食用油的红外光谱测定

第一章 前 言

我国是食用油的消费大国，食用油是人们膳食结构中不可缺少的组成部分，其品质的好坏对人体健康有着深远的影响。花生油、大豆油、菜籽油、葵花籽油等是我国人民食用的主要油类品种[1]。一些不法经营者将低价位的植物油掺入高价位植物油中从而牟取暴利, 比如在菜籽油中掺入棕榈油、棉籽油；在芝麻油中掺入菜籽油、棉籽油、大豆油等；在茶籽油中掺入大豆油、菜籽油等。更有甚者在植物油中掺入米汤、矿物油、蓖麻油等非食用油，引起一系列的食用油中毒事件[2]。因此，食用油掺杂掺假鉴别及品质的在线检测势在必行。目前国内外检测食用油品质方法有高效液相色谱法、气相色谱法、筛析色谱法等常规化学分析方法, 这些分析方法具有较高的准确度以及较高的可靠性, 但需借助于昂贵的设备以及严格的实验室条件，对样品进行复杂的处理，并且分析速度很慢, 不能满足市场快速检测的需要[3] 。因此需要建立一种比较方便快速的检测方法，以适应市场需求。

不同厂家同种类、不同厂家不同种类、同厂家不同种类、转基因与非转基因的植物油由于生产工艺、质量标准、原料产地、存放时间等不同，其检测时各项指标也不相同，本文以大豆油、花生油、葵花籽油、菜籽油为研究对象，通过比较他们红外光谱的特征吸收峰，二阶导数图，二维分布图，三维分布图来对它们进行鉴别区分[3] 。

菜籽油中含花生酸、油酸、亚油酸、芥酸（芥酸是2 碳一烯酸）、亚麻酸等。国家标准中菜籽油的各组分含量都是一个范围，从前人的大量的试验中发现，纯菜油的组分：亚油酸和油酸组分比的大小都在一个较小的范围内相对稳定[4]。从营养价值方面看，人体对菜籽油消化吸收率很高，有利胆功能。在肝脏处于病理状态下，菜籽酮也能被人体正常代谢。菜籽油中缺少亚油酸等人体必需脂肪酸，且其中脂肪酸构成不平衡，所以营养价值比一般植物油低。另外，菜籽油中含有大量芥酸和芥子甙等物质，一般认为这些物质对人体的生长发育不利。如能在食用时与富含有亚油酸的优良食用油配合食用，其营养价值将得到提高。但菜籽油中的芥酸很难被人体消化吸收，摄入过多可能会引起中毒[5]-[6]。 葵花籽油中含有丰富的亚油酸、油酸、丰富的活性维生素E 、丰富的胡萝卜素、丰富的维生素B 3，同时还含有微量的植物醇和磷脂，一定量蛋白质，钾、磷、铁、镁等微量元素[7]-[8]。

大豆油中含花生酸、油酸、亚油酸、棕榈酸、硬脂酸、亚麻油酸等，同时还含有大量的维生素以及丰富的卵磷脂，大豆油的人体消化吸收率和菜籽油差不多，也是一种营养价值很高的优良食用油[9]-[10]。不同的制取工艺，对大豆油的营养成分会造成影响。

大豆油根据制取工艺的不同可以分为以下几类：

浸出大豆油，大豆经浸出工艺制取的油；压榨大豆油，大豆经直接压榨制取的油；大豆原油，没有经过任何处理的不能直接供人类食用的大豆油；转基因大豆油：用转基因大豆制取的油；成品大豆油，经处理符合国家标准成品油质量指标和卫生要求的直接供人类食用的大豆油[11]。

花生油的脂肪酸组成主要有棕榈酸、硬脂酸、亚油酸、花生酸、山萮酸、油酸、二十碳烯酸、二十四烷酸、已醛、γ-丁内酯、壬醛、苯甲醛、苯甲醇、2-甲氧基-3-异丙基吡嗪、1，2，3-三甲基环戊烷、1-乙基-3-甲基环戊烷、4-乙基-2-甲氧基苯酚、4-甲氧基苯酚、3-(1，1-二甲基乙基) 苯酚、2，3，5-三甲基吡嗪、2-甲基-5-丙烯基吡嗪、糠酸甲酯、3，5-二乙基-2-甲基吡嗪、2-乙酰基吡咯、2，4-二甲基噻唑、2，5-二甲基噻唑、5-甲基-2-糠醛、2-已基呋喃、3-已基呋喃、2-乙酰基-5-甲基呋喃、2，3-二氢苯并呋喃。还含有维生素[6]-[9]。

