近紅外光譜在乳制品分析檢測中的應(yīng)用

□ 蔣麗婷 廣州市微生物研究所 孫浩洋 廣東省海洋工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校

面對(duì)嚴(yán)峻的食品安全形勢(shì)，氣相色譜、高效液相色譜等檢測技術(shù)開始被人們廣泛應(yīng)用。近紅外光譜作為一種新型檢測技術(shù)，在20世紀(jì)30年代就已得到認(rèn)可，但直到20世紀(jì)50年代Karl Norris將近紅外光譜分析技術(shù)用于谷物、水果、蔬菜等的快速定量檢測，該技術(shù)才開始真正應(yīng)用于食品檢測行業(yè)。近紅外光譜是指波長介于可見光與中紅外之間的電磁波，主要根據(jù)不同物質(zhì)在光譜中的特定吸收峰的位置和形狀來推斷未知物結(jié)構(gòu)，并根據(jù)特征吸收峰的強(qiáng)度來測定各組分的含量[1]。

乳品成分分析和監(jiān)測是乳品產(chǎn)業(yè)中不可缺少的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)方法測量乳品成分含量大都基于分析化學(xué)方法。該方法雖然精度高，但樣品前處理過程繁瑣，分析過程破壞樣品、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且為離線測量。相對(duì)于傳統(tǒng)方法，近紅外光譜技術(shù)具有操作簡便、分析速度快、綠色、無污染、可在線檢測等優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等各領(lǐng)域，對(duì)于原料的檢測、產(chǎn)品的監(jiān)控與分析、產(chǎn)品的品質(zhì)鑒定及摻假分析等都起著重要的作用。

1 近紅外光譜技術(shù)在乳制品營養(yǎng)成分檢測中的應(yīng)用

1.1 液態(tài)奶主要成分分析

液態(tài)奶是一種成分復(fù)雜的分散體系，且近紅外光譜區(qū)域的倍頻和合頻吸收弱、光譜帶比較復(fù)雜，相互之間重疊也比較多，因此需要對(duì)光譜采用合適的預(yù)處理以及提取有效的樣品信息來消除相關(guān)的干擾因素的影響。近十幾年來，國內(nèi)外學(xué)者通過采用建模、光譜預(yù)處理、光譜采集等方式，對(duì)近紅外光譜快速測定牛奶、羊奶等液態(tài)奶中的蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖含量等進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了近紅外光譜可準(zhǔn)確、快速定量檢測液態(tài)奶的結(jié)論。例如：李慶波等[2]采用了偏最小二乘法（PLS）建立校正模型過程中數(shù)字濾波預(yù)處理方法以及利用遺傳算法優(yōu)選波段，測量牛奶中的蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖等成分含量。結(jié)果表明：近紅外光譜技術(shù)可以滿足牛奶主要成分含量測量精度的要求，且已基本達(dá)到國外同類測量的研究水平。Donato Andueza[3]等利用近紅外反射光譜技術(shù)預(yù)測了不同羊奶中的脂肪酸，得出了采用建模預(yù)測羊奶中脂肪酸含量可行性并可采用此模型作為一種新的食品標(biāo)簽用于羊奶成分的常規(guī)測定。王麗杰[4]等采用基于直方圖規(guī)定化思想的模糊層次分析法對(duì)牛奶近紅外光譜進(jìn)行主成分權(quán)重重置預(yù)處理，可以將實(shí)際偏差降低50%～85%，比常規(guī)預(yù)處理方法具有更好的濾波和去噪效果，為光譜分析預(yù)處理提供了新的方法、思路和途徑。

1.2 奶粉、奶酪等其他乳制品成分分析

徐宗良等[5]采用偏最小二乘法建立了奶粉近紅外檢測的校準(zhǔn)模型，研究表明，近紅外光譜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)1 min內(nèi)快速檢測奶粉和乳清粉中的蛋白、脂肪、水分等指標(biāo)。皮付偉[6]采用近紅外光譜技術(shù)首創(chuàng)出奶酪的帶包裝的檢測，得出采用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合建模分析可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶包裝奶酪的脂肪、蛋白質(zhì)、鹽分等成分的檢測的結(jié)論。穆同娜[7]等采用傅里葉近紅外光譜技術(shù)結(jié)合最小偏二乘法測定了奶粉中總脂肪酸、飽和及不飽和脂肪酸含量的近紅外數(shù)學(xué)模型，并通過交互驗(yàn)證和外部檢驗(yàn)方式考察了近紅外數(shù)學(xué)模型的可靠性，結(jié)果表明采用建立的模型對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測值與常規(guī)化學(xué)方法得到的檢驗(yàn)結(jié)果無顯著差異。

除用于奶粉中蛋白質(zhì)、脂肪等主要營養(yǎng)成分的分析外，一些學(xué)者研究了采用近紅外光譜技術(shù)檢測奶粉中鈣、鐵、鋅等礦物質(zhì)元素。Wu等利用近紅外光譜技術(shù)和中紅外光譜基于最小二乘支持向量機(jī)建模預(yù)測了奶粉中鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時(shí)，Wu等探索了采用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合混合變量選擇方法預(yù)測奶粉中鋅和鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用無信息變量法結(jié)合連續(xù)投影算法選擇變量后，再使用最小二乘支持向量機(jī)建模對(duì)于奶粉中鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有較好的預(yù)測效果；利用無信息變量法選擇變量后，再使用最小二乘支持向量機(jī)建模，對(duì)于奶粉中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有較好的預(yù)測效果[8]。

