葵花籽油過(guò)氧化值激光誘導(dǎo)熒光快速檢測(cè)技術(shù)研究

馬劭瑾 李永玉 彭彥昆 閆 帥 劉亞超

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

葵花籽油含豐富的亞油酸、油酸、不飽和脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在世界食用油中產(chǎn)量位居第二[1]。近些年來(lái)，我國(guó)葵花籽油的消費(fèi)量也不斷增加。但是葵花籽油中的高不飽和脂肪酸含量也導(dǎo)致其更易被氧化，在售賣(mài)或家庭使用過(guò)程中都很容易發(fā)生氧化變質(zhì)[2]。變質(zhì)的葵花籽油會(huì)產(chǎn)生多種自由基、氫過(guò)氧化物和有毒聚合物，容易引發(fā)多種疾病。在植物油食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，食用植物油過(guò)氧化值不能超過(guò)0.25 g/(100 g)，在各地食品安全抽檢信息中植物油過(guò)氧化值超標(biāo)等頻見(jiàn)報(bào)道。

目前食用油過(guò)氧化值的傳統(tǒng)檢測(cè)方法主要為化學(xué)滴定法，具有操作復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)、需采用有毒化學(xué)試劑等缺點(diǎn)，而且不能滿(mǎn)足快速實(shí)時(shí)的需求。為克服傳統(tǒng)化學(xué)手段在食用油產(chǎn)銷(xiāo)鏈中品質(zhì)監(jiān)測(cè)的局限性，諸多學(xué)者進(jìn)行了食用油氧化指標(biāo)快速檢測(cè)方法的研究[3-8]。其中，熒光光譜以其靈敏度高、能直接反映食用油中與氧化機(jī)制直接相關(guān)的如酚類(lèi)物質(zhì)和維生素E等熒光物質(zhì)的特性，在食用油氧化程度評(píng)估方面得到迅速發(fā)展。諸多研究者均基于三維熒光光譜[9-11]，或者從三維熒光光譜中提取合適的波長(zhǎng)間隔，探究同步熒光光譜與氧化食用油的相關(guān)關(guān)系[12-20]。三維熒光光譜能夠同時(shí)反映熒光強(qiáng)度隨激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)的變化，但也因此具有較慢的掃描速度，且獲取三維熒光光譜的熒光分光光度計(jì)體積較大、價(jià)格昂貴，并不具備食用油品質(zhì)安全監(jiān)測(cè)所需的高效性與便捷性。激光誘導(dǎo)熒光(Laser induced fluorescence, LIF)光譜則可以彌補(bǔ)上述熒光檢測(cè)方法的不足，可以實(shí)現(xiàn)食用油過(guò)氧化值的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然而基于激光誘導(dǎo)熒光對(duì)食用油過(guò)氧化值進(jìn)行定量檢測(cè)的相關(guān)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)食用油易被氧化產(chǎn)生多種自由基、氫過(guò)氧化物和有毒聚合物等特性，根據(jù)食用油在產(chǎn)銷(xiāo)鏈中品質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)用需求，基于激光誘導(dǎo)熒光光譜搭建食用油快速檢測(cè)系統(tǒng)，編寫(xiě)相關(guān)采集控制軟件，并以葵花籽油為研究對(duì)象，確定熒光響應(yīng)時(shí)間等光譜采集參數(shù)，基于自行搭建系統(tǒng)采集不同過(guò)氧化值葵花籽油的熒光光譜，探討不同預(yù)處理對(duì)熒光光譜的校正效果，建立葵花籽油過(guò)氧化值實(shí)時(shí)定量預(yù)測(cè)模型，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)葵花籽油過(guò)氧化值的無(wú)損、快速檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

葵花籽油樣品購(gòu)于物美超市，分為生產(chǎn)日期2019年11月4日和2020年6月10日兩批次。為制備不同氧化程度葵花籽油樣品，將購(gòu)買(mǎi)的葵花籽油分別放置于60℃恒溫箱和25℃的室溫環(huán)境中保存。60℃恒溫箱中，加熱氧化樣品每隔6 h取樣一次，室溫氧化處理樣品每隔5 d取樣一次，共制備90個(gè)不同氧化程度葵花籽油樣品。

