（食品科学专业论文）近红外（NIR）光谱法测定果冻中甜蜜素的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 甜蜜素是一种高甜度的并且在果冻中广泛使用的甜味剂，人体摄取过量，对 健康不利，所以在g b 2 7 6 0 1 9 9 6 食品添加剂使用卫生标准中明确规定果冻中 甜蜜素含量不得超过o 6 5 9 k g 。目前食品中甜蜜素的测定方法都具有费时、处理步 骤繁琐、成本高、影响因素多等缺点。近红外( n m ) 光谱分析技术是一种快速、无 损的分析检测技术，近年来被广泛应用于食品和农产品的品质检测中，本研究尝 试用近红外光谱分析技术对果冻中甜蜜素含量进行定量分析。 试验中选取了6 6 个喜之郎果冻，其中3 6 个作为训练集，其余3 0 个作为预测 集，选用紫外吸收光谱法作为近红外光谱分析技术的参比方法，首先采用紫外吸 收光谱法测定果冻中的甜蜜素含量，然后再采集相应样本的近红外光谱，作为试 验分析的原始数据。在近红外光谱数据的预处理方面采用了s a v i t z k y - g o l a y 平滑、 导数、标准正态变换( s n v ) ，多元散射校正( m s c ) 、中心化处理以及小波变换 ( w t ) 等方法，并对这些方法进行了简单的比较分析。在波长选择方面先采用方 差分析法对4 0 0 0 1 1 0 0 0 c m 4 的全光谱进行初步筛选，发现与果冻中甜蜜素含量相 关波数的大致范围是在4 0 0 1 6 4 - 6 9 9 8 5 2 c m ，再应用区间偏最小二乘法( i p l s ) 和遗传算法( g a ) 进行进一步的波长筛选并对筛选结果做了比较分析，发现遗传 算法( g a ) 更适合于本方面的研究。最后引入主成分分析法( p c a ) 与人工神经 网络算法( a n n ) 建立模型，并将模型的性能与偏最小二乘( p l s ) 模型进行了比 较分析，从而选出了一个较优模型建立方法，即基于遗传算法所选波长而建立的 人工神经网络模型性能较好，其交互验证均方根误差r m s e c v 为0 0 0 0 1 4 ，预测 均方根误差( r m s e p ) 为0 0 0 0 9 3 ，相应的相关系数分别为0 9 1 7 3 和0 9 0 5 6 ，得 到了比较好的效果。 结果表明近红外光谱分析技术能应用于果冻中甜蜜素含量的测定，本论文对 光谱数据的采集、光谱预处理、波长选择以及模型的建立都做了较深入的研究， 为以后开展该方面的研究提供了一定参考依据。 关键词：近红外光谱，果冻，甜蜜素，波长选择，人工神经网络 江苏大学硕士学位论文 s o d i u mc y c l a m a t ei sak i n do fs w e e tf o o da d d i t i v e ，w h i c hi sc o m m o n l yu s e di n j e l l y e x c e s s i v eu s a g eo fi tw i l ld oh a r m st oh u m a nh e a l t h i th a sb e e nc l e a r l y s t a t e d b yt h eg o v e r n m e n ti n n a t i o n n ls t a n d a r dg b 2 7 6 0 1 9 9 6 f o o da d d i t i v eh y g e i a n s t a n d a r d ) ) t h a tt h es o d i u n lc y c l a m a t em u s tb el e s st h a n0 6 5 9 k gi nj e l l y h o w e v e r c u r r e n tm e t h o df o rs o d i u mc y c l a m a t em e a s u r e m e n ti st i m ec o n s u m i n g ；w i t h c o m p l i c a t e dp r o c e d u r e st of o l l o w ，t h ec o s t i sr e m a r k a b l yh i g h ；b e s i d e s ，t h e a c c u r a c yi sd o u b t f u ls i n c et h a ti ti sa f f e c t e db yt o om a n yf a c t o r s n e a r - i n f r a r e df n q r ) s p e c t r o s c o p ya n a l y s i s i so n ek i n d o ff r e q u e n t l yu s e dr a p i da n dn o n - d e s t r u c t i v e m e a s u r i n gt e c h n i q u ei nt h em e a s u r e m e n to ff o o da n df a r mp r o d u c t s o u rr e