氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)5種動(dòng)物油進(jìn)行判別分析

王同珍，陳孝建,2，安 愛(ài)，邱思聰，王修偉，姜春寶，

陳鵬飛1，曹維強(qiáng)1,2*

(1.深圳中檢聯(lián)檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518052；2.廣東工業(yè)大學(xué) 輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006;

研究簡(jiǎn)報(bào)

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氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)5種動(dòng)物油進(jìn)行判別分析

王同珍1，陳孝建1,2，安 愛(ài)1，邱思聰1，王修偉1，姜春寶3，

陳鵬飛1，曹維強(qiáng)1,2*

(1.深圳中檢聯(lián)檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518052；2.廣東工業(yè)大學(xué) 輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006;

3.惠州出入境檢驗(yàn)檢疫局，廣東 惠州 516006)

測(cè)定了5種不同種類(lèi)動(dòng)物油(雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油)的脂肪酸組成和含量，探討了利用動(dòng)物油脂肪酸的指標(biāo)對(duì)不同種類(lèi)的動(dòng)物油進(jìn)行分類(lèi)和判別的可能性。采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)對(duì)5種動(dòng)物油脂肪酸的組成和含量進(jìn)行測(cè)定，利用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析、聚類(lèi)分析和判別分析。對(duì)5種動(dòng)物油的脂肪酸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和對(duì)比，得出動(dòng)物油的主要組成為C16∶0，C18∶0，C18∶1c-9，C18∶2c-9,12和C14∶0，這5種脂肪酸在雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油中的總含量分別為92.1%，93.5%,93.5%，90.6%和95.6%。5種脂肪酸的不飽和度均小于1。主成分分析降維得到3個(gè)主成分，利用主成分分析數(shù)據(jù)，依次進(jìn)行聚類(lèi)分析和判別分析，建立了3個(gè)動(dòng)物油典則判別函數(shù)，相關(guān)系數(shù)均大于0.995，對(duì)于雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油的初始分類(lèi)正確率和交叉驗(yàn)證正確率均為100%。

動(dòng)物油；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)；主成分分析；聚類(lèi)分析；判別分析

油脂是一大類(lèi)天然有機(jī)化合物，主要包括脂肪(甘油三酯)和類(lèi)脂(磷脂、甾醇、色素等)[1]。其中，脂肪(甘油三酯)占動(dòng)物油和植物油的95%以上[2-3]。食用油最主要的成分是脂肪酸，其組成及含量很大程度上決定了食用油的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[4-6]，也是評(píng)定食用油質(zhì)量的主要指標(biāo)[7-10]。

食用油中的脂肪酸分為飽和脂肪酸(Saturated fatty acid，SFA)、單不飽和脂肪酸(Monounsaturated fatty acid，MUFA)和多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid，PUFA)。研究表明，脂肪酸在維持身體健康方面起著重要作用[11-13]。目前食用油中脂肪酸組成和含量的研究主要集中于植物油的組成和含量，鮮有研究動(dòng)物油脂肪酸組成和含量的文獻(xiàn)報(bào)道。

本文采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)，對(duì)5種動(dòng)物油(雞油、鴨油、牛油、羊油和豬油)中的脂肪酸組成和含量進(jìn)行測(cè)定，并利用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析、聚類(lèi)分析和判別分析，建立了3個(gè)動(dòng)物油典則判別函數(shù)(相關(guān)系數(shù)均大于0.995)，對(duì)雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油的初始分類(lèi)正確率為100%，交叉驗(yàn)證正確率為100%。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

GC-7890A氣相色譜儀、質(zhì)譜儀、Autosample-7693自動(dòng)進(jìn)樣器、DB-23色譜柱(60 m×0.25 mm，0.25 μm，美國(guó)Agilent公司)。

37種脂肪酸甲酯混標(biāo)(美國(guó)Sigma-Aldrich公司)；正己烷、甲醇為色譜純；其它試劑均為分析純。對(duì)于動(dòng)物油及購(gòu)買(mǎi)的新鮮動(dòng)物脂肪，應(yīng)進(jìn)行油脂的提取。

