近红外光谱技术检测牛奶中脂肪及蛋白质含量校正模型的建立.pdf

第 2 8 卷第 3 期 2 0 0 6 年 6 月 光学仪器 OP TI CAL I NS TRUM ENTS Vo1 28 No3 J u n e， 2 0 0 6 文章编号 ： 1 0 0 5 5 6 3 0 ( 2 0 0 6 ) 0 3 0 0 0 3 0 5 近红外光谱技术检测牛奶中 脂肪及蛋 白质含量校正模型的建立 王 云 ， 徐 可欣 ， 常敏 ( 天津大学精密仪器与光 电子工程学 院 ， 天津 3 O O O 7 2 ) 摘要 ： 为实现牛奶成分的 决速检测 ， 研究 了近红外光谱法在牛奶主要成分分析 中的应 用 ， 重 点对 比 了不 同近 红 外 区域 的检 测 结果 。研 究 中利 用偏 最 小 二乘法 ( P L S ) 建 立校 正 模 型 ， 探 讨 了不 同光 谱 区域 和 数 据 预 处 理 对 模 型 准确 性 的 影响 。模 型 结 果 表 明 在 长波 段 ( 1 7 0 0 n m2 5 0 0 n m) 检 测 牛奶 中脂肪 及蛋 白质 含量 的 准确 性 最 高 。 关键词 ： 近红外光谱 ； 牛奶 ； 脂肪 ； 蛋 白质 中图分类号 ： 06 5 7 3 3 文献标识码 ： A S t u dy o n m u l t i b a nd NI R s p e c t r o s c o py f o r t he de t e r mi na t i o n o f f a t a nd p r o t e i n c o nt e nt s i n mi l k W ANG Ymt 。 X U Ke xi n， cH AN G M ( C o l l e g e o f P r e c i s i o n I n s t r u me n t s a n d Op t o e l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g， Ti a n j i n Un i v e r s i t y ， Ti a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e a i m o f t h e s t u d y wa s t o e v a l u a t e t h e f e a s i b i l i t y o f t h e NI R s p e c t r o s c o p y f o r d e t e r mi n a t i o n of f a t a nd p r ot e i n c o nt e nt s，e s pe c i a l l y f o c u s e d o n t he c o mpa r i s o n o f r e s u l t s i n t he d i f f e r e nt NI R s p e c t r a r e g i o n s C a l i b r a t i o n wa s d e v e l o p e d b y p a r t i a l l e a s t s q u a r e s ( P LS) r e g r e s s i o n NI R s p e c t r o s c o p y p r o v i d e d s a t i s f a c t o r y r e s u l t s a n d s p e c t r a p r e t r e a t me n t i mp r o v e d t h e a c c u r a c y o f mi l k c o mpo s i t i o n d e t e r m i na t i on f or t he wh ol e s pe c t r a r e g i o n The o pt i ma l r e s ul t s f o r f at a nd pr o t e i n we r e o b t a i n e d i n t h e l o n g wa v e NI R r e g i o n ( 1 7 0 0 n m 2 5 0 0 n m ) Ke y wo r d s： n e a r - i n f r a r e d( NI R)s p e c t r o s c o p y；mi l k；f a t ；p r o t e i n 1 引言 牛奶作为一种营养全面的理想乳品 ， 越来越受到人们的青睐。 