用近紅外光譜檢測牛奶中的三聚氰胺

1、第29卷第1期2010年2月文章編號:1001-9014(2010)01-0053-04紅外與毫米波學報Vo.l29,No.1February,2010用近紅外光譜檢測牛奶中的三聚氰胺徐 云, 王一鳴, 吳靜珠, 張小超3.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院,北京 100083)摘要:研究了用近紅外光譜法快速定性和定量檢測純牛奶中三聚氰胺.實驗分別配制了兩組不同三聚氰胺含量的純牛奶樣品,用于定性和定量分析.通過近紅外光譜與聚類分析法相結合,可將含有和不含有三聚氰胺的牛奶樣品有效分類;結合光譜預處理和波長選擇及模型優(yōu)化方法建立的檢測三聚氰胺的近紅外定量分析模型具有較好的穩(wěn)定性和預測能力.結果表明,近紅外光

2、譜分析是一種快速、方便和環(huán)保的檢測乳制品中三聚氰胺的新方法.關 鍵 詞:近紅外光譜;三聚氰胺;定性分析;定量分析中圖分類號:0657.33 文獻標識碼:A23(1.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院,北京 100083;2.北京工商大學信息工程學院,北京 100037;DETECTINGTHEMELAMINEOFPUREMILKBYNEARINFRAREDSPECTRAXUYun, WANGY-iMing, WUJing-Zhu, ZHANGXiao-Chao23(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUni

3、versity,Beijing 100083,China;2.SchoolofInformationEngineering,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing 100037,China;3.ChineseAcademyofAgriculturalMechanizationSciences,Beijing 100083,China)Abstract:Rapidqualitativeandquantitativedetectionformelamineinpuremilkwasstudiedbyusingnearinfraredspectr

4、a引言三聚氰胺(melamine)即蜜胺,又稱氰尿酰胺,是1一種白色晶體,其分子中含氮量高達66.7%.在生鮮乳及乳制品中添加三聚氰胺,可以提高含氮量,冒充成高蛋白食品,從而大幅度降低成本.2008年/奶粉中非法添加三聚氰胺0事件的出現(xiàn)對乳制品中三聚氰胺的檢測方法提出了迫切需求.2008年10月7日,國家質檢總局、國家標準委員會批準了GB/T22388)20085原料乳與乳制品中三聚氰胺檢測方2法6和GB/T22400)20085原料乳中三聚氰胺快速檢測-液相色譜法6.該國標法是目前奶制品生3產(chǎn)企業(yè)和各個實驗室所用的主要方法.上述檢測方法,都需要對樣品進行前處理,而且還需要多種化學藥品和較為昂

5、貴的儀器設備,雖然檢測精度較高,但不便于現(xiàn)場的快速檢測.近紅外技術4(NIR)是20世紀70年代后發(fā)展起來的一種新的快速定性定量分析技術,近紅外光譜包含豐富的物質信息,其譜圖與物質本身的組成密切相關,通過對光譜特征的分析,可以獲得有關物質結構與組成的信息.其主要特點是無需復雜的前處理即可通過對光譜信息的分析提取出物質的特征信息,因此特別適合用于快速鑒別物質的品質,已廣泛地應用于農(nóng)業(yè)、化工和食品行業(yè)中57.三聚氰收稿日期:2009-02-20,修回日期:2009-09-05 Receiveddate:2009-02-20,reviseddate:2009-09-05基金項目:國家科技支撐計劃子課

6、題資助項目(2006BAD11A12-02);北京市優(yōu)秀人才資助項目(20081D0500300130)作者簡介:徐 云(1972-),女,山東萊陽人,講師,博士,主要研究領域為近紅外光譜分析檢測技術,sdxuyun.54紅外與毫米波學報29卷胺1呈穩(wěn)定的三角架結構,三個角的碳原子分別連接兩個N原子和一個NH2.C-N鍵的譜峰很難識別,而NH2的波動卻是正好處于近紅外區(qū)域,理論上可以據(jù)此對三聚氰胺進行近紅外分析.目前國內(nèi)外利用近紅外光譜分析法對牛奶中三聚氰胺含量進行快速定性、定量分析研究的文獻報道較少.本文用近紅外光譜分析的方法檢測純牛奶中三聚氰胺含量,探討其作為一種乳制品中三聚氰胺含量快速、

