采用非線性化學指紋圖譜技術測定羊奶中摻雜牛奶的含量

王二丹，魯利利，張泰銘，董文賓，盧紅梅，梁逸曾，許天舒，張娟，陳春楠

1(中南大學化學化工學院，湖南長沙，410083)

2(陜西科技大學生命科學與工程學院，陜西西安，712081)

羊奶中有200多種營養素和生物活性物質，包括64種乳酸、25種礦物質、20多種氨基酸和維生素，是世界公認最接近人奶的乳品，其營養成分最全，且易于被人體吸收。如羊奶脂肪顆粒體積僅為牛奶的1/3，更利于人體吸收，其吸收率高達94%。因營養成分的種類豐富和含量分布合理的特點，羊奶不僅具有很高的營養價值，而且還具有食療與保健的作用，如減少乳糖不耐癥、提高人體免疫力、調節體內酸堿平衡、預防骨骼缺鈣、消除肥胖、暖胃補腎、益智健腦、護膚養顏等營養優勢和保健功能［1］。因此，其售價昂貴，有“貴族奶品”之稱，在歐美等發達國家也稱之為“奶中之王”。因其價格遠遠高于牛奶，而且供不應求，經銷商為了謀取暴利，經常以牛奶冒充羊奶，或在羊奶中摻雜牛奶對外銷售，損害消費者利益。此外，摻雜牛奶含量不同對奶品質量的影響也不同。因此，提出一種準確鑒別羊奶和牛奶以及定量測定羊奶中摻雜牛奶含量的分析方法非常必要。

色譜技術是鑒別食品用得最多的方法，主要靠食品中若干成分測定指標來判斷食品的真偽，其使用有一定局限性。鑒于此，本文對牛奶和羊奶的鑒別提出了一種快速和準確的非線性電化學指紋圖譜鑒別方法［2］。

人們對化學湍流、化學振蕩、化學斑圖和化學波等非線性化學反應的機理和應用已進行了長期的研究［3－11］，作為研究成果之一的非線性化學指紋圖譜技術就是一種建立在非線性化學原理之上的動力學指紋圖譜技術。非線性化學指紋圖譜的概念、功能、特點、影響因素、檢測條件、分析儀器、測定方法，以及利用其直觀信息和相似度模式鑒別與評價樣品的原理和應用等方面的系統研究成果［3－4，12－15］，已推動了這一指紋圖譜技術研究和應用的快速發展［2，16－20］。本文利用硫酸-硫酸錳-溴化鈉-溴酸鈉-丙酮-樣品成分體系測定非線性電化學指紋圖譜，并利用指紋圖譜信息回歸法測定羊奶與牛奶混合物中各原奶的含量，根據測定結果可準確鑒別羊奶和牛奶，以及定量評價其混合物的質量。

1 實驗部分

1.1 試劑、樣品和儀器

試劑:1.00 mol/L H2SO4、1.00 mol/L 丙酮、0.800 mol/L NaBrO3、0.080 0 mol/L MnSO4和 0.015 0 mol/L NaBr溶液。試劑均為分析純，采用二次蒸餾水。

樣品:不同時間和不同產地采集的鮮羊奶1和2，以及鮮牛奶1和2的干燥粉末(以下鮮羊奶或鮮牛奶簡稱羊奶或牛奶)。

儀器:非線性化學指紋圖譜智能分析儀(MZ-1A型，湖南尚泰測控科技有限公司生產)。

1.2 實驗方法

準確移取0.987 0 g奶品粉末、25.00 mL H2SO4、12.00 mL MnSO4、10.00 mL 丙酮、3.00 mL NaBr溶液和3.00 mL蒸餾水于反應器中，蓋好帶注射孔和電極的反應器蓋。利用恒溫系統調節反應溫度為50.0℃，攪拌速度調節為850 r/min，立即點擊菜單采集數據，攪拌到5.0 min時用注射器迅速加入5.00 mL溴酸鈉溶液。記錄E-t曲線至電位E不再隨時間t變化為止。

2 結果與討論

2.1 群集成分分析與傳統成分分析

傳統的成分分析方法，主要是單一成分，諸如元素或化合物的定性和定量分析。此外，傳統的成分分析也包含類成分分析，類成分分析指的是樣品中某一類屬性物質的分析，如食品或藥品中總黃酮(多種黃酮集合)或總生物堿(多種生物堿集合)的定性與定量分析。

