食用油的红外光谱测定

食用油的红外光谱测定文山学院本科毕业论文第一章前言我国是食用油的消费大国，食用油是人们膳食结构中不可缺少的组成部分，其品质的好坏对人体健康有着深远的影响。花生油、大豆油、菜籽油、葵花籽油等是我国人民食用的主要油类品种[1]。一些不法经营者将低价位的植物油掺入高价位植物油中从而牟取暴利,比如在菜籽油中掺入棕榈油、棉籽油；在芝麻油中掺入菜籽油、棉籽油、大豆油等；在茶籽油中掺入大豆油、菜籽油等。更有甚者在植物油中掺入米汤、矿物油、蓖麻油等非食用油，引起一系列的食用油中毒事件[2]。因此，食用油掺杂掺假鉴别及品质的在线检测势在必行。目前国内外检测食用油品质方法有高效液相色谱法、气相色谱法、筛析色谱法等常规化学分析方法,这些分析方法具有较高的准确度以及较高的可靠性,但需借助于昂贵的设备以及严格的实验室条件，对样品进行复杂的处理，并且分析速度很慢,不能满足市场快速检测的需要[3]。因此需要建立一种比较方便快速的检测方法，以适应市场需求。不同厂家同种类、不同厂家不同种类、同厂家不同种类、转基因与非转基因的植物油由于生产工艺、质量标准、原料产地、存放时间等不同，其检测时各项指标也不相同，本文以大豆油、花生油、葵花籽油、菜籽油为研究对象，通过比较他们红外光谱的特征吸收峰，二阶导数图，二维分布图，三维分布图来对它们进行鉴别区分[3]。菜籽油中含花生酸、油酸、亚油酸、芥酸（芥酸是2碳一烯酸）、亚麻酸等。国家标准中菜籽油的各组分含量都是一个范围，从前人的大量的试验中发现，纯菜油的组分：亚油酸和油酸组分比的大小都在一个较小的范围内相对稳定[4]。从营养价值方面看，人体对菜籽油消化吸收率很高，有利胆功能。在肝脏处于病理状态下，菜籽酮也能被人体正常代谢。菜籽油中缺少亚油酸等人体必需脂肪酸，且其中脂肪酸构成不平衡，所以营养价值比一般植物油低。另外，菜籽油中含有大量芥酸和芥子甙等物质，一般认为这些物质对人体的生长发育不利。如能在食用时与富含有亚油酸的优良食用油配合食用，其营养价值将得到提高。但菜籽油中的芥酸很难被人体消化吸收，摄入过多可能会引起中毒[5]-[6]。葵花籽油中含有丰富的亚油酸、油酸、丰富的活性维生素E、丰富的胡萝卜素、丰富的维生素B3，同时还含有微量的植物醇和磷脂，一定量蛋白质，钾、磷、铁、镁等微量元素[7]-[8]。大豆油中含花生酸、油酸、亚油酸、棕榈酸、硬脂酸、亚麻油酸等，同时还含有大量的维生素以及丰富的卵磷脂，大豆油的人体消化吸收率和菜籽油差不多，也是一种营养价值很高的优良食用油[9]-[10]。不同的制取工艺，对大豆油的营养成分会造成影响。大豆油根据制取工艺的不同可以分为以下几类：浸出大豆油，大豆经浸出工艺制取的油；压榨大豆油，大豆经直接压榨制取的油；大豆原油，没有经过任何处理的不能直接供人类食用的大豆油；转基因大豆油：用转基因大豆制取的油；成品大豆油，经处理符合国家标准成品油质量指标和卫生要求的直接供人类食用的大豆油[11]。花生油的脂肪酸组成主要有棕榈酸、硬脂酸、亚油酸、花生酸、山萮酸、油酸、二十碳烯酸、二十四烷酸、已醛、γ-丁内酯、壬醛、苯甲醛、苯甲醇、2-甲氧基-3-异丙基吡嗪、1，2，3-三甲基环戊烷、1-乙基-3-甲基环戊烷、4-乙基-2-甲氧基苯酚、4-甲氧基苯酚、3-(1，1-二甲基乙基)苯酚、2，3，5-三甲基吡嗪、2-甲基-5-丙烯基吡嗪、糠酸甲酯、3，5-二乙基-2-甲基吡嗪、2-乙酰基吡咯、2，4-二甲基噻唑、2，5-二甲基噻唑、5-甲基-2-糠醛、2-已基呋喃、3-已基呋喃、2-乙酰基-5-甲基呋喃、2，3-二氢苯并呋喃。还含有维生素[6]-[9]。根据食用油的价值不同，对食用油研究的人很多。近几年,红外光谱在油脂识别等方面,有人已在研究，比如：傅里叶变换拉曼光谱与中红外光谱结合并进行聚类分析来检测橄榄油中的榛子油含量；红外光谱技术对电动机用油和工业用油中所含的酯类进行了测定；中红外光谱结合微波提取技术测定了焙烤产品中的总脂肪与反式酸的含量[12]-[13]。这些研究表明红外光谱在测定植物油和矿物油方面具有理想的效果。根据物质的吸光性，定性的鉴定化合物结构的方法有很多，比如紫外-可见分光光度法、原子吸收光谱法、核子共振谱法、红外吸收光谱法等等。