王二丹，魯利利，張?zhí)┿?，董文賓，盧紅梅，梁逸曾，許天舒，張娟，陳春楠

1(中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

2(陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安，712081)

羊奶中有200多種營(yíng)養(yǎng)素和生物活性物質(zhì)，包括64種乳酸、25種礦物質(zhì)、20多種氨基酸和維生素，是世界公認(rèn)最接近人奶的乳品，其營(yíng)養(yǎng)成分最全，且易于被人體吸收。如羊奶脂肪顆粒體積僅為牛奶的1/3，更利于人體吸收，其吸收率高達(dá)94%。因營(yíng)養(yǎng)成分的種類豐富和含量分布合理的特點(diǎn)，羊奶不僅具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且還具有食療與保健的作用，如減少乳糖不耐癥、提高人體免疫力、調(diào)節(jié)體內(nèi)酸堿平衡、預(yù)防骨骼缺鈣、消除肥胖、暖胃補(bǔ)腎、益智健腦、護(hù)膚養(yǎng)顏等營(yíng)養(yǎng)優(yōu)勢(shì)和保健功能［1］。因此，其售價(jià)昂貴，有“貴族奶品”之稱，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家也稱之為“奶中之王”。因其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于牛奶，而且供不應(yīng)求，經(jīng)銷商為了謀取暴利，經(jīng)常以牛奶冒充羊奶，或在羊奶中摻雜牛奶對(duì)外銷售，損害消費(fèi)者利益。此外，摻雜牛奶含量不同對(duì)奶品質(zhì)量的影響也不同。因此，提出一種準(zhǔn)確鑒別羊奶和牛奶以及定量測(cè)定羊奶中摻雜牛奶含量的分析方法非常必要。

色譜技術(shù)是鑒別食品用得最多的方法，主要靠食品中若干成分測(cè)定指標(biāo)來判斷食品的真?zhèn)危涫褂糜幸欢ň窒扌?。鑒于此，本文對(duì)牛奶和羊奶的鑒別提出了一種快速和準(zhǔn)確的非線性電化學(xué)指紋圖譜鑒別方法［2］。

人們對(duì)化學(xué)湍流、化學(xué)振蕩、化學(xué)斑圖和化學(xué)波等非線性化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和應(yīng)用已進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究［3－11］，作為研究成果之一的非線性化學(xué)指紋圖譜技術(shù)就是一種建立在非線性化學(xué)原理之上的動(dòng)力學(xué)指紋圖譜技術(shù)。非線性化學(xué)指紋圖譜的概念、功能、特點(diǎn)、影響因素、檢測(cè)條件、分析儀器、測(cè)定方法，以及利用其直觀信息和相似度模式鑒別與評(píng)價(jià)樣品的原理和應(yīng)用等方面的系統(tǒng)研究成果［3－4，12－15］，已推動(dòng)了這一指紋圖譜技術(shù)研究和應(yīng)用的快速發(fā)展［2，16－20］。本文利用硫酸-硫酸錳-溴化鈉-溴酸鈉-丙酮-樣品成分體系測(cè)定非線性電化學(xué)指紋圖譜，并利用指紋圖譜信息回歸法測(cè)定羊奶與牛奶混合物中各原奶的含量，根據(jù)測(cè)定結(jié)果可準(zhǔn)確鑒別羊奶和牛奶，以及定量評(píng)價(jià)其混合物的質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、樣品和儀器

試劑:1.00 mol/L H2SO4、1.00 mol/L 丙酮、0.800 mol/L NaBrO3、0.080 0 mol/L MnSO4和 0.015 0 mol/L NaBr溶液。試劑均為分析純，采用二次蒸餾水。

樣品:不同時(shí)間和不同產(chǎn)地采集的鮮羊奶1和2，以及鮮牛奶1和2的干燥粉末(以下鮮羊奶或鮮牛奶簡(jiǎn)稱羊奶或牛奶)。

儀器:非線性化學(xué)指紋圖譜智能分析儀(MZ-1A型，湖南尚泰測(cè)控科技有限公司生產(chǎn))。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

