基于傅里叶近红外光谱的食用油过氧化值间接检测研究

高 媛 王 宁 于修烛 陈秀梅

(西北农林科技大学食品科学与工程学院，杨凌 712100)

食用油在加工、运输和储藏过程中，极易受到光、热、氧及水分和酶的作用，发生复杂反应生成氢过氧化物，其性质不稳定极易分解为挥发性的醛类、酮类和短链脂肪酸等［1］，这些物质影响油脂风味、降低其营养价值，甚至对人体健康产生危害［2］。过氧化值不仅是衡量食用油中氢过氧化物含量的指标，也是判断油脂新鲜程度和质量等级的重要指标之一。因此，食用油过氧化值的快速检测对其品质及其食品安全控制具有重要意义［3－6］。目前过氧化值的检测方法主要有滴定法、紫外检测法、气相色谱法、液相色谱法和电化学方法等，其中化学－碘量法存在操作繁琐、试剂用量大、污染环境等问题，紫外检测法因未氧化脂质成分会使其吸光峰值在最强光谱带出现钝边具有灵敏度低等问题，气、液相色谱主要存在样品前处理复杂、分析耗时耗力等问题，电化学法一般存在选择性较差等问题，难以满足食品安全简便、快速、准确及在线检测的要求［7－9］。近红外光谱技术具有方便、快捷、准确、不消耗化学试剂等优点，广泛应用于食用油氧化的快速检测分析［10－14］。本试验以常见食用油为原料，采用傅里叶近红外光谱技术，利用TPP与食用油氢过氧化物定量反应生成TPPO间接检测过氧化值，解决模型通用性差等问题，以期为食用油过氧化值的快速测定提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菜籽油、花生油、芝麻油、橄榄油、苦杏仁油、调和油、玉米油、葵花仁油、山茶油、鱼油、羊油等食用油:市售;不含氢过氧化物的菜籽油，通过活化硅胶柱除去活性氧等物质获得，并用碘量法测定加以确认。

三苯基磷(＞99%)、三苯基氧磷(＞99%):均为分析纯，美国Sigma公司;氯仿、冰乙酸、异辛烷、碘化钾、硫代硫酸钠等:均为分析纯，天津博迪化工公司;TPP贮备液(准确配制质量分数为40%的TPP氯仿溶液)、TPPO贮备液(准确配制质量分数为40%的TPPO氯仿溶液)，避光保存备用。

1.2 仪器与设备

MPA型傅里叶变换近红外光谱仪(检测器为In-GaAs):德国布鲁克公司。

1.3 方法

1.3.1 化学计量分析

过氧化值的测定是基于TPP与食用油中的氢过氧化物快速反应生成TPPO，通过TPPO含量推算食用油过氧化值。其化学计量反应式如下:

1 mol TPP(TPP相对分子质量为262.28)能使1 mol氢过氧化物ROOH转化成ROH，同时产生1 mol TPPO(TPPO相对分子质量为278.28)，可将油样中TPP、TPPO的含量折算成相应的过氧化值。折算关系式如下:

式中:m1为TPP或TPPO的质量/g;M1为TPP或TPPO的相对分子质量/g/mol;m油为油脂质量/kg。

根据油脂中TPP含量计算相应的过氧化值(PV)，1 mmol/kg PV相当于每千克油脂中含有0.262 3 g TPP，50 μL TPP 贮备液溶于4.000 g油样，折算相应PV为25 mmol/kg;TPPO的含量折算相应的PV，1 mmol/kg PV相当于每千克油脂中含有0.278 3 g TPPO，50 μL TPPO 贮备液溶于4.000 g油样，折算相应PV为23.6 mmol/kg。依据计量反应，反应过程中TPPO的PV与TPP的PV之和保持不变，即为反应前加入待测样品中TPP的PV值，以TPPO的PV表示待测样品的过氧化值。

1.3.2 光谱采集条件

在室温下，采用傅里叶变换近红外光谱仪采集光谱，将样品装于内径为8 mm玻璃管置于样品腔中，样品透射腔温度为40℃，分辨率为4 cm－1，光谱范围为12 000～4 000 cm－1，扫描次数为32次，作2次平行试验。

1.3.3 标样和验证样品的制备

1.3.3.1 校正集样品

分别将50μL TPP储备液、50μL TPPO储备液与2.000 g菜籽油(以GB/T 5538—2005测定油脂过氧化值，未检出定义为0 mmol/kg，下同)混合形成TPP油及TPPO油。模拟反应后生成的TPPO与有未反应的TPP同时存在的体系，将零过氧化值的菜籽油、TPP油、TPPO油通过重量分析法随机混合配制成标准样品，将对应油样中TPP、TPPO换算成过氧化值(PV)，结果如表1。

1.3.3.2 验证集样品

将氧化的花生油与零过氧化值的菜籽油，采用重量稀释法配制20个系列样品作为验证集样品，其过氧化值的范围是0～20 mmol/kg;从市场上随机抽取10个不同种类的油样进行盲样验证分析。

表1 标样中TPP和TPPO的配比关系

1.3.4 分析过程

称取油样2.000 g(精确至 0.001 g，下同)，加入50μL TPP(40%)贮备液，混合均匀(振荡约1 min)使其充分反应，然后将约1 mL的油样注入玻璃管(内径为8 mm)样品腔中，采集样品的近红外光谱。采用模型预测待测油样中生成TPPO的质量摩尔浓度，进而折算出相应的PV。

