溫度外擾的二維相關(guān)熒光譜鑒別4種食用植物油的研究

陳 斌 張玉瑩 陸道禮 于麗燕

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1，鎮(zhèn)江 212013)(中國(guó)藥科大學(xué)高職學(xué)院2，南京 210008)

溫度外擾的二維相關(guān)熒光譜鑒別4種食用植物油的研究

陳 斌1張玉瑩1陸道禮1于麗燕2

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1，鎮(zhèn)江 212013)(中國(guó)藥科大學(xué)高職學(xué)院2，南京 210008)

采用F97S熒光分光光度計(jì)結(jié)合溫度擾動(dòng)下的二維相關(guān)熒光光譜技術(shù)，對(duì)芝麻油、棕櫚油、菜籽油和油茶籽油，進(jìn)行了快速無損的識(shí)別方法的研究，并以市售4種植物油樣品進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，4種食用植物油樣加熱后的一維熒光發(fā)射光譜譜圖在出峰數(shù)目、位置以及峰強(qiáng)度上都略有差別，而結(jié)合二維相關(guān)熒光光譜對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究時(shí)，其譜圖在自動(dòng)峰和交叉峰的出峰數(shù)目、位置以及交叉峰正負(fù)情況上區(qū)別更為清晰直觀。表明以溫度為外擾，二維相關(guān)熒光光譜能夠?qū)κ秤弥参镉瓦M(jìn)行有效區(qū)分。

食用植物油 二維相關(guān)光譜 熒光發(fā)射光譜

食用植物油是維持人體正常代謝必不可少的成分之一，是提供必需脂肪酸的主要來源，它不僅可以提高食物的口感、色澤和香味，還是促進(jìn)脂溶性維生素吸收的重要物質(zhì)。常見食用植物油主要有菜籽油、芝麻油、花生油、大豆油、油茶籽油、橄欖油等。由于其品質(zhì)及價(jià)位之間的巨大差異，不法生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者為牟取暴利進(jìn)行違法摻雜，因而對(duì)食用植物油進(jìn)行種類識(shí)別及摻雜研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

熒光光譜法在食用植物油定性分析方面具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)、試樣量少等優(yōu)勢(shì)。但是熒光光譜的峰谷都較寬，重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，并且其歸屬信息不如紅外等其他分子光譜清晰。二維相關(guān)分析的基本概念最初由理查德·恩斯在30年前提出，當(dāng)時(shí)僅應(yīng)用于核磁共振(NMR)領(lǐng)域，直到Isao Noda[1]分別在1986年、1989年、1993年就二維相關(guān)理論提出改進(jìn)，并最終形成了廣義二維相關(guān)光譜的概念，外部微擾得以從正弦波形的低頻擾動(dòng)拓展到能導(dǎo)致光譜信號(hào)變化的任何形式，如：溫度、壓力、濃度、磁場(chǎng)等。目前，二維相關(guān)分析技術(shù)在熒光光譜領(lǐng)域的研究還相對(duì)較少，尤其是在食用植物油的鑒別摻雜研究方面的應(yīng)用更是寥寥。二維相關(guān)光譜技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的一維熒光光譜法有兩大顯著優(yōu)勢(shì)[2-3]：一是將光譜信號(hào)擴(kuò)展到第二維上，大大提高了光譜分辨率：二是能通過給出不同信號(hào)峰之間的變化關(guān)系揭示各個(gè)基團(tuán)之間的關(guān)系和變化順序。因此，在田萍等[4]加熱時(shí)間為外擾鑒別4種植物油的基礎(chǔ)上，基于一維發(fā)射熒光光譜以及二維相關(guān)熒光光譜分析技術(shù)，以溫度為外擾，對(duì)4種常見植物油進(jìn)行種類的鑒別試驗(yàn)，證明各植物油二維相關(guān)譜圖差異明顯，也可用于鑒別食用植物油的種類。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