s e a r c h f o c u s e so nu s i n gn i rs p e c t r o s c o p ya n a l y s i st e c h n i q u et om e a s u r et h ec o n t e n to f s o d i u mc y c l a m a t ei n j e l l y as e to f6 6 “x i z h i l a n g b r a n dj e l l yi ss e l e c t e da ss a m p l e si no u rw o r k ，3 6o f w h i c ha r eu s e da sat r a i n i n gs e t ，t h er e m a i n i n g3 0a r ea sap r e d i c t i o ns e t u l t r a v i o l e t a b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y ( u a s ) i sa d o p t e df o rc o m p a r i n gp u r p o s e ； f i r s tw eu s eu a s t om e a s u r et h ec o n t e n to fs o d i u mc y c l a m a t ei nt h ej e l l y ，a f t e r w a r d sw ec o l l e c tt h e n e a r - i n f r a r e ds p e c t r a ld a t ao ft h es a m es e to f j e l l y ,m o s tp a r to fo u rw o r ki sb a s e do n t h ed a t ac o l l e c t e df r o mb o t hk i n d so fe x p e r i m e n td a t a m u l t i p l ep r e p r o c e s s i n gm e t h o d s a r eu m m e dt o p r o c e s st h en e a r - i n f r a r e ds p e c t r a ld a t ao b t a i n e d ，t h a ti n c l u d e s a v i t z k y - g o l a ys m o o t h i n g ，d e r i v a t i o n ，s t a n d a r dn o r m a lv a r i a t et r a n s f o r m a t i o n ， m n l t i p l i c a t i v es c a t t e rc o r r e c t i o n ，m e a n - c e n t e r i n g , w a v e l e tt r a n s f o r ma n ds oo n ；t h e p r o c e s s i n gr e s u l t sa r ea l s ob r i e f l yc o m p a r e d t os e l e c ta p p r o p r i a t ew a v e l e n g t h ，w e h a v ea n a l y z e dt h ev a r i a n c eo ft h ep o s s i b l es p e c t r a li n t e r v a lf r o m4 0 0 0 - 1 1 0 0 0 c m 1 w e f i n dt h a tt h ei n t e r v a lo f4 0 0 1 6 4 - 6 9 9 8 5 2 c m 。li sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ec o n t e n to f s o d i u mc y c l a m a t e f u r t h e r m o r ew eh a v eu s e db o t hi n t e r v a l sp a r t i a ll e a s ts q u a r e ( i p l s ) a n dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t oi d e n t i f y at i g h t e rr a n g eo fw a v e l e n g t h ，b y c o m p a r i n gt h er e s u l t so f b o t hm e t h o d s ，i ti sc l e a rt h a tg ah a v eab e t t e rp e r f o r m a n c e f i n a l l y am o d e lo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) w