大豆油脂肪酸近紅外模型的建立和品質(zhì)鑒定

向娜娜， 趙江濤 ， 陳 麗， 王曉瓊， 陳 林， 夏超篤

（1.溫氏食品集團(tuán)股份有限公司，廣東云浮527400；2.農(nóng)業(yè)部動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東云浮527400）

飼料中添加油脂不僅可以增加飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且有助于改善飼料的物理性質(zhì)，提高飼料的利用效率，同時(shí)還可改善飼料的適口性，提高畜禽的生產(chǎn)性能（王鵬，2017）。隨著畜禽生產(chǎn)對(duì)能量需求越來(lái)越高，僅靠谷實(shí)類(lèi)低能量的飼料難以滿(mǎn)足，大豆油作為一種優(yōu)質(zhì)的高能飼料油， 其能值是糖類(lèi)和蛋白質(zhì)的2.25 倍，同時(shí)還能提供動(dòng)物必需的不飽和脂肪酸，具有緩解熱應(yīng)激，改善飼料適口性和飼料外觀(guān)特性等作用， 因此在畜禽飼料中被廣泛應(yīng)用（單芝丹等，2011）。 但大豆油在存放過(guò)程中，容易受光、溫度、空氣中氧的作用而發(fā)生氧化酸敗，從而影響其質(zhì)量。因此飼料企業(yè)對(duì)飼料用油脂的新鮮度控制顯得非常重要。

評(píng)價(jià)油脂新鮮度和品質(zhì)的指標(biāo)包括酸價(jià)、過(guò)氧化值、 丙二醛及脂肪酸組成等 （劉耀敏等，2012）， 大豆油中脂肪酸包括硬脂酸、 棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸5 種（譚克竹等，2007），但由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作步驟繁瑣、耗時(shí)耗力、消耗有機(jī)溶劑多、受人為因素影響大，且無(wú)法對(duì)到貨油脂進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)接收， 因此快速有效的監(jiān)控方法顯得十分重要。近紅外光譜技術(shù)可利用有機(jī)化合物在波長(zhǎng)780 ～2500 nm 的特征吸收， 分析測(cè)定物質(zhì)的組成及其組分含量，具有快速、高效、無(wú)損、無(wú)污染、可在線(xiàn)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥化工、石油等領(lǐng)域獲得空前的發(fā)展（ Tsai 等，2017；王旭峰，2013）。同時(shí)，在葵花籽油（Akkaya，2018）、茶油脂肪酸組成（何小三等，2018）、芝麻油的摻偽（劉燕德等，2012）、花生高油酸選育（張鶴，2017）及植物油脂氧化指標(biāo)的檢測(cè)中均有應(yīng)用。

本研究針對(duì)目前飼料用大豆油，對(duì)其脂肪酸組分、酸價(jià)、過(guò)氧化值等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)應(yīng)用近紅外光譜儀進(jìn)行圖譜采集、模型建立及驗(yàn)證，以期為大豆油的快速無(wú)損檢測(cè)及摻假鑒別等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 材料收集 選擇飼料用大豆油， 總計(jì)來(lái)自23 個(gè)供應(yīng)商，遍布24 個(gè)地區(qū)的310 個(gè)樣品。

1.1.2 主要儀器設(shè)備及試劑 BRUKER MATRIX-I 近紅外光譜儀、 儀器配備的鍍鋁反射塊、金屬恒溫加熱器及掃描樣品杯等； 安捷倫7890B氣相色譜儀， 配置FID 氫火焰檢測(cè)器； 天平（METTLER，ML204T），水浴鍋（歐諾，HNY-301）。

淀粉（國(guó)藥）、碘化鉀、硫代硫酸鈉、冰乙酸、三氯甲烷、石油醚、無(wú)水乙醇、氫氧化鉀、正己烷、氯乙酰、甲醇等為廣式分析純； 40 種脂肪酸甲酯單標(biāo)品（sigma）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 大豆油中酸價(jià)含量的測(cè)定 酸價(jià)含量的測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB 5009.229-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中酸價(jià)的測(cè)定》方法進(jìn)行。