7、無破壞性的綠色分析技術的可行性和實用性.1 實驗設計本文研究將近紅外光譜用于純牛奶中三聚氰胺含量快速檢測尚屬于探索性研究,因此實驗首先從定性分析開始,即配制含有三聚氰胺的牛奶樣品(由于是定性分析,因此可將三聚氰胺的含量范圍配制的較寬)和不含有三聚氰胺的牛奶樣品,通過采集樣品的近紅外光譜和定性分析方法相結合來建立定性分析模型.根據(jù)定性分析的結果,進一步配制用于定量分析的三聚氰胺的牛奶樣品(由于是定量分析,因此不可將三聚氰胺的含量范圍配制的較寬),通過采集樣品的近紅外光譜和定量建模方法相結合,建立定量分析模型,分析定量模型的實用性.1.1 樣品制備樣品制備所需主要材料和儀器:三聚氰胺分析純500g

8、,同一批次的三元牌紙袋純牛奶4L,感量為0.1mg的電子天平,水浴鍋,容量瓶,移液管等.第一組樣品用于定性分析:共配制三聚氰胺含量范圍為0.097396.7806mg/kg的牛奶樣品共19個(樣品標號為0119),不含有三聚氰胺的純牛奶樣品5個(樣品標號為2125).制樣時,用電子天平稱取一定質量的三聚氰胺加入到牛奶樣品中來得到不同含量的樣品,搖勻,在40e水浴鍋中加熱10min.實驗儀器采用德國BRUKER公司的MATRIX-I型傅里葉變換近紅外光譜儀(漫反射積分球附件;PbS檢測器)進行全譜測定,采集牛奶樣品在近紅外光譜整個區(qū)域的光譜信息.上(不讓光源的光透過),采用積分球和旋轉臺測定樣品

9、NIR漫反射光譜.儀器參數(shù)設定如下:掃描范圍為125003600cm,分辨率為16cm,重復掃描64次求平均光譜.兩組牛奶樣品的近紅外光譜如圖1和圖2所示.-1-12 基于NIR的純牛奶中三聚氰胺的定性分析本文研究的純牛奶中三聚氰胺的定性分析是基于樣品的近紅外光譜特征.近紅外光譜能反映被測樣品的組成和結構性質,相同或近似的樣品有著相同或接近的光譜;反之,如果樣品的組成和結構性質有較大的差異,則其近紅外光譜也存在較大的差異.8聚類分析是根據(jù)/物以類聚0的道理,在沒有先驗知識的情況下,能合理地按樣品各自的特性來進行合理的分類.在本實驗中將近紅外光譜法與聚類分析法結合針對第一組實驗樣品進行分類.為了

10、驗證定性分類的準確性,基于含量梯度法的原則選取第一組樣品中19個作為建模樣品(其中:15個為含有三聚氰胺,1期徐 云等:用近紅外光譜檢測牛奶中的三聚氰胺255測試集樣品(其中,4個為含有三聚氰胺的樣品,1個為不含有三聚氰胺的樣品).結果表明,在本文的實驗條件下,采用近紅外光譜和聚類分析相結合來定性檢測牛奶中是否含有三聚氰胺的方法是可行的.在此基礎上,本文作了進一步研究,采用近紅外光譜法來定量分析牛奶樣品中三聚氰胺的含量.892.本實驗中的定量分析采用OPUS6.0中的定量分析功能,通過自動優(yōu)化功能建立PLS模型.實驗結果如表1所示,其中nf為主成分數(shù).從表中可以看出:所建立的定量模型滿足RSD

11、<10%,RPD>3,因此定標模型具有良好的穩(wěn)定性和實用性.用4個測試樣品代入定量分析模型,預測結果如表2所示.根據(jù)表2中馬氏距離10的值,4號樣品的預測結果被認為是異常樣品,因此這里將4號測試樣品剔除.定標模型的校驗結果如表3所示,RSD<10%,RPD>3,預測結果良好.從實驗結果看,在本文的實驗條件下,用近紅外光譜定量檢測牛奶中三聚氰胺的方法是可行的.4 結論本文針對近期國內(nèi)乳制品中非法添加三聚氰胺事件,將近紅外光譜法用于純牛奶中三聚氰胺的快速定性和定量檢測.實驗結果表明,通過近紅外光譜法與聚類分析法相結合可將含有和不含有三聚氰胺的牛奶樣品有效分類;在此基礎上,實