红外光谱法是依据物质对红外光区电磁辐射的特征吸收，对化合物分子结构进行测定和物质化学组成进行分析的一种光谱分析方法。红外光谱是分子光谱的一种，产生红外光谱的红外光波长较长，光子的能量较低。几乎所有的化合物在红外光区都有吸收。在生物学、化学、食品和环境科学等领域发挥着很重要的作用。固体样品、液体样品、气体样品、纯物质、化合物、有机物还是无机物都可以进行红外光谱分析研究[14]。傅里叶红外变换光谱法具有以下特点：1、扫描速度快。傅立叶变换红外光谱仪的扫描速度比色散型仪器快，在任何测量时间内都能获得辐射源的所有频率的所有信息。在相同的总测量时间、温度和相同的分辨率条件下，傅里叶变换红外光谱法的测量更快速，但由于速度过快，测量误差较大。2、有很高的分辨率。分辨率是红外光谱仪的性能指标之一，分辨率指光谱仪对两个靠得很近的谱线的辨别能力。3、波数精度高。波数是红外定性分析的参数，因此仪器的波数精度十分的重要。因为干涉仪的动镜可以很精确地驱动，所以干涉图的变化很准确，同时动镜的移动距离是He-Ne激光器的干涉纹测量的，从而保证了所测的光程差很准确。4、极高的灵敏度。傅立叶变换红外仪没有狭缝的限制，辐射通量只与干涉仪的平面镜大小有关，在同样的分辨率下，其辐射通量比色散型仪器大得很多，从而使检测器接受的信噪比增大，因此，具有很高的灵敏度，由于具有此优点,使傅立叶变换红外光谱仪特别适合测量弱信号光谱。

5、研究光谱范围宽。傅立叶变换红外仪只要用计算机实现测量仪器的元器件的自动转换，就可以研究整个近红外、中红外和远红外区的光谱。6、应用范围广。红外光谱分析能测得所有的有机化合物，而且还可以用于研究某些无机物。因此在定性、定量及结构分析方面有广泛的应用。7、特征性强。每个官能团都有几种振动形式，产生的红外光谱比较复杂，特征性强。除及个别情况外，有机化合物都有其独特的红外光谱，因此红外光谱具有极好的鉴别意义。8、提供的信息多。红外光谱能够提供较多的结构信息，如化合物含有的官能团、化合物的立体结构、取代基的位置及数目等。9、不受样品物态的限制。红外光谱分析可以测定气体样品、液体样品及固体样品，不受样品物态的限制，扩大了分析范围。10、不破坏样品。红外光谱分析时样品不被破坏[15]。傅里叶变换红外光谱法是常用的有机化合物结构鉴定的一种分析方法,已被广泛应用在各个研究领域。纯化合物的分子振动光谱，反映了分子内部存在的各种基团具有指纹特性的振动。对于一个混合物体系,其分子振动光谱的峰形、峰位、峰强代表着体系中所含各种相应基团的谱峰的叠加。混合物组成的变化,将直接导致分子振动光谱整体谱图的变化,但仍能保持其谱图的宏观指纹性,因此红外光谱法正越来越多的应用于药用动、植物，食品等领域的真伪优劣鉴别[12]。傅里叶红外吸收光谱能够反映出不同油脂的分子结构信息,可从本质上对油脂进行表述。红外光谱结合光谱数据处理,可以显示出不同油脂结构微小的差异,借助这种手段,在实际工作中可以识别不同的油脂,也为建立食用油识别方法提供了技术支持。因此,研究采用傅里叶变换红外光谱技术，来对品种各异的食用油进行判别分析具有重要意义。实验步骤实验仪器及样品1.1实验仪器日本FTIRprestige-21型傅立叶红外变换光谱仪，压片干机和压片模具，玛瑙研钵，擦镜纸，手套，红外干燥灯，不锈钢式样勺，镊子，干燥箱，玻璃棒，烧杯等。1.2实验试剂溴化钾（光谱纯）1.3实验样品本文选取了花生油、葵花籽油、菜籽油、大豆油为实验材料，利用傅里叶变换红外光谱仪测定了它们的红外吸收光谱。表2-1食用油食用油的品种生产厂家制取方法及级别香满园大豆油嘉里粮油（防城港）有限公司压榨一级罗平菜籽油罗平县宏发油菜籽加工厂压榨三级香满园菜籽油嘉里粮油（防城港）有限公司压榨三级香满园花生油嘉里粮油（防城港）有限公司压榨一级高级小粒花生油砚山县丰林花生油厂压榨一级多力葵花子油上海佳格食品有限公司压榨一级金龙鱼葵花籽油新加坡郭兄弟粮油私人有限公司压榨一级家庭产菜籽油腾冲县界头乡压榨金龙鱼大豆油新加坡郭兄弟粮油私人有限公司精炼一级2、样品的处理及测定2.1溴化钾压片的制作溴化钾压片技术是处理固体样品和液体样品以进行红外分析时常用的背景载体。