1.2 過(guò)氧化值(PV)的標(biāo)準(zhǔn)理化值測(cè)定方法

參照GB 5009.227—2016中的滴定法，每個(gè)葵花籽油樣品平行測(cè)定3次取平均值作為過(guò)氧化值的標(biāo)準(zhǔn)理化值。

2 葵花籽油熒光光譜檢測(cè)系統(tǒng)搭建

以食用油品質(zhì)安全現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)裝置研發(fā)為目的，自行搭建了基于激光誘導(dǎo)熒光光譜的葵花籽油檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括光源部分、樣品室、光譜采集部分、供電部分以及控制部分，如圖1所示。光源部分包括紫外LED光源、濾光片與準(zhǔn)直透鏡。LED光源功率為3 W，中心波長(zhǎng)為(365±10)nm，LED激發(fā)光源發(fā)出的紫外光經(jīng)過(guò)窄帶濾光片和準(zhǔn)直透鏡平行照射到樣品室內(nèi)的樣品。樣品室在相鄰兩側(cè)進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì)，用于進(jìn)行直角熒光檢測(cè)，并且可以保證在放入比色皿后，激發(fā)光入射和發(fā)射光出射的位置均位于比色皿中部。樣品室配有遮光蓋，可以確保在比色皿放入后進(jìn)行光譜采集時(shí)不受外界雜散光的影響。光源系統(tǒng)與樣品室采用一體化設(shè)計(jì)，從而避免比色皿放入或取出時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生晃動(dòng)。光譜采集部分主要包括光纖與波長(zhǎng)范圍為200～1 100 nm的光譜儀(USB2000+型)，光譜分辨率為1 nm。激發(fā)樣品產(chǎn)生的熒光信號(hào)，經(jīng)垂直于入射光方向安裝的光纖探頭傳入光譜儀中，再由光譜儀通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。供電部分主要是由小型恒流LED電源驅(qū)動(dòng)器與電源組成?？刂撇糠种糜跇悠肥蚁路?，分別設(shè)計(jì)光源和光譜儀基座以確保光源部分與光譜采集部分的高度以及樣品室入射光與出射光高度的一致性。為后期整機(jī)設(shè)計(jì)的內(nèi)部空間利用率考慮，光源基座的上層布置激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)系統(tǒng)的光源部分，下層采用中空設(shè)計(jì)，用于放置開(kāi)發(fā)板。葵花籽油過(guò)氧化值檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

物質(zhì)的熒光強(qiáng)度會(huì)隨著照射時(shí)間的增加而下降，即存在熒光褪色效應(yīng)[21-22]?？ㄗ延蜔晒夤庾V采集時(shí)間越長(zhǎng)，其強(qiáng)度可能越低。為減小熒光褪色效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的不利影響，基于LabVIEW編寫(xiě)了檢測(cè)系統(tǒng)熒光采集控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜采集時(shí)間的控制，軟件工作流程如圖3所示。比色皿放入樣品室后，在外力作用下觸發(fā)控制部分，控制部分會(huì)發(fā)送信號(hào)給計(jì)算機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔和總時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)采集和保存光譜數(shù)據(jù)，達(dá)到設(shè)定總時(shí)長(zhǎng)光譜采集自動(dòng)停止并以.txt格式保存。通過(guò)Matlab軟件對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后建立模型，并將最優(yōu)過(guò)氧化值模型以.m文件格式導(dǎo)出。當(dāng)對(duì)未知葵花籽油樣品進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，利用LabVIEW調(diào)用最優(yōu)模型文件進(jìn)行實(shí)時(shí)過(guò)氧化值預(yù)測(cè)。

為確保系統(tǒng)可靠性，樣品室中放入空白比色皿采集了光譜響應(yīng)，如圖4a所示。僅在光源365 nm處存在峰值，說(shuō)明背景光譜無(wú)其他信號(hào)干擾?；谧孕写罱ǖ募す庹T導(dǎo)熒光檢測(cè)系統(tǒng)采集不同氧化程度的葵花籽油熒光光譜如圖4b所示。可以看到，當(dāng)葵花籽油受到365 nm紫外光照射時(shí)，在440、495、520、680 nm附近產(chǎn)生熒光特征峰，且隨著過(guò)氧化值增加，其熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。在400～600 nm范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度的衰減最顯著，其中520 nm附近的熒光特征峰應(yīng)該是由葵花籽油中的維生素E產(chǎn)生的[23]。680 nm附近葉綠素的熒光光譜強(qiáng)度隨氧化程度的增加而降低，即葵花籽油中的葉綠素也會(huì)隨著氧化的進(jìn)行而被破壞。以上說(shuō)明，基于自行搭建的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)系統(tǒng)能夠較好地反映熒光光譜強(qiáng)度隨葵花籽油過(guò)氧化值的變化，而且完全可以檢測(cè)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限定值0.25 g/(100 g)以下的葵花籽油過(guò)氧化值。

為探究熒光褪色效應(yīng)對(duì)葵花籽油熒光強(qiáng)度的影響，基于自行搭建的系統(tǒng)每隔10 s自動(dòng)采集過(guò)氧化值為0.12 g/(100 g)的葵花籽油熒光光譜，共連續(xù)采集熒光光譜7條?？ㄗ延图す庹T導(dǎo)熒光光譜隨時(shí)間的熒光響應(yīng)如圖5所示。1 s時(shí)在430～468 nm和480～520 nm范圍內(nèi)的光譜強(qiáng)度明顯高于10 s至60 s時(shí)的光譜強(qiáng)度。因此，在后續(xù)的研究中均將熒光光譜采集時(shí)間設(shè)定為1 s。

3 結(jié)果與討論

3.1 葵花籽油過(guò)氧化值理化分析

通過(guò)不同氧化處理制備得到80個(gè)葵花籽油樣品并測(cè)定其過(guò)氧化值標(biāo)準(zhǔn)理化值。80個(gè)樣品過(guò)氧化值范圍為0.03～1.19 g/(100 g)，平均值為0.39 g/(100 g)，中位數(shù)為0.30 g/(100 g)。