i t hp r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ( p c a ) i s c o n s t r u c t e da n dc o m p a r e dw i t hi p l sm o d e l ； b yc o m p a r i s o n ， w e 江苏大学硕士学位论文 s e l e c tt h em o d e lo fb e t t e rp e r f o r m a n c ea so u rm o d e l , i e aa n nm o d e lb a s e do nt h e w a v e l e n g t hs e l e c t e db yg a ；t h er o o tm e a ns q u a r e e r r o ro fc r o s s v a l i d a t i o n ( r m s e c w ) o ft h em o d e li s0 0 0 0 1 4 ， r o o tm e a ns q u a r e de r r o ro fp r e d i c a t i o ni s 0 0 0 0 9 3 ，t h er e l a t i o nc o e f f i c i e n t sa r e0 9 1 7 3a n d0 9 0 5 6 ，t h er e s u l ti sr a t h e r s a t i s f a c t o r y r e s u l t ss h o wt h a tn e a r - i n f r a r e doa r ) s p e c t r o s c o p ya n a l y s i sc a nb e u s e dt o m e a s u r et h ec o n t e n to fs o d i u mc y c l a m a t ei nj e l l y t h er e s e a r c hw o r ko ns p e c t r a c o l l e c t i o n t p r e - p r o c e s s i n g 、w a v e l e n g t h s e l e c t i o na n dm o d e l i n gt h a th a v eb e e nd o n e i nt h i sp a p e rw i l lp r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c e sf o rf u t u r er e s e a r c h i n gw o r ki nt h i sa s p e o k k e yw o r d s ：n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，j e l l y ，s o d i u mc y c l a m a t e ，w a v e l e n g t h s e l e c t i o n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s h i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：序名，i 习 指导教师签名 舯毛月，。h 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名席之、闯 f 1 期：抄 ， 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 “民以食为天、食以安为先”，食品安全问题一直是人们关注的热点。食品 添加剂的安全则是食品安全中的重中之重，中华人民共和国食品卫生法对食 品添加剂的定义为：“为改善食品品质和色香味以及防腐与加工工艺的需要， 而 加入食品中的化学合成或者天然物质”。食品添加剂的作用相当广泛，它能够改 进食品风味、改善食品品质，提高感官性能引起食欲；可以防止食品腐败变质， 确保食用者的安全与健康，减少食品中毒现象；便于加工，满足生产工艺的需要； 可以提高食品的营养价值；食品添加剂又是现代食品工业不可缺少的重要辅助材 料或食品中的特殊配料，现已获得“没有食品添加剂就没有现代食品工业”的美 誉i l 】。 据报告，目前全世界常用的食品添加剂约4 0 0 0 5 0 0 0 种，美国使用的品种最 多，约3 0 0 0 多种，欧洲和日本约为2 0 0 0 种，我国经国家批准许可使用的食品添 加剂品种，至今已近1 6 0 0 种。改革开放以来，我国食品添加剂主要产品的总量由 6 0 万吨增加到2 4 0 万吨，销售额由6 2 亿元增加到2 5 0 亿元。在出口创汇方面则由 十年前不到2 亿元增加到现在的近7 亿元。 食品添加剂的种类很多，根据其来源不同分为天然食品添加剂和化学合成食 品添加剂两大类。由于天然食品添加剂一般成本都较高，故目前使用的大多数属 于化学合成食品添加剂。