采用降温扰动二维相关拉曼光谱鉴别掺假橄榄油

于迎涛, 王季锋, 孙玉叶, 李福娟, 万 超

1. 大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁 大连 116026 2. 国家海洋局北海环境监测中心，山东 青岛 266033 3. 中华人民共和国大连海关检验检疫技术中心，辽宁 大连 116001

引 言

食用油掺假侵害消费者权益，危害公众健康，相关鉴别研究具有重要意义。 随着掺假手段不断翻新，对鉴别辨识度提出更高要求，传统方法面临严峻挑战。 尤其是，当掺假食用油中假冒组分比例降低时，掺假油与正品油非常相似。 目前，低量掺假食用油已成为打假鉴别的难点和重点。

二维相关谱通过引入微扰因子，获得比一维光谱更丰富的样品特征信息，在聚合物[1-2]、液晶[3]、蛋白质和多肽[4]、爆炸物[5]等研究中得到广泛应用。 有关中药材(比如，半夏、金银花[6]、贝母[7-8]、金盏菊、葛根[9])以及食品(比如，牛奶[10]、基酒)鉴定的二维相关谱研究也取得进展。

橄榄油具有预防心脑血管疾病等多种天然保健功效。 采用光谱技术鉴别橄榄油的研究已受关注[11-12]。 本文选取降温作为扰动因子，采用同步二维拉曼相关谱，结合系统聚类分析，开展高辨识度的橄榄油低量掺假鉴别研究，相关结果对于其他油品鉴别也具有重要的理论和实用价值。

1 实验部分

1.1 样品制备

选取一级大豆油作为假冒组分，按照掺假质量比为5%，10%和20%的比例，分别掺入特级初榨纯橄榄油，振荡混匀，得到三种低量掺假橄榄油。 将纯橄榄油与掺假橄榄油，分别封装于硬质玻璃毛细管中待测； 每种油样分别制备标样和盲样。

1.2 光谱采集与数据处理

采用Horiba Jobin Yvon XploRA显微共焦拉曼光谱仪，配备自动样品台及可控降温样品台。 激发光波长532 nm，CCD检测器温度-70 ℃，物镜10×，曝光时间5 s，累加60次，光栅2 400 T，采集范围2 760～3 100 cm-1。 降温范围为+15～-20 ℃，间隔5 ℃，每个温度恒定30 min。 使用NGSLabSpec 5.0软件对采集的一维拉曼谱进行基线扣除和数据归一化； 然后，基于Noda方法通过Matlab编程求算同步二维拉曼相关谱，采用origin软件绘制同步二维拉曼相关谱。 将同步二维拉曼相关谱转化为一维向量，进行系统聚类分析。 聚类方法为组间连接，度量依据为平方欧式距离。

2 结果与讨论

2.1 降温扰动效应

图1 纯橄榄油及掺假橄榄油的拉曼光谱(15 ℃)Fig.1 Raman spectra of the pure and theadulterated olive oils at 15 ℃

图2是不同温度条件下的纯橄榄油拉曼光谱。 如图2所示，在+15～0 ℃范围，纯橄榄油的拉曼谱峰随温度变化不明显，最强峰位于2850 cm-1附近。 相比而言，当温度低于0 ℃时(-5～-20 ℃)，纯橄榄油的拉曼光谱出现显著变化。 主要特征峰位于2 848，2 883，2 933，2 956和3 005 cm-1附近。 2 848 cm-1为亚甲基对称伸缩振动的特征峰(2 850 cm-1)随温度降低发生红移所致，相对峰强呈现减弱趋势。

图2 纯橄榄油在不同温度条件下的拉曼光谱Fig.2 Raman spectra of the pure olive oilat different temperatures

与纯橄榄油类似，掺假5%，10%和20%的橄榄油的拉曼光谱在+15～0 ℃范围变化不大，纯橄榄油与掺假橄榄油之间的差异不明显(图略)。 相比而言，在-5～-20 ℃范围，掺假橄榄油的拉曼光谱随着温度降低发生明显变化。 图3(a)—(d)为-5，-10，-15，-20 ℃时，纯橄榄油与掺假橄榄油的拉曼光谱对比图。 如图所示，温度降至-5 ℃[图3(a)]时，纯橄榄油与掺假5%、10%的橄榄油略有差别，与掺假20%的橄榄油差异明显。 降至-10 ℃[图3(b)]以及-15 ℃[图3(c)]时，纯橄榄油与掺假橄榄油的差异增大； 掺假5%与掺假10%的橄榄油拉曼光谱较为相似，二者与掺假20%的橄榄油明显不同。 温度进一步降至-20 ℃[图3(d)]时，纯橄榄油与掺假橄榄油的拉曼谱差异更为明显，掺假5%与掺假10%的橄榄油拉曼光谱呈现出较显著差异。