3.2 葵花籽油熒光光譜預(yù)處理及分析

采集光譜前先將自行搭建的食用油激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)系統(tǒng)預(yù)熱30 min，積分時(shí)間設(shè)定為100 ms，設(shè)置光譜采集時(shí)間為1 s，每個(gè)樣品采集3次光譜，取3次的平均值作為該樣品的原始光譜。80個(gè)葵花籽油樣品的原始光譜如圖6a所示。

因原始熒光光譜噪聲較大，采用SG(Savitzky-Golay)濾波對(duì)其進(jìn)行平滑?？ㄗ延偷恼扯葧?huì)隨著氧化程度的加深而逐漸增加，可能導(dǎo)致各個(gè)樣品之間的光程產(chǎn)生差異。此外，不同葵花籽油樣品的光譜基線(xiàn)會(huì)發(fā)生不同程度的漂移。為減小上述干擾對(duì)建模結(jié)果造成的不利影響，分別對(duì)原始熒光光譜進(jìn)行多元散射校正(Multiplication scattering correction, MSC)、光路長(zhǎng)度估計(jì)與校正[24](Optical path-length estimation and correction, OPLEC)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(Standard normal variable transform, SNV)預(yù)處理。MSC預(yù)處理以所有樣品光譜的平均光譜作為理想值，將每個(gè)光譜相對(duì)于平均光譜的變化分為偏移(斜率)變化和平移(截距)變化，根據(jù)此來(lái)校正原始光譜，校正后的光譜如圖6b所示?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)MSC預(yù)處理后的光譜較好地消除了不同葵花籽油光譜的基線(xiàn)漂移。OPLEC利用正交投影的性質(zhì)，將光散射效應(yīng)從原始光譜中分離出來(lái)，僅保留與化學(xué)成分有關(guān)的光譜變化。從圖6c可以看出，熒光光譜在450～700 nm范圍內(nèi)被分為等間隔的幾段。SNV預(yù)處理是在各個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的光譜值滿(mǎn)足正態(tài)分布的前提下進(jìn)行的，對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，處理后的熒光光譜變化趨勢(shì)與MSC類(lèi)似，如圖6d所示。

利用CARS[25](競(jìng)爭(zhēng)自適應(yīng)重加權(quán))算法對(duì)葵花籽油原始光譜的波長(zhǎng)進(jìn)行篩選，提取標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重最大的前6個(gè)，其由大到小排列為440、580、495、680、520、458 nm。其中，440、680、520 nm處對(duì)應(yīng)的熒光特征物質(zhì)為共軛氫過(guò)氧化物、葉綠素和維生素E(或它的衍生物)?？梢钥闯鲈谘趸^(guò)程中，葵花籽油中共軛氫過(guò)氧化物產(chǎn)生的熒光信號(hào)與過(guò)氧化值最為相關(guān)，而葉綠素和維生素E的含量也間接反映過(guò)氧化值的變化。

3.3 葵花籽油過(guò)氧化值預(yù)測(cè)模型建立

利用SPXY(Sample set partitioning based on joint X-Y distance)算法，將80個(gè)葵花籽油樣品按3∶1劃分為校正集和預(yù)測(cè)集，經(jīng)不同的預(yù)處理光譜并結(jié)合CARS篩選波長(zhǎng)后，選取合適的潛變量個(gè)數(shù)建立PLS回歸模型。原始光譜和3種預(yù)處理后的光譜建模得到的預(yù)測(cè)均方根誤差隨潛變量個(gè)數(shù)的變化如圖7所示。原始光譜、MSC和OPLEC預(yù)處理建模選取的最佳潛變量個(gè)數(shù)分別為10、7、9。經(jīng)SNV預(yù)處理后的熒光光譜共線(xiàn)性加劇，最終選取的潛變量個(gè)數(shù)為5。

表1 不同預(yù)處理方法的過(guò)氧化值模型結(jié)果Tab.1 Results of PV model built on different pre-processing methods

3.4 葵花籽油過(guò)氧化值快速檢測(cè)系統(tǒng)外部驗(yàn)證

選取10個(gè)未參與建模的葵花籽油樣品對(duì)過(guò)氧化值定量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行外部驗(yàn)證。過(guò)氧化值預(yù)測(cè)值與理化測(cè)定值的R2為0.968 1，均方根誤差為0.041 1 g/(100 g)，如圖9a所示。過(guò)氧化值在0.30～0.80 g/(100 g)范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)殘差較小，在低于國(guó)標(biāo)限0.25 g/(100 g)的殘差絕對(duì)值均在0.08 g/(100 g)以下，如圖9b所示。結(jié)果顯示，利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)結(jié)合PLS回歸模型能夠以較高的精度和準(zhǔn)確性實(shí)現(xiàn)對(duì)葵花籽油過(guò)氧化值的快速檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)