快速鉴别掺伪橄榄油的拉曼光谱

快速鉴别掺伪橄榄油的拉"谱-聚类分析方法邓平建;耿艺介;梁裕;杨冬燕;李浩;杨永存【摘要】Ramanspectrum-clusteranalysismethodwasdevelopedforrapiddiscerningofadulteratedol-iveoilusingmultiplebatchesofoliveoil,soybeanoil,cornoil,rapeseedoil,palmoil,cottonseedoilandrefinedswill-cookeddirtyoilwithvariousoriginsandbrandsassamples.Ramanspectrumpatternsofoliveoil,low-priceediblevegetableoilandrefinedswill-cookeddirtyoilwerestudiedundertheconditionsof780nmand532nmlasersourceswithcommongratingsand532nmlasersourcewithextend-edgrating.Thentheadulteratedoliveoilwasdiscernedbyclusteranalysismethod.Theresultsindicatedthattheextendedandfirst-orderderivativeRamanspectrashowedabundantinformationandsignificantlydifferentspectrumpatternsamongoliveoil,low-priceediblevegetableoilandrefinedswill-cookeddirtyoilin532nmlasersource.Theclusteranalysismodelestablishedonfull-rangespectruminforma-tioncoulddiscernoliveoilaswellaskindsofadulteratedoliveoils.Thediscriminantrateswere100%for30oliveoils,105low-priceediblevegetableoils,38refinedswill-cookeddirtyoilsand75oliveoilsmixedwithatleast5%refinedswill-cookeddirtyoil.Besides,thediscriminantrateswereabove94%and88%respectivelyfor180oliveoilsmixedwithatleast5%low-priceediblevegetableoiland72vegetableoilsmixedwithatleast5%refinedswill-cookeddirtyoil.Themeasurementprocessrequirednosamplepreparationorchemicalreagentconsumption,andthetimecostwas5minforeachsample,thereforethediscerningofadulteratedol-iveoilwasrapid,non-destructiveandaccurate.%以不同产地、不同品牌的多批次橄榄油、大豆油、玉米油、菜籽油、葵花籽油、棕榈油、棉籽油及精炼地沟油为样品，探索建立快速鉴别掺伪橄榄油的拉曼光谱-聚类分析方法。在780、532nm激光光源普通光栅、532nm激光光源扩展光栅条件下，研究了橄榄油、低价食用植物油与精炼地沟油的拉曼光谱形态；并采用聚类分析法鉴别掺伪橄榄油。结果表明：在532nm激光光源下，橄榄油与低价食用植物油及精炼地沟油扩展及其一阶导数拉曼光谱的信息量极为丰富，而且各类样品间的光谱形态差异显著。基于全波段光谱信息和形态建立的聚类分析模型既可准确鉴定橄榄油，还可准确鉴定各种类型的掺伪橄榄油。对30份不同橄榄油、105份不同低价食用植物油和38份不同精炼地沟油的判别正确率均为100%，对180份5%及以上的掺假橄榄油的判别正确率达94%以上，对75份5%及以上的掺杂橄榄油的判别正确率为100%，对72份5%及以上的掺杂植物油的判别正确率达88%以上。样品测量时无需制备样品及消耗化学试剂，测量和分析1份样品仅耗时5min左右，可实现对掺伪橄榄油的快速、无损和准确鉴别。