近紅外光譜法快速測定含乳飲料中增稠劑含量

王會，陸建良

（1.聊城大學食品科學與工程系，山東聊城252059；2.浙江大學茶學系，浙江杭州310029）

近紅外光譜法快速測定含乳飲料中增稠劑含量

王會1，陸建良2

（1.聊城大學食品科學與工程系，山東聊城252059；2.浙江大學茶學系，浙江杭州310029）

研究近紅外光譜法快速測定含乳飲料中增稠劑的含量的技術方法。應用近紅外光譜儀，以含增稠劑乳飲料為研究對象，通過NIR掃描和NIRCAL分析優化，獲得了在單種增稠劑存在條件下具有較好預測效果的定量數學模型。同時研究也發現，在應用上述模型進行預測時應注意模型的適用基質以及濃度適用范圍。應用NIR對含乳飲料中增稠劑的定量檢測方法作為企業產品質量內控是可行的，而將此方法作為含乳飲料中增稠劑的定性和定量尚需進一步的試驗研究。

含乳飲料；增稠劑；近紅外光譜

黃原膠、果膠、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉（CMC）等都屬于天然高分子多糖或者多糖衍生物，常用作乳化劑或增稠穩定劑。由于這類化合物所有的良好特性，在飲料工業中為了增加產品穩定性或改善口感等原因而添加一定數量的這類化合物。但即使是同一種商品膠類，往往沒有明確的分子量，也是一種具有相似分子特性的混合物，這就給定性和定量帶來很多不便。目前這類化合物的測定方法通常采用重量法、金屬離子沉淀法、酶解法、HPLC法、近紅外光譜法等。但是這些方法操作往往非常繁瑣，不能適用于生產線上的快速監測。

近紅外光譜分析是近年來食品分析領域應用較快的方法，該方法的主要特點是無需將被測定目標物分離純化，也不管目標物的存在形態是固態還是液態，卻能直接進行掃描分析，根據事先的標準目標物建立起來的數學模型進行定量[1-2]。目前這一方法已在淀粉糖生產等得到應用，并取得良好的效果[3]。本試驗通過含膠乳飲料制備、NIR掃描和數據分析，獲得具有實際應用價值的含乳飲料中CMC和黃原膠等增稠劑的定量數學模型。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃原膠：淄博順達生物化學有限公司；脫脂奶粉（蛋白質含量32%）：完達山企業集團乳品有限公司；BUCHIN200 NIR：Buchi labortechnik AG，Switzerland公司。

1.2 方法

1.2.1 含膠乳飲料的配制

50 g/L脫脂牛奶母液：取100 g脫脂奶粉，加2 L沸蒸餾水，并加熱溶解，冷卻后加水補足至2 L，該溶液即為A液。2 000mg/L黃原膠母液：取2 g黃原膠置于1 LA液的燒杯中，加熱助溶，冷卻后以蒸餾水補足至1 L，該溶液即為B液。

梯度黃原膠液體奶待測液：將A液與B液按一定比例調配，使終濃度形成100mg/L～1 000mg/L的黃原膠梯度待測液（濃度梯度為20mg/L，體積為50mL），每個處理重復3次。

1.2.2 NIR掃描

將BUCHIN200NIR預熱2 h后，進行硬件調諧和軟件自檢.并進行含黃原膠液體奶樣品NIR掃描，掃描波段為1 000 nm～2 500 nm（4 000 cm-1～10 000 cm-1），分辨率為3.856 96CM-1，每樣品掃描1次，每60分鐘儀器自動進行空白參比[4]。

1.2.3 波譜分析、建模和驗證

采用BUCHIN200供應商提供的統計分析軟件NIRCAL（v4.01），按濃度隨機抽取60%波譜作為建模集數據，剩余40%作為驗證集波譜.根據軟件說明進行數據分析和驗證[5]。

2 結果與分析

2.1 乳飲料中黃原膠NIR分析

對141個不同濃度處理的黃原膠樣品（0，100mg/L～1 000mg/L）進行掃描，從原始波譜圖可以看出，含黃原膠液體奶樣品在1 450 nm和1 950 nm附近出現2個主峰（圖1）。

圖1 含黃原膠乳飲料的NIR原始波譜Fig.1 TheoriginalNIR spectroscopy ofm ilk beveragescontaining xanthan gum

由NIR CAL軟件對波譜數據進行平滑預處理（Smooth Savitzky-Golay 9 points）后，并采用主成分相關分析（principal component regression，PCR）從12個一級因子（primary factor）中提取10個二級因子（second factor），如圖2。

圖2 根據黃原膠波譜數據提取的主因子Fig.2 Them ain factor of xanthan gum spectrum data extraction

以其中的85個波譜數據用于建模，并以此模型對剩余波譜進行預測和驗證，結果顯示，黃原膠預測值f（x）與原始參考值存在f（x）=0.972x+9.347的線性關系，該方程的相關系數R為0.98，而且從預測結果看，當黃原膠濃度低于200mg/L時，該模型的預測效果不佳（圖3）。

