近紅外自動分析儀測定食用油酸價和過氧化值

近紅外自動分析儀測定食用油酸價和過氧化值

近紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用在儲存過程中，食用油中的脂肪酸易受光、氧氣、微生物和酶的影響，導致脫水和氧化反應(yīng)，導致游離脂肪酸和氫氧化物。氫過氧化物極易分解成小分子的醛、酮、酸等化合物;氧化脂質(zhì)對人體細胞膜、酶、蛋白質(zhì)造成破壞作用,甚至可致癌,危害人體健康[1~2]。酸價和過氧化值是食用油重要的安全性指標,而國標中酸價和過氧化值測定方法則需要消耗大量的有機溶劑,如乙醚、三氯甲烷、冰乙酸等,操作過程繁瑣且人為誤差也比較大。近紅外光譜分析技術(shù)具有分析快速、高效、安全、成本低廉等優(yōu)點,光譜主要由含碳、氫、氧基團的倍頻和組頻吸收峰組成[3~4]。國內(nèi)外學者利用近紅外光譜技術(shù)在食用油的酸價和過氧化值檢測方面進行了一定的研究[5~9]。近紅外光譜技術(shù)在油脂酸價和過氧化值檢測方面的研究雖取得一定進展,但在標樣選擇上存在油種類較為單一,所建模型通用性差,另外對食用油酸價和過氧化值自動化快速檢測研究尚未見報道。本文以常見食用油為原料,利用近紅外光譜自動分析儀結(jié)合連續(xù)進樣流通池,建立酸價和過氧化值的定量模型,并對所建模型進行驗證。實現(xiàn)食用油酸價和過氧化值自動化快速檢測,旨在為食用油多指標自動化檢測提供參考。1材料和方法1.1測試樣品的制備實驗所用食用油種類有菜籽油、大豆油、花生油、葵花仁油、玉米油、棕櫚油、亞麻籽油、初榨特級橄欖油、芝麻油、蘇籽油、油茶籽油、苦杏仁油等,來自不同品牌和等級食用油,基本涵蓋我國常見的食用油種類。所用試劑有乙醚、95%乙醇、三氯甲烷、冰乙酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉、氫氧化鉀等,均為分析純。將采集的油樣按質(zhì)量比為1∶1和1∶1∶1進行隨機調(diào)配,連同各類食用油共得到50個油樣。將50個油樣置于105℃干燥箱中進行加速氧化,隔一段時間后取出,取氧化程度較輕和氧化程度較重的100個油樣,共得到150個不同的樣品,將樣品放于0℃冰箱中密閉保存。依照GB/T5009.37—2003測定所有樣品的酸價和過氧化值。校正集(110個)和驗證集(40個)樣品酸價和過氧化值實測值分析結(jié)果如表1所示。1.2流通池的組成自動分析儀由帶有DTGS檢測器的ABBBomen傅里葉近紅外分析儀(加拿大魁北克Bomen公司)、233型Gilson自動進樣盤(美國Gilson公司)、微型蠕動泵(加拿大Vissers公司)(圖1)及相應(yīng)計算機組成。流通池使用的是連續(xù)進樣流通池(圖2)。連續(xù)進樣流通池包括可變光程長度的液體流通池、進樣瓶、廢液缸和真空系統(tǒng)。其工作原理是:在真空條件或者在蠕動泵作用下,把液體樣品吸入預(yù)先設(shè)定光程長度的流通池中進行檢測,檢測完畢后,將測定的樣品吸入廢液缸中,下一個樣品檢測時,通過壓力直接用待測樣品對流通池進行潤洗后采集待測樣品光譜。1.3m-1環(huán)境設(shè)置光譜采集條件為:12000~4000cm-1范圍內(nèi),溫度設(shè)為40℃,分辨率為4cm-1,掃描次數(shù)為32次,光譜掃描時間約為15s,以空氣為背景,流通池光程設(shè)為5mm。1.4校正、多元散射校正、標準正交變換、sots活性、血清剝削指標采用偏最小二乘法(PLS法)建立酸價和過氧化值定量模型。