蜂蜜中羥甲基糠醛的近紅外光譜快速測定方法

鄭連姬，馮 璨，杜 渝，費華熙，周 燦，李 智

（1.重慶食品工業(yè)研究所，重慶 400020；2.重慶市科學技術研究院，重慶 401123）

蜂蜜中羥甲基糠醛的近紅外光譜快速測定方法

鄭連姬1，馮 璨1，杜 渝2，費華熙1，周 燦1，李 智1

（1.重慶食品工業(yè)研究所，重慶 400020；2.重慶市科學技術研究院，重慶 401123）

為實現(xiàn)蜂蜜中羥甲基糠醛的快速測定，利用近紅外（NIR）光譜分析技術結合偏最小二乘法（PLS）建立了蜂蜜中羥甲基糠醛的定量分析模型，并進行了預測。通過光譜掃描，波數(shù)范圍為7706～4009cm-1、一階導數(shù)、norris derivative平滑及10個因子數(shù)進行光譜預處理，偏最小二乘法（PLS），交叉驗證。結果表明，羥甲基糠醛定量模型的交叉驗證相關系數(shù)（Rcv2）=0.99620、交叉驗證均方差（RMSECV）=2.40；預測相關系數(shù)（Rp2）=0.99874、預測均方差（RMSEP）=2.02；預測值與測定值之間無顯著差異，該方法適用于蜂蜜中羥甲基糠醛的快速測定。

蜂蜜，近紅外光譜技術，羥甲基糠醛

Abstract：The quantitative analysis model of hydroxymethyl furfural（HMF） in honey was built based on near infrared（NIR） spectroscopy technique and partial least squares（PLS） to determine HMF quickly.NIR spectrumswhich wavelength coverage chose 7706～4009cm-1were preprocessed with first derivate（SF），Norris derivative smoothing and ten factors.The model was validated by cross-validation method.Results showed that Rcv2was 0.99620，RMSECV was 2.40，Rp2was 0.99874 and RMSEP was 2.02 in this model.NIR spectroscopy technique was applied to determine HMF quickly since there was no significant deviation between predictive values and determination values.

Key words：honey；near infrared（NIR） spectroscopy technique；hydroxymethyl furfural（HMF）

蜂蜜的成分除了葡萄糖、果糖之外還含有少量的蛋白質、氨基酸、維生素、礦物質、色素及芳香物質[1-2]。蜂蜜有潤腸通便，潤肺止咳，解毒、醫(yī)瘡、止痛，補中益氣調和諸藥，提高藥性等功效[3]。羥甲基糠醛（Hydroxymethyl furfural）是衡量蜂蜜質量的一個重要指標，反映蜂蜜新鮮程度及加工處理條件的優(yōu)劣[3]，新鮮純正的蜂蜜不含羥甲基糠醛。但隨著貯存時間的延長，蜂蜜中的六碳糖，主要是葡萄糖和果糖，在酸性條件下就會部分脫水生成羥甲基糠醛[1]。蜂蜜加工和貯存溫度能加快羥甲基糠醛生成的速度[4]。當蜂蜜中摻入轉化糖等物質，蜂蜜中也容易產(chǎn)生羥甲基糠醛[1]。此外，蜂蜜還會因被摻假而含有羥甲基糠醛。利用化學方法檢測蜂蜜中羥甲基糠醛周期長，成本高。近紅外（Near Infrared，NIR）光譜技術是一種使用簡單方便、分析快速、不破壞樣品的新型分析技術，它可以同時測定出樣品中的多種化學成分和物理參數(shù)[5]。國內外已有對蜂蜜中還原糖[6-8]和水分[7-9]、可溶性固形物含量[9]、蔗糖[8，10]、麥芽糖[11]、酸度[12]、pH[12]、淀粉酶值[7]的紅外檢測的報道，本實驗對蜂蜜中羥甲基糠醛在近紅外區(qū)域的特征吸收進行研究，得到其在近紅外特征吸收的波長范圍，并在此基礎上采用偏最小二乘法（PLS），建立近紅外光譜與蜂蜜中羥甲基糠醛含量的定量模型，以期實現(xiàn)對蜂蜜中羥甲基糠醛含量進行快速準確的預測。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蜂蜜樣本 共99個，實驗前室溫放置；結晶蜂蜜 在進行光譜采集前置于低于60℃水浴中加熱至晶體完全溶化后冷卻備用。隨機取70個樣品作為校正集，其余29個樣品作為驗證集。

