基于激光拉曼光譜快速無(wú)損檢測(cè)牛油果油的研究

張鳳娟，黃敏，劉振方

(1.無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214028;2.江南大學(xué)輕工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

1 引言

牛油果油又稱鱷梨油，是采用高科技技術(shù)從非洲植物果實(shí)牛油果中提煉出來(lái)的天然油脂[1]。特級(jí)初榨牛油果油含有豐富的維生素、肉桂酸、植物甾醇、抗氧化物以及大量的不飽和脂肪酸等物質(zhì)[2-3]，不僅是理想的烹飪油脂，而且還具有極佳的美容功效、天然保健功效[4-6]，在西方被譽(yù)為"植物油皇后"稱號(hào)。目前，在中國(guó)牛油果油也逐漸成為現(xiàn)代人的健康食用油的新油寵。由于牛油果油價(jià)格是普通食用油價(jià)格的幾倍甚至幾十倍，在商業(yè)利益的驅(qū)使下，近幾年市場(chǎng)上銷售的牛油果油存在嚴(yán)重的摻假行為，影響了消費(fèi)者的切身利益，因而找到一種快速有效檢驗(yàn)牛油果油品質(zhì)優(yōu)劣的方法是目前牛油果油市場(chǎng)亟待解決的問(wèn)題。

現(xiàn)階段，對(duì)食用油品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的最傳統(tǒng)方法主要有質(zhì)譜法、氣相色譜法、液相色譜法等常規(guī)理化方法[7-9]，這些方法由于具有操作過(guò)程繁瑣、速度慢、耗時(shí)長(zhǎng)且所需儀器昂貴等缺點(diǎn)，故無(wú)法對(duì)食用油進(jìn)行快速有效的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。目前，光譜檢測(cè)方法在食用油品質(zhì)檢測(cè)中越來(lái)越受到人們的青睞，如近紅外光譜法、中紅外光譜法、紫外光譜法及拉曼光譜法等[10-12]。在這幾種光譜檢測(cè)方法中，由于拉曼光譜具有優(yōu)秀的指紋識(shí)別能力，能夠檢測(cè)出物質(zhì)結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，因此在食用植物油種類識(shí)別及品質(zhì)快速檢測(cè)方面得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注和研究[13-15]。王利軍等[16]應(yīng)用激光拉曼光譜快速鑒別花生油摻雜棕櫚油，郭鵬程等[17]利用激光拉曼光譜快速檢測(cè)靈芝孢子油。

目前，采用激光拉曼光譜對(duì)牛油果油進(jìn)行種類識(shí)別及真?zhèn)舞b別的文獻(xiàn)還尚未見(jiàn)報(bào)道。本論文采用便攜式激光拉曼光譜儀，對(duì)牛油果油等6種油脂進(jìn)行拉曼光譜測(cè)定和光譜處理，發(fā)現(xiàn)了牛油果油獨(dú)有的兩個(gè)激光拉曼峰以及優(yōu)越的不飽和度參數(shù)，建立了牛油果油摻假判別的定性分析方法，對(duì)21份牛油果樣品油拉曼光譜與原油進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了1個(gè)疑似摻假油樣品,并利用脂肪酸分析法得到了進(jìn)一步的確認(rèn)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

2.1 樣品來(lái)源

100%牛油果油(avocado oil)由江蘇某大型油料公司提供，是新西蘭進(jìn)口上等品質(zhì)的牛油果通過(guò)高速離心機(jī)冷榨而成；某品牌的棕櫚油(palm oil)、玉米油(corn oil)、芥花籽油(canola oil)、核桃油(walnut oil)、亞麻籽油(flax seed oil)均從當(dāng)?shù)馗鞔笮统匈?gòu)入。從緬甸、泰國(guó)、新西蘭、墨西哥四個(gè)國(guó)家進(jìn)口的21份待測(cè)牛油果油，部分購(gòu)買于當(dāng)?shù)馗鞔笮陀推穼Ｙu店，部分購(gòu)買于網(wǎng)絡(luò)，樣品信息如表1所示。

表1 待測(cè)牛油果油樣品信息表Table.1 Information of olive oil to be tested samples

2.2 儀器和試劑

儀器1：便攜式拉曼光譜儀(ProTF-EZ RamanAg)，穩(wěn)頻激光光源：波長(zhǎng)為785 nm，激光功率：0～500 mW之間連續(xù)可調(diào)；掃描范圍：250～2500 cm-1;光譜分辨率：6 cm-1;積分時(shí)間：10 s;積分次數(shù)：5次。