光譜預(yù)處理方法選擇基線校正、多元散射校正(MSC)、標準正交變換(SNV)、Norris導數(shù)平滑(NF)、Savitzky-Golay平滑(SF)、一階求導、二階求導等。模型的評價指標選擇相關(guān)系數(shù)(R)、校正標準偏差(RMSEC)和預(yù)測標準偏差(RMSEP)。1.5集光譜預(yù)測指數(shù)從市場收集不同種類和等級食用油樣品40個,采集光譜利用相應(yīng)模型預(yù)測酸價和過氧化值;依照GB/T5009.37—2003測定所有盲樣的酸價和過氧化值,對預(yù)測值和實測值進行比較分析。1.6umpie-s儀測定流通池參數(shù)近紅外光譜儀、微型蠕動泵和自動進樣盤都由Windows版多功能紅外分析平臺(universalmethodplatformforinfraredevaluation,簡稱UMPIREPro)軟件控制。UMPIREPro軟件基于微軟開發(fā),可用于WindowsXP或Windows7系統(tǒng)。該軟件是一個多功能分析平臺,它具有光譜自動采集、命名、數(shù)據(jù)分析、模型調(diào)用、結(jié)果輸出和保存等功能,還可以驅(qū)動進樣器、機械臂和蠕動泵等。定量分析時,預(yù)先設(shè)定好光譜預(yù)處理信息及建模分析方法,采集光譜后可調(diào)用模型,進行自動分析。所有測定結(jié)果可以自動保存,如分析結(jié)果、進樣參數(shù)、模型預(yù)處理參數(shù)、分析方法及操作者信息等。軟件可通過樣品設(shè)定特征吸收峰來檢查流通池中樣品是否含有氣泡等。如果檢測該吸收峰出現(xiàn)異常,就說明流通池中含有氣泡或者進樣不完全(樣品未完全充滿流通池)。軟件會自動終止運行,并提醒用戶檢查出現(xiàn)的問題。結(jié)果可以直接打印、輸出到其他軟件(如Excel、Orgrin等)作進一步分析和報告或直接輸出光譜到其他分析軟件進行分析。本文將酸價和過氧化值模型參數(shù)設(shè)置于UMPIREPro軟件中。35mL待測油樣置于40mL的進樣瓶中依次編號放入自動進樣盤中,進樣前先掃描背景光譜,機械臂通過進樣針借助蠕動泵把待測樣吸進流通池中,采集光譜,以實現(xiàn)自動化檢測。樣品光譜掃描時間約為15s,機械臂移動時間約為10s,進樣和潤洗流通池時間約為20s(相對于以約20mL的待測樣品來清洗容積約1mL的流通池,通過分析表明可以將流通池完全潤洗,達到檢測要求),一個樣品檢測時間約為45s,每小時檢測速度可達90個樣品。2結(jié)果與分析2.1合成甲基的質(zhì)譜特征圖3a為食用油原始光譜圖,光譜在8280、7074、5801~5795、5678、4663cm-1波數(shù)處有較強的吸收峰。食用油是多種脂肪酸甘油三酯的混和物,其主要為甘油基以及多種脂肪酸基,其化學成分有—CH3、—CH2、Cue5caC、O—H、Cue5caO等基團,成分較為單一,特征波段較明顯,8280cm-1處的吸收峰認為與亞甲基和甲基的二級倍頻吸收有關(guān),7200~7000cm-1間的雙峰與亞甲基第二組合頻吸收有關(guān),在6000~5500cm-1有兩個吸收峰與亞甲基組合頻譜吸收和甲基三級倍頻吸收有關(guān),4700~4600cm-1之間的吸收峰可能是雙鍵的組合頻吸收譜帶。圖3b、3c、3d分別是原始光譜經(jīng)一階求導、二階求導、一階求導+NF(15,6)處理后的圖譜,其中NF(15,6)表示段長為15,段間距為6。經(jīng)Norris平滑處理,提高分析信號的信噪比,降低噪聲對模型的影響,經(jīng)一階求導處理,去除同波長無關(guān)的漂移,強化譜帶特征、克服譜帶重疊,光譜條帶更為清晰。