準(zhǔn)確移取0.987 0 g奶品粉末、25.00 mL H2SO4、12.00 mL MnSO4、10.00 mL 丙酮、3.00 mL NaBr溶液和3.00 mL蒸餾水于反應(yīng)器中，蓋好帶注射孔和電極的反應(yīng)器蓋。利用恒溫系統(tǒng)調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度為50.0℃，攪拌速度調(diào)節(jié)為850 r/min，立即點(diǎn)擊菜單采集數(shù)據(jù)，攪拌到5.0 min時(shí)用注射器迅速加入5.00 mL溴酸鈉溶液。記錄E-t曲線至電位E不再隨時(shí)間t變化為止。

2 結(jié)果與討論

2.1 群集成分分析與傳統(tǒng)成分分析

傳統(tǒng)的成分分析方法，主要是單一成分，諸如元素或化合物的定性和定量分析。此外，傳統(tǒng)的成分分析也包含類成分分析，類成分分析指的是樣品中某一類屬性物質(zhì)的分析，如食品或藥品中總黃酮(多種黃酮集合)或總生物堿(多種生物堿集合)的定性與定量分析。

群集成分分析是指由多種成分，包括多種單一成分和類成分組成的復(fù)雜體系中各成分子集的分析。例如，人參粉末中是否摻雜了橘梗，羊奶中是否摻雜了牛奶，進(jìn)口的加拿大大麥中是否摻雜了國(guó)產(chǎn)大麥，高價(jià)醬油中是否摻雜了廉價(jià)醬油，各摻雜百分比是多少，食用調(diào)和油是否按所需單一食用油的種類及其百分比的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)配制，是否偷工減料，諸如此類樣品中成分子集的定性和定量分析問題都屬于群集成分分析范疇。群集成分定量分析是分析檢測(cè)領(lǐng)域的難題之一，其方法的研究對(duì)食品、飲料、藥品、保健品、日化產(chǎn)品和農(nóng)副產(chǎn)品等日常生活用品的質(zhì)量控制至關(guān)重要。

2.2 基本非線性化學(xué)反應(yīng)

基本非線性化學(xué)反應(yīng)就是僅由底物和耗散物參加而沒有受到其他物質(zhì)影響的化學(xué)湍流、化學(xué)振蕩、化學(xué)斑圖和化學(xué)波等非線性化學(xué)反應(yīng)?；痉蔷€性化學(xué)反應(yīng)的E-t曲線特征與受到來自試樣中共存物質(zhì)影響后所產(chǎn)生的E-t曲線，即樣品的非線性化學(xué)指紋圖譜的特征是很不相同的［13］。

2.3 體系中各成分對(duì)非線性化學(xué)指紋圖譜的影響

影響非線性化學(xué)指紋圖譜特征信息的物質(zhì)可分為四大類。第一類是反應(yīng)底物，即引起基本非線性化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，包括有機(jī)底物和無機(jī)底物。第二類是反應(yīng)耗散物，它們也參與基本非線性化學(xué)反應(yīng)，但與其他在反應(yīng)中進(jìn)行再生-消耗循環(huán)的底物不同，在反應(yīng)中是不斷消耗的，其濃度隨著反應(yīng)的進(jìn)行變得越來越小，最終使反應(yīng)停止，故在反應(yīng)體系中它們還決定著非線性化學(xué)反應(yīng)持續(xù)的時(shí)間。這兩類物質(zhì)中缺乏其中任何一種物質(zhì)都不能產(chǎn)生非線性化學(xué)反應(yīng)，即此時(shí)不可能測(cè)得非線性化學(xué)指紋圖譜。因此，這兩類物質(zhì)都是影響非線性化學(xué)指紋圖譜至關(guān)重要的物質(zhì)，尤其是后者還對(duì)測(cè)定指紋圖譜所需的時(shí)間有重要影響。第三類是樣品中通過其化學(xué)和物理性質(zhì)來共同影響基本非線性化學(xué)反應(yīng)的共存物質(zhì)，尤其是這些物質(zhì)通過對(duì)非線性化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的影響，會(huì)改變體系中實(shí)際非線性化學(xué)反應(yīng)的歷程，從而對(duì)非線性化學(xué)指紋圖譜特征信息產(chǎn)生顯著的影響。第四類物質(zhì)本身在體系中并不參與任何化學(xué)反應(yīng)，只是通過它們對(duì)反應(yīng)體系的物理性質(zhì)，諸如溶液酸度、極性、黏度、滲透壓、表面張力和離子強(qiáng)度等的影響來改變?nèi)芤汗ぷ麟姵仉妱?shì)與反應(yīng)參與物活度之間的非平衡能斯特關(guān)系，從而對(duì)樣品的E-t曲線，即指紋圖譜產(chǎn)生影響。這四類物質(zhì)對(duì)非線性化學(xué)指紋圖譜特征信息的影響程度各不相同，其大小主要決定于體系中各物質(zhì)的濃度和這些物質(zhì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生影響的相對(duì)活性。故非線性化學(xué)指紋圖譜特征是體系中各物質(zhì)不同程度共同作用的結(jié)果，是樣品中各物質(zhì)的群集特征。改變樣品的成分及其濃度，勢(shì)必導(dǎo)致指紋圖譜特征信息相應(yīng)的改變。