1.2 GC-MS條件

色譜柱為DB-23石英毛細(xì)管柱(60 m×0.25 mm，0.25 μm，美國(guó)Agilent公司)；程序升溫：初始溫度130 ℃，保持1 min，以6.5 ℃/min升溫至170 ℃后再以2.75 ℃/min升至215 ℃，保持12 min，最后以40 ℃/min升至230 ℃，保持3 min；載氣為高純氦氣(99.999%)，流速：1.2 mL/min；離子源：EI源；離子源溫度：230 ℃；溶劑延遲4.5 min；掃描方式：SIM，以m/z55，67，74，79，87為選擇性離子；進(jìn)樣口溫度：260 ℃；進(jìn)樣量：1 μL；分流比：75∶1。

1.3 樣品前處理

將市購(gòu)的新鮮動(dòng)物脂肪洗凈、切塊，在自動(dòng)索氏提取器上用正己烷提取脂肪油脂，并用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀去除殘余的正己烷溶劑，將得到的動(dòng)物油油脂置于4 ℃儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

氫氧化鉀-甲醇溶液：將6.6 g KOH-CH3OH溶于50 mL無(wú)水甲醇中，輕微加熱，加入無(wú)水硫酸鈉干燥、過(guò)濾，即得澄清溶液，約為2 mol/L。

為了降低脂肪酸沸點(diǎn)以利于GC-MS分析，通常需對(duì)油脂樣品進(jìn)行脂肪酸甲酯化衍生預(yù)處理。稱(chēng)取0.060 0 g動(dòng)物油樣品于具塞試管中，加入4 mL正己烷溶解樣品(輕微加熱使油脂樣品溶解)，再加入200 μL 2 mol/L KOH-CH3OH溶液，旋渦混合30 s，室溫下反應(yīng)30 min后，靜置使溶液澄清，向溶液中加入1 g硫酸氫鈉，以中和過(guò)量的氫氧化鉀，待無(wú)機(jī)鹽沉淀后，用0.45 μm針頭式濾膜過(guò)濾，供GC-MS分析[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 脂肪酸成分的定性與定量

GC-MS聯(lián)用技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是可以利用MS數(shù)據(jù)對(duì)化合物進(jìn)行定性分析。將動(dòng)物油脂樣品的質(zhì)譜圖數(shù)據(jù)與質(zhì)譜圖檢索庫(kù)(NIST Mass Spectral Database)進(jìn)行對(duì)比，初步確定脂肪酸的種類(lèi)，再用GC色譜圖的保留時(shí)間與37種脂肪酸甲酯混合標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖的保留時(shí)間進(jìn)行比對(duì)。

對(duì)5種動(dòng)物油(雞油、鴨油、牛油、羊油和豬油)樣品進(jìn)行GC-MS分析，以MS數(shù)據(jù)和GC色譜圖的保留時(shí)間定性，面積歸一化法定量，每一樣品平行測(cè)定3次，最終數(shù)據(jù)取平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到動(dòng)物油脂肪酸的組成和含量[15]，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)物油脂肪酸的組成和含量

Table 1 The fatty acids composition and contents of animal oil

FattyacidChanterelle(%)Butter(%)Duckfat(%)Suet(%)Lard(%)C10∶0C12∶0C14∶0C14∶1C15∶0C16∶0C16∶1c-9C16∶1c-11C17∶0C17∶1C18∶0C18∶1c-9C18∶1c-11C18∶2c-9，12C18∶3c-9，12，15C20∶0C20∶1C20∶2C20∶3c-8，11，14C20∶3c-11，14，17C20∶4U/S-?0146±00051317±00210108±00030094±000242505±11520267±00074554±01030169±0004-11508±012724027±03061450±002512718±01380608±00110099±00030190±00050089±00020057±00010094±0003-07910092±00030097±00025684±01210370±00080937±000938042±10910493±00051683±00241703±00260301±000530478±100418223±02590563±00081073±00060104±00070160±0050-----02980082±00022384±00352046±00210030±00010077±000243178±11210215±00101960±00230139±0003-12334±013223829±01510795±001112106±01010449±00020099±00010180±00030052±00010019±00020026±0001-06570265±00030110±00015383±01030386±00050978±001237609±11020085±00022248±00313681±00940575±000725564±087519770±01350634±00122267±00230324±00040073±00010048±0001----03580137±00040109±00032183±0031--38986±12310132±00030955±00120399±00020083±000127082±090118260±01151185±00369049±01510393±00080255±00050321±00030315±00050033±00010085±0002-0446

