利用傅里葉變換紅外光譜法分析燕麥片的品質(zhì)

周旭章 彭 昕 張慧恩 蔡 艷

(浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院1，寧波 315100)

(浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校2，寧波 315100)

利用傅里葉變換紅外光譜法分析燕麥片的品質(zhì)

周旭章1彭 昕2張慧恩1蔡 艷1

(浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院1，寧波 315100)

(浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校2，寧波 315100)

為了建立一種快速、無損的鑒定市場所銷售的燕麥片的品質(zhì)鑒定分析方法，對寧波市超市所銷售的品牌1～品牌8的燕麥片商品進(jìn)行了抽樣，采取傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)進(jìn)行定性分析。結(jié)果表明，通過紅外光譜圖和特征峰之間的比較，可以分析出燕麥中含有的營養(yǎng)成分及其含量高低;結(jié)合二階導(dǎo)數(shù)譜能把紅外圖譜中重疊的峰區(qū)分開來，增大譜圖的分辨率，使分析更加精細(xì)準(zhǔn)確;利用熱微擾法測定燕麥紅外光譜及其二維相關(guān)紅外光譜可以判斷燕麥的熱穩(wěn)定性。因此，傅里葉變換紅外光譜法是一種快速、無損的鑒定燕麥片品質(zhì)的分析方法。

燕麥 傅里葉變換紅外光譜法 二階導(dǎo)數(shù)譜 二維相關(guān)紅外光譜

傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)一是種非常普遍的分析方法，具有宏觀整體鑒定復(fù)雜體系的優(yōu)點(diǎn)及無損快速檢測的特點(diǎn)，逐漸被用于動植物與食品的真?zhèn)舞b別［1－3］。二維紅外光譜(2D －IR)是由 Noda于1986年提出的［4－5］，二維紅外光譜通過研究基團(tuán)之間的相關(guān)性，不僅提高了紅外譜圖的分辨率，而且利用體系動態(tài)譜圖提供的結(jié)構(gòu)微弱變化信息來研究成分或基團(tuán)之間的相互作用，已被人們用來研究物質(zhì)的熱擾動過程［6－10］。本文利用傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)對市售的品牌1～品牌8的燕麥片進(jìn)行品質(zhì)分析，以期建立一種快速、無損的鑒定市售燕麥片的品質(zhì)分析方法。

1 材料與方法

1．1 材料與儀器

燕麥片:市售;溴化鉀:光譜純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

VERTEX70型傅里葉紅外光譜儀:德國布魯克公司;HY－12型壓片機(jī):天津光學(xué)儀器廠。

1．2 試驗方法

稱取干燥的燕麥片20 mg與1．2 g KBr混合，研磨至500目;稱取120 mg樣品與KBr混合粉末，將其放入壓模中，用壓機(jī)壓片，壓力約為20 000 psi，保持1～2 min，得到0．5～1 mm厚的透明片。

開啟布魯克VERTEX70傅里葉紅外光譜儀，預(yù)熱25 min，選定波數(shù)范圍400～4 000 cm－1，分辯率4 cm－1，光闌設(shè)置8 mm，掃描時間16 s。作背景掃描后，將樣品溴化鉀片放入樣品架，再放入樣品腔中進(jìn)行掃描，得到紅外光譜圖。利用可加熱的紅外光譜樣品池，將可加熱池調(diào)節(jié)與控制不同溫度，即可得到不同溫度下的紅外光譜圖。

2 結(jié)果與討論

2．1 市售燕麥的紅外光譜

抽取寧波市超市所經(jīng)銷的中檔燕麥片:品牌1～品牌8，其主要營養(yǎng)成分指標(biāo)如表1所示。利用布魯克VERTEX70傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測定，得到紅外光譜如圖1所示。

表1 燕麥片樣品主要營養(yǎng)成分指標(biāo)