圖3 黃原膠模型對驗證集樣品的預測效果Fig.3 The predictiveeffectof xanthan gum on the validation set sam plesmodel

由于上述模型對低于200mg/L的黃原膠預測效果不理想，故而對200mg/L～1 000mg/L的黃原膠原始數據重新進行分析，數據分析方法為偏最小二乘法（partial leastsquare，PLS），從7個一級因子中提取4個二級因子作為建模因子（圖4）。

圖4 優化后根據原始數據提取的主因子Fig.4 Themain factor oforiginaldata extraction after optim ization

經因子提取和濾波處理后，黃原膠樣品在1 100、1 460、1 490、1 580、1 775～1 825、2 000 nm和2 075 nm～2 100 nm出現特征吸收（多糖羥基、糖苷和氫鍵），結果如圖5。

圖5 黃原膠特征波譜Fig.5 The characteristic spectrum of xanthan gum

相關分析也顯示，黃原膠濃度主要與1 100 nm等處吸光度存在較高的相關性（圖6）。

圖6 黃原膠特征波長的相關性分析結果Fig.6 Analysis resultsof correlation of xanthan gum characteristic wavelength

根據上述因子以PLS方法建模，并以此模型進行預測驗證，該模型預測值f（x）與驗證集原始參考值x的關系為f（x）=1.004 7x+7.844 3，該方程的相關系數R為0.99（圖7，表1）。說明優化后的模型對未知樣品中黃原膠的預測效果較好。

圖7 優化后模型對驗證集樣品的預測結果Fig.7 Thepredicted resultsof theoptim izedm odelon the validation set samples

通過NIR掃描和NIRCAL分析優化，建立了用于液態奶中黃原膠分析的預測模型，該模型對200mg/L～1 000mg/L濃度的黃原膠有較好的預測效果，該預測模型主要建立在黃原膠1 100 nm等處的特征吸收基礎之上，預測結果與原始參考值的相關系數達到0.99。

2.2 乳飲料中CMC、阿拉伯膠、明膠的NIR分析

通過含增稠劑乳飲料的配制、NIR掃描及波譜分析、建模和驗證（具體參照黃原膠的NIR分析），建立液體乳飲料中CMC、阿拉伯膠、明膠的NIR預測模型，見表2。

表1 優化前后黃原膠模型主要參數比較Table1 Comparison ofmain parametersof xanthan gum model beforeand after optim ization

表2 各增稠劑定量模型特點Table2 The characteristicsof quantitativemodelof thickening agent

3 結論與討論

以NIRCAL軟件對原始數據進行了統計分析、建模、優化和驗證，獲得了在單種增稠劑存在條件下具有較好預測效果的定量數學模型。應用黃原膠、羧甲基纖維素鈉、阿拉伯膠、以及明膠預測模型所得預測值與原始參考值的相關系數均超過0.97（表1）。同時研究也發現，在應用上述模型進行預測時應注意模型的適用基質以及濃度適用范圍。應用NIR對含乳飲料中增稠劑的定量檢測方法作為企業產品質量內控是可行的，而將此方法作為增稠劑的定性和定量尚需進一步的試驗研究。

[1]黃艷,王錫昌.近紅外光譜分析在食品檢測中的最新進展[J].食品研究與開發,2007,28(7):137-139

[2] 崔艷莉,冀曉磊,古麗菲婭,等.近紅外光譜在在果蔬品質無損檢測中的研究進展[J].農產品加工學刊,2007(7):84-86

[3] 劉宵,楊維旭.近紅外光譜(NIR)在淀粉糖生產中的應用[J].淀粉與淀粉糖,2004(3):40-45

[4] 謝麗娟,劉東紅,張宇環,等.近紅外光譜技術定量測定楊梅汁可溶性固形物[J].光譜學與光譜分析,2007,27(7):1332-1335

[5]唐長波,岳田利.近紅外光譜法檢測果汁中的富馬酸[J].西北農業學報,2007,16(2):187-189

Rapid Test of Thickener in M ilk Beverages by Near Infrared Spectroscopy

WANGHui1，LU Jian-liang2
（1.Departmentof Food Science and Engineering，Liaocheng University，Liaocheng252059，Shandong，China；2.Departmentof Tea Science，ZhejiangUniversity，Hangzhou 310029，Zhejiang，China）

The rapid determination of thichener concent inmilk beveragesby near infrared spectroscopy（NIR）method was studied.Milk drinks containing thickening agentwas deteced through NIR scanning and NIRCAL optimization analysisand geta quantitativemathematicalmodelhad a better prediction effectunder the condition of single type of thickening agent.At the same time，the study also found thatattention should be paid to modelapplicable scope and substrate concentration.The application of NIR in quantitative detectionmethod of thickening agent in themilk beverage productquality as enterprise internal controlwas feasible，But this approach asa thickeningagentinmilk beveragesofqualitativeand quantitative stillneeded the furtherexperimental research.

milk beverages；thickener；near infrared spectroscopy

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.24.031

2015-12-17

王會（1979—），女（漢），講師，碩士，主要從事食品加工研究。