【期刊名称】《中国油脂》【年(卷)，期】2015(000)002【总页数】6页(P50-55)【关键词】掺伪橄榄油;拉曼光谱;聚类分析;快速鉴别【作者】邓平建;耿艺介;梁裕;杨冬燕;李浩;杨永存【作者单位】深圳市疾病预防控制中心分子生物医学检验科，广东深圳518055;深圳市疾病预防控制中心分子生物医学检验科，广东深圳518055;深圳市疾病预防控制中心分子生物医学检验科，广东深圳518055；深圳市疾病预防控制中心分子生物医学检验科，广东深圳518055;深圳市疾病预防控制中心分子生物医学检验科，广东深圳518055;深圳市疾病预防控制中心分子生物医学检验科，广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TS201.6;TQ646nosamplepreparationorchemicalreagentconsumption,andthetimecostwas5minforeachsample,thereforethediscerningofadulteratedoliveoilwasrapid,non-destructiveandaccurate.Keywords:adulteratedoliveoil;Ramanspectrum;clusteranalysis;rapiddiscerning橄榄油具有丰富的营养成分、极佳的天然保健功效和理想的烹调用途，还是世界上唯一以自然状态的形式供人类食用的木本植物油，在国内夕卜市场上备受推崇和青睐，享有〃液体黄金”的美誉。受到巨大利益的驱动，橄榄油掺伪成为国内夕卜普遍存在的违法现象。如利用低价食用植物油或非食用油脂伪造橄榄油，或者在橄榄油中掺入低价食用植物油，甚至掺入废弃食用油脂（地沟油）等。出于打击和遏制橄榄油造假行为的需要，国际上对掺伪橄榄油鉴别方法的研究一直十分活跃［1］。目前，掺伪橄榄油的鉴别技术面临着更为严峻的挑战：由于橄榄油及掺伪所用植物油的品种及来源在不断增加，尤其是地沟油等非食用油脂的加入，使掺伪鉴别技术需要考虑和处理的因素及体系变得更加多元和复杂。因此，采用色谱、质谱、波谱等仪器分析手段全面采集样品的多元信息，利用主成分分析、聚类分析、BP人工神经网络等化学计量学方法建立相应的数据库和鉴别模型，成为掺伪橄榄油鉴别技术研究的主攻方向［2-4］，出现了一批两种手段紧密结合的掺伪橄榄油鉴别方法［5-10］。其中，拉曼光谱技术以无需制备样品、无需消耗化学试剂及无损、快速等优势，逐步成为研究人员建立橄榄油等主要油种掺伪快速鉴别方法的优选技术［11-12］。然而，现有的研究还极少涉及地沟油掺杂橄榄油的鉴别方法。这一现状对于掺伪橄榄油鉴别技术的完整性和实用性都是一个不容忽视的缺陷。地沟油作为一种非食用油脂，其来源和组成都具有极大的不确定性，是一种极不标准的研究对象［13］。因此，地沟油掺杂橄榄油不仅危害性远高于低价食用植物油掺假橄榄油，而且前者的鉴别难度也远高于后者。本研究以不同产地、不同品牌的多批次橄榄油、大豆油、玉米油、菜籽油、葵花籽油、棉籽油、棕榈油等成品食用植物油及精炼地沟油为样品，基于拉曼光谱和聚类分析探讨建立掺伪橄榄油的快速鉴别方法。1.1实验样品不同产地、不同品牌、不同批次的橄榄油30份、大豆油16份、玉米油16份、菜籽油27份、葵花籽油10份、棕榈油26份、棉籽油10份，分别由南海油脂工业（赤湾）有限公司提供或从深圳市各大超市购买。在6份橄榄油中分别掺入低价食用植物油（大豆油、玉米油、菜籽油、葵花籽油、棕榈油、棉籽油各6份），配成含低价食用植物油5%、10%、20%、30%、50%的掺假橄榄油样品各36份。以不同来源和批次的餐厨废弃油脂为原料，按蒸馏脱臭、碱炼脱酸和吸附脱色的步骤和方法［14］制备精炼地沟油样品38份。在5份橄榄油中分别掺入精炼地沟油（5份），配成含地沟油5%、10%、20%的掺杂橄榄油样品各25份。在低价食用植物油（大豆油、玉米油、菜籽油、葵花籽油、棕榈油、棉籽油各2份）中分别掺入精炼地沟油（2份），配成含地沟油5%、10%、20%的掺杂植物油样品各24份。1.2仪器与参数显微拉曼光谱仪DXRRamanMicroscope，美国ThermoFisherScientific公司。显微拉曼光谱的测量参数见表1。1.3光谱采集及处理取油脂样品10^L于垫有锡箔的载玻片中央，将载玻片置于显微拉曼光谱仪器的显微镜载物平台上，移动载物平台将入射光聚焦于样品微滴中心，关闭显微镜载物台上盖。分别在780、532nm激光光源下，按对应的分光光栅、扫描范围及参数采集样品的拉曼光谱。测量1份样品耗时3min左右。对532nm激光光源扩展光谱求一阶导数(Norrisderivative,Segmentlength=51,Gapbetweensegments=5),获得各样品的一阶导数扩展光谱。1.4聚类分析模型的构建采用TQAnalyst8.0分析软件构建4个聚类分析模块。各模块的建模参数及功能见表2。2.1橄榄油、低价食用植物油及精炼地沟油的拉曼光谱形态分析根据食用植物油的价格与来源及利用地沟油制售食用油的成本效益分析[15],违法分子制售掺伪橄榄油最有可能采用的掺假油种为大豆油、玉米油、菜籽油、葵花籽油、棕榈油、棉籽油等低价食用植物油，而最有可能采用的掺杂油种为精炼地沟油。