基于濃度三維熒光光譜的食醋鑒別方法研究

單奕 李丹 王萱

摘 要：實(shí)驗(yàn)測(cè)定了18種不同類型和不同品牌食醋的三維熒光光譜，通過(guò)提取其三維投影圖和等高線圖的基本特征信息，對(duì)不同種類的食醋進(jìn)行了分類識(shí)別。結(jié)果表明：借助三維熒光光譜可以很好地反映各食醋樣品在原料、工藝上的相似程度，此方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)食醋種類的分類，為食醋種類鑒別提供了一種方便、快捷的新思路，具有重要的實(shí)踐意義和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：食醋；陳醋；三維濃度熒光光譜；主成分分析

引言

食醋是中國(guó)各大菜系中傳統(tǒng)的調(diào)味品，它具有酸味柔和，口感醇厚等優(yōu)良品質(zhì)[1]。它通過(guò)自然固態(tài)制曲、液態(tài)發(fā)酵等傳統(tǒng)釀造工藝進(jìn)行生產(chǎn)[2]，不僅是調(diào)味劑，還有多種保健功能[3][4]。目前，市場(chǎng)上的食醋種類繁多，但品質(zhì)不一，良莠不齊，缺乏有效的鑒別方法，僅憑一些簡(jiǎn)單的理化指標(biāo)以及色、香、味、體等感官指標(biāo)評(píng)判釀造食醋的真?zhèn)巍㈥愥勀攴菁捌焚|(zhì)優(yōu)劣，使評(píng)價(jià)結(jié)果具有較大片面性與主觀性[5]。

自2000年起，國(guó)家相繼出臺(tái)了食醋鑒定方面的標(biāo)準(zhǔn)[6]。目前，對(duì)食醋質(zhì)量的鑒別方法包括同位素分析[7]、核磁共振法[8]、近紅外光譜[9][10]、氣相色譜和質(zhì)譜技術(shù)等[11][12]。鄭彥婕等采用氣相色譜-質(zhì)譜法對(duì)食醋進(jìn)行測(cè)定，但樣品處理復(fù)雜，此種方法能耗高且耗時(shí)。解華東等通過(guò)掃描33種食醋樣品的紫外光譜，發(fā)現(xiàn)它們的紫外吸收光譜有著十分明顯的差異，但該種方法在識(shí)別食醋質(zhì)量和摻假中的應(yīng)用價(jià)值尚不明確[13]；陳斌等采用近紅外光譜透射法測(cè)定食醋總酸和還原糖，此種方法具有快速、樣本無(wú)需預(yù)處理、無(wú)需化學(xué)試劑、無(wú)檢測(cè)成本等優(yōu)點(diǎn)，但是這種方法只能分析醋中的一部分成分，而不能對(duì)食醋進(jìn)行整體有效的分析；宋海燕等[14]采用可見(jiàn)-近紅外光譜技術(shù)，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，開(kāi)展山西老陳醋產(chǎn)地的判別分類工作，該種方法的實(shí)現(xiàn)存在兩方面困難，一方面，建立模型所需要的數(shù)據(jù)需真實(shí)可靠且具有代表性和統(tǒng)計(jì)意義，另一方面，在模型的建立及數(shù)據(jù)處理上存在許多人為主觀因素導(dǎo)致的結(jié)果差異[15]。由于食醋的微量成份未被全部闡明，而且各成份之間協(xié)同交互作用復(fù)雜，應(yīng)用現(xiàn)有的分析方法，僅對(duì)某些成份進(jìn)行定性、定量分析，亦不能有效鑒別食醋。因此，研究新型、可靠的食醋鑒別分類方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)食醋質(zhì)量的有效監(jiān)控具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。

