基于TGA-GC/MS結(jié)合化學計量學在食醋品牌鑒別中的應(yīng)用

林長虹,吳世玉,藍勇波,古麗君,洪佳瑞,鄭彥婕

(深圳市計量質(zhì)量檢測研究院,廣東 深圳,518000)

食醋在中國已有近三千年的歷史,是中國人不可缺少的調(diào)味品和保健品。但是,近年來假冒偽劣食醋事件屢被曝光,從2018年山西平遙陳醋造假被曝光,到2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部網(wǎng)站公布了農(nóng)村假冒偽劣食品十大經(jīng)典案例,再到2022年公安部發(fā)布了各地公安機關(guān)打擊危害食品安全犯罪的7起經(jīng)典案例,食醋貼牌假冒之風盛行,但國內(nèi)關(guān)于食醋鑒別分析的報道較少,缺乏針對性的檢測方法。

熱重分析(thermogravimetry analysis,TGA)技術(shù)是指在程序控制溫度和一定氣氛下連續(xù)測量待測樣品的質(zhì)量與溫度或時間變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)[1]。熱重法針對微量樣品進行實驗,具有操作簡便、可重復(fù)性強、精度高、響應(yīng)靈敏快速等優(yōu)點[2],在食品成分測定[3-4]、中藥材鑒別[5-7]等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但TGA儀自身存在一定局限性,通?？蓪⑵渑c其他分析技術(shù)聯(lián)用,從而對樣品熱響應(yīng)行為進行全面分析[2]。氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)既結(jié)合了氣相色譜的高效分離能力,又具有質(zhì)譜可提供豐富的結(jié)構(gòu)信息的優(yōu)點,是揮發(fā)性或半揮發(fā)性小分子化合物的重要分析方法[8]。GC/MS已廣泛應(yīng)用于食醋揮發(fā)性成分分析[9-14]、食醋品牌鑒別[15-16]等領(lǐng)域。

TGA-GC/MS技術(shù)不僅結(jié)合了TGA實時獲得失重信息方便快捷的優(yōu)點,還可以通過GC/MS進行分離定性,常被用于鑒別食用油是否摻假[17-18]。本研究建立了TGA-GC/MS聯(lián)機實驗方法,比較不同品牌食醋間的數(shù)據(jù),結(jié)合化學計量學分析軟件,建立了食醋品牌的鑒別分析模型,為質(zhì)監(jiān)部門打擊市場食醋制假售假等違規(guī)現(xiàn)象提供了快速的檢測方法。

1 材料與方法

1.1 樣品

市售金山寺(8組)、東湖(13組)、紫林(8組)、恒順(13組)、寧化府(13組)以及其他品牌食醋(48組)。

1.2 TGA儀工作參數(shù)

氣體吸收池溫度25.0 ℃,高溫傳輸線1溫度250 ℃,富集管采集溫度40 ℃,閥箱溫度230.0 ℃,TGA接口溫度200.0 ℃,富集管釋放溫度:150.0 ℃;升溫程序:初始溫度50 ℃,以50.0 ℃/min的速率升溫至250 ℃,保持10.0 min,一路進氣流量50.0 mL。

1.3 GC-MS工作參數(shù)

GC單元:進樣口模式選擇分流,進樣口溫度250.0 ℃,壓力5.00 psi,總流量54.00 mL/min,隔墊吹掃流量3.00 mL/min,標準模式,分流比50∶1,分流流量50.00 mL/min;升溫程序:初始溫度50 ℃,保持5.00 min,升溫速率50 ℃/min,升溫至100 ℃,保持5 min,升溫速率4 ℃/min,升溫至180 ℃,保持時間5 min,升溫速率50 ℃/min,升溫至250 ℃,保持10 min。

MS單元:采集模式為全掃描模式,質(zhì)量數(shù)范圍28～400,離子源溫度230 ℃,傳輸線溫度250 ℃。

1.4 食醋樣品測定

將食醋樣品充分混勻,采用移液槍移取200 μL小心加入樣品池中,開始測定,結(jié)束后記錄測定數(shù)據(jù)。每個樣品測定2次,每次測定前混勻樣品。

1.5 識別不同品牌食醋的線性判別分析(linear discriminant analysis,LDA)模型

1.5.1 建立TGA-GC/MS多譜特征值組合

TGA原始曲線經(jīng)一階導(dǎo)數(shù)處理后,選擇50～250 ℃溫度段作為特征波段,經(jīng)標準化處理,篩選出TGA特征值;GC/MS原始譜圖經(jīng)篩選共有峰、標準化處理后,篩選出GC/MS特征值,將2組原始譜圖的特征值組合,形成TGA-GC/MS多譜特征值組合。

1.5.2 建立LDA模型

TGA-GC/MS多譜特征值組合經(jīng)T-Test特征值提取、主成分分析(principal component analysis,PCA)及PCA 特征提取后,選擇LDA模型進行建模分析。模型交叉驗證結(jié)果正確識別率R評價模型的精確度。按公式(1)計算模型正確識別率。

R/%=正確識別的樣品數(shù)/樣品總數(shù)×100

(1)

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用MSpectrum PatternTM對數(shù)據(jù)進行化學計量學分析和建模。