*below 0.010%or no detected(低于0.010%或未檢出);U/S:ratio of unsaturated and saturated fatty acids(不飽和度);C10∶0(癸酸),C12∶0(月桂酸),C14∶0(肉豆蔻酸),C14∶1(肉豆蔻腦酸),C15∶0(十五烷酸),C16∶0(棕櫚酸),C16∶1c-9(棕櫚烯酸),C16∶1c-11(11-十六碳烯酸),C17∶0(十七烷酸)，C17∶1(順-10-十七碳烯酸),C18∶0(硬脂酸),C18∶1c-9(油酸),C18∶1c-11(11-十八碳烯酸),C18∶2(亞油酸),C18∶3(亞麻酸),C20∶0(花生酸),C20∶1(順-11-二十碳烯酸),C20∶2(順-11,14-二十碳二烯酸),C20∶3c-8,11,14(順-8,11,14-二十碳三烯酸),C20∶3c-11,14,17(順-11,14,17-二十碳三烯酸),C20∶4(花生四烯酸)

從表1可以看出，動(dòng)物油的主要脂肪酸組分相同，即動(dòng)物油主要由C16∶0，C18∶0，C18∶1c-9，C18∶2c-9,12和C14∶0 5種脂肪酸組成，其在雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油中的總含量分別為92.1%，93.5%，93.5%，90.6%和95.6%。在動(dòng)物油的5種主要脂肪酸中，包括了飽和的C14∶0，而植物油則為C18∶3c-9,12,15，可見(jiàn)動(dòng)物油以飽和脂肪酸為主要成分，而植物油以不飽和脂肪酸為主要成分[16]。從表1還可看出，不同種類(lèi)的動(dòng)物油中各脂肪酸的含量均不相同，部分脂肪酸甚至未能檢出。如棕櫚酸(C16∶0)在動(dòng)物油中的含量為37.6%～43.2%,并以在鴨油中的含量最高(43.2%)，在羊油中含量最低(僅為37.6%)。硬脂酸(C18∶0)在雞油中的含量最低(11.5%)，在牛油中的含量最高(30.5%)，可以看出硬脂酸在動(dòng)物油中的波動(dòng)范圍較大，在牛油中的含量為在雞油中的2.6倍。油酸(C18∶1c-9)具有降低低密度蛋白(Low density lipoprotein-LDL)膽固醇水平的功效[17]，亞油酸(C18∶2c-9,12)具有預(yù)防心血管疾病的功效。動(dòng)物油中油酸和亞油酸含量最高的均為雞油，分別為24.0%和12.7%，可見(jiàn)雞油在這方面的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高于其它動(dòng)物油。油酸在動(dòng)物油中的含量為18.2%～24.0%。亞油酸在動(dòng)物油中含量波動(dòng)較大，在牛油中含量最低(僅為1.1%)，而在雞油中的含量為牛油中的11.8倍。

表1結(jié)果顯示，動(dòng)物油含有C10∶0和C12∶0，這兩種脂肪酸在植物油中很少甚至未檢出。動(dòng)物油中含有少量奇數(shù)碳鏈脂肪酸，即C15∶0，C17∶0和C17∶1。這3種脂肪酸的總含量在雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油中的含量分別為0.26%，2.94%，0.22%，5.23%和0.48%，遠(yuǎn)高于植物油。不飽和度(U/S)是動(dòng)物油中總不飽和脂肪酸含量與飽和脂肪酸含量的比值。由表1可以看出，動(dòng)物油的不飽和度均小于1，其中最小為牛油(0.30)，最高為雞油(0.79)。而植物油的不飽和度均大于2[16]，因此，不飽和度可作為區(qū)分純動(dòng)物油和純植物油的重要依據(jù)，不飽和度小于1為動(dòng)物油，不飽和度大于2為植物油。