群集成分分析是指由多種成分，包括多種單一成分和類成分組成的復雜體系中各成分子集的分析。例如，人參粉末中是否摻雜了橘梗，羊奶中是否摻雜了牛奶，進口的加拿大大麥中是否摻雜了國產大麥，高價醬油中是否摻雜了廉價醬油，各摻雜百分比是多少，食用調和油是否按所需單一食用油的種類及其百分比的國家標準配制，是否偷工減料，諸如此類樣品中成分子集的定性和定量分析問題都屬于群集成分分析范疇。群集成分定量分析是分析檢測領域的難題之一，其方法的研究對食品、飲料、藥品、保健品、日化產品和農副產品等日常生活用品的質量控制至關重要。

2.2 基本非線性化學反應

基本非線性化學反應就是僅由底物和耗散物參加而沒有受到其他物質影響的化學湍流、化學振蕩、化學斑圖和化學波等非線性化學反應。基本非線性化學反應的E-t曲線特征與受到來自試樣中共存物質影響后所產生的E-t曲線，即樣品的非線性化學指紋圖譜的特征是很不相同的［13］。

2.3 體系中各成分對非線性化學指紋圖譜的影響

影響非線性化學指紋圖譜特征信息的物質可分為四大類。第一類是反應底物，即引起基本非線性化學反應的物質，包括有機底物和無機底物。第二類是反應耗散物，它們也參與基本非線性化學反應，但與其他在反應中進行再生-消耗循環的底物不同，在反應中是不斷消耗的，其濃度隨著反應的進行變得越來越小，最終使反應停止，故在反應體系中它們還決定著非線性化學反應持續的時間。這兩類物質中缺乏其中任何一種物質都不能產生非線性化學反應，即此時不可能測得非線性化學指紋圖譜。因此，這兩類物質都是影響非線性化學指紋圖譜至關重要的物質，尤其是后者還對測定指紋圖譜所需的時間有重要影響。第三類是樣品中通過其化學和物理性質來共同影響基本非線性化學反應的共存物質，尤其是這些物質通過對非線性化學反應機理的影響，會改變體系中實際非線性化學反應的歷程，從而對非線性化學指紋圖譜特征信息產生顯著的影響。第四類物質本身在體系中并不參與任何化學反應，只是通過它們對反應體系的物理性質，諸如溶液酸度、極性、黏度、滲透壓、表面張力和離子強度等的影響來改變溶液工作電池電勢與反應參與物活度之間的非平衡能斯特關系，從而對樣品的E-t曲線，即指紋圖譜產生影響。這四類物質對非線性化學指紋圖譜特征信息的影響程度各不相同，其大小主要決定于體系中各物質的濃度和這些物質對反應產生影響的相對活性。故非線性化學指紋圖譜特征是體系中各物質不同程度共同作用的結果，是樣品中各物質的群集特征。改變樣品的成分及其濃度，勢必導致指紋圖譜特征信息相應的改變。

2.4 測定奶品指紋圖譜的檢測用量

前期研究結果［2］表明，測定羊奶和牛奶的非線性化學線性指紋圖譜時，最合適的檢測用量為0.987g左右。本實驗都選用0.987 0 g。

2.5 奶品非線性化學指紋圖譜及其基本信息

非線性化學指紋圖譜中含有許多特征參數和直觀信息。直觀信息包含波峰形狀、誘導曲線、波動曲線和停波曲線等，而特征參數中包含峰谷時間(tcan)、峰谷電位(Ecan)、峰頂時間(tpet)、峰頂電位(Epet)、誘導時間(tind)、起波電位(Euns)、停波時間(tune)、停波電位(Eune)、平衡時間(tequ)、平衡電位(Eequ)、波動幅度(ΔEund)、最大波幅(ΔEmax)、波動周期(τund)、波動壽命(tund)和波峰數目(nwav)等［13］。如牛奶1指紋圖譜的部分特征信息見圖1［2］。

2.6 奶品非線性化學指紋圖譜的重現性和特征性

圖1 牛奶1粉末指紋圖譜的部分特征信息e～f:誘導曲線;f～g:波動曲線;g～h:停波曲線;e和h分別為非線性化學反應的起點和終點Fig.1 Non-linear chemical fingerprint of cow milk powder 1 and its part of feature information