实时 、 快速 、 准确地检测牛奶成分对实现 乳业生产过程的 自动化及提高乳品质量具有重要意义 。 目前牛奶成分检测仍以化学分析方法为主导 ， 其检 验结果准确 ， 但过程耗 时费力、 破坏样品。2 0 世纪 8 0 年代 ， 随着光谱仪器以及计算机技术的发展 ， 现代近 红外 ( NI R) 光谱技术迅速发展起来 ， 该方法具有( 简单快速 ， 不破坏样品， 绿色环保等优 点， 已经成功应用 于农业和 食 品工业 L 1 J 。 通常将近红 外分为三 个波段 ： 短波 ( 7 0 0 n m1 1 0 0 n m) ， 中波 ( 1 1 0 0 n m1 7 0 0 n m) ， 长 波 ( 1 7 0 0 n m 2 5 0 0 n m) 。目前近红外光谱法用于牛奶检测方面的研究大都集中在中波 1 1 0 0 n m1 7 0 0 n m 区域 3 ， 而在 短波和长波近红外 区域研究甚少 。一般认为 7 0 0 n m 1 1 0 0 n m 区域对样品的穿透深 ， 可达几厘米 ， 而被吸 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 8 1 9 作者简介 ： 王云 ( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 河北保 定人 ， 硕士研究生 ， 主要从 事牛奶成分光谱检测方面的研 究。 维普资讯 4 光学仪器 第 2 8 卷 收的光强很弱 ， 应该包含诸多的样品信息嘲。目前为止还未见有 比较近红外各个波段 的报导 ， 该研究结果 将对近红外牛奶模型建立时的波段选择提供依据 。 2 测量原理 近红外光谱分析技术的理论基础是朗伯一比尔定律 ( L a mb e r t B e e r l a w) ： A一 ( ) L ( 1 ) 、 l 式中 ： 为 吸光度 ； L为光程长 ； c为溶液 中各成分 的浓度 ； a为 吸光 系数 ； 为溶液 中成分个数 。根据 L a mb e r t Be e r t 定律 ， 对近红外光具有吸收作用的物质随着其浓度的改变其光谱特性也将改变。由于牛奶 中脂肪和蛋 白质对近红外光有吸收， 故从理论上讲 ， 近红外光谱分析技术可应用于牛奶成分的检测。 近红外光谱分析技术是一种间接测量技术 ， 即需要结合化学计量学方法建立校正模型 ， 将校正集样品 的光谱与样品已知参数关联 ， 然后通过建立的校正模型和测定的未知样品的光谱信息进行分析 ， 最终得到 未知样品的组成信息。 3 牛奶的光学特性 牛奶是多物质组成的混合物 ， 各物质相互组成复杂的分散体系， 其 中水是分散剂 ， 分散质有蛋 白质、 脂 肪 、 乳糖、 盐类等 。因此光在牛奶中的传播非常复杂 ， 如图 1 所示 。图中 B类光为漫透射光 ， 从光源发出 的光与牛奶样品相互作用后直接透过 ， 负载了丰富的样品信息 ， 透过光强与样品成分浓度和样 品厚度 有 关 ， 符合 比尔定律 。图中 A类光为漫反射光 ( 主要有牛奶中的大分子态的脂肪球 等引起) ， 光进入样品内 部 ， 经过多次反射、 折射 、 散射和吸收后返回样品的表面， 也携带了样品信息。因此采用漫透射测量时不能 忽略光散射的影响 ， 要对采集的光谱进行预处理来消除这种影响 。 4实验部分 A B f、 图 1 光与牛奶相互作用示意图 4 1 样品置备 共准备 6 0个超高温灭菌均质奶 ( 处理方法采用 I D F标准 1 4 1 C： 2 0 0 0 I D F) ， 将样品分成两部分 ， 其中 4 5 个样品用作校正集 ， 1 5个样品用作验证集 。蛋 白质和脂肪含量分别用国家标准方法凯式定氮法 ( 采用 上海新嘉 电子有限公司的双排定氮仪 KD N O 8 A) 兹一哥特里法测定 。表 1 显示了在实验中样 品集的 化学成分特性 。 