采用降溫擾動二維相關(guān)拉曼光譜鑒別摻假橄欖油

于迎濤, 王季鋒, 孫玉葉, 李福娟, 萬 超

1. 大連海事大學環(huán)境科學與工程學院，遼寧 大連 116026 2. 國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東 青島 266033 3. 中華人民共和國大連海關(guān)檢驗檢疫技術(shù)中心，遼寧 大連 116001

引 言

食用油摻假侵害消費者權(quán)益，危害公眾健康，相關(guān)鑒別研究具有重要意義。 隨著摻假手段不斷翻新，對鑒別辨識度提出更高要求，傳統(tǒng)方法面臨嚴峻挑戰(zhàn)。 尤其是，當摻假食用油中假冒組分比例降低時，摻假油與正品油非常相似。 目前，低量摻假食用油已成為打假鑒別的難點和重點。

二維相關(guān)譜通過引入微擾因子，獲得比一維光譜更豐富的樣品特征信息，在聚合物[1-2]、液晶[3]、蛋白質(zhì)和多肽[4]、爆炸物[5]等研究中得到廣泛應(yīng)用。 有關(guān)中藥材(比如，半夏、金銀花[6]、貝母[7-8]、金盞菊、葛根[9])以及食品(比如，牛奶[10]、基酒)鑒定的二維相關(guān)譜研究也取得進展。

橄欖油具有預防心腦血管疾病等多種天然保健功效。 采用光譜技術(shù)鑒別橄欖油的研究已受關(guān)注[11-12]。 本文選取降溫作為擾動因子，采用同步二維拉曼相關(guān)譜，結(jié)合系統(tǒng)聚類分析，開展高辨識度的橄欖油低量摻假鑒別研究，相關(guān)結(jié)果對于其他油品鑒別也具有重要的理論和實用價值。

1 實驗部分

1.1 樣品制備

選取一級大豆油作為假冒組分，按照摻假質(zhì)量比為5%，10%和20%的比例，分別摻入特級初榨純橄欖油，振蕩混勻，得到三種低量摻假橄欖油。 將純橄欖油與摻假橄欖油，分別封裝于硬質(zhì)玻璃毛細管中待測； 每種油樣分別制備標樣和盲樣。

1.2 光譜采集與數(shù)據(jù)處理

采用Horiba Jobin Yvon XploRA顯微共焦拉曼光譜儀，配備自動樣品臺及可控降溫樣品臺。 激發(fā)光波長532 nm，CCD檢測器溫度-70 ℃，物鏡10×，曝光時間5 s，累加60次，光柵2 400 T，采集范圍2 760～3 100 cm-1。 降溫范圍為+15～-20 ℃，間隔5 ℃，每個溫度恒定30 min。 使用NGSLabSpec 5.0軟件對采集的一維拉曼譜進行基線扣除和數(shù)據(jù)歸一化； 然后，基于Noda方法通過Matlab編程求算同步二維拉曼相關(guān)譜，采用origin軟件繪制同步二維拉曼相關(guān)譜。 將同步二維拉曼相關(guān)譜轉(zhuǎn)化為一維向量，進行系統(tǒng)聚類分析。 聚類方法為組間連接，度量依據(jù)為平方歐式距離。

2 結(jié)果與討論

2.1 降溫擾動效應(yīng)

圖1 純橄欖油及摻假橄欖油的拉曼光譜(15 ℃)Fig.1 Raman spectra of the pure and theadulterated olive oils at 15 ℃

圖2是不同溫度條件下的純橄欖油拉曼光譜。 如圖2所示，在+15～0 ℃范圍，純橄欖油的拉曼譜峰隨溫度變化不明顯，最強峰位于2850 cm-1附近。 相比而言，當溫度低于0 ℃時(-5～-20 ℃)，純橄欖油的拉曼光譜出現(xiàn)顯著變化。 主要特征峰位于2 848，2 883，2 933，2 956和3 005 cm-1附近。 2 848 cm-1為亞甲基對稱伸縮振動的特征峰(2 850 cm-1)隨溫度降低發(fā)生紅移所致，相對峰強呈現(xiàn)減弱趨勢。

圖2 純橄欖油在不同溫度條件下的拉曼光譜Fig.2 Raman spectra of the pure olive oilat different temperatures

與純橄欖油類似，摻假5%，10%和20%的橄欖油的拉曼光譜在+15～0 ℃范圍變化不大，純橄欖油與摻假橄欖油之間的差異不明顯(圖略)。 相比而言，在-5～-20 ℃范圍，摻假橄欖油的拉曼光譜隨著溫度降低發(fā)生明顯變化。 圖3(a)—(d)為-5，-10，-15，-20 ℃時，純橄欖油與摻假橄欖油的拉曼光譜對比圖。 如圖所示，溫度降至-5 ℃[圖3(a)]時，純橄欖油與摻假5%、10%的橄欖油略有差別，與摻假20%的橄欖油差異明顯。 降至-10 ℃[圖3(b)]以及-15 ℃[圖3(c)]時，純橄欖油與摻假橄欖油的差異增大； 摻假5%與摻假10%的橄欖油拉曼光譜較為相似，二者與摻假20%的橄欖油明顯不同。 溫度進一步降至-20 ℃[圖3(d)]時，純橄欖油與摻假橄欖油的拉曼譜差異更為明顯，摻假5%與摻假10%的橄欖油拉曼光譜呈現(xiàn)出較顯著差異。