Agilent1100高效液相色譜儀 美國Agilent公司，附紫外檢測器（DAD檢測器；ANTARISⅡ傅里葉變換近紅外光譜儀；TQ Analyst軟件 美國Thermo Nicolet公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品化學值的測定 依據(jù)GB/T 18932.18-2003[12]稱取攪拌均勻的10g試樣加10mL甲醇溶解，用水定容至100mL，0.45μm濾膜過濾后，SB-C18柱，高效液相色譜DAD檢測器測定97個蜂蜜樣品中羥甲基糠醛含量為建模標準值及驗證標準值。

1.2.2 樣品光譜采集 參數(shù)：掃描范圍12，000～4，000cm-1，分辨率為8cm-1，增益2，掃描次數(shù)32次。

采集：樣品攪拌均勻，離心10min去除氣泡，取10g樣品倒入專用玻璃容器內，用金箔控制樣品厚度為0.1mm，以空氣為背景，每小時掃描一次背景，采用透反射方式在約25℃下采集光譜。取掃描3次的平均光譜為樣品原始光譜。每采集完1個樣品先用自來水洗凈玻璃容器和金箔，再用蒸餾水潤洗，然后冷風吹干。

2 結果與分析

2.1 原始光譜及光譜預處理

圖1為99個樣品的原始光譜。由圖1可知，樣品原始光譜有差異，但具有相同波長吸收峰。

圖1 蜂蜜的原始光譜Fig.1 NIR spectrograms of honey

圖2 蜂蜜預處理后的光譜圖Fig.2 Processed spectrograms of honey

近紅外光譜測量過程中，經(jīng)常出現(xiàn)光譜偏移或漂移。導數(shù)處理是凈化圖譜較常用的方法，對光譜數(shù)據(jù)作導數(shù)處理時，由于噪聲信號也被放大，因此通常在導數(shù)處理之前需要對光譜數(shù)據(jù)作平滑處理。本實驗分別在TQ分析軟件自動優(yōu)化范圍基礎上優(yōu)化波長范圍，確定波長范圍為7706～4009cm-1。在7706～4009cm-1波長范圍下，一階導數(shù)加Savitzky-Golay濾波（A）、一階導數(shù)加Norris derivative濾波（B）、二階導數(shù)加Savitzky-Golay濾波（C）、二階導數(shù)加Norris derivative濾波（D），4種光譜預處理方法來比較模型，比較結果見表1。最終選擇一階導數(shù)加Norris derivative濾波（B）預處理方法。處理后的光譜，見圖2。由圖2可見，預處理后的光譜有效地消除了偏移或漂移，降低了光譜之間的差異。

表1 預處理方法比較Table 1 Comparison of pretreatment methods

2.2 模型的建立與驗證

本文利用偏最小二乘法（PLS），10個因子，以化學法檢測的結果為標準值，建立校正集樣品羥甲基糠醛近紅外光譜數(shù)據(jù)和化學值的定量模型，通過交叉驗證（Cross-Validation）的方法對模型進行驗證。模型的均方差（RMSEC）=1.38、預測均方差（RMSEP）=2.02、相關系數(shù)（R2）=0.99874；交叉驗證均方差（RMSECV）=2.40、交叉驗證相關系數(shù)（Rcv2）=0.99620。化學值與預測值定量模型的數(shù)學表達式為Y=0.997X+0.148（X為化學值，Y為預測值）；定量模型圖，見圖3。

圖3 羥甲基糠醛化學值與預測值近紅外光譜定量模型圖Fig.3 NIR spectroscopy quantitative model diagram of HMF

由圖3可見，樣品比較集中在擬合線附近，模型的預測值與化學值間呈顯著的線性相關。因此利用近紅外快速分析蜂蜜中羥甲基糠醛是可行的。

2.3 預測結果與評價

采用上述模型來預測29個樣品中羥甲基糠醛的含量，預測值與化學值結果進行t檢驗中平均值的成對二樣本分析，分析結果p值為0.1816＞0.05，表示兩種方法檢測結果無顯著性差異（p＞0.05無顯著差異，p＜0.05顯著差異），數(shù)據(jù)與統(tǒng)計結果，見表2。因此近紅外快速檢測方法應用于蜂蜜中羥甲基糠醛含量的檢測是可行的。

