溶劑萃取耦合FTIR技術(shù)快速分析食用油中微量水分的研究

楊志成 葉建晨 葉 沁 孟祥河

（杭州糧油中心檢驗監(jiān)測站1，杭州 310009）（溫州市藥品檢驗所2，溫州 325028）（浙江工業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院3，杭州 310018）

溶劑萃取耦合FTIR技術(shù)快速分析食用油中微量水分的研究

楊志成1葉建晨2，3葉 沁3孟祥河3

（杭州糧油中心檢驗監(jiān)測站1，杭州 310009）（溫州市藥品檢驗所2，溫州 325028）（浙江工業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院3，杭州 310018）

研究應(yīng)用溶劑萃取耦合傅里葉紅外光譜（FTIR）技術(shù)建立快速分析食用油中微量水分的方法。數(shù)據(jù)顯示乙腈是最佳萃取溶劑，其起始含水量＜300μg/g時對乙腈的萃取能力無明顯影響。乙腈/油脂比例為1.5～2∶1效果較佳，定量基于差譜的二階導(dǎo)數(shù)明顯優(yōu)于差譜，對于萃取水分的乙腈波譜中HOH彎曲振動1 631 cm－1最優(yōu)，靈敏度高于OH伸縮振動3 630 cm－1和3 541 cm－1。對所有測試樣品，F(xiàn)TIR法的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)卡爾費休法高度一致，并表現(xiàn)出優(yōu)良的準(zhǔn)確性和精確性（標(biāo)準(zhǔn)差～30，變異系數(shù)3%）。研究表明溶劑萃取耦合FTIR快速分析食用油中微量水分切實可行。

微量水分分析 傅里葉紅外光譜 溶劑萃取 乙腈 食用植物油

水分是油脂的重要品質(zhì)參數(shù)，不僅影響油脂的精煉，而且與儲藏穩(wěn)定性密切相關(guān)。通常油脂中含水量為0.05%～0.3%，但從油脂加工方面考慮含水量應(yīng)低于0.1%，通常為0.05%[1]。較高的水分易引起油脂水解產(chǎn)生脂肪酸，不僅易于氧化，且有利于微生物生長繁殖，進(jìn)一步造成煙點降低、異味及小分子酸、醛產(chǎn)生等問題[2]。

關(guān)于食用油含水量分析，AOCS有一系列標(biāo)準(zhǔn)方法，但各有利弊。如干燥法簡單但不精確，共沸蒸餾法較準(zhǔn)確，但靈敏度不足，不適合分析含水量小于0.05%的樣品[3]。目前最權(quán)威的含水量分析方法是卡爾·費休法，適合于含水量1～25 000μg/g的樣品。其缺點是水分以外潛在的成分會消耗滴定試劑產(chǎn)生水分，影響滴定終點及準(zhǔn)確定量。此外，由于KF試劑多樣性和儀器差異性，盡管在標(biāo)準(zhǔn)條件同一實驗室內(nèi)KF法重現(xiàn)性很好，但不同實驗室間的結(jié)果差異性顯著，使得檢測結(jié)果難以比較[4－5]。

FTIR光譜法具有高效、快速、準(zhǔn)確及環(huán)境友好的特點，作為傳統(tǒng)化學(xué)法的替代，目前已用于食用油酸價、碘價、過氧化物值的自動分析[6－8]。Chen－Man等[9]基于3 600～3 200 cm－1OH伸縮振動吸收帶，采用衰減全反射（ATR）技術(shù)分析了原棕櫚油的含水量，并嘗試應(yīng)用于棕櫚油來源皂中含水量分析。Van等[10]在潤滑油中添加二甲氧丙烷使水分定量生成丙酮，采用FTIR透射光譜技術(shù)測定生成丙酮的V（CO）吸收，間接地反映含水量。Filgueiras等[11]采用FTIR/ATR結(jié)合 PLS在3 200、3 650 cm－1、1 650 cm－1附近和900 cm－1以下波數(shù)測定石油中的含水量。FTIR光譜法雖然研究已較多，但仍然存在問題：1）研究樣品含水量仍相對較高，存在基質(zhì)吸收問題；2）檢測精密度高的方法較少，且只適合成分單一的礦物基潤滑油；3）建立精確定量模型需要大的樣本容量?；谶@些問題及國內(nèi)油脂工業(yè)的需求，建立一個高效、快速、準(zhǔn)確的食用油微量水分分析方法十分必要。本研究以大宗植物油代表精煉大豆油、卡諾拉油為研究對象，以乙腈、二甲亞砜、甲醇、乙醇為萃取溶劑，采用有機(jī)溶劑萃取耦合FTIR光譜分析技術(shù)，研究其在快速分析食用油中微量水分的能力，以期為食用油的精煉、加工、貯藏技術(shù)的改進(jìn)及品質(zhì)提升提供一定的參考和技術(shù)保證。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

