基于高通量拉曼光譜的奶粉鑒別技術(shù)研究

張正勇，沙敏，劉軍，王海燕

（1.南京財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，南京210023；2.江蘇省質(zhì)量安全工程研究院，南京210023）

基于高通量拉曼光譜的奶粉鑒別技術(shù)研究

張正勇1,2，沙敏1,2，劉軍1,2，王海燕1,2

（1.南京財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，南京210023；2.江蘇省質(zhì)量安全工程研究院，南京210023）

針對奶粉假冒偽劣風(fēng)險，以品牌奶粉為對象，研究了拉曼光譜結(jié)合相似度算法進行快速、高通量奶粉品牌鑒別應(yīng)用的可行性。以自制多孔板為樣品制備平臺，高通量獲取待測樣品拉曼光譜信息，具有樣品用量少，無需樣品前處理過程，信號采集速度快等優(yōu)點。進一步運用全譜數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)系數(shù)法，研究品牌奶粉間相似度差異，構(gòu)建質(zhì)量波動控制圖。結(jié)果顯示，品牌奶粉內(nèi)部拉曼光譜相似度差異較小，品牌奶粉間拉曼光譜相似度差異相對較大，據(jù)此結(jié)合質(zhì)量波動控制圖，可初步實現(xiàn)品牌奶粉鑒別控制。

奶粉；拉曼光譜；高通量；相關(guān)系數(shù)

0 引言

奶粉質(zhì)量安全一直受到監(jiān)管部門和普通消費者的廣泛關(guān)注[1]。出于經(jīng)濟利益的驅(qū)使，假冒偽劣產(chǎn)品時常會混入市場，成為奶粉質(zhì)量安全的風(fēng)險因素之一[2]。目前，奶粉品質(zhì)分析技術(shù)主要包括兩個方面：一方面我國已建立系列乳制品監(jiān)管國家標(biāo)準(zhǔn)，如GB19644乳粉質(zhì)量安全國家標(biāo)準(zhǔn)[3]，以及如GB/T22388原料乳與乳制品中三聚氰胺檢測方法等檢測方法標(biāo)準(zhǔn)[4]。另一方面新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)[5]，如本課題組發(fā)展的基于表面增強拉曼光譜法痕量測定牛奶中非法添加物硫氰酸鈉[6]。不過，這些研究方案所關(guān)注的主要集中在奶粉安全性指標(biāo)評價方面，而在奶粉質(zhì)量水平評估方面，現(xiàn)有的可行性方案還較為匱乏。拉曼光譜結(jié)合相關(guān)系數(shù)法，提出了具有潛在應(yīng)用價值的快速鑒別奶粉品牌的方法。

1 實驗

1.1 儀器與試劑

Prott-ezRaman-D3激光拉曼光譜儀，激光波長785 nm，激光功率450 mW。

A品牌奶粉，B品牌奶粉，C品牌奶粉，D品牌奶粉，E品牌奶粉。

1.2 實驗過程

使用打孔機制備含有多個圓孔的聚甲基丙烯酸甲酯（poly(methyl methacrylate)，PMMA）芯片，參數(shù)包括：孔直徑8 cm，孔高9 cm，孔間距3 cm。實驗過程中，每孔分別上樣100～150 mg奶粉，震蕩使之均勻。而后，使用激光拉曼光譜儀依次采集獲取各孔樣品拉曼光譜信息。

1.3 相關(guān)系數(shù)法

相似度計算使用的是相關(guān)系數(shù)函數(shù)，公式如下：

式中：xi和yi分別表示的是在i波長處兩樣本拉曼光譜強度值和分別表示的兩樣本拉曼光譜強度的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 奶粉拉曼光譜分析

實驗隨機選取了市場銷售的5種品牌奶粉，進行了拉曼光譜的采集，如圖1所示。依據(jù)文獻(xiàn)，奶粉拉曼光譜信號可做如下歸屬分析[7-9]：1 748 cm-1主要源自于與脂肪酸有關(guān)的酯類C=O伸縮振動；1 660 cm-1主要源自于蛋白質(zhì)酰胺鍵的C=O伸縮振動以及不飽和脂肪酸的C=C伸縮振動；拉曼光譜最高峰1 460 cm-1主要源自于脂肪和糖類相關(guān)的CH2變形振動；1 340 cm-1主要源自于C-O伸縮振動和C-H變形振動；1308 cm-1主要源自于CH2扭曲振動；1 264 cm-1主要源自于糖類的CH2扭曲振動；1 125 cm-1和1 084 cm-1主要源自于糖類相關(guān)的C-O伸縮振動、C-C伸縮振動以及C-O-H變形振動；1 005 cm-1主要源自于苯丙氨酸的環(huán)振動；856 cm-1主要源自于C-C-H變形振動以及C-O-C變形振動，445 cm-1主要源自于C-C-C變形振動和C-O扭曲振動。由拉曼光譜信號分析可知，品牌奶粉的拉曼光譜信號主要歸結(jié)于蛋白質(zhì)、脂肪和糖類等奶粉主要成分，因而在拉曼光譜信號總體表現(xiàn)情況上出峰位置較為相似，但由于生產(chǎn)工藝和加工原料的不同，各品牌奶粉的拉曼光譜信號在峰型、峰強度上又表現(xiàn)出一定差異，借助相關(guān)系數(shù)法[10]，可實現(xiàn)各品牌奶粉拉曼光譜差異的量化表征。