F97S熒光分光光度計(jì)(儀器外接光導(dǎo)纖維將激發(fā)光和發(fā)射光耦合到儀器上):上海棱光技術(shù)有限公司；溫度范圍為室溫～240 ℃的自制加熱附件。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用了4種采用相同熱榨方式制取的未經(jīng)脫臭等精煉處理的植物油，其制取過程中加熱環(huán)節(jié)相同。芝麻油：河南農(nóng)戶自榨；棕櫚油：寧波市出入境檢驗(yàn)檢疫局；菜籽油：江蘇農(nóng)戶自榨；油茶籽油：江西山村油脂有限公司。驗(yàn)證試驗(yàn)油樣選用市售4種植物油：江西野生油茶籽油、金龍魚菜籽油、?；逝谱貦坝秃秃沩樦ヂ橄阌?。

1.3 試驗(yàn)方法

采用F97S熒光分光光度計(jì)，在相同條件下對(duì)4種食用植物油的發(fā)射熒光光譜進(jìn)行測(cè)定和分析。測(cè)定參數(shù)：激發(fā)波長(zhǎng)405 nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍405～800 nm，掃描速度1 000 nm/min、光電倍增管電壓為650 V。

將所測(cè)油樣加入自制加熱附件中從室溫開始加熱，以10 ℃為加熱間隔進(jìn)行連續(xù)加熱，每次到設(shè)定溫度后穩(wěn)定3 min，采集熒光光譜，至240 ℃結(jié)束加熱。選取100 ℃至240 ℃油樣進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)處理，獲得連續(xù)加熱溫度為外擾的動(dòng)態(tài)光譜。利用自主研發(fā)的NISAR4.3數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)所得動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后以matlab為平臺(tái)，依據(jù)廣義二維相關(guān)理論將動(dòng)態(tài)光譜進(jìn)行相應(yīng)的二維相關(guān)計(jì)算，在繪制等高線圖譜時(shí)選取等高線參數(shù)為32。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種植物油加熱后一維熒光發(fā)射光譜分析

圖1是4種食用植物油加熱后的一維熒光發(fā)射光譜。從圖1a可以看出油茶籽油加熱后熒光發(fā)射光譜的變化規(guī)律，隨著加熱溫度的升高，油茶籽油位于444、471、672 nm處的特征熒光峰強(qiáng)度逐漸降低，509、720 nm處的譜峰逐漸消失，500 nm處出現(xiàn)了新的熒光譜峰；圖1b反映了菜籽油加熱后的熒光發(fā)射光譜變化規(guī)律，隨加熱溫度的不斷升高，其445、672 nm處的熒光譜峰強(qiáng)度逐漸降低，513、720 nm處的譜峰逐漸消失；圖1c顯示，隨加熱溫度的升高，棕櫚油位于465 nm處的熒光譜峰強(qiáng)度逐漸降低；由圖1d可知，芝麻油位于480 nm處的特征熒光峰強(qiáng)度隨加熱溫度的升高而逐漸降低，其位于666 nm處的熒光譜峰逐漸消失。這些差異表明這4種植物油中熒光物質(zhì)的組成是不同的，利用一維發(fā)射熒光光譜來對(duì)其進(jìn)行區(qū)分鑒別具有可行性。但是對(duì)于熒光光譜比較接近的油樣，如芝麻油和棕櫚油，油茶籽油和菜籽油，由于一維熒光發(fā)射光譜間差異并不大，譜圖信息也較少，區(qū)分不夠直觀，因而選用二維相關(guān)分析以加強(qiáng)譜圖信息量，加強(qiáng)植物油間的差異性，以便更直觀、清晰的鑒別出食用植物油的種類。