12、驗進一步結合光譜預處理和波長選擇及模型優(yōu)化方法,建立了三表1 三聚氰胺定標模型指標Table1 Melaminecalibrationmodelindicators預處理方法Meancenteringnf6wavenumber-1cm12504.8-6094.3R20.98RMSECV0.60RSD(%)2.87RPD20.893 基于NIR的純牛奶中三聚氰胺的定量分析本實驗采用近紅外光譜分析法針對第二組配制的樣品建立偏最小二乘(PLS)定量分析模型來預測牛奶樣品中三聚氰胺的含量.首先采用含量梯度法從配制的第二組樣品中挑選建模集樣品15個(三聚氰胺含量范圍:0.975419.5672mg/kg

13、)和測試集樣品4個(三聚氰胺含量范圍:3.900315.6424mg/kg).實驗中為了評價模型的預測能力和實用性,引入了如下幾個評價參數(shù):校正集交叉驗證決定系數(shù)表2 測試集樣品的預測結果Table2 Predictedresultsoftestingsamples樣品名4*8121616.45-0.81圖3 Averagelinkage聚類分析圖 Fig.3 Averagelinkageclusteranalysisdiagram表3 定標模型的校驗結果Table3 ResultsofcalibrationmodelvalidationR2RMSEPRSD(%)RPD56紅外與毫米波學報29

14、卷聚氰胺的近紅外定量分析模型.結果表明,在本文的實驗條件下所建立的牛奶中三聚氰胺含量的近紅外定量分析模型具有較好的穩(wěn)定性和預測能力.本文尚屬探索性研究,還需進一步結合實際的樣品作深入的研究工作,反復實驗,收集更豐富的樣品,才能建立更完善穩(wěn)定的近紅外模型,用于乳制品中三聚氰胺的檢測.REFERENCES1ChemicalDictionaryM.Beijing:chemicalindustrypress2People.sRepublicofChinaprofessionstandardGB/T22388)2008RapiddeterminationofmelamineinrawmilkHighpe

15、rformanceliquidchromatographymethodS.(中華人民共和國國家標準管理委員會中華人民共和國行業(yè)標準GB/T22388)20085原料乳與乳制品中三聚氰胺檢測方法6),2008.10.3People.sRepublicofChinaprofessionstandardGB/T22400)2008DeterminationofmelamineinrawmilkanddairyproductsS.(中華人民共和國國家標準管理委員會中華人民共和國行業(yè)標準GB/T22400)20085原料乳中三聚氰胺快速檢測-液相色譜法6),2008.10.4YANYan-Lu,ZHAO

16、Long-Lian,HANDong-Ha,ietal.sugarcontentandpHinbeerbyusingspectroscopytech-niquecombinedwithsupportvectormachinesJ.J.Infra-redMillim.Waves(王莉,何勇,劉飛,等.應用光譜技術和支持向量機分析方法快速檢測啤酒糖度和pH值.紅外與毫米波學報),2008,27(1):51)55.6LIUYan-De,LUOJ,iCHENXing-Miao.Analysisofsolu-blesolidcontentinnan-fengmandarinfruitwithvisible

17、near7WUD,iHEYong,FENGShu-iJuan,etal.Applicationof8CHENNian-Y,iQINPe,iCHENRu-iLiang,etal.PatternMahalanobisdistanceJ.ChemometricsandIntelligentLaboratorySystems,2000,50(1):1)18.(上接14頁)2CAPOBIANCOJA,VETRONEF,BOYERJC.Enhance-mentofredemission(4F9/2y4I15/2)viaupconversionin3VETRONEF,BOYERJC,CAPOBIANCOJA

18、.NIRtoGd2O2S:Yb,Erinfrared-to-visibleconversionphosphoru-ltrafineparticlesusinganemulsionliquidmembranesystemJ.JournalofColloidandInterfaceScience,2004,269(1):103)108.5YANGLin-Me,iSONGHong-We.iSynthesisandlumines-cencepropertiesofnanowiresandnanoslicesofGd2O3:Yb3+/Er3+J.ChineseJournalofLuminescence(

19、楊林梅,宋宏偉.Gd2O3:Er/Yb納米線、納米片的制備與發(fā)光性質.發(fā)光學報),2006,27(6):987)990.6CHENY-iMing,ZHANGHa-iYan,ZHUQing-Feng,etal.7ZHAOWe-iMing,GANXin-Hu,iDAIMing,etal.Sel-fas-semblyofÒ-Ôcompoundnanocrystalsonsiwaferatroomtemte.(,慧,戴明等.室溫下Ò-Ö族納米晶粒在Si襯底上的化學自組裝.紅外與毫米波學報),2008,27(3):176)179.8HUANGZheng-Ming,ZHANGY,Z,KOTAKIM,etal.Areviewonpolymernanofibersbyelectrospinningandtheira