基于近紅外光譜技術(shù)在線檢測(cè)AD鈣奶關(guān)鍵指標(biāo)

王建偉 ，陶飛，葉升*

1. 天津大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（天津 300072）；2. 杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司（杭州 310009）；3. 杭州中美華東制藥江東有限公司（杭州 311228）

含乳飲料生產(chǎn)過程中需要檢測(cè)飲料中的蛋白質(zhì)、酸度、糖度等關(guān)鍵指標(biāo)。目前，蛋白質(zhì)的常規(guī)檢測(cè)方法為GB 5009.5—2016中的凱氏定氮法，酸度的常規(guī)檢測(cè)方法為GB 5009.239—2016食品酸度的測(cè)定，糖度的常用檢測(cè)方法為GB/T 12143—2008飲料通用分析方法中的飲料中可溶性固形物的測(cè)定方法。這些傳統(tǒng)檢測(cè)方法普遍存在試驗(yàn)操作復(fù)雜、耗時(shí)、存在試劑消耗等缺點(diǎn)，無法實(shí)時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)過程。為避免上述不足，研究一種快速、無損、準(zhǔn)確的分析技術(shù)來實(shí)時(shí)檢測(cè)含乳飲料生產(chǎn)中的關(guān)鍵指標(biāo)顯得尤為重要。

近紅外光譜是一種分子光譜，適用于測(cè)定含C—H、N—H、O—H等含H基團(tuán)的物質(zhì)，不僅能得到分子的結(jié)構(gòu)、組成信息，還能得到樣品的物理狀態(tài)信息[1-3]。近紅外光譜分析技術(shù)具有檢測(cè)精度高、檢測(cè)速度快、綠色無損等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于食品質(zhì)量和食品安全檢測(cè)領(lǐng)域[4-7]。奶類、肉類、谷物等食品中單一成分含量的近紅外檢測(cè)方法已有諸多文獻(xiàn)報(bào)道[8-10]，但含乳飲料中蛋白質(zhì)、酸度和糖度含量的近紅外檢測(cè)方法還未見報(bào)道。AD鈣奶作為一款含乳飲料，在市場(chǎng)上有較大需求量，采用國標(biāo)方法對(duì)上述成分含量進(jìn)行檢測(cè)，需要消耗大量的人力、物力和時(shí)間。為節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率，試驗(yàn)以近紅外光譜技術(shù)為基礎(chǔ)，采用偏最小二乘回歸法建立了AD鈣奶中蛋白質(zhì)、酸度、糖度的定量檢測(cè)模型，并將近紅外在線檢測(cè)系統(tǒng)部署于生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了AD鈣奶生產(chǎn)過程中蛋白質(zhì)、酸度、糖度含量的在線檢測(cè)，為AD鈣奶實(shí)時(shí)質(zhì)量控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

AD鈣奶樣品，由杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司提供。共采集399個(gè)線下和線上樣品作為建模樣品，其中關(guān)鍵成分的含量范圍：蛋白質(zhì)0.90~1.28 g/100 g，酸度62~89 °T，糖度6.5~10.0 °Brix。上述標(biāo)準(zhǔn)樣品涵蓋了蛋白質(zhì)、酸度、糖度三個(gè)檢測(cè)指標(biāo)所有可能的測(cè)定范圍，并盡量實(shí)現(xiàn)了數(shù)值的均勻分布。

1.2 近紅外光譜掃描

采用瑞譜分析儀器（天津）有限公司生產(chǎn)的DA-5G型近紅外光譜儀采集樣品的近紅外漫反射光譜。光譜掃描范圍設(shè)置為950~1 650 nm，分辨率為5 nm，每個(gè)樣品采集時(shí)間10 s。

分別掃描了線下和線上AD鈣奶樣品的近紅外光譜數(shù)據(jù)。其中，線下樣品為人工制備，其指標(biāo)含量變化范圍較廣，主要用于建立初步的模型，使模型對(duì)正常和異常濃度的樣品皆能做出預(yù)測(cè)；線上樣品為AD鈣奶生產(chǎn)線上的樣品，其指標(biāo)含量變化范圍較窄，主要用于優(yōu)化模型，提高模型對(duì)線上樣品檢測(cè)的適用性。