1.2.2 大豆油中過(guò)氧化值含量的測(cè)定 過(guò)氧化值含量的測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB 5009.227-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過(guò)氧化值的測(cè)定》方法進(jìn)行。

1.2.3 大豆油中脂肪酸組成及其含量的測(cè)定 甲脂化方法參照Pritam 等（Sukhija 等，1988）方法，具體優(yōu)化方法為： 稱(chēng)取油樣約50 mg 置于螺口具塞試管中，加入4mL 氯乙酰-甲醇溶液，加入1mL正己烷，加入1 mL 十一烷酸甲酯溶液（1 mg/mL），塞緊內(nèi)塞蓋，擰緊螺口蓋，置于80 ℃水浴鍋水浴2.5 h，期間搖勻樣品及溶液兩次。 水浴結(jié)束后，加入5 mL 無(wú)水碳酸鉀溶液（6%），蓋回內(nèi)塞及蓋子，放入離心機(jī)以1500 r/min 轉(zhuǎn)速離心5 min，取上層溶液上機(jī)。

脂肪酸組成測(cè)定采用氣相色譜法， 色譜條件參考國(guó)標(biāo)GB 5009.168-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪酸的測(cè)定》。

1.2.4 大豆油近紅外光譜采集 大豆油近紅外光譜圖的采集采用透反射方式進(jìn)行掃描，將大豆油搖勻靜置5 ～10 min， 取出2 mL 左右油脂樣品倒入掃描杯中， 將掃描杯于恒溫加熱器中保溫30 min，待近紅外儀器預(yù)熱穩(wěn)定后 （BRUKER MATRIX-I儀器），于樣品杯中加入鍍鋁反射塊，進(jìn)行掃描（每個(gè)樣品采集2 條光譜）， 光譜掃描范圍4000 ～11500 cm，分辨率16 cm，掃描次數(shù)64，大豆油近紅外掃描光譜見(jiàn)圖1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 酸價(jià)、 過(guò)氧化值及脂肪酸含量 用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 大豆油近紅外掃描光譜圖

1.3.2 近紅外圖譜數(shù)據(jù)處理 310 個(gè)大豆油樣品，BRUKER MATRIX-I 儀器采用OPUS 8.1 軟件中各種光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行校正，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果確定最佳的定標(biāo)參數(shù)設(shè)置。光譜基線(xiàn)校正： 矢量歸一化（SNV） 和多元散射校正（MSC）等；數(shù)學(xué)處理：導(dǎo)數(shù)處理和平滑處理兩種方法。 導(dǎo)數(shù)處理又分一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)處理；平滑又分移動(dòng)窗口平滑和S-G 卷積平滑。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆油常規(guī)指標(biāo)及脂肪酸組分結(jié)果 310 份大豆油樣本，常規(guī)指標(biāo)酸價(jià)、過(guò)氧化值及5 種脂肪酸組分的平均值、 標(biāo)準(zhǔn)偏差及標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布偏度見(jiàn)表1。過(guò)氧化值、棕櫚酸及亞油酸含量的變化范圍波動(dòng)較大， 除了過(guò)氧化值和棕櫚酸標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布偏度大于1 外， 其他常規(guī)指標(biāo)及脂肪酸數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。