圖1 三維載荷圖Fig.1 Three-dimensional load diagram

2.2 主成分分析

利用SPSS 19.0進(jìn)行主成分分析[18-21]，同時(shí)可得前4個(gè)主成分的特征值以及貢獻(xiàn)率。從結(jié)果可知，第一和第二主成分的特征值分別為9.43和3.03，按16個(gè)主成分計(jì)算，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為77.8%[(9.43+3.03)/16×100%]，而前3個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為88.4%，可以代表原有16個(gè)變量的大部分信息，故提取前3個(gè)主成分，載荷圖如圖1所示。

從表2可看出，第1主成分與C18∶2，C16∶0，C18∶3，C18∶1c-11，C18∶1c-9負(fù)相關(guān)，與C14∶0，C15∶0，C14∶1，C18∶0，C17∶0正相關(guān)。第2主成分與C20∶0負(fù)相關(guān)，與C17∶1正相關(guān)。第3主成分與C10∶0負(fù)相關(guān)，與C16∶1正相關(guān)。

表2 主成分載荷矩陣

Table 2 Principal component loading matrix

FattyacidPrincipalcomponent1234C10∶0C12∶0C14∶0C14∶1C15∶0C16∶0C16∶1c-9C16∶1c-11C17∶0C17∶1C18∶0C18∶1c-9C18∶1c-11C18∶2c-9，12C18∶3c-9，12，15C20∶00668-0536096908910931-08910226-0548084406940889-0814-0786-0974-08560000035402440125027102780009-0475051105000690-04490507-002401400355-0926-0646-0038010903390229011908220399-0156-0050-00710226-0099-0103-0192-0324-0050-0802-010600920001-0025-01970525010001060036-00770603-0047-01300174

2.3 聚類(lèi)分析

將主成分分析得到的數(shù)據(jù)(雞油:72個(gè)樣品,牛油：90個(gè)樣品,鴨油：104個(gè)樣品,羊油：72個(gè)樣品,豬油：69個(gè)樣品)PC1，PC2和PC3，以平方歐式距離為度量準(zhǔn)則，以組間連接法(Between-group linkage)為組群合并準(zhǔn)則，用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行K均值聚類(lèi)分析[22]。聚類(lèi)數(shù)為5，最大迭代次數(shù)為25，最終在SPSS 19.0中聚類(lèi)成功,其最終聚類(lèi)結(jié)果如表3所示。

表3 最終聚類(lèi)中心

Table 3 The final cluster centers

No12345ChanterelleButterDuckfatSuetLardPC1PC2PC3-12716035330875208750-06916084461067916167-08240-03515-13909-17917-1120105066-00839

2.4 判別分析

以主成分分析得到的PC1，PC2和PC3 3個(gè)主成分作為判別分析的自變量，在K均值聚類(lèi)中得到的聚類(lèi)號(hào)作為判別分析的分組變量，進(jìn)行判別分析，得到3個(gè)典則判別式函數(shù)。其中累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為100.0%(DA1：方差48.3%,DA2：方差36.0%,DA3：方差15.7%)，且3個(gè)函數(shù)的相關(guān)性很好，r2均不小于0.995。

DA1=6.759PC1-10.556PC2+10.062PC3,r2=0.998

(1)

DA2=10.939PC1+8.416PC2+1.481PC3,r2=0.998

(2)

DA3=-4.134PC1+4.123PC2+7.102PC3,r2=0.995

(3)

圖2 判別式函數(shù)散點(diǎn)圖Fig.2 The scatterplot of discriminant function

將雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油的PC1，PC2，PC3數(shù)據(jù)代入上述方程，得到每種動(dòng)物油脂對(duì)應(yīng)的典則判別函數(shù)的判別值。因前兩個(gè)典則判別函數(shù)的累計(jì)貢獻(xiàn)達(dá)84.3%，故可用典則判別函數(shù)(1)和(2)分別作為X和Y作圖。如圖2所示，5種動(dòng)物油可區(qū)分開(kāi)，說(shuō)明判別分類(lèi)的效果良好。