目前我国批准使用的食品添加剂包括以下几类：漂白 剂；着色剂( 食用色素) ；防腐剂；香精、香料；调味剂；乳化剂； 膨松剂；抗氧剂；营养强化剂。 作为食品添加剂，除了满足食品加工工艺等方面的要求外，还应具有绝对的 安全性。对于食品添加剂，其危害主要来自滥用添加剂。世界各国对各种食品添 加剂能否使用、使用范围和最大使用量，都有严格规定并制订法律制约。国际上 先后于1 9 5 5 年和1 9 6 2 年分别成立f a o w h o 联合食品添加剂专家委员会 ( j e c f a ) 和食品添加剂法典委员会( c c f a ) ，( 食品添加剂法典委员会( c c f a ) 于1 9 8 8 年改为食品添加剂和污染物法典委员会( c c 2 f a c ) ) ，并分别于1 9 5 6 年 江苏大学硕士学位论文 和1 9 6 4 年召开会议，讨论有关食品添加剂的问题。在此期间，我国在先后三次派 观察员参加食品添加剂法典委员会( c c f a ) 会议后，于1 9 8 5 年正式成为会员国 参加这一国际组织的活动。此外，我国也已有专家被聘请为f a o w h o 联合品添 加剂专家委员会( j e c f a ) 的委员或特邀专家参加这一极具权威的国际组织的活 动。 我国在1 9 7 4 年2 月于天津市召开我国“食品添加剂卫生标准科研协作组”第 一次会议研究讨论我国食品添加剂发展事宜以后，一直到1 9 7 7 年才颁布我国最早 的食品添加剂使用卫生标； f l ；( o b n s 0 - - 7 7 ) 。当时我国批准许可使用的食品添加 剂总共约2 0 0 种，其中包括许可使用和暂时许可使用的香料1 3 9 种。改革开放后， 我国国民经济全面复苏，食品添加剂也迅速走上快速发展的轨道。1 9 8 0 年在国家 标准局的领导下以原“食品添加剂卫生标准科研协作组”为基础，迸一步成立包 括由卫生、轻工、化工、商业、外贸、石油、林业等部门代表组成的全国食品添 加剂标准化技术委员会，研究和提出发展我国食品添加剂标准化工作的方针、政 策、技术措施等问题，广泛收集国内外资料，开展学术交流等。随即，正式颁布 我国食品添加剂使用卫生标准( g b2 7 6 0 _ - 8 1 ，代替g b n 5 0 一7 7 ) 。1 9 8 3 年又由卫生部颁发了我国食品安全性毒理学评价程序( 试行) ，1 9 8 6 年更相 继颁发我国食品添加剂使用卫生标准( g b 2 7 6 ( k - - 8 6 ，代替g b 2 7 6 0 - - 8 1 ) 和食 品添加剂卫生管理办法，以及我国食品营养强化剂使用卫生标准( 试行) 和我 国食品营养强化剂卫生管理办法，此后又连续进行修订和增补。 由于食品添加剂在现代食品中的广泛应用，食品添加剂的安全性就显得异常 重要，除了严格控制食品添加剂的生产质量指标、加强管理之外，很重要的一个 方面就是食品添加剂的检测手段，它是伴随食品添加剂产业而诞生的，并随着科 学技术及各种新检测仪器不断发展壮大起来的。 1 2 国内外食品添加剂检测研究现状 近1 0 年来，食品添加剂的分析技术发展很快，各种现代仪器分析方法如：高 效液相色谱法( m ，l c ) ，气相色谱法( g c ) ，气质联机( g c ms ) ，液质联用 ( l c - ms ) ， 高效薄层色谱( h p l c ) ，高效毛细管电泳法( 如? c e ) ，离子色谱 法( i c ) ，现代极谱法以及现代光度法等在食品添加剂分析领域得到了充分的体 2 江苏大学硕士学位论文 现，并成为分析的主流【2 1 ， 在防腐剂和甜味剂方面，除高效液相色谱法( m i c ) 得到了很好的应用以外， d e l u c a 等于1 9 9 5 年报道了用三甲基硅烷u l t r a l 柱g c - m s 法测定b a 、s o a 及 p h b a - e s ，灵敏度要比h p l c 高5 0 倍。用s h i m a l t c w ( a w d w c s ) 4 - 5 s b 3 0 柱g c 法对饮料中的p 认ms 、- e s 、p s 、b s4 种做出良好的分离。m c e 近 1 0 年来发展迅速，已报道有胶束电动毛细管色谱法( m e k c )同时测定a p m 、 s a 、ak 、阿力甜( a l i t a m e ) 、甜精、咖啡因、s o a 及b a ，时自j 仅为1 2 r a i n 。 目前，h p c e 还处于发展阶段，虽然对某些物质不如h p l c 法重现性好，但对 物质分离，适用的广泛性及操作的简便、经济，必将给食品添加剂的分析带来极 好的前景。现代光度分析也成为突出手段，如s a 、s o a 、b a 的导数光度法、双 波长法、因子分析法、卡尔曼滤波光度法等多种技术，给多组分的光谱解析带来 极大方便；在着色剂方面以h p l c 法、示波极谱法、现代光度法和薄层色谱法( t l c ) 成为方向的主流。其中h p l c 法己列入我国着色剂最新国际g b t5 0 0 9 - 1 9 9 6 的 首选方法。日本已将质谱技术用到t i c 法中，曾报道的试样浓缩反相t ic f a b m s 法可同时测定12 种合成色素，检出限达0 0 3 1 0 u g ，比普通的t l c 法高1 5 0 倍；用t l c s c a n 法同时测定2 1 种合成色素，检出限达5 1 0 u g 。