精煉大豆油，卡諾拉油：市售；光譜級乙腈、二噁烷、二甲亞砜、乙醇、甲醇：美國Sigma－Aldrich公司；4?分子篩：上海化學(xué)試劑有限公司，開封后加入經(jīng)280℃預(yù)干燥5 h，于干燥環(huán)境下保藏；FTIR光譜儀：加拿大Bomem公司；光程1 000μm CaF2，311μm的ZnSe流動透射樣品池：美國加菲爾德國際晶體實驗室；卡爾費休滴定儀：上海雷磁KLS－411型微量水分分析儀。

1.2 方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)含水量油脂的制備

取適量精煉大豆油、菜籽油，添加20%的4?分子篩（經(jīng)280℃預(yù)干燥5 h）密封干燥至少15 d，得到“干”油。然后以“干”油為基礎(chǔ)，定量添加純水得到一系列準(zhǔn)確含水量的標(biāo)準(zhǔn)品。為使添加的水分能均勻分散于食用油中，試驗采用能與油/水均互溶且波譜簡單不干擾水分特征峰的二噁烷作為介質(zhì)。飽和油脂的制備采用外加過量水與食用油劇烈混合，靜置2周，3 000 r/min離心10 min，取上相密封保藏備用。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備

分別取Sigma光譜級乙腈，二甲亞砜，甲醇，乙醇等純?nèi)軇?，采? 055μm CaF2樣品池，記錄原始波譜S＿0，掃描次數(shù)32，分辨率0.5 cm－1，波譜范圍4 000～400 cm－1。同時分別取各種溶劑適量，添加純水得到20、50、100、200、500、1 000、1 500、2 000μg/g的相應(yīng)溶劑的水溶液，記錄系列標(biāo)準(zhǔn)樣品的波譜S＿std，然后做波譜減法運算即S＿std－S＿0得到差譜系列S＿dif，接著對差譜進(jìn)行二階求導(dǎo)（5，5差分法），并放大10 000倍，得到差譜的二階導(dǎo)數(shù)圖譜S＿2ndder。分別測量系列差譜S＿dif和系列二階導(dǎo)數(shù)圖譜S＿2ndder 1 590～1 700 cm－1間最大吸收峰的強(qiáng)度（H－O－H彎曲振動），將其與含水量相關(guān)，得到相應(yīng)萃取溶劑的水分標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3 卡爾費休法（KF）水分分析

參見文獻(xiàn)[12]。

1.2.4 FTIR分析樣品含水量方法及操作流程圖

分別準(zhǔn)確移取10 mL標(biāo)準(zhǔn)含水量的油脂或樣品油于30 mL具塞玻璃管中，稱重（準(zhǔn)確至0.000 1 g），添加20 mL萃取溶劑，記錄溶劑的質(zhì)量（準(zhǔn)確至0.000 1 g），密封，劇烈混合萃取 1 min，靜置 30～60 min或4 000 r/min離心10min，取上相（溶劑層），采用1 055μm CaF2樣品池記錄4 000～400 cm－1紅外光譜S3。另外同樣記錄萃取“干”油的溶劑光譜S2，操作流程如圖1所示。然后對差譜 S4進(jìn)行二階求導(dǎo)（5，5差分法），并放大10 000倍，得到差譜的二階導(dǎo)數(shù)圖譜S＿2ndder。測量系列二階導(dǎo)數(shù)圖譜S＿2ndder 1 590～1 670 cm－1間最大吸收峰的強(qiáng)度，帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線，再結(jié)合稀釋倍數(shù)即可換算出原始樣品中的含水量。