橄榄油、低价食用植物油和精炼地沟油的780nm激光光源普通光谱图、532nm激光光源普通光谱图、532nm激光光源扩展光谱图与一阶导数扩展光谱图(532nm激光光源)分别如图1、图2、图3、图4所示。由图1可知，在780nm激光光源普通光谱中，橄榄油与低价食用植物油及精炼地沟油的拉曼光谱呈现相似的形态。一是它们光谱的整体轮廓基本相似；二是它们拉曼峰的数目及位置亦基本相同。由图2可知，在532nm激光光源普通光谱中，橄榄油与低价食用植物油及精炼地沟油拉曼光谱的形态呈现出明显的差异。一方面，精炼地沟油与橄榄油及低价食用植物油拉曼光谱的整体轮廓完全不同。在精炼地沟油的拉曼光谱中只见1个平滑包状谱带，已不见油脂各类成分所对应的拉曼谱带；另一方面，在2800-1500cm-1波段橄榄油与低价食用植物油的拉曼光谱轮廓呈现显著差异。由图3可知，在532nm激光光源扩展光谱的4500-3000cm-1波段中，橄榄油、大豆油、菜籽油和棉籽油的拉曼峰部分重叠，而棕榈油、玉米油、葵花籽油及精炼地沟油在上述波段没有出现同类的拉曼峰。由图4可知，在一阶导数扩展光谱中，橄榄油与低价食用植物油原本重叠的拉曼峰得到了有效的分离，并且橄榄油与低价食用植物油，特别是与精炼地沟油的光谱形态差异更为显著。基于全光谱建立的聚类分析模型对样品类别的鉴别能力取决于各类样品的光谱信息量及光谱形态差异。各类样品的光谱信息量越丰富，各类样品间的光谱形态差异越显著，则聚类分析模型的鉴别能力越强。对上述光谱进行综合比较表明，各类样品在532nm激光光源扩展光谱中所提供的信息量最大，形态差异最显著。但各类样品的拉曼峰仍然存在重叠现象，可能对掺伪样品的鉴别带来困难。但在对应的一阶导数扩展光谱中，各类样品的拉曼峰则得到了有效的分离。2.2鉴别掺伪橄榄油的聚类分析模型从严厉和精确打击橄榄油掺伪违法活动的需要考虑，掺伪橄榄油鉴别方法不仅要能够检出标称为橄榄油的样品是橄榄油还是掺伪橄榄油，还要能够鉴别掺伪橄榄油样品是掺入低价食用植物油的掺假橄榄油还是掺入地沟油的掺杂橄榄油。在掺假橄榄油样品中，可能有不同的低价食用植物油或按不同比例掺入不同低价食用植物油的掺假橄榄油；而在掺杂橄榄油中，可能有地沟油、在橄榄油或在低价食用植物油中掺入地沟油的掺杂橄榄油。由于涉及多个油种及不同油种间的相互掺兑，使聚类分析模型需要判别极为复杂的因素及关系，难以通过一步聚类分析就能鉴别上述各类样品。本文基于4个独立而又相互衔接的模块，采用多步聚类分析的方式，化繁为简和逐步逼近，达到鉴别各类掺伪橄榄油的目的。鉴别掺伪橄榄油和聚类分析图见图5。由图5可知，从4个模块对相应类别样品的聚类分析效果可见，异类样品间的马氏距离均大于同类样品间的马氏距离，保证了同类样品的聚集和异类样品的分离，符合TQAnalyst8.0分析软件基于马氏距离判别不同类别样品的要求。2.3聚类分析模型鉴别掺伪橄榄油的验证按图6所示的聚类分析程序对验证样品进行鉴别，结果见表3。由表3可知，采用聚类分析模型既可准确鉴定橄榄油（正确率100%），还可准确鉴定各种类型的掺伪橄榄油，包括低价食用植物油（正确率100%）、精炼地沟油（正确率100%）、5%及以上的掺假橄榄油（正确率94%以上）、5%及以上的掺杂橄榄油（正确率100%）、5%及以上的掺杂植物油（正确率88%以上）。在532nm激光光源下，橄榄油与低价食用植物油（大豆油、玉米油、菜籽油、葵花籽油、棕榈油、棉籽油）及精炼地沟油扩展及其一阶导数拉曼光谱的信息量极为丰富，而且各类样品间的形态差异显著。基于全波段光谱信息和形态建立的多步聚类分析模型既可准确鉴定橄榄油，还可准确鉴定各种类型的掺伪橄榄油。对30份不同橄榄油、105份不同低价食用植物油和38份不同精炼地沟油的判别正确率均为100%，对180份5%及以上的掺假橄榄油的判别正确率达94%以上，对75份5%及以上的掺杂橄榄油的判别正确率为100%，对72份5%及以上的掺杂植物油的判别正确率达88%以上。样品测量时无需制备样品及消耗化学试剂，测量和分析1份样品仅耗时5min左右，可实现对掺伪橄榄油的快速、无损和准确鉴别。【相关文献】张欣，于瑞祥,方晓明，等.橄榄油掺假检测技术的研究进展[J].中国油脂，2013,38（3）:67-71.王江蓉，周建平,张令夫，等.植物油掺伪检测方法的应用与研究进展[J].中国油脂，2007,32（6）:78-81.唐佳妮,刘东红.食用植物油掺假鉴别方法研究进展[J].中国粮油学报，2009,24(11):158-162.姚云平，李昌模,刘慧琳，等.指纹图谱技术在植物油鉴定和掺假中的应用[J].中国油脂，2012,37(7):51-54.翁欣欣,陆峰,王传现，等.近红外光谱-BP神经网络-PLS法用于橄榄油掺杂分析[J].光