但仪器昂贵， 尚难普及。相反，普通t l c 法及纸层析技术仍在基层检验中起着重要作用；在抗 氧化剂方面，酚类抗氧化剂叔丁基羟基茴香醚( b h a ) 及2 ，6 - z 叔丁基对甲酚 ( b h t ) 广泛采用c 1 8 柱h p l c 法测定。此外用g c 法测定油脂和口香糖中b h t 、 b h a 及t b h q ，检出限达l m g k 9 1 ，有人用g c ms 法，检出限达0 1 m g 1 【g 1 ； 在漂白剂方面，食品漂白剂主要是亚硫酸盐( s 0 2 ) ，其分析方法有改良 m o n i e r - w i l l i a m s 法和离子排斥色谱法、滴定法及比色法。自从柴田等提出对 r a n k i n e 光度法改进后， 从根本上消除了共存物质的影响，解决了多年来方法回 收率低的问题，几乎适用所有食品样品。在发色剂方面，发色剂主要是硝酸盐 ( n o j ) 和亚硝酸盐( n o ；) 。n 0 j 的测定，近年柬以重氮偶联反应为基础的 光度、发光和极谱体系等报道较多。而n o ；的测定大多是以镉柱法作改进。但作 为公认方法仍为萘乙二胺( n e d ) 光度法，而n e d 作为致癌物以及镉对环境带来 的危害，也是今后尚需解决的课题1 2 l 。 我国在食品添加剂检测方面，虽然起步较晚，但是发展迅速，取得了令人可 3 江苏大学硕士学位论文 喜的成绩，仅以测定食品中甜蜜素为例，1 9 9 4 年周婷等人进行了紫外分光光度法 快速测定食品中甜蜜素的研究 3 1 ，1 9 9 9 年李智红等人用反相离子对高效液相色谱 法快速分离和定量测定食品的甜蜜素 4 1 ，2 0 0 0 年张秀尧利用反楣高效液相色谱法 测定了食品中甜蜜素【5 1 ，2 0 0 5 年秦畴等人利用液质联用法同时测定黄酒中糖精钠 和甜蜜素【5 l ，同年钟志雄利用离子色谱法测定食品中的甜蜜素和苯甲酸 7 1 。2 0 0 6 年 林雁飞等人利用气相色谱一质谱联用法测定维生素c 泡腾片中的甜蜜素1 扪，类似的 报道还有很多。 然而这些分析技术一般都有检测时间长和费用高等特点，迫切需要有一种快 速的检测手段，而近红外光谱技术的发展使这成为可能，本研究就是想把这一检 测技术引入到食品添加剂的分析检测中来，并尝试对果冻中甜蜜素含量进行测定。 1 3 近红外光谱分析技术简介 1 3 1 近红外光谱分析技术的回顾 近红外光是一种介于可见光( s ) 和中红外光( m i r ) 之间的电磁波，美国 材料检测协会( a s t m ) ，将其定义为波长7 8 0 2 5 2 6 n m 的光谱区，近红外区域是 人们最早发现的非可见光区域【砼】，距今已有2 0 0 多年历史。近红外光谱技术( n e a r i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，n i r ) 在2 0 世纪5 0 年代中后期随着简易型近红外光谱仪器 的出现及n o r r i s 等人在近红外光谱漫反射技术上所做的大量工作，掀起了近红外 光谱应用的一个小高潮，近红外光谱技术被首先应用于农副产品的分析中，但由 于技术上的困难，发展迟缓。直到上世纪8 0 年代中期随着计算机技术的发展和化 学计量学研究的深入，加上近红外光谱仪器制造技术的日益完善，才使近红外光 谱分析测量信号达到数字化等又促进其发展。另外由于近红外光谱吸收弱，可对 样品进行简单的预处理后直接进行漫反射分析，避免了预处理时损伤样品，实现 无损检测；同时因不需要化学试剂使分析操作达到绿色化，从而成为9 0 年代最引 人注目的光谱分析技术。由于近红外光谱在光纤中良好的传输性，近年来也被许 多发达国家广泛应用在工业在线分析中。近红外定量分析因其快速、准确已被列 人世界谷物化学科技标准协会和美国谷物化学协会标准，成为世界食品分析标准 的枪测方法之一1 1 2 】。 我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚，但1 9 9 5 年以来已受到了多方 4 江苏大学硕士学位论文 面的关注，并在仪器的研制、软件开发、基础研究和应用等方面取得了可喜的成 果。尤其在石油化工领域中的应用已积累了一些实际经验，并得到了一定的经济 效益。中国科学院陆婉珍院士自1 9 9 5 年以来，一直致力于组织近红外光谱仪的研 制，已开发出国产n i r 2 0 0 0 型近红外光谱仪，其中包括数据计算软件及近红外光 谱法在石油产品分析中的模型，并在部分炼油厂中取得极受欢迎的成果。从上世 纪9 0 年代中期，国内许多科研院所和大专院校开始积极研发适合国内需要的n i r 成套分析技术，并有多本专著出版，也有许多学者发表了多篇有关s i r 原理和应 用的综述文章，为这项技术的普及作了大量工作，开创了我国n i r 研发和应用的 崭新局面。近几年我国在仪器硬件、化学计量学软件、分析模型建立以及实际应 用等方面都有了长足发展，n i r 分析技术已经应用于各个领域。