根据食用油的价值不同，对食用油研究的人很多。近几年, 红外光谱在油脂识别等方面, 有人已在研究，比如：傅里叶变换拉曼光谱与中红外光谱结合并进行聚类分析来检测橄榄油中的榛子油含量；红外光谱技术对电动机用油和工业用油中所含的酯类进行了测定；中红外光谱结合微波提取技术测定了焙烤产品中的总脂肪与反式酸的含量[12]-[13]。这些研究表明红外光谱在测定植物油和矿物油方面具有理想的效果。

根据物质的吸光性，定性的鉴定化合物结构的方法有很多，比如紫外-可见分光光度法、原子吸收光谱法、核子共振谱法、红外吸收光谱法等等。红外光谱法是依据物质对红外光区电磁辐射的特征吸收，对化合物分子结构进行测定和物质化学组成进行分析的一种光谱分析方法。红外光谱是分子光谱的一种，产生红外光谱的红外光波长较长，光子的能量较低。几乎所有的化合物在红外光区都有吸收。在生物学、化学、食品和环境科学等领域发挥着很重要的作用。固体样品、液体样品、气体样品、纯物质、化合物、有机物还是无机物都可以进行红外光谱分析研究[14]。

傅里叶红外变换光谱法具有以下特点：

1、扫描速度快。

傅立叶变换红外光谱仪的扫描速度比色散型仪器快，在任何测量时间内都能获得辐射源的所有频率的所有信息。在相同的总测量时间、温度和相同的分辨率条件下，傅里叶变换红外光谱法的测量更快速，但由于速度过快，测量误差较大。 2、有很高的分辨率。 分辨率是红外光谱仪的性能指标之一，分辨率指光谱仪对两个靠得很近的谱线的辨别能力。

3、波数精度高。

波数是红外定性分析的参数，因此仪器的波数精度十分的重要。因为干涉仪的动镜可以很精确地驱动，所以干涉图的变化很准确，同时动镜的移动距离是He-Ne 激光器的干涉纹测量的，从而保证了所测的光程差很准确。

4、极高的灵敏度。

傅立叶变换红外仪没有狭缝的限制，辐射通量只与干涉仪的平面镜大小有关，在同样的分辨率下，其辐射通量比色散型仪器大得很多，从而使检测器接受的信噪比增大，因此，具有很高的灵敏度，由于具有此优点, 使傅立叶变换红外光谱仪特别适合测量弱信号光谱。

5、研究光谱范围宽。

傅立叶变换红外仪只要用计算机实现测量仪器的元器件的自动转换，就可以研究整个近红外、中红外和远红外区的光谱。

6、应用范围广。

红外光谱分析能测得所有的有机化合物，而且还可以用于研究某些无机物。因此在定性、定量及结构分析方面有广泛的应用。

7、特征性强。

每个官能团都有几种振动形式，产生的红外光谱比较复杂，特征性强。除及个别情况外，有机化合物都有其独特的红外光谱，因此红外光谱具有极好的鉴别意义。

8、提供的信息多。

红外光谱能够提供较多的结构信息，如化合物含有的官能团、化合物的立体结构、取代基的位置及数目等。

9、不受样品物态的限制。

红外光谱分析可以测定气体样品、液体样品及固体样品，不受样品物态的限制，扩

大了分析范围。

10、不破坏样品。

红外光谱分析时样品不被破坏[15]。

傅里叶变换红外光谱法是常用的有机化合物结构鉴定的一种分析方法, 已被广泛应用在各个研究领域。纯化合物的分子振动光谱，反映了分子内部存在的各种基团具有指纹特性的振动。对于一个混合物体系, 其分子振动光谱的峰形、峰位、峰强代表着体系中所含各种相应基团的谱峰的叠加。混合物组成的变化, 将直接导致分子振动光谱整体谱图的变化, 但仍能保持其谱图的宏观指纹性, 因此红外光谱法正越来越多的应用于药用动、植物，食品等领域的真伪优劣鉴别[12]。