圖1 燕麥片紅外光譜圖

2．2 燕麥片紅外特征吸收峰及其主要營養(yǎng)成分

燕麥片的紅外光譜主要體現(xiàn)在脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物這三大營養(yǎng)物質(zhì)方面。脂肪的特征峰為(2 926±1)cm－1處CH2的伸縮振動和(1 746±1)cm－1處C=O的伸縮振動;蛋白質(zhì)的特征峰為1 680～1 630 cm－1對應(yīng)的酰胺Ⅰ帶C=O吸收峰和1 570～1 510 cm－1對應(yīng)的酰胺Ⅱ帶的N－H和C－N吸收峰;碳水化合物的特征峰為3 800～3 200 cm－1區(qū)的O－H伸縮振動和1 200～1 030 cm－1處C－O伸縮振動峰、930～900 cm－1處和785～755 cm－1處的環(huán)振動峰。由圖1可知，不同品牌之間的燕麥片紅外吸收峰位置都基本上相同，只是吸收強(qiáng)度有差異。將實驗所測得的8種燕麥片在營養(yǎng)成分特征峰處的相對吸收強(qiáng)度值列入表2。

表2 不同燕麥片營養(yǎng)成分特征峰相對吸收強(qiáng)度

由圖1與表2可知，通過比較vCH2(2 926±1)cm－1相對吸收強(qiáng)度與 vC=O1 680～1 630 cm－1相對吸收強(qiáng)度比值大小，所檢測的8種燕麥片都屬于低脂燕麥片，其中品牌8、品牌1、品牌7與品牌5脂含量較低，與燕麥片商品的包裝袋上的標(biāo)稱值基本相符。

由圖1與表2還可以看出，在1 156～1 153 cm－1、1081 ～1079 cm－1和 1023 ～ 1018 cm－1處都有十分明顯的3個強(qiáng)吸收峰，其相對強(qiáng)度僅次于vO－H3 800～3200 cm－1，這是由兩種C—O鍵的伸縮振動所引起的，其中一種是屬于C—O—H的，另一種是糖環(huán)的C—O—C;1156～1153 cm－1為吡喃糖環(huán)內(nèi)醚的C—O—C伸縮振動;1081～1079 cm－1為吡喃糖環(huán)的C—O—H 伸縮振動;936～900 cm－1、711～707 cm－1和 580 ～575 cm－1為環(huán)糊精骨架振動;在 750 cm－1，674 cm－1附近出現(xiàn)的弱的吸收峰，表明多糖中還存在α－D－吡喃木糖。因此，所檢測的8種燕麥片中含有膳食纖維與糊精，而燕麥片商品都只標(biāo)明含有膳食纖維，而未標(biāo)明含有糊精。

2．3 燕麥片的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

由圖1可知，不同品牌之間的燕麥片紅外吸收峰位置都基本上相同，只是吸收強(qiáng)度有差異，由于吸收峰相互重疊，在指紋區(qū)峰重疊更為嚴(yán)重，很難辯別出細(xì)微差異。在這種情況下，需要借助二階導(dǎo)數(shù)譜識別。二階導(dǎo)數(shù)譜最大的優(yōu)勢能把復(fù)雜體系原來重疊的峰區(qū)分開來，增大譜圖的分辯率，如圖4所示。

圖2 品牌1與品牌6燕麥片二階導(dǎo)數(shù)譜

由圖2頂部的二條普通紅外譜線，很難辯別出品牌1與品牌6的差異，也很難看出指紋區(qū)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。圖2下部的二條二階導(dǎo)數(shù)譜分別屬于品牌1與品牌6，從這二條二階導(dǎo)數(shù)譜中可以看出，在1 154～1 019 cm－1之間出現(xiàn)差異，品牌1比品牌6多三條吸收峰。其他品牌的燕麥片二階導(dǎo)數(shù)譜，限于篇幅在此不再驁述。

2．4 熱微擾下燕麥片的紅外光譜

2．4．1 燕麥片的紅外光譜隨溫度的變化

由圖3可知，隨著溫度的升高，品牌7麥片中各成分對應(yīng)的吸收峰位置與強(qiáng)度變化不很明顯，說明該變溫過程對二者只是一種微擾，沒有引起劇烈的氧化還原反應(yīng)或熱分解反應(yīng)。各主要特征吸收峰的相對強(qiáng)度變化如表4所示。

