掺假牛奶的快速识别初探
・270・化 学 世 界 2010年
近红外透反射光谱用于掺假牛奶的快速识别初探
郭美兰, 孙正鹏, 张 超, 倪力军3, 张立国
(华东理工大学化学与分子工程学院, 上海200237)
摘 要:为快速识别掺加违禁物质的假牛奶, 在市售纯奶基础上按不同比例添加水+糊精、水+糊
精+三聚氰胺(硝酸铵、尿素) 的溶液, 配制掺假牛奶, 测试真、假牛奶样品的近红外透反射光谱, 分别采用PL S 2DA 、KNN 、LDA 、改进与简化的KNN (IS 2KNN ) 模式识别方法和不同光谱预处理方法进行真、假牛奶的识别。各模式识别方法在不同预处理光谱下对真、假两类牛奶的识别正确率最高为95. 12%和96. 34%并且在最高正确率下对所有掺假牛奶均能正确识别。表明采取适宜的近红外光谱预处理方法和模式识别方法, 可以良好地对纯奶和掺假牛奶进行区分。关键词:牛奶; 掺假奶; 近红外透反射光谱; 快速识别中图分类号:S132 文献标志码:A文章编号:036726358(2010) 0520270204
Primary St udy on Rapid on
Near y
lan 2, ZHAN G Chao , N I Li 2jun 3, ZHAN G Li 2Guo
(Chemist Engineering School , East China Universit y of Science &Technolog y , S hanghai 200237, Chi na )
Abstract :To rapidly identify counterfeit milk containing so me prohibited substances , such as melamine , we p repared some counterfeit milk by adding dextrin water solution , dext rin water solution and melamine (ammonium nit rate , urea ) in different mix p roportio ns to finished p ure milk. The t ransmission near 2inf rared (N IR ) spect ra of t he p ure and adulterate milk samples were collected. PL S 2DA , KNN , LDA and
improved and simplified KNN (IS 2KNN ) met hods based on different pret reated N IR spect ra were applied to discriminate milk sample. The highest p rediction accuracy of t he models built by t hese pattern recognition met hods is 95. 12%and 96. 34%, respectively , and almost all t he adulterated milk samples co uld be correctly discriminated. The result indicates t hat if appropriate spect rum pretreat ment met hod and pattern recognition met hod were used , p ure and counterfeit milk could be well discriminated. K ey w ords :p ure milk ; counterfeit milk ; near inf rared spect ro scopy ; rapid identification
随着人们生活水平的提高, 牛奶及奶制品的需求量日益增加。向原料奶中掺水及淀粉、糊精、米汤等增稠剂来增加牛奶的密度, 是一种常见的掺假谋利手段。但是掺水后牛奶的蛋白含量就会降低, 为
通过凯氏定氮法检测蛋白质含量的要求, 不法分子便向掺水奶中添加三聚氰胺等伪蛋白以增加氮原子含量。根据测算, 掺加1%的水, 就需要掺加约0. 007%的三聚氰胺, 才能使牛奶中按照氮原子数换
收稿日期:2010201225; 修回日期:2010204222基金项目:上海市大学生创新实验计划项目(S0811)
作者简介:郭美兰(1983～) , 女, 山东菏泽人, 硕士生, 主要从事分析化学学科的数学和科研。E 2mail :nljfyt @163.com Tel :0212
64253694。3联系人:E 2mail :hardtimes @ecust. edu. cn ; Tel. [1**********]5。
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算的蛋白质含量达到不低于2. 9%的要求。
