基于傅里葉變換近紅外光譜的奶粉品質(zhì)優(yōu)劣鑒別

王 偉，張 玉?，王 楠，王君虹，朱作藝，李 雪

（1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江杭州 310021；2.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室省部共建培育基地，浙江杭州 310021；3.浙江樹人大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江杭州 310015）

基于傅里葉變換近紅外光譜的奶粉品質(zhì)優(yōu)劣鑒別

王 偉1，2，張 玉1，2?，王 楠3，王君虹1，朱作藝1，李 雪1

（1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江杭州 310021；2.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室省部共建培育基地，浙江杭州 310021；3.浙江樹人大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江杭州 310015）

為快速準(zhǔn)確地定性判別奶粉品質(zhì)的優(yōu)劣，本研究以市售的20種奶粉為試驗(yàn)樣品，分別添加4個(gè)含量梯度的大豆蛋白粉和市售淀粉，共形成160個(gè)劣質(zhì)奶粉模擬樣本。在12 500～4 000 cm－1波數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行光譜掃描，在11 870～6 030 cm－1波數(shù)范圍進(jìn)行建模，結(jié)果顯示，所建判別模型在摻假物含量1%以上的條件下，對(duì)預(yù)測(cè)集的正確判別率為100%。表明通過近紅外光譜法可提供一種快速鑒別奶粉品質(zhì)優(yōu)劣的方法。

傅里葉變換；近紅外；奶粉；品質(zhì)優(yōu)劣

奶粉的質(zhì)量安全既是重大民生問題，也是重大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)問題。提升奶粉尤其是嬰幼兒奶粉的質(zhì)量安全水平，關(guān)系到億萬家庭的幸福和國家民族的未來。現(xiàn)在消費(fèi)者對(duì)配方奶粉是否會(huì)以次充好存在潛在顧慮。奶粉中可能摻假的物質(zhì)多種多樣。利用傳統(tǒng)檢測(cè)方法，既耗時(shí)費(fèi)力，同時(shí)又可能因奶粉成分復(fù)雜、檢測(cè)參數(shù)覆蓋不全面而不能保證真假鑒別的準(zhǔn)確。近紅外光譜分析技術(shù)以其快速、多組分和無破壞性的特點(diǎn)在我國農(nóng)牧業(yè)、食品工業(yè)、石油化工等許多領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，尤其是在快速檢測(cè)方面具有深遠(yuǎn)的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間［1－3］。

有報(bào)道關(guān)于利用近紅外光譜分析技術(shù)來檢測(cè)奶制品品質(zhì)的研究［4－8］。在檢測(cè)摻假物質(zhì)方面，王右軍等［9］對(duì)鮮奶中摻入水解植物蛋白、乳清粉和植脂末進(jìn)行建模分析表明，對(duì)于鮮奶中摻入水解植物蛋白的定量檢測(cè)模型的相關(guān)系數(shù)為0.969，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差為0.456 g·kg－1；但對(duì)鮮奶中摻入乳清粉和植脂末則難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。唐玉蓮等［10］應(yīng)用近紅外光譜法進(jìn)行不同年齡段消費(fèi)者食用奶粉品種的快速鑒別。已有研究報(bào)道多集中于鮮奶質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)市售成品奶粉是否摻假和快速鑒別的研究尚未見報(bào)道。本研究擬通過近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)，建立一種能夠快速鑒別出市售奶粉是否存在摻假行為的模型，旨在為快速識(shí)別和評(píng)價(jià)特定奶粉的品質(zhì)優(yōu)劣提供幫助。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

布魯克Matrix?F型傅里葉變換近紅外光譜儀，配置可外部觸發(fā)的固體光纖探頭。

1.2 樣品制備

選購市售奶粉20種（包括不同廠家的孕婦奶粉、嬰幼兒不同階段奶粉、中老年奶粉、學(xué)生奶粉等）。20種奶粉分別稱樣20 g，添加不同比例的市售大豆蛋白粉1%，2.5%，5%和10%，形成80個(gè)劣質(zhì)奶粉模擬樣品。另外，20種奶粉分別稱樣20 g，添加不同比例的市售淀粉1%，2.5%，5%和10%，形成80個(gè)劣質(zhì)奶粉模擬樣品。

所有樣品置于透明自封袋中，將紅外光纖探頭直接插入樣品袋中進(jìn)行檢測(cè)。參數(shù)設(shè)置為掃描次數(shù)32次，分辨率4 cm－1，光譜掃描范圍12 500～4 000 cm－1。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集和處理都采用具備定性和定量等多種功能的布魯克OPUS軟件。光譜預(yù)處理方法采用二階導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)化，以歐氏距離法基于5點(diǎn)平滑進(jìn)行模型構(gòu)建，建模范圍11 870～6 030 cm－1。

2 結(jié)果與分析

2.1 奶粉和摻假奶粉的近紅外光譜分析

對(duì)原奶粉及添加大豆蛋白粉和淀粉的樣品奶粉的近紅外原始光譜分析（圖1和2）顯示，光譜圖中無法看出存在明顯區(qū)別，須借助歐氏距離法進(jìn)行定性分析，才能完成鑒別分析。