在掃描AD鈣奶線下樣品時(shí)，近紅外光譜儀和石英流通池被固定在安裝支架上，光譜儀的圓形光斑照射在石英流通池中心，如圖1（A）所示。待測(cè)樣品在蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下，勻速流經(jīng)流通池，光譜儀采集樣品的漫反射光譜。AD鈣奶線上樣品的光譜數(shù)據(jù)掃描通過安裝在配料罐循環(huán)管路上的石英檢測(cè)視鏡實(shí)現(xiàn)，如圖1（B）所示。

圖1 近紅外光譜掃描示意圖

1.3 樣品標(biāo)準(zhǔn)值測(cè)定

采用GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》中的凱氏定氮法、GB 5009.239—2016《食品酸度的測(cè)定》中的酚酞指示劑法、GB/T 12143—2008《飲料通用分析方法》中的折光計(jì)法，分別測(cè)定AD鈣奶樣品中蛋白質(zhì)、酸度和糖度的含量。

1.4 近紅外光譜預(yù)測(cè)模型的建立

模型構(gòu)建：選擇波長950~1 350 nm，進(jìn)行SG（一階求導(dǎo)，5點(diǎn)平滑）、Detrending+SNV光譜預(yù)處理，采用偏最小二乘回歸法建立AD鈣奶成分參數(shù)（蛋白質(zhì)、酸度、糖度）的定量預(yù)測(cè)模型。相關(guān)數(shù)據(jù)處理采用The Unscrambler X 10.3進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 AD鈣奶中蛋白質(zhì)、酸度、糖度含量的測(cè)定

在測(cè)定AD鈣奶中蛋白質(zhì)、酸度、糖度含量過程中，為降低檢測(cè)誤差，同時(shí)也為保證近紅外檢測(cè)的準(zhǔn)確性，399份樣品的蛋白質(zhì)、酸度、糖度含量分別由同一位實(shí)驗(yàn)員操作，并保證實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度的穩(wěn)定性和試驗(yàn)操作的一致性。399份樣品的統(tǒng)計(jì)信息如表1所示。

表1 AD鈣奶樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 AD鈣奶樣品的近紅外光譜及光譜預(yù)處理

AD鈣奶樣品的原始近紅外光譜圖見圖2（A）。樣品掃描時(shí)光譜范圍設(shè)定為950~1 650 nm。采用SG（一階求導(dǎo)，5點(diǎn)平滑）、Detreing+SNV進(jìn)行光譜優(yōu)化預(yù)處理，最優(yōu)光譜區(qū)間為950~1 350 nm，光譜優(yōu)化預(yù)處理結(jié)果見圖2（B）。

圖2 樣品原始光譜圖和優(yōu)化預(yù)處理后的光譜圖

2.3 近紅外光譜模型的確立和驗(yàn)證

采用The Unscrambler X 10.3建立AD鈣奶中蛋白質(zhì)、酸度、糖度含量的預(yù)測(cè)模型，模型的性能見表2。AD鈣奶中蛋白質(zhì)含量的化學(xué)測(cè)定值與模型預(yù)測(cè)值的比較結(jié)果見圖3。蛋白質(zhì)含量預(yù)測(cè)模型的校正均方根誤差為0.011，校正決定系數(shù)為0.951，預(yù)測(cè)均方根誤差為0.012，預(yù)測(cè)決定系數(shù)為0.944。AD鈣奶中酸度的化學(xué)測(cè)定值與模型預(yù)測(cè)值的比較結(jié)果見圖4。酸度含量預(yù)測(cè)模型的校正均方根誤差為0.607，校正決定系數(shù)為0.986，預(yù)測(cè)均方根誤差為0.665，預(yù)測(cè)決定系數(shù)為0.983。AD鈣奶中糖度的化學(xué)測(cè)定值與模型預(yù)測(cè)值的比較結(jié)果見圖5。糖度含量預(yù)測(cè)模型的校正均方根誤差為0.105，校正決定系數(shù)為0.970，預(yù)測(cè)均方根誤差為0.114，預(yù)測(cè)決定系數(shù)為0.966。三種指標(biāo)所建立模型的預(yù)測(cè)精度都比較高，具有較好的應(yīng)用效果。

