傅里葉紅外光譜技術(shù)在熟制蝦肉真?zhèn)舞b別及摻偽行為分析中的應(yīng)用

穆士樂

(山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南 250103)

市售蝦肉熟制后會(huì)失去相應(yīng)蝦種的原始外觀，熟蝦蝦種的鑒定方法也沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，所以目前缺乏蝦肉優(yōu)劣和摻假的精確方法。有些不良商家為了提高經(jīng)濟(jì)效益，將劣質(zhì)蝦種以次充好，熟制蝦肉的摻假現(xiàn)象屢見不鮮。目前對于蝦肉的鑒定主要是基于蝦種的鑒別，鑒別蝦肉中是否混入其他劣質(zhì)品種蝦肉。結(jié)構(gòu)蛋白能反映蝦品種的遺傳特性差異，所以蝦種鑒定一般使用蛋白質(zhì)電泳[1]、魚蛋白免疫分析法、DNA指紋分析技術(shù)[2]。

然而，這些方法大多耗時(shí)，對產(chǎn)品有破壞性或需要訓(xùn)練有素的人員，因此與光譜法相比，不適用于大批量樣品的無損和快速檢測[3]。本文嘗試建立“三步紅外光譜”的方法，對3個(gè)品種的熟制蝦肉羅氏沼蝦、南美對蝦和日本對蝦進(jìn)行綜合分析，通過比較其一、二級紅外譜圖和特定譜段的相似系數(shù)以及各蝦種的二維紅外光譜譜圖的差異對其品種進(jìn)行鑒定，為熟制蝦肉的真?zhèn)舞b別和摻假行為的分析鑒定提供了理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

市售羅氏沼蝦、南美對蝦和日本對蝦：購于青島團(tuán)島海鮮市場，采用同樣的熟制方法熟制，備測。

1.2 儀器

FTIR-850傅里葉變換紅外光譜儀、ATR附件、電阻式熱探測器、BTP-3XLOVX型冷凍干燥機(jī)。

1.3 方法

紅外光譜：樣品冷凍干燥24 h，粉碎，過200目篩，取粉末2 mg、適量溴化鉀粉末于研磨皿中研磨均勻，壓片。置于光程為1 mm的石英比色皿中，采用透射法掃描獲得紅外譜圖，每個(gè)樣品至少掃描3次。利用Thermo FT-IR光譜儀的OMNIC光譜軟件(9.2.106版)對原始的FT-IR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對原始紅外光譜進(jìn)行13點(diǎn)平滑處理，得到二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜[4]。利用比對軟件(compare)計(jì)算3種蝦肉的紅外光譜間的相關(guān)系數(shù)[5]。

二維紅外光譜：將樣品放置在ATR附件中，并與溫度控制器連接。溫度范圍為50～90 ℃，間隔為5 ℃，得到不同溫度下的動(dòng)態(tài)原始光譜[6]。利用Thermo設(shè)計(jì)的二維紅外相關(guān)分析軟件(Nicolet iN10 SpectraCorr)對與溫度相關(guān)的動(dòng)態(tài)光譜進(jìn)行了分析，得到二維紅外光譜[7]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 紅外光譜圖

圖1 3種蝦肉的紅外譜圖

由圖1可知，3種蝦的譜圖大體上是相似的，其中羅氏沼蝦和日本對蝦與南美對蝦的相似系數(shù)分別為0.9829和0.7411。3種蝦的光譜峰集中在3200～2870 cm-1和1650～830 cm-1，且在1650～830 cm-1范圍內(nèi)雜峰比較多。3種蝦的酰胺I吸收帶(1655 cm-1)和酰胺II吸收帶(1544 cm-1)的峰值普遍較強(qiáng)。與其他2種蝦肉相比，日本對蝦在1745 cm-1處有1個(gè)中等強(qiáng)度的脂質(zhì)特征峰[8]，表明日本對蝦中的脂質(zhì)含量高于其他2種蝦肉中的脂質(zhì)含量。根據(jù)這個(gè)特征峰可以很簡單地將日本對蝦與另外2種蝦區(qū)分開。對于一些難以鑒別區(qū)分的波段，我們可以將一階圖譜經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件求導(dǎo)，得到它的二階導(dǎo)數(shù)圖譜[9]。

2.2 3種蝦肉的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖

圖2 3種蝦肉的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

通常，二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜可以通過放大一階紅外光譜的微小差異來提高光譜分辨率，并且一階紅外光譜一些重疊的吸收峰和肩峰可以通過二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜分析分開[10]。3種熟制蝦肉的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜顯示了與峰位置有關(guān)的差異，由于一階紅外光譜求導(dǎo)后吸光度的正負(fù)號會(huì)發(fā)生改變，所以二階導(dǎo)數(shù)的峰的方向正好與一階導(dǎo)數(shù)譜圖相反[11]。由圖2可知，在1800～1400 cm-1范圍內(nèi)，3種蝦肉脂質(zhì)含量的差異變得更明顯。

圖3 3種蝦的酰胺吸收帶

由圖3可知，在1710～1600 cm-1的酰胺吸收帶，不同的峰位、形狀和強(qiáng)度，這3種蛋白質(zhì)有不同的分布。與其他2種蝦肉相比，SAS在1679，1656，1631 cm-1處有較強(qiáng)的吸收峰，而MR和PJ中的吸收峰在1682 cm-1處更強(qiáng)。此外，SAS在1461，1433，1422 cm-1處有較強(qiáng)的吸收峰，而MR和PJ則沒有。因此，可以利用二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜將這3種蝦肉進(jìn)一步區(qū)分。