表1 大豆油化學(xué)組分平均值及標(biāo)準(zhǔn)分布

2.2 建模參數(shù)及模型構(gòu)建 參數(shù)對(duì)近紅外模型的建立有著至關(guān)重要的影響，包括譜區(qū)范圍、預(yù)處理方法（ 基線(xiàn)校正、數(shù)學(xué)處理） 及最優(yōu)主因子數(shù)的選擇等，均會(huì)影響近紅外模型構(gòu)建的質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)大豆油模塊采用偏最小二乘法 （PLS）化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行建模，酸價(jià)參與建模樣品260個(gè)， 預(yù)測(cè)集40 個(gè)，10 個(gè)為剔除值， 主因子數(shù)為8；過(guò)氧化值模塊參與建模樣品252 個(gè)，預(yù)測(cè)集42 個(gè)，16 個(gè)為剔除值，主因子數(shù)為8； 大豆油脂肪酸組分光譜處理方式均選擇一階導(dǎo)數(shù)+SNV，保證建模的穩(wěn)定性，參與建模樣品258 個(gè)，預(yù)測(cè)集40 個(gè)，12 個(gè)為剔除值，主因子數(shù)和光譜范圍見(jiàn)表2。

表2 大豆油化學(xué)組分預(yù)測(cè)模型的建模參數(shù)

2.3 大豆油酸價(jià)、過(guò)氧化值及脂肪酸近紅外模型的評(píng)估

2.3.1 指標(biāo)評(píng)估 對(duì)建立的大豆油幾種新鮮度和品質(zhì)指標(biāo)的近紅外模型進(jìn)行評(píng)估， 通?？梢詮膬?nèi)部驗(yàn)證及外部驗(yàn)證兩方面進(jìn)行。 從表3 可以看出， 大豆油常規(guī)指標(biāo)和脂肪酸組分模型決定系數(shù)均接近1 ，其中酸價(jià)、過(guò)氧化值及亞油酸的模型決定系數(shù)R2＞0.9，內(nèi)部交叉驗(yàn)證均方根誤差（RMSECV）與 外部驗(yàn)證均方根誤差（RMSEP）數(shù)值接近，且兩者均較理想。這表明該模型具有較好的穩(wěn)定性及預(yù)測(cè)能力， 用該模型預(yù)測(cè)類(lèi)似樣品可以得到較好的預(yù)測(cè)效果。

表3 大豆油化學(xué)組分預(yù)測(cè)模型的評(píng)估指標(biāo)

2.3.2 內(nèi)部驗(yàn)證 由圖2 ～8 可知， 內(nèi)部交叉驗(yàn)證得到各化學(xué)組分交叉驗(yàn)證均方根誤差（ RMSECV）值較小且對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)R2均接近1， 整體樣品分布均勻，比較集中地分布在中心線(xiàn)附近。 這表明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較接近，模型較穩(wěn)定強(qiáng)健。

圖2 大豆油酸價(jià)內(nèi)部交叉驗(yàn)證結(jié)果

圖3 大豆油過(guò)氧化值內(nèi)部交叉驗(yàn)證結(jié)果

圖4 大豆油棕櫚酸內(nèi)部交叉驗(yàn)證結(jié)果

圖5 大豆油硬脂酸內(nèi)部交叉驗(yàn)證結(jié)果

圖6 大豆油油酸內(nèi)部交叉驗(yàn)證結(jié)果

圖7 大豆油亞油酸內(nèi)部交叉驗(yàn)證結(jié)果

圖8 大豆油亞麻酸內(nèi)部交叉驗(yàn)證結(jié)果

2.3.3 外部驗(yàn)證 為了更直觀(guān)地考察模型的預(yù)測(cè)能力、 準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性， 對(duì)模型進(jìn)行外部驗(yàn)證。 本實(shí)驗(yàn)7 個(gè)化學(xué)組分模型分別隨機(jī)挑選未參與建模的30 個(gè)樣品，對(duì)其近紅外預(yù)測(cè)值和化學(xué)測(cè)定值進(jìn)行分析， 相關(guān)準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。 未參與建模樣品預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值非常接近，大豆油脂肪酸平均相對(duì)偏差均小于4% ，酸價(jià)和過(guò)氧化值平均相對(duì)偏差大于5%，這主要?dú)w因于酸價(jià)和過(guò)氧化值含量較低， 較小的偏差導(dǎo)致相對(duì)偏差值較大，但結(jié)果均在合理范圍內(nèi)。 進(jìn)行配對(duì)- t 檢驗(yàn)結(jié)果分析得出，NIR 法與化學(xué)檢測(cè)值得到的結(jié)果沒(méi)有顯著性差異（ 查t 分布表，當(dāng)顯著水平α = 0.05，自由度f(wàn) = 29 時(shí)，t 0.05，29 =2.045） ，綜合以上結(jié)果可知，7 種化學(xué)組分模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較理想。