圖1 溶劑萃取/FTIR分析食用油中水分流程圖

1.2.5 方法精確性和重現(xiàn)性的評價

分析方法的精確性分別采用2個水平標(biāo)準(zhǔn)含水量的菜籽油和大豆油評價，每個樣品做5個平行樣，對比FTIR法水分測量值與標(biāo)準(zhǔn)添加值。精確性以所有測定油間的標(biāo)準(zhǔn)差和相對標(biāo)準(zhǔn)差表示。重現(xiàn)性以每隔1 d（共5次）水飽和大豆油含水量的標(biāo)準(zhǔn)差和相對標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外譜圖的分析

圖2a為典型的乙腈及萃取油脂水分后乙腈的光譜圖。乙腈中水分的吸收峰主要集中在2個區(qū)域，吸收強(qiáng)度較強(qiáng)的OH伸縮振動3 616、3 652及3 541 cm－1及吸收強(qiáng)度較弱的HOH彎曲振動1 631 cm－1（局部放大見圖2b），當(dāng)含水量較高時，由于氫鍵的作用，3 616、3 652 cm－1兩峰合并為 3 630 cm－1。純的萃取溶劑乙腈在這些區(qū)域沒有明顯的吸收，2 070 cm－1是乙腈C－N吸收的倍頻峰。萃取油脂水分的乙腈的波譜除特征峰外，1 739 cm－1處亦有一定吸收，波譜鑒定表明該吸收峰為γ（CO），說明有少量的甘油三酯被萃取進(jìn)入萃取相（由于精煉油中游離脂肪酸較少（＜0.05%），加之1 702 cm－1處（－COO）沒有明顯的吸收，因此來自游離脂肪酸的可能性很小）。當(dāng)基于2 070 cm－1作波譜減（S2－S1）得到減波譜S4（圖2c）。S4中2 070 cm－1處吸收消失，可以判斷萃取劑乙腈及其起始水分的波譜貢獻(xiàn)已被扣除，而1 739 cm－1處油脂吸收也接近基線，表明因油脂共萃取帶來的波譜貢獻(xiàn)也基本消除。因此可以認(rèn)為1 631 cm－1處的吸收基本來自樣品的水分。根據(jù)減波譜或其二階導(dǎo)數(shù)波譜（S5，圖2c）可方便地得到乙腈萃取前后的含水量變化，進(jìn)而求得原始樣品的含水量。這里值得一提的是，二階導(dǎo)數(shù)波譜中相鄰水分伸展峰拆分更清晰，峰形尖銳，峰寬變窄容易測量，而且一定程度消除了因碳?xì)滏溛找鸬幕|(zhì)吸收，因此可明顯改善分析的準(zhǔn)確度。

圖2 乙腈萃取FTIR分析大豆油中水分的典型紅外圖譜及解釋

2.2 基于不同溶劑的水分標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

符合適宜的溶劑的條件，首先應(yīng)該能與水混溶，對水分有充足的萃取力（強(qiáng)極性）以保障水分的完全萃取，同時對萃取油脂的溶解度盡量低，以減少波譜干擾。此外在水分定量特征峰處應(yīng)無干擾，溶劑中水分吸收強(qiáng)度應(yīng)適中，滿足比爾定律的范圍。據(jù)此比較了表1中所列的4種極性溶劑。

由于在1 055μm樣品池下，二甲亞砜、甲醇、乙醇水分吸收過強(qiáng)，信號與濃度不成比例，故改為311 μm樣品池。分析結(jié)果表明這4種溶劑的水分標(biāo)準(zhǔn)曲線均表現(xiàn)出優(yōu)良的線性關(guān)系，但考慮到乙腈可使用長光程的樣品池（1 055μm光程長，光譜靈敏度高），而且基本不受氫鍵影響（或影響較?。?，因此認(rèn)為其為較佳的溶劑。對于定量用的波譜來講，基于二階導(dǎo)數(shù)圖譜的標(biāo)準(zhǔn)曲線精密度明顯優(yōu)于差譜（甲醇除外），二階導(dǎo)數(shù)可使峰銳化，利于峰拆分，此外還可部分消除基質(zhì)吸收，因此表現(xiàn)出較高的分析精密度。以乙腈為萃取劑時的水分標(biāo)準(zhǔn)曲線，不論基于3 541、3 620 cm－1處 OH伸展振動還是 1 631 cm－1彎曲振動峰定量，其方差均小于10，表現(xiàn)出優(yōu)良的精密度，尤其測定二階導(dǎo)數(shù)圖譜1 631 cm－1彎曲振動峰所得標(biāo)準(zhǔn)曲線的標(biāo)準(zhǔn)差僅為3.3，故后續(xù)試驗均采用標(biāo)準(zhǔn)曲線“H2O（μg/g）＝15.04Abs＋4.10”。