儀器2：氣相色譜儀(GC-2014，日本)：配FID-2014氫焰離子化檢測(cè)器，AT.SE-30毛細(xì)管色譜柱(25 m×0.20 mm×0.25 μm)37種脂肪酸組成標(biāo)準(zhǔn)品，美國(guó)NU-CHEK;分析純：甲醇、氯化鈉、無(wú)水硫酸鈉、正己烷、95%乙醇等。

2.3 樣品拉曼光譜測(cè)定

油樣品拉曼光譜測(cè)定與數(shù)據(jù)分析：將規(guī)格為3 mL的空樣品瓶放入檢測(cè)池中進(jìn)行檢測(cè)掃描，得到的光譜譜圖如圖1所示?？鄢諛悠菲勘尘埃? mL待測(cè)油樣品放入樣品瓶中，將裝有待測(cè)樣品的樣品瓶放入激光拉曼光譜儀的樣品室進(jìn)行檢測(cè)(儀器檢測(cè)條件見(jiàn)2.2)，獲得待測(cè)油脂拉曼光譜圖。采用Matlab2019a分析軟件對(duì)獲得的拉曼光譜圖進(jìn)行基線校正、平滑濾波、歸一化等處理，讀出每種待測(cè)樣品拉曼譜峰所對(duì)的強(qiáng)度值，找出牛油果油所獨(dú)有的拉曼特征峰及各樣品的不飽和度參數(shù)。

圖1 空樣品瓶的拉曼光譜譜圖Fig.1 Raman spectra of empty sample bottle

2.4 樣品脂肪酸組成分析測(cè)定

樣品甲酯化處理與分析測(cè)定：吸取油樣0.3 mL,加入0.5 mol/L的KOH-甲醇溶液5mL，水浴鍋加熱至油滴消失，加入三氟化硼甲醇溶液5 mL煮沸，再加入3 mL正己烷萃取，取上清溶液2 mL冷藏，GC-FID分析，測(cè)其響應(yīng)值。根據(jù)保留時(shí)間定性，用峰面積歸一化分析定量。計(jì)算出各組分脂肪酸含量，從而對(duì)飽和脂肪酸(SFA)、單不飽和脂肪酸(MUFA)、多不飽和脂肪酸(PUFA)、進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

色譜柱工作條件：載氣為純度99.99%氮?dú)?；FIT檢測(cè)溫度為250 ℃；進(jìn)樣口溫度為230 ℃，分流進(jìn)樣，分流比為35∶1，進(jìn)樣量1 μL；程序升溫方式從70 ℃初溫以6 ℃/min的速度升到145 ℃，保持2 min,以2 ℃/min升至175 ℃，保持5 min，再以3 ℃/min升至225 ℃。

3 結(jié)果與分析

3.1 牛油果油原油與棕櫚油等5種油樣品原始拉曼光譜圖分析

對(duì)包括牛油果油等6種油樣品進(jìn)行光譜掃描，得原始拉曼光譜圖如圖2所示。

圖2 牛油果油等6種油樣品的原始拉曼光譜譜圖注：由上至下依次為:亞麻籽油、棕櫚油、牛油果油、核桃油、玉米油、芥花籽油Fig.2 The original Raman spectra of 6 oil samples such as avocado oilFrom top to bottom is flax seed oil,palm oil,avocado oil,walnut oil,corn oil,canola oil

從圖2可以看出，這6種食用油樣品的原始拉曼光譜比較相似，在800 cm-1～2000 cm-1拉曼位移范圍內(nèi)有八個(gè)共同拉曼峰，它們分別是868、968、1072、1260、1296、1436、1654和1743 cm-1。位移值為868 cm-1和1082 cm-1的拉曼光譜峰來(lái)自于-(CH2)n-基團(tuán)的C-C鍵伸縮振動(dòng)特征峰；位移值為960 cm-1的拉曼光譜峰來(lái)自于反式RHC-CHR基團(tuán)中的C=C鍵彎曲振動(dòng)特征峰；位移值為1296 cm-1和1436 cm-1的拉曼光譜峰是-CH2基團(tuán)中的C-H鍵彎曲振動(dòng)特征峰，代表飽和官能團(tuán)；位移值為1260 cm-1和1654 cm-1的拉曼光譜峰分別是來(lái)自于順式RHC-CHR基團(tuán)中的=C-H鍵彎曲振動(dòng)、C=C鍵伸縮振動(dòng)特征峰，代表不飽和官能團(tuán)；位移值1760cm-1的拉曼光譜峰是RC=OOR基團(tuán)中的C=O鍵伸縮振動(dòng)特征峰。從圖2發(fā)現(xiàn)，雖然六種油的拉曼光譜大體相似，但是這些拉曼峰在細(xì)微處存在一定差別，特別是牛油果油的拉曼光譜與其它5種拉曼光譜相比有兩處獨(dú)有的較弱特征拉曼峰(箭頭指示位置)，由于原始拉曼峰的清晰度受基線影響較大，為了更清晰得比較牛油果油拉曼光譜與其它5種拉曼光譜之間的區(qū)別，把幾種油光譜進(jìn)行進(jìn)一步處理。