圖3 品牌7燕麥片不同溫度下的紅外光譜

表3 品牌7燕麥片特征峰相對強(qiáng)度隨溫度的變化

從表3 可以看出，vO－H3 800 ～3 200 cm－1與 vC=O1 680～1630 cm－1分別代表碳水化合物與蛋白質(zhì)的特征吸收峰的相對強(qiáng)度，在30～60℃之間基本不變，70℃呈逐漸遞減;蛋白質(zhì)分子中的酰胺Ⅱ帶的N－ H 和 C －N 吸收峰 vC－H，C－N1 570 ～1 510 cm－1，在30～70℃之間逐步增加到最大值，70～90℃緩慢減小，110～120℃又呈增加。其原因很有可能是由于蛋白質(zhì)分子中酰胺Ⅰ帶的C=O與碳水化合物分子中的OH形成氫鍵隨著溫度的增加而增加，而蛋白質(zhì)分子中的酰胺Ⅱ帶的N－H和C－N與碳水化合物分子中的OH形成的氫鍵隨著溫度的增加，氫鍵先解離，然后增強(qiáng)，再解離。其他品牌的燕麥片都具有類似的熱微擾特性。

2．4．2 燕麥片的紅外光譜二維相關(guān)分析

對于燕麥片的微擾特性還可以進(jìn)行二維相關(guān)紅外光譜分析(2D－IR)，二維相關(guān)分析通過對一系列瞬間譜圖的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以將紅外圖上相互重疊甚至掩蓋的峰清楚的分辨出來，因為這些重疊的峰會在二維光譜的直角坐標(biāo)的平面中展開［21，22］。圖4、圖5與圖6分別表示品牌7燕麥片、品牌5燕麥片與品牌3燕麥片的二維同步相關(guān)譜，它們是基團(tuán)的紅外振動峰進(jìn)行相關(guān)分析的結(jié)果。同步相關(guān)譜圖中，主對解線上自相干峰的出現(xiàn)(由斑點(diǎn)色度深淺與面積大小來判斷)，表明所對應(yīng)的振動峰隨著熱擾的進(jìn)程而變化，如圖4、圖5與圖6中碳水化合物vO－H3800－3200 cm－1強(qiáng)自相關(guān)，其中品牌3燕麥片自相關(guān)最強(qiáng)，說明品牌3燕麥片的碳水化合物的熱穩(wěn)定性較品牌5燕麥片、品牌7燕麥片差;隨著溫度的升高，vO－H3800－3200 cm－1自相關(guān)均呈減弱趨勢，但減弱幅度最大的是品牌5燕麥片，其次是品牌3燕麥片，品牌7減弱最小，說明在高溫下品牌7燕麥片的碳水化合物的熱穩(wěn)定性較品牌5燕麥片、品牌3燕麥片差。vC－O－H1 080 ～1 079 cm－1較弱自關(guān)，隨著溫度升高，vC－O－H1 080 ～1 079 cm－1自相關(guān)減弱。