如中国农业大学 ( 原北京农业大学) 的严衍禄、张录达等人于1 9 8 3 年成立专门的傅立叶变换近红 外漫反射光谱分析研究组，对近红外漫反射光谱分析的理论基础进行了研究：吉 林大学化学系的任玉林等对近红外在药物分析中的应用做了研究工作，先后用近 红外测定了磺胺甲基恶唑、安乃近等药物中的主要成分【1 3 1 【1 4 l 。 1 3 2 近红外光谱分析的基本原理 近红外光是电磁波，它具有光的属性，即同时具有波粒二重性，它的光子能 量可以用光子表示。量子力学理论认为，光子能量为：e d - - - - h v ( 其中h 为普郎克 常数，v 为光的频率) 。从光源发出的红外光照射到由一种或多种分子组成的物质 上，如果分子没有产生吸收，则光穿过样品，该物质分子为非红外活性分子；否 则，为红外活性分子。只有红外活性分子中的键才能与近红外光子发生作用，产 生近红外光谱吸收。只有红外活性分子中的键才能与近红外光发生作用，产生近 红外光谱吸收。红外活性分子在红外光谱区内的吸收产生于分子振动的状态变化 或分子振动状态在不同能级间的跃迁，这些跃迁常用谐振子和非谐振子模型来描 述。能量跃迁包括基频跃迁( 对应于分子振动状态在相邻振动能级之间的跃迁) 、 倍频跃迁( 对应于分子振动状态在相隔一个或几个振动能级之间的跃迁) 和合频 跃迁( 对应于分子两种振动状态的能级同时发生跃迁) ，相应地，基于这些跃迁形 式所产生的吸收谱带就称为基频吸收、倍频吸收和合频吸收。所有近红外光谱的 吸收谱带都是中红外吸收基频( 4 0 0 0 1 6 0 0 c m 。) 的倍频及合频。可以从经典力学 与量子力学两种观点来说明分子的基频、倍频与合频的概念。按照经典力学，最 5 江苏大学硕士学位论文 简单的分子由两个质量分别为m 1 和m 2 的原子组成，可模拟为由弹簧连在一起的 两个小球组成的弹簧振子。由虎克定律知道，这种系统的振动属简谐振动，它的 振动频率为： v m = ( 1 2 7 c ) 4 k a ( 1 - 1 ) 式中k 为力常数，其值决定于组成分子的两个原子问键能量的大小，n 为双原子 分子的折合质量。如果组成分子的两个原子的质量分别为m 1 和m 2 ，则 = ( m i l + m ；1 ) 。若k 以毫达因7 n m 为单位( 1 达因：1 0 9e ：) ，i t 取原子量单位， 则双原子分子机械振动相应的波数频率为： = ( 1 2 露) k ，= 4 1 3 x k t( 1 2 ) 若分子是极性分子，则分子在机械振动的同时产生电磁场的振动，其波数频 率盯e 与机械振动的波数频率相同。若用仃表示分子电振动波数频率： 盯= o e = o m = 4 1 3 x k g ( 1 - 3 ) 分子的这种振动频率就称为振动的基频，分子也可以按基频的整数倍2 0 、 3 0 频率发生振动，这种频率称为分予振动的一、二级倍频。若分子中存 在几种频率的振动，则在一定条件下两种频率的振动可以发生耦合，形成频率相 当于两种频率之和的所谓合频振动。 由量子力学可得谐振子的能级公式为： e ，= l a c o - ( v + 1 2 ) ( 1 - 4 ) 式中振子量子数v = 0 ，1 ，2 ，3 ，。& 为v 能量级的能量值。谐振子在不同能 级间跃迁的选择定为v = 1 ，即跃迁只能在相邻能级间发生。每次跃迁吸收光予 的能量e 等于h c 仃。 由于近红外谱区在波数4 0 ( o ) o 1 以上( 即波长2 5 0 0 r i m 以下) ，这意味着只有 基频振动的频率在2 0 0 0 c m d ( 即波长5 0 0 0 r i m 以下) 以上的振动才可能在近红外 区形成有适当强度( 可检测) 的倍频与合频吸收。根据实际分子基频谱带的分布 可推知只有含氢基团如。一h 、c h 、n h 等的伸缩振动才能在近红外区形成适当强 度的倍频、合频吸收谱带。也就是说近红外光谱的信息主要来源于含氢基团( 如 c h 、o h 、n h 、s - h 等) 伸缩振动的倍频吸收和合频吸收【1 5 1 1 16 1 。 6 江苏大学硕士学位论文 不同的基团在近红外区域的吸收位置和吸收强度均不相同，此外，基团的数 量、相邻基团的性质、氢键的存在也会影响谱峰的位置的强度。因此，根据近红 外谱图和朗伯一比尔定律【1 2 1 就可以确定与化学结构相关的某些性质，如成分浓度 等。这是近红外光谱分析的理论基础。由于农产品中的大多数有机物都是由含氢 基团( c h 、o h 、n - h 等) 构成的，基团的吸收频谱表征了这些组分的化学结构， 因此，根据这些基团近红外吸收频谱出现的位置、吸收强度等信息特征，就可以 对这些组分进行定性和定量分析。但由于倍频、合频吸收带要比基频吸收带宽得 多，这使得多组分样品的近红外光谱中不同组分的谱带、同一组分中不同基团的 谱带以及同一基团不同形式的倍频、合频谱带产生严重的重叠，从而使近红外光 谱的图谱解析变得异常困难。因此，利用近红外光谱进行定性或定量分析时必须 借助化学计量学方法。 化学计量学( c h e m o m e t r i c s ) 采用统计学、应用数学和计算机科学的方法来优 化化学实验、化工生产和化学量测过程，并从化学量测的数据中最大限度地提取相 关信息。