酸牛奶變質過程的激光光致發光光譜分析

楊 琴 （長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州434023）

牛奶作為最古老的天然飲料之一，營養價值很高，是人體鈣的最佳來源，鈣磷比例非常適當，利于鈣的吸收。酸牛奶是以新鮮的牛奶為原料，經過巴氏殺菌后再向牛奶中添加有益菌，經發酵后再冷卻灌裝的一種牛奶制品。酸牛奶不但保留了牛奶的所有優點，而且某些方面經過加工過程還揚長避短，成為更加適合于人類的營養保健品，人們食用酸牛奶已漸成習慣。然而，酸牛奶營養豐富，非常適宜多種微生物的生長繁殖，極易腐敗變質。變質的酸牛奶失去食用價值，甚至容易引起食物中毒。由于我國對于乳制品的檢測水平和力度不夠，因此使其質量安全成為人們日常生活中的隱患。近年來食品安全事故頻發一次次挑戰公眾神經，給人們敲響食品安全的警鐘，將乳制品質量檢測推到了風口浪尖上。因此，實時、快速、準確地檢測乳制品成分對提高乳制品質量具有重要的現實意義［1］。

目前對乳制品主要成分檢測最常用、最普及的方法是化學分析法，雖然較準確，但是測定過程繁瑣、操作復雜、用時較長，且受人員技術、試劑、儀器設備等諸多因素限制，只能在實驗室進行。如何簡便、快速、準確地檢測乳制品的質量已成為維護乳品安全中急需解決的任務。近幾年來，光譜測量在該領域已逐步推廣使用［2－4］。光致發光光譜是現代檢測技術中一類具有重要應用意義的光譜，可以定量測定許多物質，已成為一種很實用的分析方法［5－7］。與傳統的化學分析方法相比，光致發光光譜具有靈敏度高、檢測速度快、成本低、操作簡單、非破壞性、低能耗的優點。同時，由于發射熒光時所放出的能量比從入射光所吸收的能量略小些，發光波長比入射光的波長稍長，因此與反射光譜法相比，光致發光光譜不易受到激發光的干擾［8］。

筆者把激光光致發光光譜分析技術應用于牛奶變質過程檢驗方面，以酸牛奶為研究對象，采用北京卓立漢光儀器有限公司生產的光致發光光譜分析儀，采集600～1000nm波段的光致發光光譜信息，觀察其變質期間光譜的變化規律。同時，為了驗證激光光致發光光譜法的可信度，分析了酸牛奶的物化特性，給出酸牛奶變質伴隨的生物化學變化過程，測量了變質過程中物化參量粘度、pH值、菌落總數等指標。最后，利用最小二乘法原理對光致發光強度與物化參量值進行比較分析，建立兩者的擬合曲線，了解酸牛奶變質過程中物化特性的變化對其光譜特性的影響，從而可對酸牛奶變質過程中的結構變化進行分析及預測。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

從超市夠買10瓶新鮮的某品牌酸牛奶 （經過巴氏殺菌處理，0～5℃條件下，保質期為15d），每瓶采集5份樣品，共50份樣品。將10瓶酸牛奶置于實驗室里，使其處于實驗條件 （溫度為20～23℃，濕度為27%～31%）的相同環境下，每隔12h采集一次光譜數據。

圖1 激光光致發光光譜探測系統原理圖

1.2 儀器設備

試驗使用北京卓立漢光公司的ZLX－PL－I型光致發光光譜測量系統，如圖1所示。光源采用全固體化單頻綠光激光器，輸出波長532nm，輸出功率大于200mW；Omni－λ300型光譜儀的掃描范圍0～1200nm，分辨率0.1nm；R2949型光電倍增管的光譜響應范圍185～900nm，峰值響應波長 （400±30）nm；高壓穩壓電源0～1500V連續可調；美國SRS公司的SR830型鎖相放大器、數據采集器等。

系統的分析條件為：激光束直徑約0.5mm，激光器電流1.5A，光電倍增管所加電壓－1400V，增益32，分析波長范圍600～1000nm，掃描步距1nm，采樣速率300nm／min。每個樣本掃描50次，保存5條光譜曲線，以其平均光譜作為該樣本的原始光譜。

1.3 酸牛奶變質過程的物化參量測量

為了驗證激光光致發光光譜法的可信度，將光致發光光譜技術與牛奶變質過程的化學變化結合起來，采用理化方法結合牛奶變質過程中理化特性變化，測量了變質過程中的物化參量粘度、pH值、菌落總數等指標。試驗中，粘度的變化采用粘度計 （NDJ－8S型）直接測量讀數；pH值采用數字pH計（A301681型）測量，使用過程中應特別注意校準；菌落總數采用標準平皿菌落計數法進行測量。

