太赫茲波譜用于違法添加工業(yè)明膠的檢測

黃略略， 李 辰， 李 彬*， 劉妙玲， 邱浩榆

（1. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳518055；2. 深圳市太赫茲科技創(chuàng)新研究院，廣東深圳518102）

工業(yè)明膠與食品級明膠不同，對人體的危害很大，工業(yè)明膠在生產(chǎn)過程中用到的多種化工原料含大量的六價鉻和砷等對人體有害的物質(zhì)，并且使用五氯苯酚作為防腐劑，在皮革加工的過程中會深入皮毛之內(nèi)，即便用大量的石灰和工業(yè)酸沖洗還原也無法完全清除其中的殘留[1]，因此，工業(yè)明膠被國家列為違法添加物，禁止添加到食品中[2]。 對于工業(yè)明膠的檢測，目前并沒有國標(biāo)，單純針對明膠本身的測定無法區(qū)別工業(yè)明膠和食品級明膠，因為其主要成分是一致的，曾有學(xué)者表示，如果按一定比例加入食用明膠與工業(yè)明膠的話，可能無法檢測出食物有問題[3]。 因此，目前對工業(yè)明膠的檢測研究非常少，關(guān)于明膠的研究大部分集中在食用明膠的提取和改性。 趙龍巖[4]等（2012）通過分光光度計法檢測工業(yè)明膠中鉻和五氯苯酚的殘留量來鑒別工業(yè)明膠，結(jié)果表明這種方法可行。 此法著眼于雜質(zhì)和殘留物，是一種非常好的思路，然而測定鉻和五氯苯酚同樣需要大量的前處理工作。

太赫茲（Terahertz，THz）位于電磁波譜的紅外和微波區(qū)域之間，是指在0.1~3 THz 之間的頻率，對應(yīng)于波數(shù)為3.3~100 cm-1光譜譜段[5]。太赫茲波有很多優(yōu)越的特性，與微波相比，太赫茲成像分辨率更高，太赫茲通信更保密、安全；與紅外相比，太赫茲特征光譜對很多極性大分子有吸收特性，更容易用于毒品和異物的分辨和鑒定。 近年來，太赫茲作為一種新興的檢測技術(shù)，已被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)育種[6-7]、醫(yī)藥[8]、生物[9]、化工[10-11]、食品[12-15]等各個領(lǐng)域的檢測。

作者利用太赫茲波譜檢測技術(shù)對食品級明膠和工業(yè)明膠進(jìn)行檢測和區(qū)分，并自制工業(yè)明膠陽性樣品，用太赫茲波譜檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，旨在探尋一種快速、無損的工業(yè)明膠檢測方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

食品級明膠：河南博洋明膠有限公司；工業(yè)明膠：河南祥盛食品添加劑有限公司；PE 微粉：上海陽勵科技有限公司PE-18180；三種空心膠囊樣品：兩種直接購于淘寶不同店鋪。 另一種購于藥店，為修正藥業(yè)斯達(dá)舒維U 顛茄鋁膠囊Ⅱ。

噴霧干燥機(jī)：日本EYELA SD-1000；超聲波提取機(jī)：上海比朗Bilon 2000CT；精密分析電子天平：梅特勒METTLER TOLEDO MS-204S；分析研磨機(jī)：德國艾卡IKA A11；電熱恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱：上海精宏實驗設(shè)備有限公司DHG-9123A；數(shù)顯恒溫水浴鍋：上海精宏實驗設(shè)備有限公司DK-S22；壓片機(jī)：浙江海鹽縣光耀機(jī)械廠QYL5t；太赫茲時域光譜儀：英國TeraView 公司Terapulse 4000。

1.2 實驗處理

1.2.1 明膠樣品前處理用研磨機(jī)將明膠樣品打碎，隨后過200 目篩子，得到粉末狀明膠樣品。PE 粉提前放在稱量瓶中，放入50 ℃烘箱中烘2 h，取出冷卻備用。 100%的樣品是稱取大約150 mg 左右的明膠粉末，放入壓片模具中，用25 MPa 的壓力壓成直徑為13 mm 的圓片。 70%、50%等其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)的明膠樣品片是在明膠粉末中混入一定量的PE 粉末，充分混勻后再進(jìn)行壓片處理。

1.2.2 膠囊樣品前處理修正膠囊處理：將其內(nèi)部的藥粉倒出，用棉簽把膠囊內(nèi)部擦干凈。稱取6 g 左右的空心膠囊樣品， 放置于500 mL 超純水的1 L燒杯中，水浴60 ℃使膠囊完全溶解，用150 目的篩子將膠囊表面不溶于水的色素濾掉，然后將水加至900 mL，放入超聲波提取機(jī)中超聲處理，處理條件為：超聲5 s，間歇5 s，次數(shù)為70 次。 接著用噴霧干燥機(jī)將溶液噴干，得到膠囊的粉末狀樣品。 噴霧干燥機(jī)條件為：進(jìn)樣溫度為設(shè)為160 ℃，出樣溫度為90 ℃， 進(jìn)樣速度為200~400 mL/h， 空氣流速為0.5 m3/min，時間約為3 h。噴干后的粉末過200 目篩子，然后同上述1.2.1 中的壓片方法制片。