圖1 不同品牌奶粉拉曼光譜

2.2 A品牌奶粉相關(guān)系數(shù)分析

進一步，研究以A品牌奶粉為對象，考察品牌奶粉內(nèi)部相似度差異情況。隨機選取了10個A品牌奶粉樣本，利用自制高通量多孔芯片，采集獲得了各樣本拉曼光譜信息。由于產(chǎn)品質(zhì)量存在一定波動，其表征信號的數(shù)學(xué)期望為樣本信號均值，因此，可用樣本測試信號的均值作為A品牌奶粉的特征信號，而各樣本實測信號將圍繞均值信號上下波動。基于這一事實，研究比較了各測試樣本拉曼光譜信號與均值信號的相似度變化情況，如圖2所示。結(jié)果顯示，各A品牌奶粉樣本的拉曼光譜信號與A品牌奶粉均值信號間表現(xiàn)出相關(guān)系數(shù)0.99以上的高度相似現(xiàn)象，這可能是由于同一品牌各測試樣本間的加工工藝、原料等保持了較高的一致性，因而各樣本與均值信號間相似程度較高。基于這一現(xiàn)象，進一步運用質(zhì)量波動控制圖方法，嘗試建立品牌奶粉的質(zhì)量控制圖，如圖3所示。質(zhì)量波動控制圖是一種統(tǒng)計過程控制的數(shù)理分析手段，基于統(tǒng)計假設(shè)檢驗原理構(gòu)造而成，當(dāng)質(zhì)量波動僅有偶然因素影響時，質(zhì)量波動處于統(tǒng)計控制狀態(tài)，即處于上下控制限內(nèi)圍繞中心線波動，而當(dāng)質(zhì)量波動受到異常因素影響時，質(zhì)量波動處于失控狀態(tài)，質(zhì)量波動將躍出控制限，故其可起到及時預(yù)警作用。質(zhì)量波動控制圖早期主要在機械制造領(lǐng)域得到廣泛使用，日前，在食品控制領(lǐng)域也正日益發(fā)揮出重要作用[11-12]。依據(jù)控制圖繪制原理，得到了A品牌奶粉相關(guān)系數(shù)值變化控制圖以及移動極差控制圖，圖3a可以看出，測試樣本的相關(guān)系數(shù)值圍繞中心線（均值）0.9995，在上控制限0.9997和下控制限0.9992間波動，需要補充一點，與一般用控制圖不同，在本實驗體系考察的是相關(guān)系數(shù)值，若出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)大于0.9997即超出上控制限情況時，并不能據(jù)此認(rèn)為出現(xiàn)異常因素，因為相關(guān)系數(shù)值愈接近于1，說明產(chǎn)品質(zhì)量的測試信號愈接近于均值，是質(zhì)量水平提升的表現(xiàn)。此外，圖3b中相應(yīng)移動極差值也在理論范圍內(nèi)波動。

圖2 各A品牌奶粉樣本與其均值間拉曼光譜相關(guān)系數(shù)值

2.3 品牌奶粉相關(guān)系數(shù)分析

圖3 A品牌奶粉相關(guān)系數(shù)值變化及移動極差控制圖

研究進一步考察了不同品牌奶粉間拉曼光譜相似度情況，以A品牌奶粉（均值）為對象，比較了其他品牌奶粉與之相關(guān)系數(shù)值差異，如圖4所示。C品牌、E品牌、B品牌、D品牌與A品牌奶粉的拉曼光譜相關(guān)系數(shù)值分別為0.950、0.977、0.971、0.995，可以看出品牌奶粉與研究對象A品牌奶粉間存在較高的拉曼光譜相似度，這可歸結(jié)于奶粉主要成分均為蛋白質(zhì)、脂肪、糖類有關(guān)，但是，各品牌奶粉相似度值也存在一定差異，這可歸結(jié)于其生產(chǎn)工藝、原料差異導(dǎo)致最終產(chǎn)品間微量成分的不同。進一步分析，C品牌、E品牌與A品牌相關(guān)系數(shù)值差異較大，可能原因在于C品牌、E品牌分別為國外品牌，A品牌為內(nèi)蒙古品牌，原料產(chǎn)地差異較大，存在一定影響。B品牌為浙江杭州品牌，與A品牌相關(guān)系數(shù)值小于D品牌奶粉，而D品牌為黑龍江品牌，因而可能是由于在奶源產(chǎn)地上，D品牌與A品牌地理緯度差異較小有關(guān)。盡管各品牌奶粉與A品牌奶粉間相關(guān)系數(shù)值達(dá)到了0.95以上，不過與A品牌奶粉內(nèi)部拉曼光譜相關(guān)系數(shù)值比較而言，這種不同品牌奶粉的相關(guān)系數(shù)值差異依舊是明顯小于圖3（a）的下控制限0.9992，因此，依然能夠有效的鑒別出品牌奶粉的相似度差異，揭示出實驗方法在奶粉品牌間有效區(qū)分價值。