2.2酸價和過氧化值的建模2.2.1最佳建模條件的確定從收集的150個樣品中隨機選擇110個樣品數(shù)作為校正集樣品,其余40個為驗證集樣品,選擇不同的光譜預(yù)處理方式和光譜范圍,酸價PLS建模效果見表2,表中(9085,10192)和(6524,4823)表示采用9085cm-1,10192cm-1兩點和6524cm-1,4823cm-1兩點基線校正。由表2可知,在波數(shù)范圍為5500~4600cm-1時建模效果較為理想,這可能與O—H伸縮振動和Cue5caO伸縮振動組合頻在5290cm-1處吸收有關(guān),而酸價是衡量食用油中游離脂肪酸含量的指標,與O—H和Cue5caO基團有著密切相關(guān)。最佳建模條件為在5500~4600cm-1范圍內(nèi)光譜采用(6524,4823)兩點基線校正和標準正交變換(SNV),R達到0.9903,RMSEC達到0.082mg/g。在此建模條件下,校正集和驗證集中實測值和預(yù)測值關(guān)系分布如圖4和圖5所示。驗證集中R為0.9873,RMSEP為0.114mg/g。2.2.2使用13個數(shù)據(jù)點和1.結(jié)論收集的150個樣品中110個樣品數(shù)作為校正集樣品,40個為驗證集樣品,選擇不同的光譜預(yù)處理方式和光譜范圍,過氧化值PLS法建模結(jié)果如表3所示,表中SF(13,3)表示在13個數(shù)據(jù)點、多項式次方為3。由表3可知,在過氧化值校正集建模中,在8000~4450cm-1范圍內(nèi)采用原始光譜和Norris導數(shù)平滑+一階求導的建模效果均較好,相關(guān)系數(shù)R分別達到0.9949和0.9960,校正誤差均方根RMSEC分別為0.88mmol/kg和0.78mmol/kg,最佳建模條件為Norris導數(shù)平滑+一階求導,在此建模條件下,校正集和驗證集中實測值和預(yù)測值關(guān)系分布如圖6和圖7所示,驗證集中R為0.9958,RMSEP為0.90mmol/kg。2.3盲樣驗證結(jié)果對收集的40個盲樣,先掃描光譜,用國標方法測定樣品的酸價和過氧化值,并對預(yù)測酸價和過氧化值與實測值進行比較分析,其結(jié)果見圖8和圖9。由圖8、圖9可以看出,盲樣驗證中所得到酸價和過氧化值預(yù)測值與實測值相關(guān)方程的斜率接近于1,截距接近于0,R值均大于0.98,表明模型預(yù)測值與實測值比較接近。通過各指標的相對標準偏差計算,其值均小于10%,測定結(jié)果符合有關(guān)國標規(guī)定要求,進一步表明,近紅外自動分析儀結(jié)合連續(xù)進樣流通池自動化快速檢測食用油的酸價和過氧化值是可行的。2.4預(yù)測值與實測值配對t對酸價和過氧化值驗證集樣品進行精密度和準確度檢驗,采用t檢驗法判斷近紅外光譜法和國標法是否存在顯著性差異,對盲樣預(yù)測集樣品中40個樣品的預(yù)測值與實測值進行配對t檢驗。酸價和過氧化值相應(yīng)t值分別為2.03和-1.695,其絕對值均小于臨界值t40,0.05=2.02,說明近紅外法和國標法無明顯差異。對同一樣品進行10次光譜掃描,由模型獲得各組分含量的預(yù)測值,并得到10次測量結(jié)果的相對標準偏差(RSD),酸價和過氧化值RSD分別為1.330%和0.865%,表明方法重現(xiàn)性較好。3盲樣驗證試驗結(jié)果利用近紅外自動分析儀結(jié)合連續(xù)進樣流通池實現(xiàn)食用油酸價和過氧化值的快速檢測,建模和模型驗證結(jié)果表明:在5500~4600cm-