1.3.5 数据分析

将采集的光谱数据导入OMNIC 7.3和TQ Analyst 7.2软件(美国尼高力公司)中进行光谱预处理、谱区选择和分析。首先采用偏最小二乘法(PLS法)对校正集样品过氧化值建立定量分析模型，并选择多种光谱预处理方法对模型进行优化，如基线校正、多元散射校正(MSC)、标准正交变换(SNV)、Norris导数平滑(NF)、Savitzky－Golay平滑(SF)、一阶求导、二阶求导等。采用GB/T 5538—2005测定油脂样品的过氧化值作为实测值，通过近红外光谱法模型预测获得的过氧化值作为预测值;Origin软件对数据进行处理分析，确定2种检测方法的相关性以及近红外光谱法的可靠性。

1.3.6 过氧化值国标法测定

参照GB/T 5538—2005。

2 结果与分析

2.1 光谱分析

为了确定光谱测定过氧化值的可行性，在透射腔温度为40℃，分辨率为4 cm－1，光谱范围为12 000～4 000 cm－1的条件下扫描含有 TPP、TPPO和 TPP+TPPO油样光谱，扫描次数为32次，在此条件下采集标准样品的光谱及对光谱进行差减处理，见图1。

图1 标准样品的近红外光谱

由图1a可以看出，含TPP和TPPO的标准样品均在 8 268、5 801、5 680、4 670、4 590 cm－1波数处有明显的吸收峰，但峰值差异大，进一步进行光谱选择性差减得图1b。由图1b可知，TPP与TPPO在近红外光谱中有不同的特征吸收峰，TPPO分别在4 575、4 550、4 526 cm－1波数处有特征吸收。TPP在4 592 cm－1波数处有明显特征吸收。TPP和 TPPO在4 601、4 569 、4 553 cm－1波数处都有特征吸收，由此可知TPP与TPPO近红外光谱吸收峰相互重叠，波数范围缩小［15－16］。从 TPP和 TPPO的化学结构上分析，TPPO比TPP多了一个双键;样品在4 650～4 500 cm－1之间有显著的差异性。而体系中同时存在TPP及TPPO，根据化学定量反应可知，消耗的TPP物质的量与生成TPPO的物质的量相等，可以选择某一波数下TPP和TPPO的吸光度之和来衡量TPP与氢过氧化物反应生成TPPO的情况进而推算出氢过氧化物的含量，可选择光谱范围为4 650～4 500 cm－1建立PV模型。

2.2 模型建立与验证

采集校正集样品和验证样品的光谱，将数据导入OMNIC 7.3和 TQ Analyst 7.2软件，通过比较分析确定在一阶求导、Norris导数平滑(NF)效果较好，采用偏最小二乘法(PLS)在光谱范围为4 650～4 500 cm－1建立模型。以碘量法测定的过氧化值作为实测值，模型预测的结果作为预测值，得到最佳校正集和验证集的实测值和预测值关系，如图2和图3所示。

图2 校正集中食用油过氧化值实测值和模型预测值关系

由图2可知，当光谱范围为4 650～4 500 cm－1时，过氧化值的校正集实测值与预测值的标准曲线相关性良好，其实测值与预测值的相关方程为y=0.013 7+1.003 9x(R=0.999 4，RMSEC=0.143 9)，由相关方程可知R值为0.999 4，校正均方根误差(RMSEC)为0.143 9。

图3 验证集中食用油过氧化值实测值和模型预测值关系

由图3可知，过氧化值验证集实测值与预测值的标准曲线相关性良好，其实测值与预测值的方程为y=0.031 7+1.049 4x(R=0.992 6，RMSEP=0.555 6)，由相关方程可知R值为0.992 6，预测均方根误差(RMSEP)为0.555 6。即基于化学计量关系的近红外光谱法测定食用油过氧化值与碘量法测定结果一致。

2.3 盲样验证

为了进一步验证模型及油脂种类对模型的影响，随机选取10种不同的油脂用模型预测过氧化值，并用碘量法平行测定其过氧化值，其结果见图4。

图4 盲样过氧化值实测值和模型预测值关系

由图4可知，盲样验证中模型过氧化值预测值与碘量法测定结果高度线性相关，其实测值与预测值的相关方程为 y=0.011 8+0.982 1x(R=0.997 1，SD=0.400 1)，由关系方程可知相关方程的斜率为0.982 1 接近于 1，截距为 0.011 8 接近于 0，R 值为0.997 1接近于1，表明2种方法测定结果过氧化值线性相关性良好;同时也验证模型不受油脂种类的影响，模型通用性好。

2.4 精密度与准确度分析

对过氧化值验证集样品进行精密度和准确度检验，采用t检验法判断近红外光谱法和国标法是否存在显著性差异，对盲样预测集样品中10个样品的预测值与实测值进行配对t检验。过氧化值的t值为0.85，小于临界值 t9，0.05=2.262，说明近红外法和国标法无明显差异。对同一样品进行10次光谱扫描，由模型获得各组分含量的预测值，并得到10次测量结果的相对标准偏差(RSD)，过氧化值的 RSD为6.198%，表明方法重现性较好。

3 结论

利用氢过氧化物与三苯基磷(TPP)快速反应生成三苯基氧磷(TPPO)的定量反应关系。TPP和TPPO在近红外光谱4 650～4 500 cm－1范围内具有明显的差异性，采用PLS建立食用油过氧化值测定模型;对验证集样品及盲样进行验证并与国标碘量法进行比较分析，结果表明:盲样验证测定结果与国标法测定结果相比非常接近且不受油脂种类的影响，模型通用性好，其相关系数 R 为0.997 1，标准偏差(SD)为0.400 1，相对标准偏差小于10% ，符合国家标准相关要求。

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