进入实验室，打开红外干燥灯，把溴化钾固体颗粒放到红外干燥灯下进行干燥，取200mg左右的KBr(充分烘干)于玛瑙研钵中,研磨至KBr颗粒直径约2μm,用擦镜纸把压片模具擦干净，带上手套，用不锈钢式样勺把溴化钾样品均匀的平铺在模具内，放好模具，把模具放到压片干机上加压到60KN，大约两分钟，取出，然后把做好的溴化钾压片用镊子小心的移出来，将压制作好的溴化钾压片放到支架上，压制好的纯溴化钾片放置于红外光谱固体挂件上用于背景扫描。注：溴化钾晶片必须无裂痕，局部无发白现象，像玻璃一般透明，否则就要重做。2.2样品的测定植物油都是液体样品，测定时，先用溴化钾纯片做背景扫描，把植物油放到烧杯中，然后用玻璃棒把植物油直接滴到制作好的溴化钾压片上，迅速放到红外光谱仪样品室里进行测定，绘制出相应的红外光谱图。3、谱图处理把测量得到的红外光谱图进行平滑处理，标上特征吸收峰，同时通过二阶求导的处理方法得到二阶导数光谱图,二阶导数光谱的半高宽只有原谱图半峰宽的三分之一左右，能清楚地分辨出强峰两侧的小肩峰，在正确测定峰位置及确定肩峰位置时很有用，能达到提高谱图分辨率的目的，对测定峰位及确认肩峰非常有效；绘制得到的谱图可以进行叠加，从而更方便的来比较它们之间的差异。也可用实验得出的数据来绘制二维图形、三维图形进行分析，从而更为直观的看出它们之间的区别。第三章实验结果根据食用油的红外光谱图、二阶导数光谱图、叠加图，数据处理得出的二维图形、三维图形进行分析。分别对不同种类的植物油的红外光谱图、二阶导数光谱图、叠加图及二维图形进行分析比较；不同厂家同一种类的植物油的红外光谱图、叠加图及三维图形进行分析比较。不同种类植物油的分析比较图3-1不同植物油的叠加图表3-1不同种类植物油的特征吸收峰实验样品特征吸收峰（cm-1)金龙鱼葵花籽油723.31、914.26、1099.43、1120.64、1163.08、1238.3、1377.17、1417.68、1456.26、1653、1747.51、2852.72、2924.09、3008.95香满园大豆油723.31、914.26、966.34、1099.43、1120.64、1163.08、1238.3、1377.17、1456.26、1653、1747.51、2852.72、2924.09、3008.95罗平菜籽油723.31、1099.43、1120.64、1163.08、1238.3、1377.17、1454.33、1651.07、1745.58、2852.72、2924.09、3008.95砚山花生油723.31、1099.43、1118.71、1163.08、1238.3、1377.17、1454.33、1463.97、1653、1747.51、23、2677.2、2852.72、2924.09、3007.02图3-2金龙鱼葵花籽油二阶导数图图3-3香满园大豆油二阶导数图图3-4罗平菜籽油二阶导数图图3-5砚山花生油二阶导数图分析结果：=1\*GB2⑴不同食用油红外光谱的共同特性图3-1和表3-1可以看出选取的4种食用油在4000～400cm-1范围内的红外吸收光谱基本相同，表现在3008cm-1有不饱和碳的C－H伸缩振动峰，在2924cm-1、2852cm-1处有饱和碳的C－H伸缩振动峰，在1747cm-1处有C＝O伸缩振动峰，在1464cm-1、1377cm-1处有亚甲基的弯曲振动峰，在1163cm-1处有甘油三酯中C－O伸缩振动峰，在=2\*GB2⑵不同食用油红外吸收光谱的差异由图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图3-5可知，尽管各种食用油的红外吸收光谱基本相同，但它们的特征吸收峰的相对强度却是有所差异。3008cm-1为不饱和碳的C－H伸缩振动峰，菜籽油的相对强度最大，花生油和葵花籽油次之，大豆油最小，说明这些油中不饱和脂肪酸的含量依次减小。2924cm-1和2852cm-1为饱和碳的C－H伸缩振动峰，菜籽油和花生油的较强，说明这2种油中饱和脂肪酸的含量较高。1456cm-1和1377cm虽然各种不同类型的食用油其红外吸收光谱存在差异，但是由于它们的共性比较明显，因此不利于区分。