃、檸檬黃、胭脂紅、莧菜紅及4 種合成色素的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液各75 份。按照校正集和驗(yàn)證集比例為2∶1的關(guān)系，從不同質(zhì)量濃度的各溶液中隨機(jī)選出50 個(gè)樣品作校正集樣品，余下25 個(gè)樣品組成獨(dú)立驗(yàn)證集。

2.2 近紅外光譜圖的預(yù)處理

近紅外光譜采集時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多基線漂移、光散射和高頻隨機(jī)噪聲等噪聲信息，這些噪聲信息會(huì)干擾光譜信息與樣本內(nèi)有效成分，因此對(duì)原始光譜進(jìn)行預(yù)處理是十分必要的。導(dǎo)數(shù)處理、MSC、SNV等是最常用的預(yù)處理方法。導(dǎo)數(shù)處理可以提供比原光譜更高的分辨率和更清晰的光譜輪廓變化，也可以消除基線漂移或平緩背景干擾的影響。SNV和MSC可以有效地消除散射影響，增強(qiáng)了與成分含量相關(guān)的光譜吸收信息[25]。

圖1 樣本（A）、一階導(dǎo)數(shù)處理后（B）和二階導(dǎo)數(shù)處理后（C）日落黃溶液近紅外光譜圖Fig. 1 Original, first derivative and second derivative NIR spectra of sunset yellow solution

圖2 樣本（A）、一階導(dǎo)數(shù)處理后（B）和二階導(dǎo)數(shù)處理后（C）4 種合成色素混合溶液的近紅外光譜圖Fig. 2 Original, first derivative and second derivative NIR spectra of another four synthetic pigments

由圖1A可知，在波長(zhǎng)1 370～1 520 nm范圍里包含著日落黃溶液的吸收信息，光譜圖在波長(zhǎng)1 450 nm處有最大吸光度。由于原始光譜圖本身包含信息量過(guò)少，儀器或其他噪聲對(duì)光譜圖影響過(guò)大，需通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理。如圖1B、C所示，其中導(dǎo)數(shù)計(jì)算處理采用光譜點(diǎn)間隔數(shù)為4，平滑處理間隔點(diǎn)也為4，不做二次平滑處理。由圖1B可知，在波長(zhǎng)1 390 nm有明顯的波谷，在波長(zhǎng)1 480 nm有明顯的波峰。由圖1C可知，從波長(zhǎng)1 370～1 510 nm區(qū)間與圖1A、B有著明顯的差異性，包含的信息更為豐富，共有3 處波峰、波谷。

圖2與圖1相似，不同質(zhì)量濃度檸檬黃、胭脂紅和莧菜紅溶液的近紅外光譜圖、一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)與圖1相似，在此不再一一列出。

2.3 預(yù)測(cè)模型的建立

為了建立最優(yōu)飲料中日落黃、檸檬黃、胭脂紅和莧菜紅的預(yù)測(cè)模型，應(yīng)當(dāng)評(píng)估不同的數(shù)學(xué)處理技術(shù)和散射校正方法對(duì)模型的影響，選出最佳的預(yù)測(cè)模型。本研究對(duì)6 種預(yù)處理方法與3 種統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)校正方法相結(jié)合建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析對(duì)比，以相關(guān)系數(shù)R、SEC和SECV作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用WinISI Ⅱ分析軟件對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)和光譜圖進(jìn)行分析，用于優(yōu)選出預(yù)測(cè)能力強(qiáng)的預(yù)測(cè)模型。表1～3分別為不同光譜預(yù)處理的日落黃溶液的MPLS、PLS和PCR的模型對(duì)比。

表1 不同光譜預(yù)處理方法得到的日落黃MPLS模型精確性Table 1 Influences of different spectral pretreatment methods on the accuracy of MPLS model for sunset yellow

由表1可知，不同質(zhì)量濃度日落黃溶液的最佳預(yù)測(cè)模型的光譜預(yù)處理方法為SNV去散射。經(jīng)過(guò)此種光譜的預(yù)處理，能夠有效地消除基線平移，減弱甚至消除光譜圖中的噪聲對(duì)光譜圖的影響，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.941 7，SEC和SECV相對(duì)較小，分別為0.008 4和0.012 7。