傅里叶红外吸收光谱能够反映出不同油脂的分子结构信息, 可从本质上对油脂进行表述。红外光谱结合光谱数据处理, 可以显示出不同油脂结构微小的差异, 借助这种手段, 在实际工作中可以识别不同的油脂, 也为建立食用油识别方法提供了技术支持。因此, 研究采用傅里叶变换红外光谱技术，来对品种各异的食用油进行判别分析具有重要意义。

第二章 实 验 步 骤

1、实验仪器及样品

1.1 实验仪器

日本FTIR prestige-21型傅立叶红外变换光谱仪，压片干机和压片模具，玛瑙研钵，擦镜纸，手套，红外干燥灯，不锈钢式样勺，镊子，干燥箱，玻璃棒，烧杯等。

1.2 实验试剂

溴化钾（光谱纯）

1.3 实验样品

本文选取了花生油、葵花籽油、菜籽油、大豆油为实验材料，利用傅里叶变换红外光谱仪测定了它们的红外吸收光谱。

2 、样品的处理及测定

2.1 溴化钾压片的制作

溴化钾压片技术是处理固体样品和液体样品以进行红外分析时常用的背景载体。进入实验室，打开红外干燥灯，把溴化钾固体颗粒放到红外干燥灯下进行干燥，取200 mg 左右的KBr ( 充分烘干) 于玛瑙研钵中, 研磨至KBr 颗粒直径约2μm, 用擦镜纸把压片模具擦干净，带上手套，用不锈钢式样勺把溴化钾样品均匀的平铺在模具内，放好模具，把模具放到压片干机上加压到60KN ，大约两分钟，取出，然后把做好的溴化钾压片用镊子小心的移出来，将压制作好的溴化钾压片放到支架上，压制好的纯溴化钾片放置于红外光谱固体挂件上用于背景扫描。注：溴化钾晶片必须无裂痕，局部无发白现象，像玻璃一般透明，否则就要重做。

2.2 样品的测定

植物油都是液体样品，测定时，先用溴化钾纯片做背景扫描，把植物油放到烧杯中，然后用玻璃棒把植物油直接滴到制作好的溴化钾压片上，迅速放到红外光谱仪样品室里进行测定，绘制出相应的红外光谱图。

3 、谱图处理

把测量得到的红外光谱图进行平滑处理，标上特征吸收峰，同时通过二阶求导的处理方法得到二阶导数光谱图, 二阶导数光谱的半高宽只有原谱图半峰宽的三分之一左右，能清楚地分辨出强峰两侧的小肩峰，在正确测定峰位置及确定肩峰位置时很有用，能达到提高谱图分辨率的目的，对测定峰位及确认肩峰非常有效；绘制得到的谱图可以进行叠加，从而更方便的来比较它们之间的差异。也可用实验得出的数据来绘制二维图形、三维图形进行分析，从而更为直观的看出它们之间的区别。

第三章 实 验 结 果

根据食用油的红外光谱图、二阶导数光谱图、叠加图，数据处理得出的二维图形、三维图形进行分析。

分别对不同种类的植物油的红外光谱图、二阶导数光谱图、叠加图及二维图形进行分析比较；不同厂家同一种类的植物油的红外光谱图、叠加图及三维图形进行分析比较。

1、 不同种类植物油的分析比较

图 3-1不同植物油的叠加图

图 3-2金龙鱼葵花籽油二阶导数图

图 3-3 香满园大豆油二阶导数图

图 3-4 罗平菜籽油二阶导数图

图 3-5砚山花生油二阶导数图

分析结果：

⑴不同食用油红外光谱的共同特性

图3-1和表3-1可以看出选取的4种食用油在4000～400cm -1范围内的红外吸收光谱基本相同，表现在3008cm -1有不饱和碳的C －H 伸缩振动峰，在2924cm -1、2852cm -1处有饱和碳的C －H 伸缩振动峰，在1747cm -1 处有C ＝O 伸缩振动峰，在1464cm -1、1377 cm-1处有亚甲基的弯曲振动峰，在1163cm -1 处有甘油三酯中C －O 伸缩振动峰，在723cm -1处有碳链骨架振动峰。菜籽油、大豆油、花生油、葵花籽油的红外光谱出现的特征波数、峰位和峰形基本相同，说明不同种类的食用油的主要组分是相同的。

⑵不同食用油红外吸收光谱的差异

由图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图3-5可知，尽管各种食用油的红外吸收光谱基本相同，但它们的特征吸收峰的相对强度却是有所差异。3008 cm-1为不饱和碳的C －H