利用傅里叶变换红外光谱进行计算时，仪器所给出的计算结果有峰高(H)、峰面积(A)、校正峰高(Hc)和校正峰面积(Ac)等，这些都可作为判别分析的参数，因而，本实验分别用峰高、峰面积、校正峰高、校正峰面积作为特征峰参数,来进行判别分析，并对结果进行比较。经观察,所测定4类样品的红外光谱在1000-1200cm-1处有明显差异，此信息为酯基中C-O-C的对称伸缩振动吸收峰。并且在1747cm-1和2852cm-1处的特征性均较强。因而采集1099cm-1、1163cm-1、1747cm-1和针对菜籽油、大豆油、花生油、葵花籽油的红外光谱数据，将1747cm-1与2852cm-1波数处峰面积的比值A1747cm-1/A2852cm-1为横坐标，1099cm-1与1163cm-1波数处峰面积的比值A1099cm表3-2各食用油红外吸收光谱特征吸收峰的相对强度金龙鱼葵花籽油香满园大豆油罗平菜籽油砚山花生油A1747cm-1A2852cm0.87611.00340.87610.9240A1099cm-1A1163cm0.44270.40310.35790.4116图3-6不同食用油的二维分布图从二维分布图中可以明显的看到四种不同类型的食用油分布各异，因此可以很好的利用此方法进行鉴定。2、不同厂家同一种类的植物油的分析比较2.1菜籽油的分析比较图3-7菜籽油叠加图表3-3菜籽油的特征吸收峰实验样品特征吸收峰（cm-1)家庭产菜籽油721.38、1099.43、1118.71、1163.08、1238.3、1377.17、1417.68、1463.97、1653、1747.51、2852.72、2924.09、3007.02、3464.55罗平菜籽油723.31、1099.43、1120.64、1163.08、1238.3、1377.17、1454.33、1651.07、1745.58、2852.72、2924.09、3008.95香满园菜籽油723.31、966.3、1026.13、1097.5、1118.71、1163.08、1238.3、1377.17、1463.26、1653、1747.51、2852.72、2924.09、3007.02、3464.552.2葵花籽油的分析比较图3-8葵花籽油叠加图表3-4葵花籽油的特征吸收峰实验样品特征吸收峰（cm-1)多力葵花籽油723.31、914.26、966.34、1099.43、1120.64、1163.08、1238.3、1377.17、1463.97、1653、1747.51、2852.72、2922.16、3008.95金龙鱼葵花籽油723.31、914.26、1099.43、1120.64、1163.08、1238.3、1377.17、1417.68、1463.26、1653、1747.51、2852.72、2924.09、3008.952.3大豆油的分析比较图3-9大豆油的叠加图表3-5大豆油的特征吸收峰实验样品特征吸收峰（cm-1)金龙鱼大豆油723.31、914.26、966.34、1099.43、1120.64、1163.08、1238.3、1377.17、1417.68、1463.97、1656.85、1747.51、2852.72、2924.09、3007.02香满园大豆油723.31、914.26、966.34、1099.43、1120.64、1163.08、1238.3、1377.17、1463.26、1653、1747.51、2852.72、2924.09、3008.952.4花生油的分析比较图3-10花生油的叠加图表3-6花生油的特征吸收峰实验样品特征吸收峰（cm-1)高级小粒花生油723.31、1099.43、1118.71、1163.08、1238.3、1377.17、1454.33、1463.97、1653、1747.51、23、2677.2、2852.72、2924.09、3007.02香满园花生油723.31、914.26、966.34、1097.5、1118.71、1163.08、1238.3、1377.17、1417.68、1463.97、1651.07、1747.51