2.4 大豆油脂肪酸的摻假鑒別 根據(jù)不同脂肪酸國(guó)標(biāo)、法國(guó)《飼料成分與營(yíng)養(yǎng)價(jià)值表INRA》、美國(guó) 《NUTRIENT REQUIREMENTS OF SWINE》及國(guó)際食品法典委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《指定的植物油法典標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)，制定油脂的特征脂肪酸參考標(biāo)準(zhǔn)，如表5 所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)在近紅外光譜儀上傳油脂的定標(biāo)模型， 同時(shí)在油脂的定標(biāo)模型中設(shè)置脂肪酸的上下限。 正常的大豆油特征脂肪酸棕櫚酸參考標(biāo)準(zhǔn)為8.0 ～13.5 g/100 g， 亞油酸為48.0 ～59.0 g/100 g，按照設(shè)定的掃描方式，在近紅外光譜儀分別掃描大豆油1 ～10 號(hào)樣品，結(jié)果數(shù)據(jù)如表6 所示。 大豆油編號(hào)3 及10 號(hào)樣品，脂肪酸檢測(cè)結(jié)果均在正常范圍內(nèi)，可判定為合格； 而編號(hào)為1、2、4、5、6、7、8 及9 中棕櫚酸和亞油酸近紅外預(yù)測(cè)結(jié)果均不在參考標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可懷疑該大豆油存在摻假情況，從而及時(shí)做到油脂的監(jiān)控。

3 結(jié)論

大豆油新鮮度指標(biāo)酸價(jià)、 過(guò)氧化值及特征脂肪酸含量進(jìn)行NIR 定標(biāo)，在保證化學(xué)檢測(cè)值及光譜掃描準(zhǔn)確的前提下， 利用OPUS 8.1 定標(biāo)軟件，對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理，剔除異常光譜和異常值，應(yīng)用PLS 建立NIR 模型。 通過(guò)內(nèi)部交叉驗(yàn)證和外部驗(yàn)證，校正均方差與預(yù)測(cè)均方差數(shù)值接近，除過(guò)氧化值外，均＜0.5，決定系數(shù)R2在0.9 左右，表明建立的模型具有較好的預(yù)測(cè)能力及準(zhǔn)確性。 通過(guò)配對(duì)- t 檢驗(yàn)樣本分析可以得出，NIR 法與化學(xué)檢測(cè)值結(jié)果無(wú)顯著性差異， 近紅外定量分析技術(shù)能較好地應(yīng)用于大豆油新鮮度指標(biāo)及脂肪酸組分等化學(xué)指標(biāo)預(yù)測(cè)。

本文同時(shí)應(yīng)用特征脂肪酸組分含量與各數(shù)據(jù)庫(kù)脂肪酸標(biāo)準(zhǔn)建立大豆油特征脂肪酸的參考標(biāo)準(zhǔn)，能夠快速鑒別大豆油的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，旨在為到廠(chǎng)大豆油的快速檢測(cè)和摻假鑒別提供快速、 準(zhǔn)確的方法， 從而保障油脂來(lái)源的穩(wěn)定性， 保質(zhì)保價(jià)，降低飼料成品隱患，保證飼料供應(yīng)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定、安全。

表4 大豆油未參與建模樣品預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較

表5 大豆油特征脂肪酸參考標(biāo)準(zhǔn) g/100 g

表6 異常豆油近紅外脂肪酸預(yù)測(cè)結(jié)果g/100 g