表 1 校正集和预测集的化学组成 4 2 实验仪器和光谱采集 短波近红外光谱采用美国 Oc e a n Op t i c s HR2 0 0 0光纤光谱仪 ， 光谱采集范围 7 8 0 n m1 1 0 0 n m ， 扫描 分辨力0 0 6 5 n m， 样品池厚度5 m m； 中波近红外采用自 行研制的牛奶成分自动检测仪 以 声光可调谐滤波 维普资讯 第 3 期 王云等 ： 近 红外光谱技 术检 测牛 奶中脂肪 及蛋白质含量校 正模 型的建立 5 器 ( a c o u s t o o p t i c Tu n a b l e ， f i l t e r ， AOTF ) 为核 心器 件 ， 光谱 采集 范 围 l l 0 0 n m1 7 0 0 n m， 扫描分 辨 力 0 5 n m， 样 品池厚度 0 5 mm； 长波近红外采用美国 P E公司的 G X1 F T I R光谱仪 ， 光谱采集范围 1 7 0 0 n m 2 5 0 0 n m， 扫描分辨力 2 c m， 光谱间隔 l c m， 样品池厚度 0 4 mm。 为补偿仪器漂移的影响， 测量过程 以水为背景 。三台光谱仪采集光谱时均是扫描多次取平均 ， 以克服 随机噪声的影响。图 2为三个波段范围的近红外光谱图。 波长 加 ( c ) 图 2 7 8 0 n m 2 5 0 0 n m 近 红 外 区 域 的 吸 收 光 谱 ( a ) 短波近红 外吸收光谱 ； ( b ) 中波近红外吸收光谱 ； ( c ) 长波近红 外吸收光谱 4 3 光谱分析 图 2可以看出， 由于水的吸收 ， 故谱图在 9 6 0 n m， 1 4 4 0 n m 和 1 9 5 0 n m形成强的吸收带， 脂肪和蛋白的 特征吸收与水相 比不但显得非常微弱 ， 而且谱峰重叠严重难 以辨认 。 由于近红外光谱对应中红外基频吸收 的倍频和合频 ， 因此习惯于用牛奶的 中红外吸收峰来解释近红外的谱带归属 。 图 3 显示了纯牛奶 以水为背 景时采用美国 P E公司光谱仪扫描的 F T MI R光谱。 对应 2 8 5 4 c m- 1 脂肪 C H键基频的一级倍频为近红外 区域 的 1 7 2 9 n m， 1 7 6 3 n m， 2 1 5 0 n m， 2 1 9 0 n m。1 7 5 4 c m 主要 是 脂 肪 中 CO键 的伸 缩 振 动。对 应 于 1 5 1 5 c m 1 5 6 0 c m 蛋 白质 N H键基频 的二级倍频为近红外 区域 的 1 0 3 4 n m附近的吸收峰 ， 2 0 5 0 n m 2 1 8 0 n m对应于蛋白肽键的吸收。 1 4 c m 对应于脂肪酸链中的饱和 C H键的弯曲振动。 实际建模过程 中， 应根据不同基团的吸收将光谱数据分段建立校正模型， 以期找到牛奶各成分最佳的建模区域。 2 9 2 3 6 9福斯给出f a t 的 吸收位置 在2 8 5 7 2 85 3 6 2 福斯 给出p r o 的 吸 收位置在 l 5 3 8 l 3 7 8 5l l 5 48 6 8 I l 745 9 8 福斯给出f a t 的 l 2 3 6 1 1 3 吸收位置在1 7 5 4 l 0 7 2 ll 5 7 0 6 1 4 7 0 3 2 1 八 ， 4 3 20 0 0 2 80 0 24 0 0 20 00 l 80 0 l 60 0 1 40 0 l 2 0 0 1 00 0 0 波 c r ll 图 3 牛奶的中红外吸收光谱图 m 呕 m ( 米 维普资讯 6 光学仪器 第 2 8 卷 5 建模与预测 5 1 预处 理 光谱实际测量过程中不仅包括了牛奶组分浓度信息 ， 还包括仪器噪声 ， 外界干扰等 ， 需要对原始光谱 进行适当的预处理 ， 将牛奶信号和噪声分离， 最大程度的提取牛奶的有效信息 。分别运用了多元散射校正 ( mu l t i p l i c a t i v e s c a t t e r c o r r e c t i o n ， MS C) ，平滑 ( s mo o t h i n g ) ，微分处理 ( d e r i v a t i v e s ) 等 。 5 2 建模 现采用偏最z b -乘交互验证方式将近红外三个 区域的原始光谱和预处理后的光谱分别与牛奶中脂肪 和 蛋 白质 浓度 参考 值建立 了校 正模 型， 最 后针 对 预测 集样 品进行 了模 型预测 。