1.2.3 陽性樣品制作選取膠囊樣品中噪聲比較低的修正藥業(yè)膠囊樣品作為基質(zhì)， 噴干成粉末后，按照1∶0、5∶5 和3∶7 與PE 粉混合均勻， 做成不同比例的基底，然后將打粉過篩后的工業(yè)明膠按照不同比例與基底混合，隨后按照上述方法壓片。

1.2.4 太赫茲檢測方法在THz 透射式測量實驗中，樣品片放入專門的測試夾具中，將測試夾具直接固定于THz-TDS 系統(tǒng)。 實驗過程中在密封樣品倉中持續(xù)充入氮?dú)?，使相對濕度小?%，溫度保持在298 K 左右。 為減少測量誤差，對同一樣品均從不同位置測量3 次，取平均值作為樣品的光譜信號。

設(shè)通過氮?dú)猓o樣品放置）時獲得的參考信號為Eref（ω），通過厚度為d的測量樣品時獲得的樣品信號為Esam（ω），則樣品光譜響應(yīng)函數(shù)H（ω） 由公式（1）[15-16]表示為：

其中，A(ω）為樣品與參考的振幅比；φ(ω)為樣品與參考的相位差。

依據(jù)Dorney 等人提出的提取材料光學(xué)參數(shù)的模型[17]，樣品的折射率n（ω）和吸光度a（ω）分別為：

2 結(jié)果與分析

2.1 食品級明膠和工業(yè)明膠的太赫茲測定圖譜

圖1~2 分別是食品級明膠和工業(yè)明膠的太赫茲光譜圖。 圖1 和圖2 的時域光譜中，明膠樣品與參照樣之間存在明顯差異， 明膠樣品信號強(qiáng)度變?nèi)?，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，信號增大，說明明膠的存在阻礙了一部分THz 波的傳輸，并且隨著PE 粉的混入，稀釋了明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使得信號增強(qiáng)。 從圖1 可知，食品級明膠的吸光度具有隨頻率增加而上升的趨勢，但在THz 頻段內(nèi)均沒有譜線的特征吸收，可認(rèn)為食品級明膠在太赫茲頻段是“半透明”的。 而工業(yè)明膠的THz 吸光度具有明顯的特征吸收峰，吸收峰位為1.55 THz，吸光度曲線和吸收峰的大小隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小而降低。 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%時，吸收峰信號過于強(qiáng)烈而導(dǎo)致峰型不好， 而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%及以下時，峰型較好。 此外，對工業(yè)明膠的測定發(fā)現(xiàn)， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)低至1.57%時， 依然有一個可見的凸起，這表明，工業(yè)明膠在太赫茲光譜下具有較高的靈敏度。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)食品級明膠的時域及吸收光譜圖Fig. 1 Time domain spectra and absorption spectra of food gelatin with different concentration

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)工業(yè)明膠的時域及吸收光譜圖Fig. 2 Time domain spectra and absorption spectra of industrial gelatin with different concentration

對比而言，工業(yè)明膠含有較多的雜質(zhì)和加工過程中的化學(xué)殘留物[1]，而恰恰是因為這些雜質(zhì)的存在，使其與食品級明膠產(chǎn)生了區(qū)別，導(dǎo)致工業(yè)明膠在太赫茲光譜下有明顯的特征吸收峰，產(chǎn)生的原因不是單純的明膠，也不是單純的某類雜質(zhì)，而是共同作用的結(jié)果。

2.2 不同來源的空心膠囊太赫茲測定圖譜

3 種膠囊樣品分別購于淘寶網(wǎng)和藥店， 圖3~5分別為淘寶1 號、2 號和修正膠囊樣品的太赫茲光譜圖。 從結(jié)果可知，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3 種膠囊樣品均未測出工業(yè)明膠特征吸收峰，這表明3 種樣品中均不含有工業(yè)明膠或含量非常低，一般來說，膠囊的主要材料是明膠，所以質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低的可能性較小，當(dāng)然目前也有植物明膠制成的膠囊[18]，無論是哪種情況， 結(jié)果可以說明3 種樣品中不含有工業(yè)明膠。 另外，比較3 種樣品的折射率圖可知，在同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，3 種樣品的折射率并不相同，說明每一種膠囊的成分是有區(qū)別的， 比如淀粉的添加量等，成分不同，太赫茲光譜的透射信號受到阻礙的程度不同，導(dǎo)致折射率不同以及頻譜中吸收曲線的斜率不同。 比較來說，在同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，修正樣品的吸收曲線斜率較低，這表明樣品的測量噪聲較小，屬于3種樣品中品質(zhì)較高的樣品。