2.3 不同萃取比例對分析準(zhǔn)確度的影響

以不同比例乙腈萃取分析含水量分別為285.02 μg/g及1 005μg/g的大豆油，相關(guān)結(jié)果列于表2。在乙腈萃取能力充分的前提下，萃取比例通常不會影響分析的準(zhǔn)確性。對于高含水量的大豆油（1 005 μg/g），萃取比例對分析結(jié)果影響較小，乙腈/大豆油體積比從0.5∶1提高到10∶1，測得的含水量均在可接受的誤差范圍內(nèi)。而對于低含水量的樣品，雖萃取比例增加，結(jié)果的誤差逐漸增大，這可能是因為本方法是根據(jù)萃取溶劑萃取前后含水量之差計算樣品的含水量，當(dāng)萃取比例增大時即萃取溶劑的質(zhì)量相對于被萃取的油脂樣品非常大，而樣品中含水量又很低，這時萃取的水分不會顯著改變萃取溶劑的水分濃度，因此萃取溶劑微小的變化就會造成分析結(jié)果較大的誤差。綜合考慮乙腈、油脂的比例以1.5∶1～2∶1為宜。

表1 基于不同溶劑萃取及不同波譜處理的標(biāo)準(zhǔn)曲線

表2 萃取比例的影響

2.4 乙腈起始含水量的影響

以不同起始含水量的乙腈萃取分析含水量分別為40.6μg/g及1 005μg/g的大豆油，考察其萃取能力。乙腈/大豆油體積比2∶1，每個樣品獨立分析3次，試驗結(jié)果如表3所示。

結(jié)果表明，萃取劑乙腈的起始含水量在25～250 μg/g之間，對其萃取能力及分析的準(zhǔn)確性沒有明顯的影響。商業(yè)上的色譜級乙腈水分一般在100μg/g左右，采用密閉干燥措施很容易保持其濕度，因此可完全滿足作為水分萃取劑使用。

表3 萃取劑乙腈起始含水量的影響/μg/g

2.5 FTIR法的準(zhǔn)確性及精確性研究及其與卡爾費修法的比較

試驗以食用油市場上大宗的大豆油和菜籽油為例，考察了乙腈萃取結(jié)合FTIR分析方法的有效性并與經(jīng)典的卡爾費休法做對比，結(jié)果分別列于表4、表5中。對不同含水量的大豆油、菜籽油5次獨立分析的結(jié)果表明，不論菜籽油、大豆油，低水分樣品還是高水分樣品，F(xiàn)TIR法和KF法的測定結(jié)果均表現(xiàn)出良好的一致性，同時與標(biāo)準(zhǔn)值亦十分接近，顯示出良好的準(zhǔn)確性及可重復(fù)性。這不僅說明光譜測量的優(yōu)良穩(wěn)定性，還表明乙腈萃取及波譜減運算高度的精確性和可重復(fù)性。FTIR法較小的標(biāo)準(zhǔn)差（＜10）和相對標(biāo)準(zhǔn)差（3%），表明FTIR法的精密度要略優(yōu)于卡爾費休法（標(biāo)準(zhǔn)差11.68～32.12，相對標(biāo)準(zhǔn)差2.85～5.6%），尤其測量低含水量樣品時，F(xiàn)TIR優(yōu)勢明顯。

對水飽和樣品（濃度未知）分析的時間重現(xiàn)性表明，F(xiàn)TIR法分析結(jié)果較為穩(wěn)定，其相對標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.23和3.08，略低于KF組，顯示出優(yōu)良的重現(xiàn)性。

表4 FTIR方法分析食用油水分的準(zhǔn)確性

表5 FTIR方法分析水飽和食用油含水量的重現(xiàn)性（不同時間）

3 結(jié)論

通過研究溶劑萃取然后FTIR分析的油脂微量水分快速分析技術(shù)，結(jié)果表明溶劑萃取水分同時，絕大部分油脂留在萃余相中，基質(zhì)吸收干擾少，分析精密度高，準(zhǔn)確度好，而且黏度低，可連續(xù)進(jìn)樣，通量高。此外定量分析是基于差譜（樣品與參比的差譜）二階導(dǎo)數(shù)，明顯改善了基線吸收問題增強(qiáng)了峰拆分，實現(xiàn)了食用油中微量水分的精確分析。