化学计量学在近红外光谱分析中的应用主要有以下五个方面：( 1 ) 光谱预处 理，目的是减弱以至于消除各种非目标因素对光谱的影响，净化谱图信息；( 2 ) 数据 压缩及信息提取，用于降低数据维数，提取有用信息，提高模型稳定性；( 3 ) 定量校 正方法，用于建立光谱数据与待测品质之间的预测模型；( 4 ) 模式识别方法，用于样 品的分类判别；( 5 ) 模型传递技术，用于消除不同仪器之间的差异，使模型能在多台 仪器上使用，以节约建模成本。图1 - 1 是近红外光谱分析的原理示意图，化学计量 学将近红外光谱和样品的组成或性质数据关联了起来，得到近红外光谱分析模型。 图1 - 1 近红外光谱分析的原理示意图 f i g l i t h ep r i n c i p l eo fn e a r - i n f r a r e d ( n m ls p e c t r o s c o p ya r i a l y 凼 7 江苏大学硕士学位论文 在近红外光谱分析中，对不透明、固体、半固体样品一般采用漫反射方式测 量其光谱。漫反射是指光源发出的光投射到样品后，经样品表皮及内部组织多次 反射、折射、衍射及吸收后最终携带样品的结构和组成信息返回样品表面的过程 0 2 1 1 ”1 ( 如图1 2 所示) 。在早期的漫反射分析中，为了获得较高信噪比的光谱，更 多地收集各个方向的漫反射光，最常使用的测样器件是积分球。近年来，随着检 测器性能的极大改善，光纤导光技术得到了越来越多的应用。 图1 - 2 近红外光漫反射、反射和吸收过程 f i g 1 - 2 p r o c e s so f n l rd i f f u s er e f l e c t a n c e ，r e f l e c t a n c ea n da b s o r b a n c e 1 3 3 近红外光谱分析技术的特点 近红外光谱分析技术之所以得到越来越多的关注是因为其具有如下的优点 【1 2 1 ：( 1 ) 样品只需进行简单处理或根本不需预处理，因此不会破坏样品；( 2 ) 近红 外光谱图提供的信息量大，并可对多种成分同时进行分析；( 3 ) 分析速度快，一般 样品可在l m i n 内完成，采用光纤技术后特别适合于在线分析；( 4 ) 测量过程中不 需有机溶剂，不产生污染，因而被称为“绿色”的分析方法；( 5 ) 对测试人员要 求不高，易培训推广；( 6 ) 简单方便有不同的测样器件可直接测定液体、固体、半 固体和胶状体等样品，检测成本低。当然，近红外光谱分析技术也有其不足之处： ( 1 ) 它不适于对微量成分进行分析；( 2 ) 由于测定的是倍频和合频吸收故灵敏度较 低；( 3 ) 由于近红外区谱带复杂，重叠多，因此，近红外光谱分析技术必须依赖于 复杂的校正体系，标准测量方法以及大量的训练集样本。 1 3 4 近红外光谱定量分析的一般步骤 完整的近红外光谱定量分析过程主要由以下几个阶段组成： 光谱仪系统参数的合理选择： 样本的收集。样本数通常为5 0 8 0 左右，其中一部分用于建立模型，称 8 江苏大学硕士学位论文 为训练集或校正集，另一部分用于验证模型，称为预测集或验证集。所用样本应 尽可能地涵盖可能出现的所有状态； 按统一的检测方法对所有样本进行近红外光谱扫描； 依照国家标准或行业标准测定所有样本中待测组分的含量： 建立训练集样本的测量值与光谱数据之间的校正模型，并用预测集样本来 检验该模型的预测能力，若模型不能达到预定的要求，则改变建模方法，重新建 立模型。 1 4 本研究的对象、任务和内容 本研究以果冻作为研究对象，在2 0 0 5 年9 月2 9 日发布的标准果冻) ) g b l 9 8 8 3 2 0 0 5 中对果冻的定义：果冻是以水、食糖和增稠剂等为原来，经溶胶、调配、 罐装、杀菌、冷却等工序加工而成的胶冻食品【9 】。根据该标准果冻按组织形态可以 分为凝胶果冻和可吸果冻，其中凝胶果冻又可以分为杯形凝胶果冻、长杯形凝胶 果冻、条形凝胶果冻、异形凝胶果冻；按原料又可以分为果味型、果汁型、果肉 型、含乳型及其它型。 2 0 0 6 年我国共有果冻生产企业2 0 0 0 多家，其中规模企业3 0 0 多家，目i ；i 我国 的果冻总产量已经达至i6 0 万吨，2 0 0 5 年全国果冻总产值近8 0 亿元，我国已经成 为世界上最大的果冻生产国和销售国。 果冻中一般都添加有一定量的甜蜜素，甜蜜素是一种高甜度的甜味剂，甜度 约为蔗糖的4 0 5 0 倍，其学名为“环己基氨基磺酸钠”。英文名称为s o d i u m c y c l a m a t e ，其分子式为c 6 h 1 2 0 3 n s n a ，分子量为2 0 1 2 2 ，结构式( 如图1 - 3 所示) 是食品饮料制造业中广泛使用的甜味剂。但是人体摄取过量，对健康不利，目前 国家标准使用的甜蜜素为例，其a d i 值为1 1m 眺g ( b w ) ，也就是说，一个正常 人( 以7 0 k g 体重为例) 每人每天最大允许摄入量为7 7 0 m g 。g b 2 7 6 0 - 1 9 9 6 食品 添加剂使用卫生标准规定果冻中甜蜜素含量不得超过0 6 5 9 k g ，因此，它不会对 人体产生任何危害。 