光 谱分 析过程 采用 T h e Un s c r a mb l e r ( v 8 o ) 光谱数据处理分析软件 ( 美国 C AMO公司) 。蛋白质和脂肪的测定结果显示在表 2中 。 从表 2 可 以看 出： 预处理后脂肪和蛋白质校正模型准确度都会 比原始光谱有所提高 ， 最佳模型校正结 果在长波近红外( 1 7 0 0 n m2 5 0 0 n m) ： 采用 MS C预处理后脂肪模型的相关系数达到 0 9 9 4 ， 预测标准偏差 达到 0 1 8 4 蛋白质模型只采用 MS C预处理后效果不是很明显 ， 采用 MS C后再进行平滑和一次微分处理 校正结果最佳， 相关系数和预测标准偏差分别达到 0 9 7 8和 0 1 8 1 。显然使用 MS C能消除不同的散射情 况引起的对牛奶光谱的附加影响 。对于脂肪建模 ， 经过 MS C处理后的效果 明显 ， 这是 由于牛奶中脂肪球 颗粒较大 ， 能够引起强的散射效应。蛋白质只采用 MS C时精度提高不明显 ， 这可能是因为与蛋白质相关 的吸收很低的缘故。 6 结束语 整个近红外 区域显示了与相应的参考方法很好的相关性 ， 在不同的近红外 区域得到了具有相似 的校 正结果 。 这些研究表明近红外光谱法能够测量牛奶 中的脂肪和蛋 白质的含量， 正确的波段选择和光谱数据 的预处理提高了牛奶成分检测的精度 。 表 2 在近 红外测定脂肪和蛋 白含量 的校正统计表 注 ： D。 一次微分处理 ； D 2 二次微分 处理 。 维普资讯 第 3 期 王云等 ： 近红外光谱技 术检 测牛奶中脂肪及 蛋白质含量校 正模 型的建立 7 7 参考文献 1 陆婉珍 ， 袁洪福 ， 徐广通 现代近红外光谱分析技术 M 北京 ： 中国石化出版社 ， 2 0 0 0 1 0 9 1 1 1 2 3 陈斌 ， 方如明 ， 等 食醋主要成分近红外光谱快速测定法 J 。食品科学 ， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 5 ) ： 5 5 5 7 3 3 La p o r t e M F， P a q u i n P Ne a r i n f r a r e d a n a l y s i s o f f a t ，p r o t e i n a n d c a s e i n i n C O W s mi l k J Am i c F o o d C m ， 1 9 9 9 ， 4 7 ： 2 6 0 0 2 6 0 5 4 T s e n k o v a R，At a n a s s o v a S， To y o d a K N e a r i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y f o r d a i r y me a s u r e me n t o f u n h o mo g e n i z e d mi l k c o mp o s i t io n J D 的S c i ，1 9 9 9 ， 8 2 ：2 3 4 4 2 3 5 1 5 3 S a s ic S 。 Oz a k i Y S h o r t wa v e n e a r in f r a r e d s p e c t r o s c o p y o f b i o l o g i c a l f l u i d s 1 q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f f a t ， p r o t e i n ， a n d l a c t o s e i n r a w mil k b y p a r t i a l l e a s t s q u a r e s r e g r e s s i o n a n d b a n d a s s ig n me n t J An a l y t i c a l C h e mi s t r y ，2 0 0 1 ， 7 3 ( 1 ) ： 4 6 2 4 7 0 6 3 郭本恒 ， 吴吴 ， 陈剑 ， 等 乳