[1]O'brien R D.Fats and oils：formulating and processing for applications[M].CRC press，2010

[2]張繼東，張凱，楊勇，等.動植物油脂中水分測定方法的研究[J].中國油脂，2010（10）：74－77

[3]AOCSOfficialMethods and Recommended Practices of the A-merican Oil Chemists’Society[S].Campaign，IL：AOCS Press，1998，4th ed

[4]Margolis S A.Amperometric measurement of moisture in transformer oil using Karl Fischer reagents[J].Analytical Chemistry，1995，67（23）：4239－4246

[5]Margolis SA.Effect of hydrocarbon composition on themeasurement of water in oils by coulometric and volumetric Karl Fischermethods[J].Analytical Chemistry，1998，70（20）：4264－4270

[6]Pizarro C，Esteban－Díez I，Rodríguez－Tecedor S，et al.Determination of the peroxide value in extra virgin olive oils through the application of the stepwise orthogonalisation of predictors tomid－infrared spectra[J].Food Control，2013，34（1）：158－167

[7]Rao Y，Xiang B，Zhou X，et al.Quantitative and qualitative determination of acid value of peanut oil using near－infrared spectrometry[J].Journal of Food Engineering，2009，93（2）：249－252

[8]Hendl O，Howell J A，Lowery J，et al.A rapid and simple method for the determination of iodine values using derivative Fourier transform infraredmeasurements[J].Analytica Chimica Acta，2001，427（1）：75－81

[9]Rohman A，Man Y B.Analysis of water content in soap formulation using Fourier transform infrared（FTIR）spectroscopy[J].Journal of Applied Sciences Research，2009，5（7）：717－721

[10]Van De Voort FR，Sedman J，Yaylayan V，etal.Quantitative determination ofmoisture in lubricants by Fourier transform infrared spectroscopy[J].Applied Spectroscopy，2004，58（2）：193－198

[11]Filgueiras P R，Sad C，Loureiro A R，et al.Determination of APIgravity，kinematic viscosity and water content in petroleum by ATR－FTIR spectroscopy andmultivariate calibration[J].Fuel，2014，116：123－130

[12]Moisture Karl Fisher Regent AOCS officialmethod Ca 2e－84[S]，AOCSPress，5th Edition，Chsmpaign，Illinois，1997.

Establishment and Application of Solvent Extraction Coupled with FTIR Spectroscopy Method for Trace Water in Oil Analysis

Yang Zhicheng1Ye Jianchen2，3Ye Qin3Meng Xianghe3

（Hangzhou Grain and Oil Center Inspection Station1，Hangzhou 310009）（Wenzhou Institute for Drug Control2，Wenzhou 325028）（Ocean College，Zhejiang University of Technology3，Hangzhou 310018）

FTIR analysis ofmoisture in edible oils coupled with solvent extraction has been examined in the paper.The results suggested that acetonitrilewas the optimal extraction solvent.On condition being less than 300μg/g，initialmoisture in acetonitrile had no significant effect on extraction capability.The acetonitrile to edible oil ratio of 1.5～2∶1 was fit.When based on gap－segment2ndderivative processed spectra，quantitative analysis could bemore accuracy than that being based on differential spectra.It had a higher sensitivity in the 1 640 cm－1as opposed to 3 630 cm－1and 3 541 cm－1.On optimal conditions，the SD of calibration curve could be 3.3μg/g.For all the tested samples，F(xiàn)TIR results could wellmatch those determined by Karl Fishermethod，and showed fine accuracy and precision（with a SD of30 and relative standard deviation of3%）.Itwas proved that the analysis ofmoisture in edible oil by FTIR combined with solvent extraction was feasible.

trace water analysis，F(xiàn)TIR，extraction，acetonitrile，edible vegetable oil

TQ646.4

A

1003－0174（2015）10－0107－05

國家自然科學(xué)基金（31271887），浙江省科技廳公益項目（2014C32003）

2014－04－26

楊志成，男，1965年出生，工程師，糧油分析檢測

孟祥河，男，1974年出生，教授，糧油食品安全