3 結論

本文利用NIR技術結合，10因子PLS方法，通過一階導數(shù)（first derivative）加Norris derivative濾波預處理光譜，建立了蜂蜜中羥甲基糠醛的近紅外光譜定量模型，校正模型的校正決定系數(shù)、交叉驗證系數(shù)分別為0.99874、0.99620，均方差分別為RMSEP=2.02、RMSECV=2.40，高效液相色譜法與近紅外檢測方法p＞0.05，表明該模型可用于蜂蜜羥甲基糠醛的測定。

表2 蜂蜜羥甲基糠醛含量化學值和近紅外預測值比較Table 2 Honey hydroxymethyl furfuraldehyde content near infrared chemical value and predicted value

[1]劉靜，曹煒.蜂蜜中羥甲基糠醛的研究進展[J].中國蜂業(yè)，2011，62（10）：11-12.

[2]曾哲靈，高蔭榆，薛艷輝，等.單花蜜中羥甲基糠醛生成反應動力學研究[J].食品科學，2006，27（10）：219-222.

[3]李琦智，朱敏，任德曦，等.蜂蜜的功效與應用[J].四川中醫(yī)，2004，22（1）：30-31.

[4]盧珂，曹煒，鄭建斌.加熱對蜂蜜中羥甲基糠醛含量的影響[J].西北大學學報，2006，36（2）：253-256.

[5]褚小立，袁洪福，陸婉珍.近紅外分析中光譜預處理及波長選擇方法進展與應用[J].化學進展，2004，16（4）：528-539.

[6]陳蘭珍，薛曉鋒，陳芳，等.蜂蜜中還原糖組分測定的近紅外光譜應用研究[J].食品科學，2009，30（8）：147-150.

[7]陳蘭珍，趙靜，薛曉鋒，等.一種快速定量蜂蜜品質的近紅外光譜方法：中國，10141388A[P].2009-04-22.

[8]紀淑娟，羅勻，李東華，等.蜂蜜顏色對近紅外光譜檢測模型建立的影響[J].食品工業(yè)科技，2010，31（8）：345-346.

[9]李水芳，張欣，單楊，等.近紅外光譜檢測蜂蜜中可溶性固形物含量和水分的應用研究[J].光譜學與光譜分析，2010，30（9）：2377-2380.

[10]侯瑞麗，程玉來，重騰和明.采用近紅外光譜技術檢測蜂蜜中蔗糖含量的研究[J].食品工業(yè)，2007（2）：57-58.

[11]李水芳，單楊，朱向榮，等.近紅外透射反射光譜用于檢測蜂蜜加入麥芽糖漿摻假[J].食品科技，2010，35（12）：299-303.

[12]李水芳，單楊，范偉，等.基于MCCV奇異樣本篩選和CARS變量選擇法對蜂蜜pH和酸度的近紅外光譜檢測[J].食品科學，2011，32（8）：182-185.

[13]龐國芳，劉永明，曹彥忠，等.GB/T 18932.18-2003《蜂蜜中羥甲基糠醛含量的測定方法液相色譜-紫外檢測法》中華人民共和國國家標準[S].北京：2003.

[14]李水芳，單楊，張欣，等.蜂蜜用葡萄糖溶液摻假的近紅外光譜檢測[J].食品研究與開發(fā)，2011，32（5）：114-119.

[15]梁奇峰，彭夢俠，林鵑.純蜂蜜與摻假蜂蜜的近紅外光譜鑒別研究[J].安徽農業(yè)科學，2009，37（1）：34-35.

[16]郝勇，蔡文生，邵學廣，等.復雜樣品近紅外光譜定量分析模型的構建方法[J].高等學?；瘜W學報，2009，30（1）：28-31.

[17]吳翊，李永樂，胡慶軍.應用數(shù)理統(tǒng)計[M].長沙：國防科技大學出版社，1995：79-82.

Rapid determination method of hydroxymethyl furfural in honey by near infrared spectroscopy technique

ZHENG Lian-ji1，F(xiàn)ENG Can1，DU Yu2，F(xiàn)EI Hua-xi1，ZHOU Can1，LI Zhi1
（1.Chongqing Food Technology Institute，Chongqing 400020，China；2.Chongqing Academy of Science and Technology，Chongqing 401123，China）

TS207.3

A

1002-0306（2012）16-0089-03

2012-01-10

鄭連姬（1978-），女，碩士，工程師，研究方向：食品工程。

重慶市科技攻關項目（CSTC，2009AB1173）。