2 結果與討論

2.1 激光光致發光光譜分析

采用ZLX－PL－I型光致發光光譜測量系統，采集酸牛奶樣品 （50份）的激光光致發光光譜。發現保鮮期與變質后的光致發光光譜有較大的差別，圖2所示為酸牛奶樣品的激光光致發光光譜，表1列出了其光致發光光譜與時間的對應關系，譜線1～10對應時間0～108h，間隔12h。

圖2中的光致發光譜線在752nm和851nm附近均有較強的峰，752nm處的各峰強度相當，只是隨著時間的推移，半峰寬在不斷增加；譜線的顯著變化部分集中在800～900nm波段，隨著時間的推移，該區段的譜峰強度逐漸增加，半峰寬也在不斷增加，并且峰位發生變化，特別是譜線1～3和譜線10的峰位變化最明顯。譜線1～3在700～800nm和800～900nm譜段變化都較小，可以認為24h內酸牛奶的生物化學組分在所處的測量環境條件下改變不是很大。為了確立激光光致發光方法與物化參量的相關性，在進行譜圖處理時，著重研究不同時段的峰值強度，并期望找出與物化參量的關系。

2.2 牛奶變質過程中物化參量的變化

進行光譜采集及分析后，將酸牛奶樣品在相同的實驗條件下測定粘度、pH值、菌落總數3個指標的變化，如圖3所示。在酸牛奶變質過程的初始階段，粘度和pH值得變化較小，雖然菌落總數稍有增加，但同樣表明24h以內酸牛奶受外界影響較小，生物化學組分變化幾乎沒變。隨著時間的增加，圖3（a）中酸牛奶的粘度顯著增加，圖3（b）中的pH值持續降低，圖3（c）中的菌落總數逐步增加，由于其數量級較大，因此縱坐標取對數。

表1 酸牛奶光致發光光譜與時間的對應關系

2.3 光致發光強度與物化參量值比較分析

在光致發光相對峰值強度和物化參量值的基礎上，根據最小二乘法原理，利用SPSS11.0對酸牛奶樣品的粘度、pH值、菌落總數與其光致發光相對強度分別進行擬合，擬合曲線圖如圖4所示。圖4中顯示了實驗測得的各個散點，圖4（a）為粘度與光致發光峰值強度擬合曲線，其相關系數r＝0.9833；圖4 （b）為pH值與光致發光峰值強度擬合曲線，其相關系數r＝0.9726；圖4（c）為菌落總數與光致發光峰值強度擬合曲線，同樣由于菌落總數的數量級較大，為了增強兩者的線性效果，對菌落總數取對數后再進行建模分析，其相關系數r＝0.9866。

圖3 酸牛奶變質過程的物化參量隨時間的變化

圖4 光致發光峰值強度與物化參量的擬合曲線圖

由上述比較分析結果可知，在酸牛奶樣品變質過程中，其激光光致發光光譜在851nm附近的峰值存在著明顯的變化，且該峰值相對強度與樣品的物化參量近似為線性關系，即激光光致發光相對強度與粘度、菌落總數取對數后的值的增大而增大，卻與pH值的增大而減小。其中與pH值的線性關系效果要稍差一點，與菌落總數的對數值的線性關系最好，相關系數高達0.9866，數據信息丟失較少。從而通過物化參量對激光光致發光光譜法進行了驗證，可以根據酸牛奶的激光光致發光光譜對其變質程度做出大致的判斷。

3 結 語

采用ZLX－PL－I型光致發光光譜測量系統，研究了酸牛奶變質過程的激光光致發光光譜。結果發現伴隨著酸牛奶的變質過程，其光致發光光譜在752nm和851nm附近均有較強的峰。其中在851nm附近的光譜峰存在著明顯的變化，其相對強度值與酸牛奶的物化參量粘度、pH值、菌落總數分別具有對應關系。因此可以通過檢測酸牛奶的激光光致發光光譜的方法為研究其變質過程提供了可能性。牛奶變質伴隨著極為復雜的化學變化，在此過程中其組分和結構都有很大的變化，而物化參量的變化只是其化學變化的外在表現。為了能夠將激光光致發光技術更便捷準確地應用于變質過程的檢驗，需要作進一步的研究，特別是能找到反映酸牛奶變質化學變化的關鍵核心指標，將光致發光光譜技術與牛奶變質過程的化學變化結合起來，為酸牛奶變質和食品檢驗提供一條新的技術途徑。