表2 不同光譜預(yù)處理的日落黃PLS模型精確性Table 2 Influence of different spectral pretreatment methods on the accuracy of PLS model for sunset yellow

由表2可知，在所有的預(yù)處理方法中，SNV去散射預(yù)處理法的相關(guān)系數(shù)最高，SEC最小，而一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理法中的SECV更低。但綜合來(lái)看，在使用PLS作為回歸方法時(shí)，SNV去散射仍然是最為合適的光譜前處理方法。PLS模型也能較為有效地消除基線平移和減弱噪聲，但其相關(guān)系數(shù)R、SEC和SECV均不如MPLS模型。

表3 不同光譜預(yù)處理的日落黃PCR模型精確性Table 3 Influence of different spectral pretreatment methods on the accuracy of PCR model for sunset yellow

由表3可知，與整體PCR模型效果的情況相比，MPLS和PLS的相關(guān)系數(shù)均稍微高一些。在所有預(yù)處理方法中SNV去散射的相關(guān)系數(shù)仍為最高，原始光譜的SEC最小，一階導(dǎo)數(shù)的SECV最小。

綜上，可得MPLS結(jié)合SNV去散射為適宜模型處理方法，模型的相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.941 7，所建模型對(duì)樣品的預(yù)測(cè)結(jié)果較好，能夠滿(mǎn)足快速檢測(cè)的實(shí)際需要。

通過(guò)對(duì)不同光譜預(yù)處理的胭脂紅、檸檬黃、莧菜紅溶液的MPLS、PLS和PCR模型的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)MPLS結(jié)合SNV去散射所建模型的綜合處理效果要優(yōu)于其他模型，因此決定將MPLS結(jié)合SNV去散射的模型處理方法用于處理由不同質(zhì)量濃度日落黃、胭脂紅、檸檬黃和莧菜紅混合而成的4 種色素溶液，結(jié)果如表4所示。

4 種色素的混合溶液在用SNV去散射的預(yù)處理后，利用MPLS建立的模型中，檸檬黃色素的結(jié)果最好，其相關(guān)系數(shù)R最高達(dá)到0.943 8，SEC為0.000 3，SECV為0.000 4；日落黃次之，其相關(guān)系數(shù)R為0.941 6；胭脂紅和莧菜紅的相關(guān)系數(shù)雖然與檸檬黃和日落黃相比較低，但都在0.93以上。

表4 4 種色素的混合溶液經(jīng)過(guò)SNV去散射預(yù)處理后的MPLS模型結(jié)果Table 4 Evaluation of MPLS models developed after SNV detrending pretreatment for four synthetic pigments

表4 4 種色素的混合溶液經(jīng)過(guò)SNV去散射預(yù)處理后的MPLS模型結(jié)果Table 4 Evaluation of MPLS models developed after SNV detrending pretreatment for four synthetic pigments

成分 相關(guān)系數(shù)R SEC SECV檸檬黃 0.943 8 0.000 3 0.000 4日落黃 0.941 6 0.000 5 0.002 9胭脂紅 0.937 0 0.004 7 0.006 6莧菜紅 0.938 2 0.002 8 0.004 2

2.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的穩(wěn)定性與重復(fù)性，利用MPLS結(jié)合SNV去散射的最優(yōu)近紅外模型，對(duì)驗(yàn)證集的25 個(gè)不同質(zhì)量濃度的混合色素樣本溶液中的各色素質(zhì)量濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如表5所示。Rp最高為0.991，SEP最低為0.009%，SDR最大為3.51，說(shuō)明近紅外光譜預(yù)測(cè)值與不同色素的實(shí)測(cè)值具有極顯著的相關(guān)性，所建定量模型有良好的預(yù)測(cè)性能。

表5 經(jīng)過(guò)SNV去散射預(yù)處理后的MPLS模型驗(yàn)證結(jié)果Table 5 Validation of MPLS models developed after SNV detrending pretreatment

表5 經(jīng)過(guò)SNV去散射預(yù)處理后的MPLS模型驗(yàn)證結(jié)果Table 5 Validation of MPLS models developed after SNV detrending pretreatment