2 結(jié)果與分析

2.1 食醋的TGA-GC/MS分析

TGA-GC/MS相比較GC/MS,具有無需樣品預(yù)處理、操作方便、快速、進樣量少等優(yōu)勢,相比較近紅外[19]而言,TGA-GC/MS能夠更加直觀的獲取食醋樣品成分信息。TGA單元在50.0～250.0 ℃,以50 ℃/min升溫速率持續(xù)升溫,揮發(fā)成分從樣品表面生成和釋放,樣品質(zhì)量減少,揮發(fā)性成分通過TGA-GC/MS傳輸線到達GC/MS單元,進行分離定性定量分析。

由于各品牌食用醋主要成分相似,5個品牌共103組食醋樣品的TGA曲線(圖1-a)和質(zhì)譜曲線(圖1-b)過于相近,重疊現(xiàn)象嚴重,無法通過直接觀察方法將不同品牌醋區(qū)分開,因此,采用化學計量學方法對TGA原始曲線和GC/MS原始譜圖進行預(yù)處理,并建立TGA-GC/MS多譜特征值組合。該多譜組合依次經(jīng)T-Test對存在差異顯著性的點進行特征值提取處理(圖1-c)、PCA及特征提取(圖2),并選擇LDA模型進行建模分析(圖3)。

a-食醋TGA圖;b-食醋的總離子流譜圖;c-T-Test特征值提取圖(以東湖/非東湖為例)

a～e分別為東湖、恒順、寧化府、紫林和金山寺等單一品牌和其他品牌之間的區(qū)分;f-東湖、恒順、寧化府、金山寺以及紫林等5大品牌相互之間的區(qū)分;g-PCA置信橢圓和散點分布圖(以東湖/非東湖為例);h-聚類分析圖(以東湖/非東湖為例)(下圖同)

圖3 不同品牌食醋的LDA模型

2.2 食醋的PCA和聚類分析

PCA被廣泛應(yīng)用于食醋鑒別[19-20]、蜂蜜摻假[21]等領(lǐng)域。TGA-GC/MS多譜特征值組合經(jīng)T-Test特征值提取處理(圖1-c)后,進行PCA和聚類分析(圖2-h),選取貢獻度最大的3個主成分PC1、PC2、PC3作為數(shù)據(jù)代表用以可視化,分別對應(yīng)圖2中X、Y、Z軸。由圖2可知,除恒順與非恒順(圖2-b)外,其余4個單一品牌和其他品牌之間都可以達到一定的聚類分堆和區(qū)分效果,但不能準確劃分單一品牌和其他品牌之間的界限;圖2-f顯示,除恒順和寧化府外,東湖、紫林、金山寺都能較好的聚類分堆和區(qū)分,但不能準確劃分各個品牌之間的界限。因此,本研究在PCA后進行特征值提取,選擇LDA模型進行建模分析,對5個品牌食醋進一步鑒別。

2.3 LDA模型在食醋品牌鑒別中的應(yīng)用

LDA是根據(jù)研究對象的各種特征值判別其類型歸屬問題的一種多變量統(tǒng)計分析方法,在食品真?zhèn)舞b別領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。本研究對TGA-GC/MS多譜特征值組合進行PCA,并進行特征值提取,選擇累計貢獻率80.00%,進行LDA建模分析(圖3-a～圖3-e)。

經(jīng)留一線法交叉驗證,5個單一品牌模型正確識別率依次為:東湖87.63%、恒順80.41%、寧化府96.91%、紫林80.41%、金山寺87.63%,5個單一品牌和其他品牌之間都可以達到聚類分堆和區(qū)分效果,且能準確劃分單一品牌和其他品牌之間的界限;5個品牌相互之間區(qū)分建模與單一品牌不同,TGA-GC/MS多譜特征值組合先經(jīng)方差分析后,再進行PCA降維提取特征值,選取貢獻率80%,即前11個特征值進行LDA建模分析(圖3-f),經(jīng)留一法驗證,模型正確識別率80.00%,5個品牌相互之間聚類分堆和分離效果良好,且各品牌之間界限清晰,便于區(qū)分。

基于TGA-GC/MS多譜特征值組合的LDA模型與基于近紅外光譜的LDA模型[19]相比,多維數(shù)據(jù)進行建模時,比單維數(shù)據(jù)建模其聚類效果更加明顯,能夠較好的實現(xiàn)東湖、恒順、寧化府、紫林以及金山寺等食醋品牌與其他品牌的分類區(qū)分。

3 結(jié)果與討論

本研究采用的TGA-GC/MS技術(shù)結(jié)合化學計量學方法對5個品牌的食醋進行鑒別區(qū)分,具有無需樣品預(yù)處理、進樣量少、樣品正確識別率高、操作簡單等優(yōu)勢,可作為一種鑒別食醋品牌的檢測方法。

基于TGA-GC/MS多譜特征值組合的LDA模型顯示出了較好的分離和聚類分堆效果,且目標品牌與其他品牌之間界限清晰;該模型5個單一品牌和其他品牌之間區(qū)分正確識別率為:東湖87.63%、恒順80.41%、寧化府96.91%、紫林80.41%、金山寺87.63%,5個品牌相互之間區(qū)分正確識別率為80.00%,各品牌食醋正確識別率較高,結(jié)果可為食醋的鑒別提供參考。