圖3 蛋白質(zhì)的化學(xué)測(cè)定值與模型預(yù)測(cè)值的比較

圖4 酸度的化學(xué)測(cè)定值與模型預(yù)測(cè)值的比較

圖5 糖度的化學(xué)測(cè)定值與模型預(yù)測(cè)值的比較

表2 AD鈣奶中關(guān)鍵指標(biāo)的近紅外光譜模型性能

為評(píng)估建立模型的重復(fù)性，選擇8個(gè)外部AD鈣奶樣品，進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，每個(gè)樣品重復(fù)掃描6次，計(jì)算6次掃描結(jié)果的極差。蛋白重復(fù)性極差為0.004%~0.013%，酸度重復(fù)性極差為0.321~0.831 °T，糖度重復(fù)性極差為0.102~0.157 °Brix。近紅外模型重復(fù)性極差與模型本身的預(yù)測(cè)均方根誤差相當(dāng)，表明模型較為穩(wěn)定。

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，從AD鈣奶生產(chǎn)線采集10個(gè)外部樣品，將其代入模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與化學(xué)測(cè)定值進(jìn)行比較。由表3可知，模型對(duì)AD鈣奶中蛋白質(zhì)含量的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度很好，誤差在±0.02%范圍內(nèi)。模型對(duì)酸度和糖度的預(yù)測(cè)誤差分別在±0.7 °T和±0.2 °Brix范圍內(nèi)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，近紅外模型具有較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，可用于AD鈣奶成分參數(shù)的在線檢測(cè)。

表3 模型檢測(cè)AD鈣奶關(guān)鍵指標(biāo)準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

AD鈣奶中蛋白質(zhì)、酸度、糖度含量預(yù)測(cè)模型采用SG（一階求導(dǎo)，5點(diǎn)平滑）、Detreing+SNV進(jìn)行光譜優(yōu)化預(yù)處理，建模光譜在950~1 350 nm之間。建立的蛋白質(zhì)含量預(yù)測(cè)模型的校正均方根誤差為0.011，校正決定系數(shù)為0.951，預(yù)測(cè)均方根誤差為0.012，預(yù)測(cè)決定系數(shù)為0.944。建立的酸度含量預(yù)測(cè)模型的校正均方根誤差為0.607，校正決定系數(shù)為0.986，預(yù)測(cè)均方根誤差為0.665，預(yù)測(cè)決定系數(shù)為0.983。建立的糖度含量預(yù)測(cè)模型的校正均方根誤差為0.105，校正決定系數(shù)為0.970，預(yù)測(cè)均方根誤差為0.114，預(yù)測(cè)決定系數(shù)為0.966。模型對(duì)AD鈣奶中蛋白質(zhì)含量的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度很好，誤差在±0.02%范圍內(nèi)。模型對(duì)酸度和糖度的預(yù)測(cè)誤差分別在±0.7 °T和±0.2 °Brix范圍內(nèi)。三種指標(biāo)所建立模型的預(yù)測(cè)精度都比較高，對(duì)于AD鈣奶樣品具有較好的預(yù)測(cè)效果，可用于AD鈣奶樣品中關(guān)鍵指標(biāo)的在線檢測(cè)。

此次研究結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)的效果顯著，對(duì)提高檢測(cè)效率、降低檢測(cè)成本具有重要意義。傳統(tǒng)國標(biāo)檢測(cè)蛋白質(zhì)、酸度、糖度含量耗時(shí)耗力，而近紅外光譜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、快速、無損、準(zhǔn)確的檢測(cè)，對(duì)于AD鈣奶產(chǎn)線品質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)具有重要價(jià)值，值得應(yīng)用推廣。