中红外光谱技术检测灭菌乳乳果糖的研究

田桂艳，李 慧，白晓玲，李海军，曹文燕，王丹慧，高建军

保定蒙牛饮料有限公司，河北保定 072450

0 引言

乳果糖（Lactulose）是由半乳糖与果糖组成的二糖[1]。牛奶在加热过程中，乳糖在酪蛋白游离氨基的催化下发生碱基异构进而产生乳果糖。乳制品的灭菌方式、添加复原乳的情况不同，会导致其中的乳果糖含量存在明显差异，因此，乳果糖的含量可作为评价牛奶热处理效应[2]以及是否添加复原乳的鉴定[3]指标，即可通过测定灭菌乳中糠氨酸[4]和乳果糖的含量并结合其比值建立模型，以判定灭菌乳中是否添加了复原乳。

目前常用于定量检测乳制品中乳果糖含量的方法为酶法[5]检测。试样经β-D-半乳糖苷酶水解后产生半乳糖和果糖，通过酶法测定产生的果糖量计算乳果糖含量，但酶法检测过程中需要使用酶类等20余种试剂，且检测耗时长（配制检测试剂1 天、检测操作1 天），至少需要2 天时间才能出具结果，因此利用该方法进行生产产品的质量控制结果滞后，不能及时对产品异常情况进行及时控制。因此，亟需开发一种可以缩短乳制品中乳果糖含量检测时间的方法，以提升乳制品质量控制效率。

1 方法

1.1 主要仪器设备

中红外分析仪（FTA-3.2型），Delta Instruments（荷兰）。

1.2 检测方法

对已知乳果糖含量的样品使用中红外分析仪[6]进行扫描，从中红外光谱原始数据中筛选乳果糖的特征波段光谱[7]数据，建立中红外定标模型[8]，并对建立的模型进行验证。

1.2.1 乳果糖的定量检测

选取不同批次的灭菌乳样品（液体灭菌乳）200份，采用《NY/T 939—2016巴氏杀菌乳和UHT灭菌乳中复原乳的鉴定》中乳果糖的检测方法对各样品中的乳果糖含量进行检测，所有乳果糖的含量均在230~530 mg/L的范围内，符合正态分布，这200 份样品作为校正集，将乳果糖含量作为参比数据。

1.2.2 乳果糖的中红外定标模型的构建

使用中红外分析仪对校正集中的200 份样品进行扫描，获得各样品的中红外光谱原始数据，扫描条件如下：在室温为24~28 ℃，相对湿度为20%~30%条件下进行中红外光谱扫描，扫描范围为4000~400 cm-1，扫描分辨率为4 cm-1，扫描次数为32 次，每个样品重复扫描3 次。

在中红外光谱原始数据中筛选乳果糖的特征波段光谱数据，特征波段为2700~3000 cm-1，分析各样品的马氏距离[9]和全局马氏距离[10]，并设置全局马氏距离的阈值为3，剔除全局马氏距离值＞3的样品；采用Unscramber软件、选择偏最小二乘法（PLS）[11]，对剔除异常样品后的校正集样品的特征波段光谱数据及其对应的乳果糖含量参比数据通过化学计量方法进行回归分析[12]，拟合得到多元回归曲线[13]，建立中红外定标模型。

上述拟合得到的多元回归曲线如图1所示。

图1 乳果糖多元回归曲线

对上述构建的乳果糖中红外定标模型进行验证，定标模型的预测误差（RMSE，也称为 SEP）为 27 mg/L，

相关性（RSQ，也称为决定系数，R2为0.87。结果表明，建立的定标模型的乳果糖含量与中红外光谱数据的相关性较好，模型的预测准确性较高，模型性能良好。

其中，预测误差的计算公式如下：

相关性的计算公式如下：

2.3 乳果糖模型验证的结果与分析

2.3.1 重复性分析

选取40 个灭菌乳样品，对每个灭菌乳样品均检测2 次，重复性偏差按照《NY/T 939-2016巴氏杀菌乳和 UHT 灭菌乳中复原乳的鉴定》的精密度要求进行判定，即：以在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不大于算术平均值的10%为判定标准，满足该标准则符合检测要求。检测40 个灭菌乳样品均符合检测要求。具体对比数据具体对比数据如表1所示。

表1 重复性分析结果

2.3.2 准确性分析

选取40个灭菌乳样品，针对每个灭菌乳样品分别进行中红外光谱扫描检测和农业行业标准方法《 NY/T 939-2016巴氏杀菌乳和UHT灭菌乳中复原乳的鉴定》中的乳果糖酶法检测，将两种方法的检测结果进行偏差分析，检测结果偏差按照《 NY/T 939-2016巴氏杀菌乳和UHT灭菌乳中复原乳的鉴定》的精密度要求进行判定，即：以在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不大于算术平均值的10%为判定标准，若满足该判断标准，则符合检测要求。40 个灭菌乳样品均符合检测要求。具体对比数据如表2所示。

表2 不同检测方法的检测结果偏差分析

3 结论

本方法提供的乳果糖定量检测方法利用中红外光谱技术结合偏最小二乘法（PLS）定量分析样品中的乳果糖含量，实现了微量乳果糖的快速简便的定量检测，通过重复性及准确性验证，符合偏差要求。该方法用于乳制品中乳果糖的含量检测时，较农业行业标准方法《NY/T 939-2016 巴氏杀菌乳和UHT灭菌乳中复原乳的鉴定》缩短结果出具时间。该方法实现了乳果糖的快速简便的定量检测，极大地缩减了检测所需的时间、试剂和设备，且具有较好的重复性、较高的精密度和准确性，具有较好的应用前景。