表1 4種植物油未加熱前熒光峰出峰信息表

圖1 4種植物油加熱后一維熒光發(fā)射光譜

2.2 4種植物油二維相關(guān)熒光光譜分析

廣義二維相關(guān)分析是利用不同外界微擾，研究體系各組分有關(guān)集團(tuán)振動(dòng)行為的差異性而提高光譜分辨率，獲得更多的信息。同步光譜關(guān)于主對(duì)角線對(duì)稱，異步光譜關(guān)于對(duì)角線反對(duì)稱，二維圖譜中的峰統(tǒng)稱為相關(guān)峰。其中位于主對(duì)角線上的稱之為自動(dòng)峰，只存在于同步圖中，由動(dòng)態(tài)信號(hào)自身相關(guān)得到，它的強(qiáng)度代表了體系對(duì)外擾的敏感程度。位于非主對(duì)角線位置處的峰則稱之為交叉峰，其值可正可負(fù)，在所觀察的外擾的變化區(qū)間內(nèi)，若在不同波長(zhǎng)處的2個(gè)峰同時(shí)增大或減小，則交叉峰為正值，反之則為負(fù)值。通過對(duì)其同步圖的出峰位置、出峰數(shù)目以及自動(dòng)峰強(qiáng)度、交叉峰正負(fù)情況的分析對(duì)它們加以區(qū)分和鑒別。

圖2 4種植物油加熱溫度外擾下二維同步相關(guān)熒光光譜圖

圖2、圖3分別表示的是4種植物油的二維同步相關(guān)熒光光譜圖及自動(dòng)峰曲線圖。其中自動(dòng)峰曲線圖是二維同步相關(guān)三維譜圖經(jīng)平面x=y縱切獲得的切面圖。由圖2、圖3、表2、表3可看出，油茶籽油和菜籽油，棕櫚油以及芝麻油在自動(dòng)峰、交叉峰譜圖出峰趨勢(shì)上有一定的相似性，但在自動(dòng)峰和交叉峰數(shù)目、自動(dòng)峰強(qiáng)度上還是有一定區(qū)別的。

圖3 4種植物油加熱溫度外擾下的自動(dòng)峰強(qiáng)度譜

油茶籽油有2個(gè)自動(dòng)峰(471 nm附近的弱峰和672 nm左右的強(qiáng)峰)和3個(gè)交叉峰2個(gè)較強(qiáng)的負(fù)交叉峰和位于的正交叉峰)。菜籽油只有一個(gè)自動(dòng)峰(672 nm附近)，雖然與油茶籽油相比，二者自動(dòng)峰出峰位置相同，但菜籽油的自動(dòng)峰強(qiáng)度明顯高于油茶籽油。另外，與油茶籽油相較，菜籽油有2個(gè)交叉峰。同時(shí)，與油茶籽油的2個(gè)交叉峰相比，其強(qiáng)度均高于油茶籽油。棕櫚油有2個(gè)自動(dòng)峰，而同步圖中未顯示出有交叉峰的存在。芝麻油存在3個(gè)自動(dòng)峰和1個(gè)弱負(fù)交叉峰，與棕櫚油相比，出峰數(shù)目和出峰位置都有較大差異。通過對(duì)4種植物油的二維同步相關(guān)熒光光譜的分析可知，它們?cè)谧詣?dòng)峰以及交叉峰的出峰位置、出峰數(shù)目和峰強(qiáng)度上都存在明顯差異，說明4種植物油所含熒光物質(zhì)基團(tuán)對(duì)溫度的敏感程度不同，從而進(jìn)一步證明4種植物油所含的熒光物質(zhì)基團(tuán)具有差異性。與一維發(fā)射熒光光譜相比二維相關(guān)光譜間的差異更明顯、直觀，譜圖信息量也有所增加。