圖1 2維因子化得分圖

圖2 3維因子化得分圖

2.2 摻假奶粉品質(zhì)優(yōu)劣定性鑒別模型的建立

對(duì)20個(gè)原奶粉的每個(gè)樣品掃描3次，刪除7個(gè)異常光譜，得到53個(gè)原奶粉的近紅外光譜數(shù)據(jù)。光譜采用二階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理法，5點(diǎn)平滑，建模波數(shù)范圍為11 870～6 030 cm－1。

20個(gè)奶粉添加不同比例的市售大豆蛋白粉和淀粉，各隨機(jī)選取39個(gè)樣品作為建模數(shù)據(jù)集，剔除部分異常光譜，其余樣品中隨機(jī)選擇包括3個(gè)添加梯度的19個(gè)加大豆蛋白粉的偽劣奶粉樣品和18個(gè)添加淀粉的偽劣奶粉作為模型驗(yàn)證集。

2.3 摻假奶粉品質(zhì)優(yōu)劣定性鑒別模型的檢驗(yàn)

由2.2節(jié)模型建立時(shí)的建模數(shù)據(jù)集之外的19個(gè)加大豆蛋白粉的偽劣奶粉樣品和18個(gè)添加淀粉的偽劣奶粉作為模型驗(yàn)證集，利用2.2節(jié)所建立的模型對(duì)上述37個(gè)樣品進(jìn)行真?zhèn)蝺?yōu)劣的區(qū)分驗(yàn)證，結(jié)果顯示，所有加入淀粉和大豆蛋白粉的驗(yàn)證集樣品從5%～10%均得到準(zhǔn)確識(shí)別，正確率100%，說明添加低值物質(zhì)模擬鑒別偽劣奶粉的近紅外檢測(cè)方法可行。

2.4 摻假奶粉品質(zhì)優(yōu)劣定性鑒別模型最低檢出能力的確定

為了驗(yàn)證模型對(duì)奶粉偽劣物質(zhì)添加比例的最低檢出能力，將原奶粉中分別添加大豆蛋白粉和淀粉的樣品加入到上述模型中，得到24個(gè)加入大豆蛋白粉的模擬樣品和23個(gè)加入淀粉的模擬樣品，以2.2節(jié)建立起的模型為依據(jù)，以此樣品為待測(cè)樣品。預(yù)測(cè)結(jié)果為：模型能準(zhǔn)確區(qū)分出22個(gè)加入大豆蛋白粉的樣品，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為92%，模型能區(qū)分出18個(gè)加入淀粉的樣品，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為78%（圖3），模型對(duì)加入0.25%摻偽樣品的區(qū)分率較圖2有所下降，預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)疊加。

預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率有所下降，但仍有大部分樣品可被正確鑒別，證明0.25%是此模型檢測(cè)邊緣以外的。為此，以提高邊界值4倍作為該模型的最低檢測(cè)限，即該模型在添加1%偽劣物質(zhì)時(shí)，可對(duì)偽劣奶粉做出準(zhǔn)確鑒別和區(qū)分。

3 小結(jié)

通過對(duì)20個(gè)市售奶粉分別添加大豆蛋白粉和市售淀粉形成的160個(gè)劣質(zhì)奶粉模擬樣本進(jìn)行近紅外數(shù)據(jù)采集，在12 500～4 000 cm－1波數(shù)進(jìn)行光譜掃描，在11 870～6 030 cm－1波數(shù)范圍進(jìn)行建模。所建立模型在摻假物含量達(dá)到1%時(shí)，摻假鑒別的正確辨別率達(dá)到100%。表明通過近紅外光譜法可以提供一種快速鑒別奶粉品質(zhì)優(yōu)劣的方法。

［1］ 李民贊.光譜分析技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］ 陸婉珍.現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［3］ 黃艷.近紅外光譜技術(shù)在魚糜品質(zhì)鑒別中的應(yīng)用研究［D］.上海：上海水產(chǎn)大學(xué)，2008.

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［7］ 常敏，褚鵬蛟，徐可欣.近紅外漫反射光譜無損檢測(cè)乳粉蛋白質(zhì)的研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2007，27（1）：43－45.

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［9］ 王右軍，朱大洲，屠振華，等.CCD短波近紅外光譜快速檢測(cè)牛奶中摻假物質(zhì)的研究［J］.食品科學(xué)，2009，30（6）：135－138.

［10］ 唐玉蓮，梁逸曾，范偉，等.應(yīng)用近紅外光譜快速鑒別不同年齡段人食用的奶粉品種［J］.紅外，2010，31（1）：30－35.

（責(zé)任編輯：張瑞麟）

圖3 2維因子化得分圖

TS 252.7

A

0528?9017（2015）11?1794?02

文獻(xiàn)著錄格式：王偉，張玉，王楠，等.基于傅里葉變換近紅外光譜的奶粉品質(zhì)優(yōu)劣鑒別［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，56（11）：1794－1795，1804.

DOI 10.16178／j.issn.0528?9017.20151128

2015?09?01

浙江省自然科學(xué)基金（LY13C200015，LY15C200010，LQ13C200005）；國家自然科學(xué)基金（31401500）；農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)因子質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目（GJFP201500203）；浙江省創(chuàng)意農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心（2013E10037）

王 偉（1979－），男，內(nèi)蒙古赤峰人，副研究員，博士，從事食品質(zhì)量與安全研究工作。E?mail：wangwei5228345＠126.com。

張 玉。E?mail：zhyu7711＠gmail.com。