總體而言，大豆油摻混比例增加時，純橄欖油與摻假橄欖油的拉曼光譜差異增大。 當溫度降至0 ℃以下時，隨著溫度降低，純橄欖油與摻假橄欖油的差異變得明顯。

2.2 二維拉曼相關(guān)光譜

圖4(a)—(d)分別為純橄欖油、摻假5%，10%和20%的橄欖油的同步二維拉曼相關(guān)譜，表征了以降溫為擾動因子時，拉曼信號變化的協(xié)同程度。 圖中，紅色表示正相關(guān)，藍紫色表示負相關(guān)。 主對角線上的自相關(guān)峰，表征該波數(shù)處的拉曼信號在降溫過程中的變化程度； 主對角線兩側(cè)的交叉峰，反映與交叉峰對應(yīng)的兩個波數(shù)處的特征信號隨溫度變化的相關(guān)性。

圖3 純橄欖油與摻假橄欖油在不同溫度時的拉曼光譜對比(a): -5 ℃； (b): -10 ℃; (c): -15 ℃; (d): -20 ℃Fig.3 Comparison of Raman spectra of the pure and the adulterated olive oils at different temperature(a): -5 ℃； (b): -10 ℃; (c): -15 ℃; (d): -20 ℃

如圖4所示，與摻假5%[圖4(b)]、10%[圖4(c)]、20%[圖4(d)]的橄欖油相比，純橄欖油[圖4(a)]在2 925 cm-1附近的自相關(guān)峰(紅色)強度最大。 自相關(guān)峰強度對比排序為： 純橄欖>摻假5%橄欖油>摻假10%橄欖油>摻假20%橄欖油，表明隨著摻假組分(大豆油)比例增大，此自相關(guān)峰強度減弱。 對比(2 925和2 883 cm-1)處的負交叉峰，純橄欖油的負交叉峰強于摻假橄欖油，隨著摻假組分比例增大，此負交叉峰的強度相應(yīng)減弱。 這些結(jié)果顯示，采用降溫作為擾動因子的同步二維拉曼相關(guān)譜，可明顯探測到純橄欖油與低量摻假橄欖油的差異。

2.3 系統(tǒng)聚類分析

采用降溫作為擾動因子，分別測定及求算純橄欖油及摻假橄欖油的所有標樣 (SS)及盲樣 (BS)的同步二維拉曼相關(guān)譜，然后進行系統(tǒng)聚類分析。 在系統(tǒng)聚類過程中，不對分類數(shù)以及類的結(jié)構(gòu)進行事先假定，根據(jù)數(shù)據(jù)的特征求算出各樣品的親疏關(guān)系樹狀圖。

圖4 (a)純橄欖油及摻假(b)5%，(c)10%，(d)20%的橄欖油的同步二維拉曼相關(guān)光譜Fig.4 Synchronous two-dimensional Raman correlation spectra of (a) the pure andthe adulterated (b) 5%, (c) 10%, (d) 20% olive oils

如圖5所示，純橄欖油、摻假比例分別為5%，10%和20%的摻假橄欖油的盲樣及標樣，分別各自聚成一類。 純橄欖油與摻假5%大豆油的橄欖油可明顯區(qū)分。 當摻假比例增至10%和20%時，純橄欖油與摻假橄欖油的差異更加顯著。

圖5 同步二維拉曼相關(guān)譜的系統(tǒng)聚類分析樹狀圖

當食用油摻假比例低于10%時，非法牟利空間已非常有限。 本研究采用的假冒組分為與橄欖油相似度較高、雜質(zhì)很少的一級大豆油。 結(jié)果表明，采用降溫作為擾動因子的二維同步拉曼相關(guān)譜，可高辨識度地鑒別低量摻假橄欖油。 有理由預期，對于摻入其他假冒組分的摻假橄欖油以及其他種類的食用油鑒別，這種方法也應(yīng)具有良好的辨識能力，對于打擊食用油摻假、維護公眾健康具有重要意義。

3 結(jié) 論

采用降溫作為擾動因子，在+15～-20 ℃溫度區(qū)間，對比了純橄欖油和摻入5%，10%，20%大豆油的摻假橄欖油的拉曼光譜以及同步二維拉曼相關(guān)譜。

在+15～0 ℃區(qū)間，純橄欖油與摻假橄欖油的拉曼光譜非常相似，譜峰隨溫度變化不明顯。 當溫度降至0 ℃以下后，純橄欖油與摻假橄欖油的拉曼光譜發(fā)生顯著變化； 隨著溫度降低，純橄欖油與摻假橄欖油的拉曼光譜差異逐漸增大。

同步二維拉曼相關(guān)譜的對比結(jié)果顯示，隨著摻假比例增加，2 925 cm-1附近的自相關(guān)峰和2 925和2 883 cm-1處的負交叉峰強度出現(xiàn)明顯減弱。 系統(tǒng)聚類分析顯示，純橄欖油以及摻假橄欖油的盲樣，均可得到準確辨識。 采用降溫作為擾動因子的同步二維拉曼相關(guān)譜，對于橄欖油低量摻假具有很高的辨識能力，也可為其他油品鑒別提供理論和技術(shù)參考。