n h s 0 3 n a 图1 - 3 甜蜜素的结构式 f i g l - 3 s t r u c t u r a lf o r m u l ao fs o d i u mc y c l a m a t e 9 江苏大学硕士学位论文 目前食品中甜蜜素的测定方法主要是理化分析方法如：高效液相色谱【螂、气 相色谱法n ”等，这些方法都具有费时、处理步骤繁琐、成本高、影响因素多等缺 点。近红外光谱分析技术是一种快速、无损的分析检测技术，近年来被广泛应用 于食品和农产品的品质的检测中，但目前国内外尚未见到利用近红外光谱分析技 术测定食品中甜蜜素含量的相关报道。本研究尝试用近红外光谱分析技术对果冻 中甜蜜素含量进行定量分析，其具体内容包括： 与甜蜜素有关的数据的采集，由于本试验选用紫外吸收光谱法( u l t r a v i o l e t a b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y ) 作为参比方法，首先通过紫外吸收光谱法测得各样本的 甜蜜素含量( 实测值) ，然后再采集相应样本的近红外光谱。 对采集得到的近红外光谱迸行预处理研究，并结合其p l s 模型进行比较， 以期找出一种适合本研究的预处理方法。 采用主成分分析与b p 神经网络相结合的方法建立新的模型，以便提高模 型性能。 在前面研究的基础上，对甜蜜素的近红外光谱进行波长筛选，以进一步提 高模型性能。 期望能通过本研究为近红外光谱分析技术测定果冻中甜蜜素的后续研究提供 参考依据，并为近红外光谱在食品添加剂的测定中应用打下坚实的基础。 1 5 本章小结 本章简要地介绍了了课题的研究目的和意义、食品添加剂检测方面的研究现 状、果冻与甜蜜素方面的一些基本知识，并对近红外光谱分析技术的发展历程、 基本原理及其应用等方面进行了简单阐述，提出了研究的对象、任务和内容。 江苏大学硕士学位论文 第二章甜蜜素的紫外吸收光谱和 近红外光谱试验数据采集 根据上一章所介绍的研究任务和内容，本章2 将分紫外吸收光谱法检测果冻 中甜蜜素含量和近红外光谱分析法检测果冻中甜蜜素含量两部分分别介绍试验数 据的采集。试验中选用6 6 个喜之郎杯形凝胶果冻作为样本，并进行了随机编号。 2 1紫外吸收光谱法检测果冻中甜蜜素含量 2 1 1 紫外吸收光谱法原理 紫外吸收光谱法( u l t r a v i o l e t a b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y ) 是根据溶液中物质的分 子或离子对紫外光谱区辐射能的吸收来研究物质的组成和结构的方法，也称为紫 外分光光度法【19 1 。 紫外光是波长为l o 4 0 0 n m 的电磁辐射，分为远紫外光( 1 0 2 0 0 n m ) 和近 紫外光( 2 0 0 4 0 0 h m ) ，远紫外光可被大气中的水气、氮、氧和二氧化碳等所吸收， 只能在真空中研究，故又称为真空紫外光。本试验选用的是近紫外光。 不同的物质具有不同的分子结构，对不同波长的光会产生选择性的吸收，因 而具有不同的吸收光谱。无机化合物和有机化合物吸收光谱的产生在本质上是相 同的，都是外层电子跃迁的结果，但二者在电子跃迁类型上有一定区别。根据分 子轨道理论，分子中的电子轨道有6 成键轨道、6 反键轨道、成键轨道、+ 反键轨道和n 未成键轨道( 或称非键轨道) 。各种分子轨道能量高低的顺序为 占 万 开 万 9 9 ) ，紫外吸收光谱法测定时所用正己烷、硫酸、次氯酸钠( 含有效氯5 ) 、 氢氧化钠等均为分析纯( 九r ) 试剂，水为蒸馏水。仪器选用美国v a r i a nc a r y1 0 0 型 紫外可见分光光度仪，主要技术指标：波长范围：1 9 0 - - 9 0 0 r i m ，光度范围：3 7 a b s ， 波长精度：0 2 r i m 。 2 1 3 检测过程及标准曲线 紫外吸收光谱法检测果冻中甜蜜素含量的原理：次氯酸钠与甜蜜素在酸性条 件下反应，生成的n ，n 二氯环己胺( 溶于正己烷中) 在3 1 4 n m 处有吸收峰， 紫外吸收光谱法就是利用该波长处的吸光度来进行定量分析 2 0 。先分别配制h 2 s 0 4 ( v v1 ：1 ) 溶液、( v v1 ：1 ) 的次氯酸钠溶液、0 5 m o l l 的氢氧化钠溶液。称取果 冻约1 0 0 0 9 ，加水2 0 m l ，置水浴锅中( 8 0 1 2 ) 2 0 r a i n ，取出后加水定容至5 0 r i d ， 得待测样品。衍生化步骤：取待测样品于1 2 5 m 1 分液漏斗中，加入4 m l 硫酸，1 5 r n l 正己烷，l m l 次氯酸钠，振摇i m i n ，弃水相分别用3 0 m l ，2 0 m l ，2 0 m l 氢氧化钠溶 液洗涤三次，再分别用4 0 m l ，3 0 m l ，3 0 m l 水洗涤三次，取有机层得测试液体。由 于次氯酸钠在3 1 4 r i m 附近也有吸收峰，会对n ，n 二氯环己胺的吸光度产生干 扰，经过多次试验表明用1 0 0 m l0 5 m o l l 的氢氧化钠溶液和1 0 ( h n l 水分别分三次 洗涤能够将反应后剩余的次氯酸钠洗涤完全。 配制浓度为0 1 0 0 9 1 0 0 m l 的甜蜜素标准溶液，吸取0 ；2