利用得到的3個(gè)判別函數(shù)對(duì)407個(gè)動(dòng)物油樣品進(jìn)行判別分類(lèi)，結(jié)果如表4。從表4可以看出，判別分析對(duì)于5種動(dòng)物油407個(gè)樣品進(jìn)行分類(lèi)判別。在交叉驗(yàn)證中，分析中的每個(gè)案例均通過(guò)該案例以外的其他案例派生的函數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)初始分組案例和交叉驗(yàn)證分組案例分別進(jìn)行分析，正確率均為100%。故可用典則判別函數(shù)(1)、(2)、(3)對(duì)以上5種動(dòng)物油的未知油脂樣品進(jìn)行分析判別。

表4 分類(lèi)結(jié)果

Table 4 Results of classification

NoPredictgroupmembership12345TotalInitialCount12345720000090000001040000072000006972901047269Correctrate(%)12345100000000100000000100000000100000000100010001000100010001000CrossvalidationCount12345720000090000001040000072000006972901047269Correctrate(%)12345100000000100000000100000000100000000100010001000100010001000

3 結(jié) 論

采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)測(cè)定了5種不同種類(lèi)動(dòng)物油(雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油)的脂肪酸組成和含量，利用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析、聚類(lèi)分析和判別分析，最終建立了3個(gè)動(dòng)物油的典則判別函數(shù)，其相關(guān)系數(shù)(r2)分別為0.998，0.998和0.995。對(duì)各動(dòng)物油樣本典則判別函數(shù)的分值作圖，通過(guò)主成分分析、聚類(lèi)分析和判別分析，不同動(dòng)物油的分類(lèi)和判別效果良好。研究表明，該方法對(duì)于雞油、牛油、鴨油、羊油和豬油的初始分類(lèi)正確率為100%，交叉驗(yàn)證正確率為100%。根據(jù)動(dòng)物油脂肪酸的指標(biāo)對(duì)不同種類(lèi)的動(dòng)物油進(jìn)行分類(lèi)和判別是可行的，從而為動(dòng)物油脂肪酸圖譜庫(kù)的建立和地溝油的鑒別提供了依據(jù)。

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Discriminant Analysis of Five Kinds of Animal Oils by Gas Chromatography-Mass Spectrometry Combined with Chemometrics

WANG Tong-zhen1,CHEN Xiao-jian1,2,AN Ai1,QIU Si-cong1,WANG Xiu-wei1,JIANG Chun-bao3,CHEN Peng-fei1,CAO Wei-qiang1,2*

(1.Sino Assessment Group,Shenzhen 518052,China;2.Faculty of Chemical Engineering and Light Industry, Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;3.Huizhou Entry-Exit Inspection and Quarantine,Huizhou 516006,China)

Gas chromatography-mass spectrometry was used to determine the fatty acid compositions in five different animal oils,and chemometric methods(such as principal component analysis(PCA),cluster analysis(CA) and discriminant analysis(DA)) were applied to the obtained data.The fatty acids in five animal oils samples were investigated,and the results showed that the main compositions of animal oils were C16∶0,C18∶0,C18∶1c-9,C18∶2c-9,12 and C14∶0.Total contents of the five major fatty acids were 92.1%,93.5%,93.5%,90.6%and 95.6%corresponding to the chanterelle,butter,duck fat,suet and lard,respectively.The ratios of unsaturated and saturated fatty acids(U/S) were all less than 1 for five animal oils.Three PCs were sequentially used for CA and DA.Three discriminant functions were established and the correlation coefficients were larger than 0.995.The initial classification accuracy and cross-validation accuracy of chanterelle,butter,duck fat,suet and lard all reached up to 100%.

animal oils；gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS)；principal component analysis；cluster analysis；discriminant analysis

2015-10-13；

2015-11-20

研究簡(jiǎn)報(bào)

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.05.010

O657.63；TQ645.3

A

1004-4957(2016)05-0557-06

*通訊作者：曹維強(qiáng),博士,高級(jí)工程師,研究方向:食品安全檢測(cè),Tel:0755-2651492,E-mail:caowqciq@163.com