伸缩振动峰，菜籽油的相对强度最大，花生油和葵花籽油次之，大豆油最小，说明这些油中不饱和脂肪酸的含量依次减小。2924 cm-1和2852 cm-1为饱和碳的C －H 伸缩振动峰，菜籽油和花生油的较强，说明这2 种油中饱和脂肪酸的含量较高。1456 cm -1和1377cm -1为亚甲基的弯曲振动峰，花生油和菜籽油较强，说明这2 种油亚甲基含量较高，即脂肪酸的碳链较长，大豆油的最弱。它们在723 cm-1碳链骨架振动峰相对较强也说明了这一点。1163cm -1 处是甘油三酯中C －O 伸缩振动峰，花生油和菜籽油较强，说明这2 种油的甘油三酯含量较高。

虽然各种不同类型的食用油其红外吸收光谱存在差异，但是由于它们的共性比较明显，因此不利于区分。利用傅里叶变换红外光谱进行计算时，仪器所给出的计算结果有峰高( H )、峰面积( A )、校正峰高( H c )和校正峰面积( Ac )等，这些都可作为判别分析的参数，因而，本实验分别用峰高、峰面积、校正峰高、校正峰面积作为特征峰参数, 来进行判别分析，并对结果进行比较。经观察, 所测定4类样品的红外光谱在1000-1200cm -1处有明显差异，此信息为酯基中 C-O-C 的对称伸缩振动吸收峰。并且在1747 cm-1和2852 cm -1处的特征性均较强。因而采集1099 cm-1、1163 cm-1、1747 cm-1和2852 cm-1处的吸收峰相关参数来作为模式识别的原始数据。

针对菜籽油、大豆油、花生油、葵花籽油的红外光谱数据，将1747 cm-1与2852 cm-1 波数处峰面积的比值A1747 cm-1 /A2852 cm-1为横坐标，1099 cm-1与1163 cm-1波数处峰面积的比值A1099 cm-1 /A1163 cm-1为纵坐标, 采用Origin 8.0化学软件绘制二维分布图。

表 3-2 各食用油红外吸收光谱特征吸收峰的相对强度

图 3-6 不同食用油的二维分布图

从二维分布图中可以明显的看到四种不同类型的食用油分布各异，因此可以很好的利用此方法进行鉴定。

2 、不同厂家同一种类的植物油的分析比较

2.1 菜籽油的分析比较

图 3-7 菜籽油叠加图

2.2 葵花籽油的分析比较

图 3-8 葵花籽油叠加图

2.3大豆油的分析比较

图 3-9 大豆油的叠加图

2.4 花生油的分析比较

图3-10 花生油的叠加图

根据谱图比较不同厂家生产的同类食用油的红外谱图差别不大，大豆油、菜籽油、葵花籽油、花生油的烯烃不饱和碳原子上的C- H 键伸缩振动频率在3 006-3 010 cm-1 这个波段，无论是峰位置，峰形以还是峰强都很相似，各种食用油的亚甲基的C- H 键不对称和对称伸缩振动频率在2 852cm-1 -2 924 cm-1 波段很相似，大豆油、菜籽油、葵花籽油、花生油的亚甲基C- H 键不对称和对称弯曲振动在1 463 cm-1 和1 377 cm-1 处吸收峰位置和峰强度几乎相同，绝大多数饱和的羧酸酯的C= O 键伸缩振动吸收都位于1 747 cm-1 附近，而在1 000cm-1 -1200 cm-1 之间出现了一强一弱的两个吸收带，由此可判断出可能是羧酸酯基中C- O- C 键的伸缩振动。只有家庭产菜籽油和罗平菜籽油、香满园菜籽油谱图差异较大。这是由于生产工艺过程不一样所引入的差异。

为了能够更直观、更便捷的对四类不同厂家的食用油进行区分，分别用峰高、峰面积、校正峰高、校正峰面积作为特征峰参数，来进行判别分析，并对结果进行比较，考察各参数的稳定性。

将1747 cm -1与2852 cm -1波数处特征参数的比值( P 3 /P4 ) 为X 轴，1099 cm -1处与1163 cm-1附近特征峰参数的比值(P1 /P 2 ) 为Y 轴，以及4 类油各自C-O-C 对称伸缩振动所产生的吸收带所在的波数作为Z 轴，绘制三维分布图。

