基于高通量拉曼光谱的奶粉鉴别技术研究

张正勇，沙敏，刘军，王海燕

（1.南京财经大学管理科学与工程学院，南京210023；2.江苏省质量安全工程研究院，南京210023）

基于高通量拉曼光谱的奶粉鉴别技术研究

张正勇1,2，沙敏1,2，刘军1,2，王海燕1,2

（1.南京财经大学管理科学与工程学院，南京210023；2.江苏省质量安全工程研究院，南京210023）

针对奶粉假冒伪劣风险，以品牌奶粉为对象，研究了拉曼光谱结合相似度算法进行快速、高通量奶粉品牌鉴别应用的可行性。以自制多孔板为样品制备平台，高通量获取待测样品拉曼光谱信息，具有样品用量少，无需样品前处理过程，信号采集速度快等优点。进一步运用全谱数据结合相关系数法，研究品牌奶粉间相似度差异，构建质量波动控制图。结果显示，品牌奶粉内部拉曼光谱相似度差异较小，品牌奶粉间拉曼光谱相似度差异相对较大，据此结合质量波动控制图，可初步实现品牌奶粉鉴别控制。

奶粉；拉曼光谱；高通量；相关系数

0 引言

奶粉质量安全一直受到监管部门和普通消费者的广泛关注[1]。出于经济利益的驱使，假冒伪劣产品时常会混入市场，成为奶粉质量安全的风险因素之一[2]。目前，奶粉品质分析技术主要包括两个方面：一方面我国已建立系列乳制品监管国家标准，如GB19644乳粉质量安全国家标准[3]，以及如GB/T22388原料乳与乳制品中三聚氰胺检测方法等检测方法标准[4]。另一方面新方法、新技术不断涌现[5]，如本课题组发展的基于表面增强拉曼光谱法痕量测定牛奶中非法添加物硫氰酸钠[6]。不过，这些研究方案所关注的主要集中在奶粉安全性指标评价方面，而在奶粉质量水平评估方面，现有的可行性方案还较为匮乏。拉曼光谱结合相关系数法，提出了具有潜在应用价值的快速鉴别奶粉品牌的方法。

1 实验

1.1 仪器与试剂

Prott-ezRaman-D3激光拉曼光谱仪，激光波长785 nm，激光功率450 mW。

A品牌奶粉，B品牌奶粉，C品牌奶粉，D品牌奶粉，E品牌奶粉。

1.2 实验过程

使用打孔机制备含有多个圆孔的聚甲基丙烯酸甲酯（poly(methyl methacrylate)，PMMA）芯片，参数包括：孔直径8 cm，孔高9 cm，孔间距3 cm。实验过程中，每孔分别上样100～150 mg奶粉，震荡使之均匀。而后，使用激光拉曼光谱仪依次采集获取各孔样品拉曼光谱信息。

1.3 相关系数法

相似度计算使用的是相关系数函数，公式如下：

式中：xi和yi分别表示的是在i波长处两样本拉曼光谱强度值和分别表示的两样本拉曼光谱强度的平均值。

2 结果与讨论

2.1 奶粉拉曼光谱分析

实验随机选取了市场销售的5种品牌奶粉，进行了拉曼光谱的采集，如图1所示。依据文献，奶粉拉曼光谱信号可做如下归属分析[7-9]：1 748 cm-1主要源自于与脂肪酸有关的酯类C=O伸缩振动；1 660 cm-1主要源自于蛋白质酰胺键的C=O伸缩振动以及不饱和脂肪酸的C=C伸缩振动；拉曼光谱最高峰1 460 cm-1主要源自于脂肪和糖类相关的CH2变形振动；1 340 cm-1主要源自于C-O伸缩振动和C-H变形振动；1308 cm-1主要源自于CH2扭曲振动；1 264 cm-1主要源自于糖类的CH2扭曲振动；1 125 cm-1和1 084 cm-1主要源自于糖类相关的C-O伸缩振动、C-C伸缩振动以及C-O-H变形振动；1 005 cm-1主要源自于苯丙氨酸的环振动；856 cm-1主要源自于C-C-H变形振动以及C-O-C变形振动，445 cm-1主要源自于C-C-C变形振动和C-O扭曲振动。由拉曼光谱信号分析可知，品牌奶粉的拉曼光谱信号主要归结于蛋白质、脂肪和糖类等奶粉主要成分，因而在拉曼光谱信号总体表现情况上出峰位置较为相似，但由于生产工艺和加工原料的不同，各品牌奶粉的拉曼光谱信号在峰型、峰强度上又表现出一定差异，借助相关系数法[10]，可实现各品牌奶粉拉曼光谱差异的量化表征。