成分 樣品數(shù) Rp SEP/% SDR檸檬黃 25 0.991 0.009 1.51日落黃 25 0.985 0.017 2.19胭脂紅 25 0.971 0.022 3.51莧菜紅 25 0.978 0.028 2.97

2.5 所建模型對(duì)飲料中合成色素含量的測(cè)定

利用建立的最優(yōu)模型對(duì)除氣后的2 種飲料進(jìn)行測(cè)定。葡萄味飲料的配料表中標(biāo)示的著色劑是胭脂紅、檸檬黃和日落黃；橙味飲料的配料表中標(biāo)示的著色劑是檸檬黃和莧菜紅。將該法測(cè)得的數(shù)據(jù)與GB 5009.35—2016測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。近紅外光譜法比國(guó)標(biāo)法測(cè)得的結(jié)果數(shù)值略高，但在誤差范圍內(nèi)。分析可能原因?yàn)椋航t外光譜法不需要對(duì)樣品進(jìn)行破壞性處理，樣品中合成色素的損失較少，故數(shù)值略高，但具體原因還有待于進(jìn)一步探討。

表6 葡萄味和橙味飲料中色素含量Table 6 Comparative determination of pigment contents in grapeflavored and grape-flavored beverages by NIR spectroscopy and the national standard method

3 結(jié) 論

采用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)處理方法構(gòu)建飲料中食用合成色素的預(yù)測(cè)模型。采用一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、SNV和MSC等光譜的預(yù)處理方法消除基線漂移、光散射和高頻隨機(jī)噪聲等噪聲信息對(duì)光譜信息的影響。應(yīng)用MPLS、PLS和PCR 3種統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)處理方法同光譜的預(yù)處理方法相結(jié)合分別建立數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)MPLS法結(jié)合SNV且去散射處理的光譜預(yù)處理手段建立的MPLS模型最優(yōu)。其Rp最高可達(dá)0.991，SEP最低為0.009%，SDR最大為3.51。利用此模型可以較為精確地進(jìn)行飲料中食用合成色素的快速無(wú)損檢測(cè)。

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Rapid Determination of Synthetic Pigments in Fruit-Flavored Beverage by Near Infrared Spectroscopy

TIAN Jing, LI Qiaoling*
(College of Bioscience and Bioengineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China)

A rapid method based on near infrared (NIR) spectroscopy was developed for the determination of synthetic pigments in fruit-flavored beverage. NIR spectra of sunset yellow, tartrazine, ponceau 4R and amaranth solutions at different concentrations were recorded in the wavenumber range of 1 100–1 650 nm at a 0.2 nm interval, respectively and preprocessed by first derivative and second derivative. The modified partial least square (MPLS) regression models were established after spectral preprocessing by standard normal variate (SNV) + detrending and applied to predict the synthetic pigment contents in beverage. The results showed that the maximum correlation coefficient of prediction (Rp) was 0.991,the minimum standard error of prediction (SEP) was 0.009%, and the maximum standard deviation ratio (SDR) was 3.51.Accordingly, NIR spectroscopy can be used as a simple, rapid, nondestructive and reliable method to determine the contents of synthetic pigments in beverage.

near infrared spectroscopy; fruit-flavored beverage; synthetic food pigments; determination

10.7506/spkx1002-6630-201802046

TS207.3

A

1002-6630（2018）02-0293-05

田晶, 李巧玲. 近紅外光譜法快速檢測(cè)飲料中的食用合成色素[J]. 食品科學(xué), 2018, 39(2): 293-297.

10.7506/spkx1002-6630-201802046. http://www.spkx.net.cn

TIAN Jing, LI Qiaoling. Rapid determination of synthetic pigments in fruit-flavored beverage by near infrared spectroscopy[J]. Food Science, 2018, 39(2): 293-297. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201802046. http://www.spkx.net.cn

2017-05-27

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（15455507D）；河北科技大學(xué)五大平臺(tái)開(kāi)放基金項(xiàng)目（SW04）

田晶（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称钒踩c檢測(cè)。E-mail：1035959330@qq.com

*通信作者簡(jiǎn)介：李巧玲（1973—），女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称钒踩c檢測(cè)。E-mail：lql98119@126.com