总体而言，大豆油掺混比例增加时，纯橄榄油与掺假橄榄油的拉曼光谱差异增大。 当温度降至0 ℃以下时，随着温度降低，纯橄榄油与掺假橄榄油的差异变得明显。

2.2 二维拉曼相关光谱

图4(a)—(d)分别为纯橄榄油、掺假5%，10%和20%的橄榄油的同步二维拉曼相关谱，表征了以降温为扰动因子时，拉曼信号变化的协同程度。 图中，红色表示正相关，蓝紫色表示负相关。 主对角线上的自相关峰，表征该波数处的拉曼信号在降温过程中的变化程度； 主对角线两侧的交叉峰，反映与交叉峰对应的两个波数处的特征信号随温度变化的相关性。

图3 纯橄榄油与掺假橄榄油在不同温度时的拉曼光谱对比(a): -5 ℃； (b): -10 ℃; (c): -15 ℃; (d): -20 ℃Fig.3 Comparison of Raman spectra of the pure and the adulterated olive oils at different temperature(a): -5 ℃； (b): -10 ℃; (c): -15 ℃; (d): -20 ℃

如图4所示，与掺假5%[图4(b)]、10%[图4(c)]、20%[图4(d)]的橄榄油相比，纯橄榄油[图4(a)]在2 925 cm-1附近的自相关峰(红色)强度最大。 自相关峰强度对比排序为： 纯橄榄>掺假5%橄榄油>掺假10%橄榄油>掺假20%橄榄油，表明随着掺假组分(大豆油)比例增大，此自相关峰强度减弱。 对比(2 925和2 883 cm-1)处的负交叉峰，纯橄榄油的负交叉峰强于掺假橄榄油，随着掺假组分比例增大，此负交叉峰的强度相应减弱。 这些结果显示，采用降温作为扰动因子的同步二维拉曼相关谱，可明显探测到纯橄榄油与低量掺假橄榄油的差异。

2.3 系统聚类分析

采用降温作为扰动因子，分别测定及求算纯橄榄油及掺假橄榄油的所有标样 (SS)及盲样 (BS)的同步二维拉曼相关谱，然后进行系统聚类分析。 在系统聚类过程中，不对分类数以及类的结构进行事先假定，根据数据的特征求算出各样品的亲疏关系树状图。

图4 (a)纯橄榄油及掺假(b)5%，(c)10%，(d)20%的橄榄油的同步二维拉曼相关光谱Fig.4 Synchronous two-dimensional Raman correlation spectra of (a) the pure andthe adulterated (b) 5%, (c) 10%, (d) 20% olive oils

如图5所示，纯橄榄油、掺假比例分别为5%，10%和20%的掺假橄榄油的盲样及标样，分别各自聚成一类。 纯橄榄油与掺假5%大豆油的橄榄油可明显区分。 当掺假比例增至10%和20%时，纯橄榄油与掺假橄榄油的差异更加显著。

图5 同步二维拉曼相关谱的系统聚类分析树状图

当食用油掺假比例低于10%时，非法牟利空间已非常有限。 本研究采用的假冒组分为与橄榄油相似度较高、杂质很少的一级大豆油。 结果表明，采用降温作为扰动因子的二维同步拉曼相关谱，可高辨识度地鉴别低量掺假橄榄油。 有理由预期，对于掺入其他假冒组分的掺假橄榄油以及其他种类的食用油鉴别，这种方法也应具有良好的辨识能力，对于打击食用油掺假、维护公众健康具有重要意义。

3 结 论

采用降温作为扰动因子，在+15～-20 ℃温度区间，对比了纯橄榄油和掺入5%，10%，20%大豆油的掺假橄榄油的拉曼光谱以及同步二维拉曼相关谱。

在+15～0 ℃区间，纯橄榄油与掺假橄榄油的拉曼光谱非常相似，谱峰随温度变化不明显。 当温度降至0 ℃以下后，纯橄榄油与掺假橄榄油的拉曼光谱发生显著变化； 随着温度降低，纯橄榄油与掺假橄榄油的拉曼光谱差异逐渐增大。

同步二维拉曼相关谱的对比结果显示，随着掺假比例增加，2 925 cm-1附近的自相关峰和2 925和2 883 cm-1处的负交叉峰强度出现明显减弱。 系统聚类分析显示，纯橄榄油以及掺假橄榄油的盲样，均可得到准确辨识。 采用降温作为扰动因子的同步二维拉曼相关谱，对于橄榄油低量掺假具有很高的辨识能力，也可为其他油品鉴别提供理论和技术参考。