“三聚氰胺”事件后, 国家在牛奶质量检验中增加了三聚氰胺检测项目并在牛奶质量标准中增加了“三聚氰胺”含量的限量指标。测定三聚氰胺的方法报道不断出现, 如利用试剂快速检测牛奶中三聚氰胺, 目前国家公布的三聚氰胺检测的标准方法是:H PL C ,L C 2MS/MS , GC 2MS 和GC 2MS/MS [1]。但这些针对三聚氰胺的检测方法有其专一性的局限, 无法检出掺加其他违禁物质的掺假奶。实际上, 对不法分子而言, 添加三聚氰胺不是其最终目标, 其本意是为了向牛奶中加水获取更多利润。而含有多个氮原子、对人体有害的“伪蛋白”有很多(如硝酸铵、尿素、三聚氰酸等等) , 他们完全可以通过在掺水牛奶中掺加其他“伪蛋白”来达到提高牛奶中“蛋白”含量的目的。因此对牛奶中三聚氰胺含量的检测和控制, 只能回答牛奶中是否含有超标的三聚氰胺但并不能确保牛奶的安全性。如果每种可能的违禁物质都进行检测, 会使牛奶质量检测指标及测试费用不断增长, 最终导致在现实中无法操作。
实际上, 了违禁、首要问题, 关重要、。本文针对奶牛掺假的目的探索具备普适性、易于在线实施的掺假牛奶快速鉴别方法。
近红外光谱(Near Infrared Spectro scopy , N IRS ) 技术是20世纪70年代发展起来的一项高速、高效分析技术。其样品测量一般无需化学处理, 便于实现在线分析。近红外光谱的吸光度差异通常很小, 肉眼很难区分, 而谱图具有复杂性和多变性, 因此在近红外光谱定性分析中, 模式识别是最常用的一种借助数学方法进行光谱模式的区分和识别的综合方法[2]。模式识别的方法主要有基于线性回归原理的偏最小二乘差别分析(PL S 2DA ) [3]、Fisher 线性判别分析(LDA ) [4]与基于距离准则的K 2最近邻法(K 2nearest neighbors met hod , 简称KNN ) [5,6]方法。由于KNN 法需要每个样品都要与其它样品计算距离, 工作量大, 没有压缩信息量, 所以本课题组提出了类中心求距离, 信息得到压缩, 减少了光谱信息干扰, 称为改进与简化的KNN 方法(IS 2KNN ) [7,8]。目前近红外技术在乳品业行业已得到广泛的应用, 如采用近红外技术对牛奶中蛋白质、脂肪、乳糖等大类成分的定量分析[9211], 并有报道采用近红外技术对鲜奶中掺加水、乳清后进行识别[12]。徐可欣等人利用近红外技术实现了原料奶的理化指
标的快速识别[10,13]。本文利用近红外技术基于上述模式识别方法, 希望通过配置掺加不同伪蛋白、水和糊精的掺假奶, 探索利用近红外技术建立牛奶是否掺假的快速判别方法。1 材料与方法1. 1 样品配制1. 1. 1 试剂
三聚氰胺(化学纯CP , 上海凌峰化学试剂有限公司) ; 尿素(分析纯A R , 无锡市犀牛化工有限公司) ; 硝酸铵(分析纯AR , 上海统亚化工科技发展有限公司) ; 糊精(分析纯AR , 国药集团化学试剂有限公司) ; 去离子水(自制) 。1. 1. 2 样品制备
从上海各超市购买2008209215～2009201203间生产的5个品牌、不同生产批次的纯牛奶产品58个。
溶液, ①、②、③、④2%～10%①、②、③、④四种溶液的掺假牛奶466个。1. 2 仪器与测试条件
N IRFlex 2N500近红外仪(In GaAs 检测器, Fiber Optic Solids 附件, 瑞士Buchi 公司) , 光谱采集范围4000～10000cm -1, 分辨率8cm -1, 扫描次数32。采用透反射附件光纤探头(2mm ) 采集样品光谱。1. 3 实验步骤
以空气作参比, 每次采集前用去离子水冲去探头上的前次测试残留的样品, 再用待测样品溶液冲洗3次后, 将透反射光纤探头没入样品溶液进行扫描(扫描过程中注意避免产生气泡) , 获取其近红外透反射光谱。共采集524条近红外透反射光谱。1. 4 建模方法与光谱预处理方法
光谱预处理对原始光谱有一定的改善, 也为数据处理提供了方便。通常的预处理方法有:一阶导数、二阶导数、多元散射校正(MSC ) 、标准正态变量转换(SNV ) 。根据不同的数据形式, 选用某些合适的光谱预处理方法[14]。本文采用SNV 、MSC 、一阶导数及其与MSC 组合对牛奶样品的近红外光谱进行处理。一阶导数采用31个平滑点对数据进行平滑处理, 主要是为了消除光谱信号系统的基线漂移和一些随机噪音; SNV 、MSC 主要为了消除样本粒度分布不均匀引起的散射。选用PL S 2DA 、LDA 、KNN 方法和本课题组提出的改进与简化的KNN
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方法(IS 2KNN ) 建立真、假牛奶的近红外模式识别
模型。有关算法在MA TL AB 7. 0平台实现。2 结果2. 1 近红外光谱前处理
图1给出了524个样品在透反射和透射模式下采集到的近红外光谱, 该图表明9000～10000cm -1区间样品光谱基本处于水平, 不提供有效信息, 可以不予采用。采用MSC 或SNV 方法处理后的牛奶样品的近红外光谱谱型一致, 用同一个图2a 表示。图2b 为采用一阶导数处理后的牛奶样品近红外光谱。显然, 牛奶样品的近红外光谱的分散性经过光谱预处理得到了改进
。
SVSRS (j ) =