圖3 淘寶1 號膠囊樣品的吸收光譜圖和折射率圖Fig. 3 Absorption spectra and refractive index spectra of taobao 1 sample

圖4 淘寶2 號膠囊樣品的吸收光譜圖和折射率圖Fig. 4 Absorption spectra and refractive index spectra of taobao 2 sample

圖5 修正膠囊樣品的吸收光譜圖和折射率圖Fig. 5 Absorption spectra and refractive index spectra of xiuzheng sample

2.3 自制工業(yè)明膠陽性樣品的太赫茲檢測

圖6~8 為不同基底的工業(yè)明膠陽性樣品檢測結(jié)果。 從三個圖的吸收光譜可知，測定結(jié)果都依然符合工業(yè)明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大， 特征吸收峰值越高，折射率越高的趨勢。 此外，在同一工業(yè)明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，30%修正膠囊基底的陽性樣品吸收峰最明顯，100%修正膠囊基底的陽性樣品吸收峰最不明顯，這說明PE 粉的加入是有很大作用的，它能夠起到稀釋樣品的作用， 稀釋后樣品的折射率降低，吸收基線降低，吸收峰更加明顯。

由上述2.1 的分析可知，工業(yè)明膠以PE 粉為基質(zhì)時，1.57%的低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下仍然可以看到一個小的吸收凸起，而當(dāng)樣品中混有無特征吸收峰的陰性樣品時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至5%，才可以看出有明顯的特征吸收峰，這表明，在檢測樣品中是否含工業(yè)明膠時，真實樣品的檢測限會更高。

圖6 100%修正膠囊基底陽性樣品的吸收光譜圖和折射率圖Fig. 6 Absorption spectra and refractive index spectra of 100% xiuzheng positive sample

2.4 太赫茲光譜條件下工業(yè)明膠的定量分析

將圖2（b）、圖7（a）和圖8（a）中工業(yè)明膠的吸收峰高值與工業(yè)明膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別作出3 條散點(diǎn)圖，從圖9 中可以看出，對三條線進(jìn)行線性擬合，每條線的R2值都在0.99 以上，這說明，兩者之間存在線性關(guān)系， 可以通過此法來進(jìn)行工業(yè)明膠的定量。 此外，從圖中還可看出，三條線的斜率并不相同， 線條斜率隨著基底中除PE 粉之外的混合物的增加而降低， 這也從另一個角度證實了前面2.3 中所闡述的觀點(diǎn)。 然而，食品中違法添加工業(yè)明膠，都會含有除工業(yè)明膠以外的物質(zhì)，產(chǎn)品中工業(yè)明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高， 檢測值和真實值之間的差距較小，若質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，檢測值會偏小。

圖7 50%修正膠囊基底陽性樣品的吸收光譜圖和折射率圖Fig. 7 Absorption spectra and refractive index spectra of 50% xiuzheng positive sample

圖8 30%修正膠囊基底陽性樣品的吸收光譜圖和折射率圖Fig. 8 Absorption spectra and refractive index spectra of 30% xiuzheng positive sample

圖9 工業(yè)明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸收峰高的線性擬合結(jié)果Fig. 9 Linear fitting result of absorption value to industrial gelatin concentration

3 結(jié) 語

太赫茲光譜法非常適合用于食品中違法添加物工業(yè)明膠的檢測， 工業(yè)明膠純品的檢測限可達(dá)1.5%左右，在陽性樣品中同樣可以實現(xiàn)對工業(yè)明膠的檢測，檢測限最低可達(dá)5%，高于純品的檢測限，這應(yīng)該是由于陽性樣品中含有多種其他物質(zhì)成分，這些成分雖然無特征吸收峰，但其阻礙了一部分太赫茲波的傳輸，增加了噪聲，導(dǎo)致檢測限升高。 混合不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PE 粉能夠不同程度提高陽性樣品中工業(yè)明膠的檢測限。

工業(yè)明膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和吸收曲線峰高之間符合線性關(guān)系，可以通過這一發(fā)現(xiàn)對工業(yè)明膠的太赫茲檢測結(jié)果進(jìn)行定量。 此外，工業(yè)明膠有特征吸收峰而食品明膠沒有，那么工業(yè)明膠的峰為何產(chǎn)生是一個值得深入研究的問題。 作者已開展相關(guān)研究，將食品明膠溶解后， 添加了不同比例的五氯苯酚，然后噴霧干燥、壓片、檢測，但未有工業(yè)明膠的特征吸收峰出現(xiàn)，接下來將采取其他方法來進(jìn)一步研究出峰的原因。