2.3 二維紅外光譜圖

為了更有說服力地識別3種蝦肉之間的差異，在1800～1500 cm-1范圍內(nèi)采用了二維紅外光譜進(jìn)一步放大3種蝦肉之間的差異。二維紅外光譜可以提高光譜的分辨率，并通過顯示微小干擾對樣品中各分子的影響來提供更多樣品的信息[12]，然后再通過一種相關(guān)的數(shù)學(xué)分析技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。二維紅外關(guān)聯(lián)譜說明每個(gè)紅外波段或官能團(tuán)的靈敏度以及各官能團(tuán)之間的相關(guān)性。當(dāng)被研究的系統(tǒng)受到特定的擾動(dòng)時(shí)，可以檢測到收到回應(yīng)的順序。二維相關(guān)譜中的峰(自峰和交叉峰)代表了光譜強(qiáng)度在對應(yīng)特定變量變化時(shí)譜圖同步的一致性，可用于驗(yàn)證樣本之間的差異。在二維紅外光譜中，正相關(guān)性(紅綠區(qū))表示一組吸收帶同時(shí)變化(變強(qiáng)或變?nèi)?，負(fù)相關(guān)性(藍(lán)區(qū))則相反[13]。

3種蝦肉之間的差異可以通過同步的二維紅外光譜進(jìn)一步描述。3種蝦肉在1800～1500 cm-1范圍內(nèi)的同步二維紅外光譜見圖4。

圖4 3種蝦的二維紅外光譜

溫度從50 ℃上升到90 ℃時(shí)，SAS在1620 cm-1處有1個(gè)較強(qiáng)的峰，在1520，1552，1706 cm-1處有3個(gè)較弱的峰。MR在1621，1648，1708 cm-1處有3個(gè)強(qiáng)峰，在1523，1553 cm-1處有2個(gè)弱峰，PJ在1623 cm-1處有1個(gè)強(qiáng)自峰，在1525，1709，1738 cm-1處有3個(gè)弱峰。綜上所述，3種蝦肉中蛋白質(zhì)和脂類的熱敏性不同，導(dǎo)致二維紅外光譜之間存在明顯差異。因此，這3種蝦肉在1800～1500 cm-1范圍內(nèi)具有各自獨(dú)特的指紋圖譜，可作為蝦肉鑒別的專屬范圍。

3 結(jié)論

3種不同種類的熟制蝦肉SAS、MR和PJ通過傅里葉紅外光譜、二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜和二維紅外光譜結(jié)合的“三步紅外光譜法”快速、有效地鑒別。在傅里葉紅外光譜中，3種蝦肉之間的相關(guān)系數(shù)分別為1.0000，0.9829和0.7411。其中，脂類的吸收峰是SAS、MR和PJ的主要差異，PJ相對于SAS和MR具有較高的脂類含量。利用二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜技術(shù)，放大了圖譜之間微小的差異。1710～1500 cm-1范圍內(nèi)的二階紅外光譜表明，該頻率范圍內(nèi)的不同峰位置、形狀和強(qiáng)度有區(qū)別，表示三者具有不同的蛋白質(zhì)分布，包括不同的二級結(jié)構(gòu)。最后，通過在1800～1500 cm-1范圍內(nèi)的二維紅外光譜，對這3種蝦肉進(jìn)行了更為清晰的鑒別。

4 討論

傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)是一種快速、無損、易于處理的分子光譜分析方法，具有信噪比高、重復(fù)性好等特點(diǎn)，廣泛用于鑒定食品、中草藥等混合體系[14]。二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜可以用來處理嚴(yán)重重疊的光譜，提高表觀分辨率。如果FT-IR和SD-IR光譜的差別太小，可以用二維相關(guān)紅外光譜(2 DCOS-IR)對紅外光譜進(jìn)行二維展開，更顯著地消除2個(gè)結(jié)果之間的分歧?；诟道锶~紅外光譜分析方法，對得到的結(jié)果進(jìn)行“三步紅外光譜”分析，可以對復(fù)雜的混合體系進(jìn)行廣泛而準(zhǔn)確的分析和識別。

在3種熟制蝦肉的一、二級紅外光譜圖中，利用特征譜段相似系數(shù)法比較3種蝦肉分別在一、二級圖譜不同特征譜段的相似系數(shù)[15]，然后利用分析軟件進(jìn)行特征峰比對分析，比較了PJ、SAS和MR的紅外光譜圖中峰的位置、形狀和強(qiáng)度的異同。最后利用二維紅外光譜法對不確定的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步鑒別認(rèn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用特征譜段相似系數(shù)法和二級紅外光譜法可以快速地判斷出3個(gè)不同蝦肉的品種，采用二維紅外光譜法進(jìn)一步證實(shí)結(jié)果，方法簡便、準(zhǔn)確。

利用傅里葉紅外光譜法鑒別不同蝦種，可以獲得每個(gè)蝦種的整體特征峰譜圖，還可以得到不同蝦種之間的相關(guān)系數(shù)，因此可以直觀顯示純蝦肉與摻雜了其他品種的蝦肉之間的差異。利用這種方法，不僅可以簡單、快速鑒別純熟制蝦肉與摻入其他劣質(zhì)品種蝦肉，而且具有無損、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)為熟制蝦肉真?zhèn)舞b別、摻偽行為的鑒定提供了一種現(xiàn)代化的方法和理論基礎(chǔ)。