3.2 牛油果油原油與棕櫚油等5種油樣品歸一化拉曼光譜圖分析

圖3是把6種油光譜利用matlab2019a軟件進(jìn)行基線去除、平滑濾波、歸一化等處理之后的圖形。

經(jīng)過(guò)歸一化等處理后的光譜圖與原始譜圖比較有了很大改善，各種物質(zhì)的特征峰變得清晰且易于鑒別。從圖3的6種油樣光譜圖發(fā)現(xiàn)，6種油除了共有的8個(gè)拉曼位移峰之外，每種油都呈現(xiàn)出有別于其他油的獨(dú)特的細(xì)微結(jié)構(gòu)，有差別的微小拉曼峰共有6個(gè)，它們的位移值分別為917、1012、1115、1365、1523和1850 cm-1，各峰歸屬及歸一化后的信號(hào)強(qiáng)度見(jiàn)表2。

從表2可以看出，其中1115 cm-1和1523 cm-1拉曼峰為牛油果油所特有，這兩個(gè)拉曼峰與類胡蘿卜素有關(guān),是由類胡蘿卜素等高度共軛化合物的C=C的伸縮振動(dòng)引起的，類胡蘿卜素被認(rèn)為是牛油果油所含的特有成分，具有抗氧化的性質(zhì)。所以，牛油果油與其它幾種油相比，含有特有的微量成分，可作為牛油果油的特征峰，用來(lái)快速鑒別牛油果油。從圖3中的6種油樣光譜圖還發(fā)現(xiàn)，雖然光譜圖大體相似，各拉曼峰的相對(duì)強(qiáng)度有一定差別，特別是代表不飽和官能團(tuán)的1260 cm-1拉曼位移處的峰值相對(duì)強(qiáng)度各油樣差距較大，將油脂在1296 cm-1(-CH2基團(tuán)中的C-H鍵彎曲振動(dòng))和1260 cm-1(順式RHC-CHR基團(tuán)中的=C-H鍵彎曲振動(dòng))的特征峰強(qiáng)度比值I1296/I1260,做為衡量油脂不飽和度大小的參數(shù)。I1296/I1260,比值越大，說(shuō)明油脂中不飽和鍵含量越高，不飽和程度越高；反之，油脂不飽和程度越低。圖4給出了6種油樣的I1296/I1260比值。

圖3 經(jīng)過(guò)處理后的6種油樣光譜圖。(a)牛油果油；(b)棕櫚油；(c)玉米油；(d)芥花籽油；(e)核桃油；(f)亞麻籽油Fig.3 Spectrogram of six oil samples after treatment (a)avocado oil;(b)palm oil;(c) corn oil;(d) canola oil;(e) walnut oil;(f) flax seed oil

圖4 不飽和度參數(shù)I1296/I1260比值Fig.4 Unsaturation parameter I1296/I1260

表2 有差別的6個(gè)拉曼峰相對(duì)強(qiáng)度Table.2 The relative intensities and attribution of the six Raman peaks

可以看出，各種油品的不飽和度參數(shù)I1296/I1260都不一樣，且比值差異明顯，牛油果油不飽和度參數(shù)最大，說(shuō)明牛油果油含不飽和鍵最多，不飽和程度最大，因而通過(guò)I1296/I126也可以很好的用來(lái)快速檢測(cè)出牛油果油。