表 3-7 各食用油红外吸收光谱特征吸收峰的相对强度面积之比

续表 3-7

注：表中①代表家庭产菜籽，②代表香满园菜籽油，③代表罗平菜籽油，④代表金龙鱼葵花籽油，⑤代表多力葵花子油，⑥代表金龙鱼大豆油 ，⑦代表香满园大豆油，⑧代表香满园花生油，⑨代表砚山花生油。

图3- 11以峰面积比及波数为参数的分析图

注：图中 ●代表菜籽油 ▉代表葵花籽油 ▲代表大豆油 ★代表花生油

注：表中①代表家庭产菜籽，②代表香满园菜籽油，③代表罗平菜籽油，④代表金龙鱼葵花籽油，⑤代表多力葵花子油，⑥代表金龙鱼大豆油 ，⑦代表香满园大豆油，⑧代表香满园花生油，⑨代表砚山花生油。

图3- 12以校正峰面积比及波数为参数的分析图

注：图中 ●代表菜籽油 ▉代表葵花籽油 ▲代表大豆油 ★代表花生油

注：表中①代表家庭产菜籽，②代表香满园菜籽油，③代表罗平菜籽油，④代表金龙鱼葵花籽油，⑤代表多力葵花子油，⑥代表金龙鱼大豆油 ，⑦代表香满园大豆油，⑧代表香满园花生油，⑨代表砚山花生油。

图3- 13以峰高比及波数为参数的分析图

注：图中 ●代表菜籽油 ▉代表葵花籽油 ▲代表大豆油 ★代表花生油

注：表中①代表家庭产菜籽，②代表香满园菜籽油，③代表罗平菜籽油，④代表金龙鱼葵花籽油，⑤代表多力葵花子油，⑥代表金龙鱼大豆油 ，⑦代表香满园大豆油，⑧代表香满园花生油，⑨代表砚山花生油。

图3- 14以校正峰高比及波数为参数的分析图

注：图中 ●代表菜籽油 ▉代表葵花籽油 ▲代表大豆油 ★代表花生油

利用绘制出的三维分布图, 对四类食用油进行判别分析, 同时考察了不同选取参数对判别结果的影响。结果表明花生油、菜籽油、葵花籽油和大豆油四者之间有明显的分布差别。且所选取的峰面积、峰高、校正峰面积、校正峰高均可作为参数来进行分析, 比较而言, 采用峰面积比作为参数时, 各油脂信息点分布集中, 波动较小, 判别结果较好。

本实验所测定的食用油均为天然植物油脂，主要组分相同, 不同的仅是各组分在混甘油三酰酯中的含量以及在甘油三酰酯上的排布。所测定的食用油分子结构中都含有酯基、甲基及亚甲基, 这些基团在特征区域有其特征吸收峰。不同油脂中甘三酯分子结合的脂肪酸种类及排布有差异, 油脂红外吸收峰的强弱及吸收峰的精确位置会随着这些差异而有所不同。另外, 不同油脂中还含有不同种类及数量的甾醇、维生素以和类胡萝卜素等, 这些微量组分也可能对油脂的红外光谱结构有所贡献。因而可以根据这些差异来对花生油、菜籽油、葵花籽油及大豆油的红外光谱进行信息处理, 从而提取有用的特征信息, 确定它们各自的特征信息。但总的来说一维红外光谱法在分析上显示出一定的局限性，借助于二阶导数图以及二维、三维图形的绘制增强了谱图的识别能力，本研究对不同食用油的鉴别提供了一种新的方法。研究结果表明该方法在食用油品种鉴别方面的应用具有一定的可行性。

第四章 应 用 前 景

随着人民生活水平的提高，“营养与健康”将成为未来食用油市场的热门话题，人们对食用油的质量与安全更加重视，重视食用油的脂肪酸组成；重视食用油的中的生理活性物质和微量元素的含量；重视脂肪酸的合理比配；重视特种油料的开发利用，利用其富含功能性成分的特点，生产营养健康的功能性油脂等等。为了保护消费者的健康与安全，世界各国将更加重视食用油的质量与安全。高安全、高质量的知名品牌将受到消费者的青睐[16]。因此，在油料生产加工过程中，必须严格按照操作规程进行，不断改进工艺和设备，由此看来，傅里叶变换光谱法将是一种比较方便快速的检测方法，可以适应市场需求。并在以后的研究过程中不断的完善。