牛奶1和牛奶2及羊奶1和羊奶2的指紋圖譜［2］見圖2。圖2表明，牛奶和羊奶非線性化學指紋圖譜均具有很好的重現性和特征性。如牛奶指紋圖譜(圖2中1和2)的最大波幅較大，誘導時間較短，波動曲線輪廓左端沒有明顯下凹的趨勢，而羊奶指紋圖譜(圖2中3和4)的最大波幅較小，誘導時間較長，波動曲線輪廓左端具有明顯下凹的趨勢。因此，利用指紋圖譜這些明顯的直觀特征差異就可鑒別牛奶和羊奶的真偽。圖2還表明，不同產地與時間采集的牛奶或羊奶，因其成分種類基本相同，只是其含量略有差別，故指紋圖譜具有共同的基本特征，特征信息差異性也較小;對于同產地的牛奶或羊奶，因其成分種類和含量一致，故指紋圖譜具有很好的重現性。這種良好的重現性和特征性為利用非線性化學指紋圖譜鑒別、評價和定量分析奶品提供了必要的條件。

2.7 牛奶含量對指紋圖譜特征信息的影響

圖2 牛奶1和牛奶2粉末(1、2)及羊奶1和羊奶2粉末(3、4)非線性化學指紋圖譜的重現性和特征差異Fig.2 Reproducibility and characteristic differences of non-linear chemical fingerprints of cow milk powder 1 and 2(1，2)as well as goat milk powder 1 and 2(3，4)

分別將牛奶1和牛奶2、羊奶1和羊奶2按1∶1質量比混合組成純牛奶和純羊奶，然后將這2種純奶奶粉按不同比例混合組成摻雜奶粉標樣系列，測定摻雜牛奶百分含量對指紋圖譜特征信息的影響 (圖3)。圖3表明，奶粉中摻雜牛奶的含量對指紋圖譜的可量化信息具有規律性的影響，其中誘導時間與牛奶百分含量呈良好線性關系。線性回歸方程和相關系數R2分別為tind=－1 282x+2 553和0.998 9。該方程可作為利用樣品指紋圖譜誘導時間計算摻雜牛奶百分含量的模型。

圖3 牛奶含量對非線性化學指紋圖譜(左，1－0%，2－20%，3－40%，4－60%，5－80%，6－100%)和誘導時間(右)的影響Fig.3 Influences of cow milk content on the non-linear chemical fingerprint

2.8 非線性化學指紋圖譜信息回歸法的精密度、準確度及應用

用非線性化學指紋圖譜信息回歸法測定了純羊奶、純牛奶和5種新配制的混合奶標樣中摻雜牛奶的含量。測定結果及其精密度和準確度見表1。由表1中數據可見，各種牛奶含量測定結果的相對標準偏差RSD≤2.1%，回收率在97.3%～102%。這表明用非線性化學指紋圖譜信息回歸法測定混合摻雜奶粉中牛奶的含量時，結果精密度較高，沒有系統偏差，隨機偏差絕對值在允許偏差范圍內，方法準確度高。

回歸方程tind=－1 282x+2 553可用于奶品中摻雜牛奶含量的計算和奶種鑒別，不僅準確度高，且使用也非常方便。先利用樣品測定其指紋圖譜的誘導時間，然后代入方程進行計算。當牛奶含量x計算結果趨于0時，說明未摻雜牛奶，是純羊奶;當計算結果趨于100%時，說明奶品是純牛奶;當計算結果居于兩者之間時，有相應程度的摻雜牛奶，利用計算值可對摻雜奶品進行準確的質量評價(表1)和合理的價格估算。方法不僅對奶品摻雜牛奶與否及摻雜程度的鑒別評價非常準確，而且對于前2種情況，無需計算，僅利用指紋圖譜(見圖2和圖3)就可準確鑒別，就像利用直觀特征形狀來鑒別新鮮水果或蔬菜種類那樣容易。

表1 非線性化學指紋圖譜信息回歸法測定純羊奶、純牛奶和5種混合奶粉末中牛奶含量與鑒定評價結果aTable 1 Cow milk contents in different milk powders and identification-evaluation results obtained by regression method of non-linear chemical fingerprint informationa

3 結論

羊奶和牛奶組成混合奶的非線性化學指紋圖譜誘導時間與牛奶含量之間存在定量關系，利用混合奶非線性化學指紋圖譜信息和牛奶含量擬合得到的回歸方程，可用來預測該二元混合奶樣品中牛奶和羊奶的含量。研究結果表明，非線性化學指紋圖譜信息回歸法分析的結果具有較高的精密度和準確度。另外，該方法能以回歸方程代替難以長期保存的混合奶標樣、測定操作簡單、分析成本低廉，不僅容易準確鑒別牛奶和羊奶，而且解決了測定羊奶和牛奶混合奶中各原奶含量的難題。方法對二元混合奶品進行準確的質量評價和合理的價格估算，以及打假防偽具有重要的意義，對其他由2種混合物組成樣品的群集成分分析方法的研究也有參考借鑒作用。

［1］陳偉，羊奶的營養價值及我國羊奶產業發展存在的問題［J］.乳品加工，2009(12):46－47.