熒光光譜技術(shù)由于具有靈敏度高、選擇性好、費(fèi)用低、試樣量少、分析結(jié)果快速等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，三維熒光光譜能夠涵蓋比較全面的物質(zhì)熒光特性，從宏觀上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行認(rèn)知，具有更好的整體性[16][17]。近幾年，熒光光譜法在環(huán)境監(jiān)測(cè)、腫瘤診斷、鑒別酒的真假和品牌等方面有很多應(yīng)用[18]。在食醋的鑒定方面，熒光光譜的應(yīng)用尚屬少數(shù)，毛立新等用同步熒光光譜法鑒別了山西老陳醋[19][20]，但僅研究了山西老陳醋的鑒別方法，未能提供一套完整的、可用以鑒別所有醋類的方案。目前，這種技術(shù)僅限于對(duì)不同食醋類型的指紋鑒定，對(duì)于相似的食醋樣品鑒別能力有限，如需要更有效的指紋鑒別手段還需要在識(shí)別能力上有所的提高[21][22]。

文章通過(guò)提取、分析不同種類食醋的三維熒光光譜，并結(jié)合主成分分析法，以達(dá)到精確區(qū)分不同種類食醋的目的，同時(shí)為相似食醋樣品的指紋鑒定提供一套可行的方案。

1 實(shí)驗(yàn)儀器和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)中采用的是英國(guó)Edinburgh Instruments Inc.生產(chǎn)的FLS920型穩(wěn)態(tài)和時(shí)間分辨熒光光譜儀。其中穩(wěn)態(tài)光譜測(cè)量的光源功率為450W的氙燈，其波長(zhǎng)在200-900nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)置參數(shù)為：激發(fā)光和發(fā)射光的狹縫寬度為3nm，激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的掃描間隔均為1nm，在每個(gè)波長(zhǎng)處的掃描時(shí)間為0.2s。

實(shí)驗(yàn)中使用的是無(wú)熒光石英比色皿，熒光掃描時(shí)用該比色皿盛裝被測(cè)樣品3ml并放置于光譜儀的樣品池中。每一樣品掃描一次，每一次測(cè)試前均進(jìn)行搖動(dòng)以保證溶液的均勻性。所有的熒光光譜檢測(cè)過(guò)程均在室溫下進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

本次試驗(yàn)選取山西陳醋（1年，3年，8年，共3種），紫林陳醋，恒順香醋（瓶裝，155ml），苦蕎保健醋，宴會(huì)用恒順香醋，恒順香醋（瓶裝，500ml），鎮(zhèn)江香醋（袋裝），北固山康樂(lè)醋，鼎豐白醋，來(lái)福山西陳醋，寶鼎陳釀米醋，恒順香醋（袋裝），鎮(zhèn)江香醋（袋裝），萬(wàn)通白米醋，唯加白醋，恒順白醋共18種常用的食醋。

食醋溶液的配制：將食醋和水采用體積混合比配制溶液，配制濃度為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%的共3ml的溶液，溶劑為去離子水。為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，每一次測(cè)試前均進(jìn)行搖動(dòng)以保證溶液的均勻性。

2 實(shí)驗(yàn)部分

圖1是濃度從1%到10%食醋溶液的濃度三維熒光光譜，實(shí)驗(yàn)中激發(fā)波長(zhǎng)為360nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍為400-700nm。

從三維投影圖和等高線圖可以得知每一種醋的基本熒光圖譜信息：最佳激發(fā)波長(zhǎng)、熒光發(fā)射波范圍、峰值位置、熒光強(qiáng)度等。如圖1所示的1年山西陳醋的濃度三維熒光光譜，可知它的熒光發(fā)射波長(zhǎng)范圍為380-670nm，濃度三維熒光光譜峰值位置分別處于443nm和469nm，所對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度分別是407200和504100。將18種醋的圖譜特征提取，得表1所示信息。

從表1數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

（1）觀察6種陳醋的熒光強(qiáng)度范圍，可以發(fā)現(xiàn)它們高峰位置的熒光強(qiáng)度均為360000以上，低峰位置的熒光強(qiáng)度在260000以上。

（2）觀察1，3，8年山西陳醋的熒光強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，它們的熒光發(fā)射波長(zhǎng)范圍為380-670nm，且它們的熒光強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)，即熒光強(qiáng)度隨著年份的增加而逐漸減小。另外兩種陳醋，紫林陳醋和來(lái)福山西陳醋，它們的熒光發(fā)射波長(zhǎng)范圍為360-670nm，通過(guò)這一點(diǎn)可以將它們同1，3，8年山西陳醋區(qū)分開(kāi)來(lái)。