(X
ij
-X j )
2
n -1
, (j =1, 2, …, p )
(1)
式中j 为光谱点序号, p 是光谱点总数, X ij 代表第i 条光谱的第j 点近红外吸光度, X j 是5条repeat 光谱在第j 点的平均值。
图3表明在4000～4500cm
-1区间的SVSRS 的值很大, 说明该区间信号不稳定。故选择4500～9000cm -1区间进行建模和预测。
光谱的标准方差
图
2 真假两类牛奶的近红外模式识别结果
从58个纯奶样品中选取45个样品作为纯奶的
建模集, 剩余13个纯奶作为纯奶样品的检验集; 从466个掺假牛奶样品中根据掺水浓度分布和伪蛋白添加种类, 选取151个样品作为掺假牛奶的建模集, 剩余315个掺假牛奶作为假奶样品的检验集。纯奶与掺假奶的建模集合并构成196个建模样本; 纯奶与掺假奶的检验集合并构成328个检验样本。各模式识别方法结合不同光谱预处理方法得到的真、假牛奶识别正确率如下表所示。
图2a MSC 、SNV
处理后的牛奶样品近红外透反射光谱
表1 基于NIR 透反射光谱对328个检验样品
鉴定的正确率1)
模式识别方法
KNN LDA PL S 2DA
原始光谱/%
90. 85(9)
MSC/%91. 77(9)
SNV/%91. 77(9)
一阶导MSC +一阶数/%
95. 12(7)
导数/%
93. 90(9)
96. 34(3) 65. 55(20) 96. 34(6) 96. 34(1)
96. 34(1)
96. 34(1)
96. 34(2) 60. 06(14) 96. 04(1)
96. 34(1)
IS 2KNN 60. 37(18) 96. 34(7) 65. 24(16) 66. 46(20) 66. 46(20) 1) KNN 方法括号中的数字表示最佳结果对应的K 值;LDA 与IS 2
图2b 一阶导数处理后的牛奶样品近红外透反射光谱KNN 括号中的数字表示最佳结果对应的主成分个数; PL S 2DA 括号
为了考察在不同区间牛奶样品光谱信号的稳定
性和噪声大小, 我们取同一样品连续重复测试5次, 将这5条光谱简称为repeat 光谱, 采用下式计算repeat 光谱的标准方差谱(Standard Variance Spectrum of Repeat Spect ra , 记为SVSRS ) :
中的数字表示最佳结果对应的潜变量个数。
表1结果表明, 采用KNN 方法的预测正确率在90. 85%～95. 12%之间, 效果较好; 采用LDA 方法时, 基于原始光谱及一阶求导与SNV 处理光谱下的预测正确率比较好, 可达到96. 34%; 采用
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PL S 2DA 方法时, 除一阶导数光谱外, 基于其他几种
致谢 感谢瑞士Buchi 公司(上海) 提供N IRFlex 2N500近红外仪及Buchi 公司何元女士、邓德文先生的大力支持和帮助以及陈慧清、汪浩、徐俊、张琪悦、崔艳等同学为样品测试所提供的帮助和支持, 特此致谢!
光谱的预测正确率均为96. 34%; 采用IS 2KNN 方
法时, 只有MSC 预处理光谱下得到的预测正确率能达到96. 34%, 其它光谱预处理方法的结果均不理想, 正确率只有60. 37%～66. 46%, 表明光谱预处理方法对IS 2KNN 模式识别方法影响最大。经核查正确率最高(96. 34%) 时的错判样本均为真奶, 表明此时对掺假牛奶样品均可正确区分。3 结论与讨论
选择合适的模式识别方法和对牛奶近红外光谱作预处理, 能够快速区分纯奶及掺加各种伪蛋白的掺水牛奶。表明采用透反射近红外光谱进行掺假牛奶的快速鉴别具有可行性, 但如需鉴定具体掺加的伪蛋白品种, 还需要利用色2质联用及试剂盒等化学方法来确定。在实际中可采用近红外技术进行牛奶掺假与否的快速鉴定, 如有需要, 对于判别为掺假奶的样品再进行色2质分析以确定掺加的是何种违禁物质及其含量, 可大大减少基层质检的工作量, 提高检测效率。
间跨度较大, , 96. 34%, 但此时错判的样本均为纯奶。产生这种结果可能与建模集中掺假奶的样本数远远大于纯奶的样本数有关, 因而统计模型在预测时将样品判为假奶的几率增大。如果能增加建模集中纯奶样品个数, 可望提高模型对真奶样品判别的准确率。
商品奶和实际原料牛奶还是有一定差异的, 如前者进行过均质、高温消毒处理并会添加各种助剂, 而后者则未进行过这些处理。
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(上接第269页)
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研究了溶液p H 值、吸附时间、温度等因素对Mg 2+吸附性能的影响, 实验表明, 在p H 值为4～5, 吸附时间60min 和常温的条件下, 吸附即可达到平衡, 其饱和吸附容量为96. 7mg/g , 说明交联羧甲基壳聚糖对Mg 2+有良好的吸附性能。参考文献:
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