表2 4種植物油加熱溫度外擾下自動(dòng)峰出峰信息

表3 4種植物油加熱溫度外擾下二維同步圖交叉峰出峰信息表

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

選用4種市售植物油，按照1.3方法進(jìn)行熒光光譜掃描和二維相關(guān)計(jì)算，獲得的二維同步相關(guān)熒光光譜圖如圖4所示，由圖4可以看出各植物油樣品特定的出峰位置以及出峰數(shù)目等相關(guān)信息：圖4a有3個(gè)自動(dòng)峰，分別位于471、603和672 nm處，4個(gè)交叉峰[(471,672)、(672,720)、(471,603)3個(gè)較強(qiáng)的負(fù)交叉峰和位于(650,672)的正交叉峰],雖與2.2中圖譜信息略有差異，可能是由不同廠家不同批次植物油間的差異導(dǎo)致的，但整體趨勢(shì)是相同的，故確定為油茶籽油；圖4b有一個(gè)位于672 nm處的自動(dòng)峰，有2個(gè)交叉峰[(450,672)弱負(fù)交叉峰和(650,672)的弱負(fù)交叉峰]，與圖2.2中菜籽油出峰信息相同，股確定b為菜籽油；圖4c存在2個(gè)分別位于465和800 nm處的自動(dòng)峰，無交叉峰存在，與圖2.2中棕櫚油出峰信息相同，因而確定其為棕櫚油；圖4d譜出峰信息與圖2.2中芝麻油信息相比，兩者自動(dòng)峰出峰信息一致，d油樣有3個(gè)交叉峰[(480,650)、(480，750)、(650,750)]，而芝麻油在(480,650)位置存在弱負(fù)交叉峰，故而確定其為芝麻油。所以溫度為外擾的二維相關(guān)熒光光譜能夠準(zhǔn)確鑒別出這4種植物油品種。

圖4 4種植物油加熱溫度外擾下二維同步相關(guān)熒光光譜圖

3 結(jié)論

選用油茶籽油、菜籽油、芝麻油和棕櫚油為試驗(yàn)材料，以連續(xù)加溫為外擾，采用二維相關(guān)等熒光光譜法對(duì)4種植物油加以區(qū)分鑒別進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：油茶籽油、菜籽油、芝麻油和棕櫚油這4種食用植物油加熱后其一維熒光光譜的出峰信息略有改變，各植物油熒光峰強(qiáng)度均有降低的趨勢(shì)，并且除棕櫚油外，其它3種植物油均有個(gè)別熒光峰隨溫度的升高而消失，同時(shí)又產(chǎn)生新熒光峰的現(xiàn)象。然而在它們的二維相關(guān)熒光光譜譜圖中，其差異更明顯直觀，并且信息更豐富。具體表現(xiàn)在通過讀取譜圖信息，發(fā)現(xiàn)它們?cè)谧詣?dòng)峰及交叉峰的出峰位置、出峰數(shù)目和峰強(qiáng)度上存在明顯差異。在通過選用市售4種植物油樣品進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)表明該方法鑒別效果明顯。

以連續(xù)加溫為外擾，通過對(duì)植物油的熒光發(fā)射光譜和二維相關(guān)熒光光譜進(jìn)行有效分析，可以更快速、直觀的鑒別食用植物油。

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Four Edible Vegetable Oil with the Two-Dimensional Correlation Fluorescence of Temperature Disturbance

Chen Bin1ZhangYuying1Lu Daoli1Yu Liyan2

(College of Food and Biological Engineering, Jiangsu University1, Zhenjiang 212013)(Vocational and Technical College, China Pharmaceutical University2, Nanjing 10008)

Adopted F97S fluorospectro photometer with the two-dimensional correlation fluorescence under the temperature disturbance to conduct study of the quick and non-destructive identification method on sesame oil, palm oil, rapeseed oil and camellia seed oil Furthermore, use 4 kinds of commercially available vegetable oil samples for validation test. The results showed that, on the emission fluorescence spectra, the characteristic absorption peak of each vegetable oil varied in numbers, locations and intensities of peaks. Furthermore, when took the further study with the two-dimensional correlation fluorescence, the peak numbers, locations as well as the positive and negative situations of the cross-peaks of its atlas on auto-peaks and cross-peaks can be identified more clear and visualized. It showed that took the temperature as the disturbance, the edible vegetable oils can be effectively identified by the two-dimensional correlation fluorescence.

edible vegetable oil, two-dimensional correlation fluorescence, fluorescence emission spectrum

O657.39

A

1003-0174(2016)06-0153-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(31271874)

2014-10-22

陳斌，男，1960年出生，教授，博士生導(dǎo)師，農(nóng)產(chǎn)品快速無損檢測(cè)新技術(shù)