（3）香醋的最佳激發(fā)波長(zhǎng)、熒光發(fā)射波范圍、峰值位置和陳醋相似，不同之處在于，香醋兩個(gè)熒光峰的差值范圍在78600-84600，而陳醋兩個(gè)熒光峰差值的范圍在92700-103800，通過(guò)這一點(diǎn)可以區(qū)分香醋和陳醋。

（4）兩種米醋的最優(yōu)濃度均為10%，可以此為判據(jù)區(qū)分米醋和其他食醋。

（5）白醋的熒光強(qiáng)度與前兩者相比明顯較低，且白醋較高峰值位置對(duì)應(yīng)較低的發(fā)射波長(zhǎng)，這一點(diǎn)和其他食醋不同，因此可以很容易地將白醋區(qū)分出來(lái)。

3 分析與討論

（1）各類食醋在380nm的激發(fā)波長(zhǎng)下可以吸收光子發(fā)射出的熒光，查閱食醋的主要成分可知，它們是乙酸和一些醇類物質(zhì)，含有基團(tuán) 。圖中除了主峰以外，還有一個(gè)次峰位，它的存在說(shuō)明

食醋溶液中有至少兩種熒光生色基團(tuán)。米醋，白醋兩類醋的熒光光譜和陳醋、米醋區(qū)分非常明顯，米醋在570-650nm之間出現(xiàn)一系列小峰，白醋在550-650nm之間出現(xiàn)一系列小峰。這些小峰的出現(xiàn)和米醋白醋的原料有關(guān)。

（2）同一品牌、不同年份的陳醋的熒光特征峰出現(xiàn)的位置一致，均在波長(zhǎng)470nm和443nm附近。1，3，8年山西陳醋的熒光強(qiáng)度隨著年份的增加而逐漸減小，說(shuō)明隨著陳釀時(shí)間的延長(zhǎng)，陳醋中熒光物質(zhì)的成分和濃度會(huì)發(fā)生變化，不同年份陳醋熒光峰的吸收強(qiáng)度不同。因此，熒光峰的吸收強(qiáng)度可以來(lái)區(qū)分不同年份的陳醋。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明熒光發(fā)射強(qiáng)度與溶液的濃度不成線性關(guān)系，當(dāng)濃度增加到一定值時(shí)，熒光強(qiáng)度會(huì)隨著其濃度的增加而下降，這就是物質(zhì)熒光的一種自身猝滅形式-濃度猝滅。其主要原因是由于發(fā)光物質(zhì)的溶液濃度較大，激發(fā)態(tài)溶質(zhì)與溶質(zhì)間可以進(jìn)行相互作用，從而形成激發(fā)二聚體或激發(fā)絡(luò)合物使熒光猝滅。此外，由于能量共振轉(zhuǎn)移的結(jié)果，在濃溶液中，受激分子可通過(guò)共振轉(zhuǎn)移的方式，把激發(fā)能轉(zhuǎn)移給相鄰的不發(fā)熒光的分子也導(dǎo)致了熒光猝滅。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析和討論食醋三維熒光光譜和主成分分析結(jié)果，得知：

（1）通過(guò)掃描18種食醋、香醋、米醋、白醋的三維熒光光譜，可以定性地比較光譜差異，以區(qū)分各種食醋。

（2）隨著陳釀時(shí)間的延長(zhǎng)，陳醋特征峰的熒光強(qiáng)度會(huì)減小，這是因?yàn)殛愥剷r(shí)間越久，陳醋中熒光物質(zhì)的成分和濃度會(huì)發(fā)生變化。

（3）基于一定濃度三維熒光光譜具有實(shí)時(shí)、快速的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)食醋種類鑒別，有望發(fā)展成為快速高效的食醋指紋鑒別技術(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)无龋?993-），女，江蘇省徐州市人，江蘇師范大學(xué)在讀，研究方向：光學(xué)。