圖4～圖6中對角線相兩側(cè)交叉峰的出現(xiàn)表明對應(yīng)在Z軸與X軸上一對基團(tuán)振動峰的強(qiáng)度變化在熱擾過程中是彼此相關(guān)的，如圖中vO－H3 800～3 200 cm－1與 vC－O－H1 081 ～1 079 cm－1。圖中深蘭色表示相關(guān)強(qiáng)度等高線為正相關(guān)峰(也稱為同相交叉峰)，淺蘭色的相關(guān)強(qiáng)度等高線為負(fù)相關(guān)(也稱異相交叉峰)。當(dāng)兩個不同官能團(tuán)的振動相應(yīng)的暫態(tài)電偶極矩以同一方向發(fā)生變化時，就產(chǎn)生一個同相交叉峰;當(dāng)兩個不同官能團(tuán)的振動相應(yīng)的暫態(tài)電偶極矩發(fā)生相反方向變化時，就產(chǎn)生一個異相交叉峰。品牌7燕麥片、品牌5燕麥片與品牌3燕麥片三種燕麥片vO－H3 800 ～3 200 cm－1與 vC－O－H1 081 ～1 079 cm－1均呈正相關(guān)峰，但品牌3燕麥片與品牌7燕麥片正相關(guān)最強(qiáng)，品牌5正相關(guān)較弱，說明在30～70℃范圍內(nèi)品牌5燕麥片較為穩(wěn)定;隨著溫度的升高，這種正相關(guān)減弱，其中品牌7燕麥減弱得較少，說明在80～120℃范圍內(nèi)品牌7燕麥片較為不穩(wěn)定。在30～70℃范圍內(nèi)品牌3燕麥片與品牌7燕麥片中碳水化合物的吸收峰 vO－H3 800～3 200 cm－1與蛋白質(zhì)有吸收峰vC=O1 680～1 630 cm－1亦均呈正相關(guān)，而品牌5呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，說明品牌5燕麥片中的碳水化合物對蛋白質(zhì)的穩(wěn)定定性具有保護(hù)作用;隨著溫度的升高，在80～120℃范圍內(nèi)品牌7仍為正相關(guān)，而品牌5燕麥片與品牌3燕麥片為負(fù)相關(guān)，說明在高溫下品牌5燕麥片與品牌3燕麥片中的碳水化合物對蛋白質(zhì)的穩(wěn)定定性具有保護(hù)作用，其穩(wěn)定性增強(qiáng)，品牌7燕麥片較為不穩(wěn)定。因此，從品牌7燕麥片、品牌5燕麥片與品牌3燕麥片的二維同步相關(guān)譜分析可以證實，在熱微擾情況下，碳水化合物之間、碳水化合物與蛋白質(zhì)之間存在相互氫鍵作用，反映出這三種燕麥片中熱穩(wěn)定性最差的是品牌7燕麥片。

圖6 品牌3燕麥片二維同步相關(guān)譜

3 結(jié)論

3．1 通過對品牌1～品牌8的燕麥進(jìn)行FTIR光譜檢測，燕麥的主要紅外吸收峰有:脂肪的特征峰為(2 926±1)cm－1處 CH2的伸縮振動和(1 746 ±1)cm－1處C=O的伸縮振動;蛋白質(zhì)的特征峰為1 680～1 630 cm－1對應(yīng)的酰胺Ⅰ帶C=O吸收峰和1 570～1 510 cm－1對應(yīng)的酰胺Ⅱ帶的N－H和C－N吸收峰;碳水化合物的特征峰為3 800～3 200 cm－1區(qū)的O－H伸縮振動和1 200～1 030 cm－1處C－O伸縮振動峰、930～900 cm－1處和785～755 cm－1處的環(huán)振動峰。紅外光譜分析還表明，所檢測的8種燕麥片都屬于低脂燕麥片，其中品牌8、品牌1、品牌7與品牌5脂肪含量較低，與燕麥片商品包裝袋上的標(biāo)稱值基本相符;紅外光譜還檢測出了燕麥片中含有商標(biāo)中未標(biāo)明的糊精。因此，通過傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)，無需分離提取，可快速無損地對樣品進(jìn)行整體檢測食品中的營養(yǎng)成分，結(jié)果直觀。

3．2 通過熱微擾測定燕麥的紅外光譜與二維相關(guān)紅外光譜分析，結(jié)果表明，燕麥的蛋白質(zhì)分子中酰胺Ⅰ帶的C=O與碳水化合物分子中的OH形成氫鍵隨著溫度的增加而增加，而蛋白質(zhì)分子中的酰胺Ⅱ帶的N－H和C－N與碳水化合物分子中的OH形成的氫鍵隨著溫度的增加，氫鍵先解離，然后增強(qiáng)，再解離;從品牌7燕麥片、品牌5燕麥片與品牌3燕麥片的二維同步相關(guān)譜分析可以證實，在熱微擾情況下，碳水化合物之間、碳水化合物與蛋白質(zhì)之間存在相互氫鍵作用，反映出這三種燕麥片中熱穩(wěn)定性最差的是品牌7燕麥片。因此，通過熱微擾測定燕麥的紅外光譜與二維相關(guān)紅外光譜分析可以判斷燕麥的熱穩(wěn)定性。