［2］魯利利，董文賓，張泰銘，等.非線性電化學指紋圖譜技術鑒別羊奶和牛奶及其產地［J］.食品與發酵工業，2014，40(3):201 －207.

［3］張泰銘，梁逸曾，袁斌，等.中藥電化學指紋圖譜的檢測方法和條件因素［J］.科學通報，2007，52(9):1 012－1 120.

［4］張泰銘，梁逸曾，袁斌，等.中藥電化學指紋圖譜的原理，特點和用途［J］.科學通報，2007，52(13):1 513－1 522.

［5］Field R T，Koros E，Noyes R M.Oscillation in chemical system.Ⅱ.Thorough analysis of temporal oscillation in the bromate-cerium-malonic acid system［J］.J Am Chem Soc，1972，94(25):8 649－8 664.

［6］Field R J，Schneider F W.Oscillating chemical reaction and nonlinear dynamics［J］.J Chem Educ，1989，66(3):195－204.

［7］Taylor A F.Mechanism and phenomenology of an oscillating chemical reaction［J］.Chaos，2002，27(4):247 －325.

［8］Prjman J A，Epstein I R，Mcmanus T J，et al.Convective effects on chemical waves.2.Simple convection in the Iodate-Arsenous acid system［J］.J Phys Chem，1991，95(3):1299－1306.

［9］張業中，安從俊，丁宗洲，等.甲醛-乳酸-丙酮－Mn2+－BrO3－－H2SO4振蕩反應動力學分析研究［J］.分析科學學報，2004，20(5):468－470.

［10］GAN N Q，CAI R X，LIN Z X.Determination of ascorbic acid based on a peroxidase oscillator reaction［J］.Anal Chim Acta.2002，464(2):257－260.

［11］WANG J，YANG S T，CAI R X，et al.A new method for determination of uric acid by the lactic acid-acetone－BrO3－－Mn2+－H2SO4oscillating reaction using the analytepluse perturbation technique［J］.Talanta，2005，65(3):799－805.

［12］方宣啟，張泰銘，趙哲，等.非線性化學指紋圖譜技術在鑒別和評價甘草及其臨床應用中的作用［J］.科學通報，2010，55(17):1 661－1 669.

［13］張泰銘，趙哲，方宣啟，等.利用樣本耗散成分的非線性化學指紋圖譜的檢測方法和條件因素［J］.中國科學-化學，2011，41(9):1 521－1 539.

［14］張泰銘，趙哲，方宣啟，等.利用樣本成分耗散物的非線性化學指紋圖譜原理及相似度計算與評價［J］.中國科學-化學，2011，41(10):1 604－1 621.

［15］張泰銘，毛鵬飛，陽小燕，等.MZ-1A型非線性化學指紋圖譜智能分析儀［J］.中國儀器儀表，2010(6):60－62.

［16］杜寶中，屈敏佳，馬國營.基于BrO3－－MnSO4－H2SO4－丙二酸體系的中藥電化學指紋圖譜［J］.科學通報，2012，57(11):68－73.

［17］WANG Xing-cheng，JIA Chen，CHENG Wu-fang，et al.Study on electrochemical fingerprints of different Chrysanthemums by using B–Z oscillation system［J］.Chinese Chemical Letters，2011，22(6):729－732.

［18］張娟，鐘俊輝，王志沛，等.利用非線性化學指紋圖譜法測定啤酒中乙醇含量［J］.分析化學，2014，42(4):559－564.

［19］李守君，黃金寶，鄒桂華，等.電化學振蕩反應在黃芩提取工藝優化中的應用［J］.分析化學，2010，38(9):1 353－1 356.

［20］楊代明，方宣啟，馮敏，等.食醋非線性化學指紋圖譜摻偽鑒別原理的研究［J］.食品和機械，2012，28(1):86－92.

［21］張海珍，肖長龍，楊學華，等.非線性化學指紋圖譜在蜂蜜質量評價中的應用［J］.食品研究與開發，2012，33(4):194－197.

［22］孫艷輝，馮娟，吳霖生.滁菊電化學振蕩指紋圖譜的研究［J］.食品工業科技，2010，31(6):91－93.