、2852.72、2924.09、3007.02根据谱图比较不同厂家生产的同类食用油的红外谱图差别不大，大豆油、菜籽油、葵花籽油、花生油的烯烃不饱和碳原子上的C-H键伸缩振动频率在3006-3010cm-1这个波段，无论是峰位置，峰形以还是峰强都很相似，各种食用油的亚甲基的C-H键不对称和对称伸缩振动频率在2852cm-1-2924cm-1波段很相似，大豆油、菜籽油、葵花籽油、花生油的亚甲基C-H键不对称和对称弯曲振动在1463cm-1和1377cm-1处吸收峰位置和峰强度几乎相同，绝大多数饱和的羧酸酯的C=O键伸缩振动吸收都位于1747cm-1附近，而在1000cm-1-1200cm-1之间出现了一强一弱的两个吸收带，由此可判断出可能是羧酸酯基中为了能够更直观、更便捷的对四类不同厂家的食用油进行区分，分别用峰高、峰面积、校正峰高、校正峰面积作为特征峰参数，来进行判别分析，并对结果进行比较，考察各参数的稳定性。将1747cm-1与2852cm-1波数处特征参数的比值(P3/P4)为X轴，1099cm-1处与1163cm-1附近特征峰参数的比值(P1/P表3-7各食用油红外吸收光谱特征吸收峰的相对强度面积之比①②③④⑤⑥⑦⑧⑨A1747cm-1A2852cm1.0340.73060.87610.87610.97240.96741.00340.95480.924A1099cm-1A1163cm0.29590.41120.35790.44270.38360.4470.40310.33420.4116续表3-7波数cm-1111811201120112011201120111811181118注：表中①代表家庭产菜籽，②代表香满园菜籽油，③代表罗平菜籽油，④代表金龙鱼葵花籽油，⑤代表多力葵花子油，⑥代表金龙鱼大豆油 ，⑦代表香满园大豆油，⑧代表香满园花生油，⑨代表砚山花生油。图3-11以峰面积比及波数为参数的分析图注：图中●代表菜籽油▉代表葵花籽油▲代表大豆油★代表花生油表3-8各食用油红外吸收光谱特征吸收峰的相对强度矫正面积之比①②③④⑤⑥⑦⑧⑨A1747cm-1A2852cm2.79573.18163.12633.71113.4513.893.14862.61693.2162A1099cm-1A1163cm0.0950.13140.12720.15270.72620.14060.11630.07780.3939波数cm-1111811201120112011201120111811181118注：表中①代表家庭产菜籽，②代表香满园菜籽油，③代表罗平菜籽油，④代表金龙鱼葵花籽油，⑤代表多力葵花子油，⑥代表金龙鱼大豆油 ，⑦代表香满园大豆油，⑧代表香满园花生油，⑨代表砚山花生油。图3-12以校正峰面积比及波数为参数的分析图注：图中●代表菜籽油▉代表葵花籽油▲代表大豆油★代表花生油表3-9各食用油红外吸收光谱特征吸收峰的相对强度峰高之比①②③④⑤⑥⑦⑧⑨H1747cm-1/H2852cm1.04030.98841.00331.01371.0061.00651.09541.00431.005H1009cm-1/H1163cm0.80230.81140.84830.8550.83140.87540.80440.74220.8516波数cm-1111811201120112011201120111811181118注：表中①代表家庭产菜籽，②代表香满园菜籽油，③代表罗平菜籽油，④代表金龙鱼葵花籽油，⑤代表多力葵花子油，⑥代表金龙鱼大豆油 ，⑦代表香满园大豆油，⑧代表香满园花生油，⑨代表砚山花生油。图3-13以峰高比及波数为参数的分析图注：图中●代表菜籽油▉代表葵花籽油▲代表大豆油★代表花生油表3-10各食用油红外吸收光谱特征吸收峰的相对强度矫正峰高之比①②③④⑤⑥⑦⑧⑨H1747cm-1H2852cm-12.59423.56733.32263.23463.57593.42232.8582.76143.3061H1009cm-1/H1163cm0.42490.47510.50520.58260.61690.59970.4860.38170.4392波数cm-11118112011