3．3 不同品牌之間的燕麥片紅外吸收峰位置都基本上相同，只是吸收強(qiáng)度有差異，由于吸收峰相互重疊，在指紋區(qū)峰重疊更為嚴(yán)重，很難辯別出細(xì)微差異。在這種情況下，可以借助二階導(dǎo)數(shù)譜來識別不同品牌的燕麥差異。

［1］孫素琴，周群，梁曦云，等．七種花旗參茶包的FTIR光譜法無損鑒別［J］．光譜學(xué)與光譜分析，2002，22(4):600－602

［2］孫素琴，梁曦云，楊顯榮．6種燕窩的傅里葉變換紅外光譜法原性狀快速鑒別［J］．分析化學(xué)，2001，29(5):552 －554

［3］周穎，王麗艷，馬曉麗，等．燕麥產(chǎn)品的紅外分析與鑒定［J］．遼寧化工，2008，37(1):70 －72

［4］Isao Noda I，Dowrey A E，Marcott C．A spectrometer for measuring time2resolved infrared linear dichroism induced by a small amplitude oscillatory strain［J］．Applied Spectroscopy，1988，42(2):203 －216

［5］Isao Noda．Advance in two－ dimensional correlation spectroscopy［J］．Vibrational Spectroscopy，2004(36):143 － 165

［6］鄧月娥，周群，孫素琴．FTIR光譜法與奶粉的品質(zhì)分析［J］．光譜學(xué)與光譜分析，2005，25(12):1972 －1974

［7］秦竹，許長華，周群，等．二維相關(guān)紅外光譜與奶粉的品質(zhì)分析［J］．分析化學(xué)，2004，32(9):1156 －1160

［8］左林，孫素琴，湯俊明．二維相關(guān)紅外分析技術(shù)在“清開靈”注射劑熱穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用［J］．計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2002，19(2):95 －98

［9］Smeller L，Lubens P，F(xiàn)rank J，et al．Two － dimensional Fourier－transform infrared correla－tion spectroscopy study of high － pressure tuning protein［J］．Vibrational Spectroscopy，2000(22):119 －125

［10］Li Y M，Sun S Q，Zhou Q，et al．Identificaton of Ameri2 can ginseng from different regions using FTIR and Two－dimen2 sional correlation IR spectroscopy［J］．Vibrational Spectroscopy，2004(36):227－232．

Analysis of Oatmeal Quality by Fourier ransform Infrared Spectroscopy

Zhou Xuzhang1Peng Xin2Zhang Huien1Cai Yan1

(College of Biological and Environmental Science，Zhejiang Wanli University1，Ningbo 315000)
(Zhejiang Pharmaceutical College2，Ningbo 315000)

In order to establish a fast nondestructive method for analysis of oatmeal quality，qualities of eight brands of oatmeal from Ningbo supermarkets were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)．Results showed that the comparison of infrared spectrum and characteristic absorption peaks of different brands of oatmeal could determine the contents and composition of nutritional ingredients in oatmeals;second derivative spectrum which could identify overlapped peaks in conventional IR spectrum and increase resolution had been used to achieve more accurate and finer analysis．FTIR combined with two－dimensional correlation infrared spectrum was applied to study the thermal stability of oatmeal through mini－ heating process．In conclusion，F(xiàn)TIR could provide a fast nondestructive method for analysis of oatmeal quality．

oatmeal，F(xiàn)TIR，Second derivative spectrum，two－dimensional correlation infrared spectrum

S512．6

A

1003－0174(2011)11－0110－05

時間:2011－10－25 10:16

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www．cnki．net/kcms/detail/11．2864．TS．20111025．1016．001．html

CNKI:11 －2864/TS．20111025．1016．001

2011－04－01

周旭章，男，1958年出生，高級工程師，生物化工