2 近紅外光譜技術(shù)在乳制品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)檢測中的應(yīng)用

2.1 摻假成分分析

為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化，個(gè)別奶農(nóng)和企業(yè)常常在乳品中加入植脂末、豆?jié){、乳清粉，甚至三聚氰胺、硝酸銨等物質(zhì)以牟取暴利，嚴(yán)重影響了消費(fèi)者的利益和身體健康，因而如何快速準(zhǔn)確判斷牛奶中是否摻入了違禁、有害的物質(zhì)對(duì)完善我國牛奶市場監(jiān)管體系有重要意義。吳靜珠等[9]將近紅外光譜分析技術(shù)與支持向量機(jī)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)真假奶粉進(jìn)行分類判別，得出了該方法能夠?qū)崿F(xiàn)真假奶粉判別的可行性。郭美蘭等[10]在市售純牛奶中加入糊精、三聚氰胺等物質(zhì)，配制摻假牛奶，利用近紅外透反射光譜結(jié)合PLS-DA、KNN、LDA等模式識(shí)別方法和不同光譜預(yù)處理方法進(jìn)行真、假牛奶的識(shí)別，得出了采取適宜的模式識(shí)別方法和近紅外光譜預(yù)處理方法，可以良好地鑒別真假牛奶的可行性。程文宇等[11]采用近紅外漫反射光譜結(jié)合適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計(jì)量學(xué)方法，對(duì)采集的54組添加不同含量三聚氰胺的液態(tài)奶樣本進(jìn)行了檢測，得出可準(zhǔn)確進(jìn)行是否添加三聚氰胺的定性判別結(jié)論。

2.2 農(nóng)殘檢測

奶及其制品中農(nóng)藥殘留是影響乳制品質(zhì)量安全的重要因素之一，近紅外光譜對(duì)甲胺磷、溴氰菊酯、有機(jī)磷農(nóng)藥、氯霉素等具有特征吸收峰，在食品、藥品的農(nóng)殘檢測中已得到廣泛的應(yīng)用研究。王彩云等[12]研究了利用近紅外光譜法結(jié)合偏小二乘法快速測定牛奶中氯霉素殘留含量，結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)牛奶中氯霉素含量的快速測定。張露[13]利用多元散射矯正和標(biāo)準(zhǔn)正交變量對(duì)牛奶中殘留的敵敵畏、甲胺磷的可見/近紅外光譜進(jìn)行了預(yù)處理，采用偏最小二乘法建立模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用可見/近紅外光譜技術(shù)檢測牛奶中的敵敵畏、甲胺磷殘留是可行的。

3 近紅外光譜技術(shù)在奶制品品質(zhì)檢測中的應(yīng)用

乳制品的理化指標(biāo)決定了產(chǎn)品的品質(zhì)，在生產(chǎn)過程中只有嚴(yán)格控制這些理化指標(biāo)才能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。乳制品理化指標(biāo)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)室測定方法耗時(shí)長且繁瑣，并不適合生產(chǎn)過程中的在線實(shí)時(shí)檢測與質(zhì)量控制及多品牌乳品品質(zhì)的快速比較。Curda L.等[14]利用近紅外光譜技術(shù)對(duì)加工過程中的奶酪的干物質(zhì)、粗蛋白、脂肪等進(jìn)行檢測，研究結(jié)果表明近紅外光譜具有監(jiān)測加工過程中奶酪成分的可行性。顏輝等[15]研究了利用近紅外光譜分析技術(shù)快速測定多品牌、多類型配方奶粉中蛋白、脂肪及乳糖的方法，對(duì)11個(gè)品牌的10多種配方奶粉共80個(gè)樣品采用不同的預(yù)處理方法結(jié)合PLS建立預(yù)測模型，結(jié)果表明，通過近紅外光譜分析可以快速檢測多品牌、多類型配方奶粉中蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Melfsen A等[16]采用近紅外漫反射光譜技術(shù)在線預(yù)測生牛奶中的脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖等含量及擠奶過程中的體細(xì)胞數(shù)的精確度，研究結(jié)果表明在線分析設(shè)備能較精確地預(yù)測牛奶中的主要成分。Lyndgaard C B[17]等利用近紅外光譜反射技術(shù)，研究了牛奶中酪蛋白水解、膠束聚合、網(wǎng)狀物形成3個(gè)凝固過程，建立了牛奶完全凝結(jié)過程模型和牛奶凝結(jié)過程的三個(gè)分段模型，兩個(gè)模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合值高度一致，該研究為奶酪生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)、控制和優(yōu)化生產(chǎn)過程提供了有價(jià)值的參考。

4 展望

近年來，我國乳制品消費(fèi)量迅速攀升，乳品慢慢成為人們的必需品，乳品安全直接關(guān)系到消費(fèi)者身體健康。然而，在我國，乳品安全問題頻發(fā)，如何采用快速、簡便、無損傷、無污染、成本低的檢測技術(shù)監(jiān)控乳品安全就顯得尤為重要。目前，國外已建立完善的近紅外在線檢測體系，可實(shí)時(shí)監(jiān)控原料奶及奶制品生產(chǎn)加工過程，國內(nèi)在這方面起步較晚，仍處于實(shí)驗(yàn)室研究探索階段，未實(shí)際應(yīng)用于乳制品生產(chǎn)加工中，隨著研究的日益深入，近紅外光譜技術(shù)在乳制品分析中將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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