3 結(jié)論

圖4 不同品牌奶粉與A品牌奶粉拉曼光譜相關(guān)系數(shù)值

本文針對品牌奶粉在產(chǎn)銷過程中的假冒偽劣風(fēng)險，以多孔芯片為平臺，高通量獲取奶粉拉曼光譜信息，結(jié)合相關(guān)系數(shù)運算，量化輸出了品牌奶粉內(nèi)部及品牌奶粉間相似度差異情況，結(jié)果顯示品牌奶粉內(nèi)部相關(guān)系數(shù)值差異較小，品牌奶粉間相關(guān)系數(shù)值差異較大，并通過建立奶粉相關(guān)系數(shù)質(zhì)量波動控制圖，實現(xiàn)了品牌奶粉動態(tài)監(jiān)控，結(jié)合相關(guān)系數(shù)運算，可初步實現(xiàn)快速、高效的奶粉品牌鑒別，揭示了方法的潛在應(yīng)用價值。

[1]張淑萍，陸娟.我國乳品行業(yè)市場發(fā)展整體狀況研究[J].中國乳品工業(yè).2013,41(11):33-37.

[2]史若天.探析公共食品安全事件中政府的輿論引導(dǎo)策略——以2016年上海“假奶粉”事件為例[J].新聞研究導(dǎo)刊.2016(12):334.

[3]GB 19644-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)乳粉》.

[4]GB/T 22388-2008《原料乳與乳制品中三聚氰胺檢測方法》.

[5]崔向云，常建軍，張雪峰，等.UPLC-MS/MS法測定液態(tài)乳中舒巴坦殘留[J].中國乳品工業(yè)，2014,42(10):42-45.

[6]ZHANG Z,LIU J,WANG H.Microchip-Based Surface Enhanced Raman Spectroscopy for the Determination of Sodium Thiocyanate in Milk[J].Analytical Letters，2015,48(12):1930-1940.

[7]ALMEIDA M R,OLIVEIRA K D S,STEPHANI R,et al.Fouri?er-transform Raman analysis of milk powder:a potential method for rapid quality screening[J].Journal of Raman Spectroscopy，2011,42 (7):1548-1552.

[8]MOROS J,GARRIGUES S,GUARDIA M.Evaluation of nutrition?al parameters in infant formulas and powdered milk by Raman spec?troscopy[J].Analytica Chimica Acta，2007,593(1):30-38.

[9]ZHOU Q,SUN S,YU L,et al.Sequential changes of main compo?nents in different kinds of milk powders using two-dimensional infra?red correlation analysis[J].Journal of Molecular Structure，2006,799(1–3):77-84.

[10]CHEN J,ZHOU Q,NODA I,et al.Quantitative classification of two-dimensional correlation spectra[J].Applied Spectroscopy，2009, 63(8):920-925.

[11]王海燕，張慶民.質(zhì)量分析與質(zhì)量控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015:1-175.

[12]劉銳，魏益民，張波.基于統(tǒng)計過程控制(SPC)的掛面加工過程質(zhì)量控制[J].食品科學(xué).2013,34(8):43-47.

Research on identification technology of milk powder based on high through?put Raman spectroscopy

ZHANG Zhengyong1,2,SHA Min1,2,LIU Jun1,2,WANG Haiyan1,2
(1.School of Management Science and Engineering,Nanjing University of Finance and Economics,Nanjing 210023, China;2.Jiangsu Province Institute of Quality and Safety Engineering,Nanjing 210023,China)

In order to overcome the risk from fake and shoddy milk powder,some brands of milk powder were used as the research objects,a new method was established based on Raman spectroscopy combined with similarity algorithm and the feasibility of the rapid and high throughput method was full investigated.Taking the self-made multi-well plate as the sample preparation platform,the Raman spectra infor?mation of the samples can be obtained with high throughput.This method has a large number of advantages,such as less sample consump?tion,no sample pre-treatment process,rapid signal acquisition speed.Furthermore,the total spectra data combined with correlation coeffi?cient method were applied to identify the difference between the brands of milk powder and the quality control charts were constructed.The results reveal that the difference based on Raman spectra between the same brand of milk powder is small,but the difference based on Raman spectra between the different brands of milk powder is large.The results suggest that the identification method could be used for quality con?trol of brand milk powder when the correlation coefficients further combined with quality fluctuation control chart.

milk powder;Raman spectroscopy;high throughput;correlation coefficient

TS252.7

：A

：1001-2230（2017）06-0049-03

2016-10-17

國家自然科學(xué)基金（61602217，61373058，71433006）；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項（2013YQ090703）；南京財經(jīng)大學(xué)青年學(xué)者支持計劃（2015）基金資助。

張正勇（1984-），男，講師，研究方向為復(fù)雜體系分析技術(shù)研究。

王海燕