3.3 實(shí)際樣品測(cè)試

利用拉曼光譜對(duì)泰國(guó)、緬甸、新西蘭、墨西哥進(jìn)口的21份牛油果油進(jìn)行檢測(cè)，讀取牛油果油所獨(dú)有的特征峰1115 cm-1和1523 cm-1的拉曼相對(duì)強(qiáng)度值以及代表油脂不飽和度比值參數(shù)I1296/I1260，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 牛油果油測(cè)試樣品在1115 cm-1和1523cm-1處的拉曼相對(duì)強(qiáng)度以及I1296/I1260Table.3 Avocado oil test samples at 1115 cm-1 and 1523cm-1 for Raman relative strength and I1296/I1260

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)21份牛油果油測(cè)試樣品中除了7號(hào)樣品，其他20份牛油果樣品的拉曼光譜圖的特征峰相對(duì)強(qiáng)度以及不飽和度參數(shù)與牛油果原油非常接近，包括原油在內(nèi)的這21個(gè)樣品中，位移值為1115 cm-1處特征峰相對(duì)強(qiáng)度最大值是0.175，最小值是0.159，平均值是0.168；位移值為1523 cm-1處特征峰相對(duì)強(qiáng)度最大值為0.161，最小值是0.148，平均值是0.155；不飽和度參數(shù)I1296/I1260的范圍在1.68～1.49之間。對(duì)于樣品7，1115 cm-1處特征峰相對(duì)強(qiáng)度較小，1523 cm-1處特征峰相對(duì)強(qiáng)度幾乎為零。而且樣品7的不飽和度參數(shù)I1296/I1260與平均值相比差距較大。7號(hào)樣品與牛油果原油的去除基線后的拉曼光譜對(duì)照?qǐng)D如圖5所示，這些光譜特征表明，7號(hào)樣品可能混入了其他廉價(jià)油的成分，下一步通過(guò)脂肪酸組成測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證并確定可疑樣品。

圖5 牛油果原油(a)與樣品7(b)拉曼光譜圖的比較Fig.5 Comparison of the Raman spectra of avocado crude oil (a) with samples 7(b)

3.4 脂肪酸組成測(cè)試驗(yàn)證可疑樣品

為了進(jìn)一步驗(yàn)證可疑樣品，參照GB/T17376-2008利用氣相色譜法對(duì)包括原油在內(nèi)的22個(gè)油樣品進(jìn)行脂肪酸組成定量分析，經(jīng)面積歸一化法計(jì)算各組分的含量，22個(gè)牛油果油的脂肪酸主要組成成分及含量見(jiàn)表4。

表4 牛油果油樣品的主要脂肪酸含量比較Table.4 Comparison of main fatty acid content in avocado oil samples

由表4可知，棕櫚酸、棕櫚-稀酸、油酸和亞油酸這4種脂肪酸占牛油果油脂肪酸總含量的96%以上。除了這4種脂肪酸，分析發(fā)現(xiàn)牛油果油所含有的其他脂肪酸成分為：硬脂酸、亞麻酸、花生酸、花生-稀酸、木膠油酸、二十四碳-稀酸等(表中未列出)。根據(jù)各脂肪酸含量比例計(jì)算出每份油樣的不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的含量比值，發(fā)現(xiàn)：除了樣品7之外，不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸比值最大為6.54∶1，最小值為4.63∶1，平均值為5.48∶1。而樣品7的不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸比值是2.18∶1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于牛油果油的平均水平，這與前面的拉曼光譜分析結(jié)果完全吻合，由此進(jìn)一步確認(rèn)了7號(hào)牛油果油為可疑樣品。

4 結(jié)論

采用便攜式激光拉曼光譜儀，分析比較了牛油果油與棕櫚油、玉米油、芥花籽油、核桃油及亞麻籽油拉曼光譜的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)：與其他5種油相比，牛油果油具有位于1115 cm-1和1523 cm-1處峰強(qiáng)較弱且獨(dú)有的兩個(gè)特征拉曼峰，而且牛油果的不飽和度參數(shù)值I1296/I1260比其他5種油高出很多。利用牛油果油拉曼光譜的這兩個(gè)特點(diǎn)，足以快速檢測(cè)出牛油果油。同時(shí)利用拉曼光譜對(duì)21種牛油果油實(shí)際樣品進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有1個(gè)樣品拉曼光譜與牛油果原油拉曼光譜差別較大，可能存在摻假行為，疑似摻假樣品通過(guò)脂肪酸檢測(cè)方法得到了進(jìn)一步的確認(rèn)。便攜式激光拉曼光譜儀可以對(duì)牛油果的真?zhèn)芜M(jìn)行無(wú)損、快速、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。