图1 不同品牌奶粉拉曼光谱

2.2 A品牌奶粉相关系数分析

进一步，研究以A品牌奶粉为对象，考察品牌奶粉内部相似度差异情况。随机选取了10个A品牌奶粉样本，利用自制高通量多孔芯片，采集获得了各样本拉曼光谱信息。由于产品质量存在一定波动，其表征信号的数学期望为样本信号均值，因此，可用样本测试信号的均值作为A品牌奶粉的特征信号，而各样本实测信号将围绕均值信号上下波动。基于这一事实，研究比较了各测试样本拉曼光谱信号与均值信号的相似度变化情况，如图2所示。结果显示，各A品牌奶粉样本的拉曼光谱信号与A品牌奶粉均值信号间表现出相关系数0.99以上的高度相似现象，这可能是由于同一品牌各测试样本间的加工工艺、原料等保持了较高的一致性，因而各样本与均值信号间相似程度较高。基于这一现象，进一步运用质量波动控制图方法，尝试建立品牌奶粉的质量控制图，如图3所示。质量波动控制图是一种统计过程控制的数理分析手段，基于统计假设检验原理构造而成，当质量波动仅有偶然因素影响时，质量波动处于统计控制状态，即处于上下控制限内围绕中心线波动，而当质量波动受到异常因素影响时，质量波动处于失控状态，质量波动将跃出控制限，故其可起到及时预警作用。质量波动控制图早期主要在机械制造领域得到广泛使用，日前，在食品控制领域也正日益发挥出重要作用[11-12]。依据控制图绘制原理，得到了A品牌奶粉相关系数值变化控制图以及移动极差控制图，图3a可以看出，测试样本的相关系数值围绕中心线（均值）0.9995，在上控制限0.9997和下控制限0.9992间波动，需要补充一点，与一般用控制图不同，在本实验体系考察的是相关系数值，若出现相关系数大于0.9997即超出上控制限情况时，并不能据此认为出现异常因素，因为相关系数值愈接近于1，说明产品质量的测试信号愈接近于均值，是质量水平提升的表现。此外，图3b中相应移动极差值也在理论范围内波动。

图2 各A品牌奶粉样本与其均值间拉曼光谱相关系数值

2.3 品牌奶粉相关系数分析

图3 A品牌奶粉相关系数值变化及移动极差控制图

研究进一步考察了不同品牌奶粉间拉曼光谱相似度情况，以A品牌奶粉（均值）为对象，比较了其他品牌奶粉与之相关系数值差异，如图4所示。C品牌、E品牌、B品牌、D品牌与A品牌奶粉的拉曼光谱相关系数值分别为0.950、0.977、0.971、0.995，可以看出品牌奶粉与研究对象A品牌奶粉间存在较高的拉曼光谱相似度，这可归结于奶粉主要成分均为蛋白质、脂肪、糖类有关，但是，各品牌奶粉相似度值也存在一定差异，这可归结于其生产工艺、原料差异导致最终产品间微量成分的不同。进一步分析，C品牌、E品牌与A品牌相关系数值差异较大，可能原因在于C品牌、E品牌分别为国外品牌，A品牌为内蒙古品牌，原料产地差异较大，存在一定影响。B品牌为浙江杭州品牌，与A品牌相关系数值小于D品牌奶粉，而D品牌为黑龙江品牌，因而可能是由于在奶源产地上，D品牌与A品牌地理纬度差异较小有关。尽管各品牌奶粉与A品牌奶粉间相关系数值达到了0.95以上，不过与A品牌奶粉内部拉曼光谱相关系数值比较而言，这种不同品牌奶粉的相关系数值差异依旧是明显小于图3（a）的下控制限0.9992，因此，依然能够有效的鉴别出品牌奶粉的相似度差异，揭示出实验方法在奶粉品牌间有效区分价值。

3 结论

图4 不同品牌奶粉与A品牌奶粉拉曼光谱相关系数值

本文针对品牌奶粉在产销过程中的假冒伪劣风险，以多孔芯片为平台，高通量获取奶粉拉曼光谱信息，结合相关系数运算，量化输出了品牌奶粉内部及品牌奶粉间相似度差异情况，结果显示品牌奶粉内部相关系数值差异较小，品牌奶粉间相关系数值差异较大，并通过建立奶粉相关系数质量波动控制图，实现了品牌奶粉动态监控，结合相关系数运算，可初步实现快速、高效的奶粉品牌鉴别，揭示了方法的潜在应用价值。

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Research on identification technology of milk powder based on high through⁃put Raman spectroscopy

ZHANG Zhengyong1,2,SHA Min1,2,LIU Jun1,2,WANG Haiyan1,2
(1.School of Management Science and Engineering,Nanjing University of Finance and Economics,Nanjing 210023, China;2.Jiangsu Province Institute of Quality and Safety Engineering,Nanjing 210023,China)

In order to overcome the risk from fake and shoddy milk powder,some brands of milk powder were used as the research objects,a new method was established based on Raman spectroscopy combined with similarity algorithm and the feasibility of the rapid and high throughput method was full investigated.Taking the self-made multi-well plate as the sample preparation platform,the Raman spectra infor⁃mation of the samples can be obtained with high throughput.This method has a large number of advantages,such as less sample consump⁃tion,no sample pre-treatment process,rapid signal acquisition speed.Furthermore,the total spectra data combined with correlation coeffi⁃cient method were applied to identify the difference between the brands of milk powder and the quality control charts were constructed.The results reveal that the difference based on Raman spectra between the same brand of milk powder is small,but the difference based on Raman spectra between the different brands of milk powder is large.The results suggest that the identification method could be used for quality con⁃trol of brand milk powder when the correlation coefficients further combined with quality fluctuation control chart.

milk powder;Raman spectroscopy;high throughput;correlation coefficient

TS252.7

：A

：1001-2230（2017）06-0049-03

2016-10-17

国家自然科学基金（61602217，61373058，71433006）；国家重大科学仪器设备开发专项（2013YQ090703）；南京财经大学青年学者支持计划（2015）基金资助。

张正勇（1984-），男，讲师，研究方向为复杂体系分析技术研究。

王海燕