2.4 測(cè)定奶品指紋圖譜的檢測(cè)用量

前期研究結(jié)果［2］表明，測(cè)定羊奶和牛奶的非線性化學(xué)線性指紋圖譜時(shí)，最合適的檢測(cè)用量為0.987g左右。本實(shí)驗(yàn)都選用0.987 0 g。

2.5 奶品非線性化學(xué)指紋圖譜及其基本信息

非線性化學(xué)指紋圖譜中含有許多特征參數(shù)和直觀信息。直觀信息包含波峰形狀、誘導(dǎo)曲線、波動(dòng)曲線和停波曲線等，而特征參數(shù)中包含峰谷時(shí)間(tcan)、峰谷電位(Ecan)、峰頂時(shí)間(tpet)、峰頂電位(Epet)、誘導(dǎo)時(shí)間(tind)、起波電位(Euns)、停波時(shí)間(tune)、停波電位(Eune)、平衡時(shí)間(tequ)、平衡電位(Eequ)、波動(dòng)幅度(ΔEund)、最大波幅(ΔEmax)、波動(dòng)周期(τund)、波動(dòng)壽命(tund)和波峰數(shù)目(nwav)等［13］。如牛奶1指紋圖譜的部分特征信息見圖1［2］。

2.6 奶品非線性化學(xué)指紋圖譜的重現(xiàn)性和特征性

圖1 牛奶1粉末指紋圖譜的部分特征信息e～f:誘導(dǎo)曲線;f～g:波動(dòng)曲線;g～h:停波曲線;e和h分別為非線性化學(xué)反應(yīng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)Fig.1 Non-linear chemical fingerprint of cow milk powder 1 and its part of feature information

牛奶1和牛奶2及羊奶1和羊奶2的指紋圖譜［2］見圖2。圖2表明，牛奶和羊奶非線性化學(xué)指紋圖譜均具有很好的重現(xiàn)性和特征性。如牛奶指紋圖譜(圖2中1和2)的最大波幅較大，誘導(dǎo)時(shí)間較短，波動(dòng)曲線輪廓左端沒有明顯下凹的趨勢(shì)，而羊奶指紋圖譜(圖2中3和4)的最大波幅較小，誘導(dǎo)時(shí)間較長(zhǎng)，波動(dòng)曲線輪廓左端具有明顯下凹的趨勢(shì)。因此，利用指紋圖譜這些明顯的直觀特征差異就可鑒別牛奶和羊奶的真?zhèn)巍D2還表明，不同產(chǎn)地與時(shí)間采集的牛奶或羊奶，因其成分種類基本相同，只是其含量略有差別，故指紋圖譜具有共同的基本特征，特征信息差異性也較小;對(duì)于同產(chǎn)地的牛奶或羊奶，因其成分種類和含量一致，故指紋圖譜具有很好的重現(xiàn)性。這種良好的重現(xiàn)性和特征性為利用非線性化學(xué)指紋圖譜鑒別、評(píng)價(jià)和定量分析奶品提供了必要的條件。

2.7 牛奶含量對(duì)指紋圖譜特征信息的影響

圖2 牛奶1和牛奶2粉末(1、2)及羊奶1和羊奶2粉末(3、4)非線性化學(xué)指紋圖譜的重現(xiàn)性和特征差異Fig.2 Reproducibility and characteristic differences of non-linear chemical fingerprints of cow milk powder 1 and 2(1，2)as well as goat milk powder 1 and 2(3，4)

分別將牛奶1和牛奶2、羊奶1和羊奶2按1∶1質(zhì)量比混合組成純牛奶和純羊奶，然后將這2種純奶奶粉按不同比例混合組成摻雜奶粉標(biāo)樣系列，測(cè)定摻雜牛奶百分含量對(duì)指紋圖譜特征信息的影響 (圖3)。圖3表明，奶粉中摻雜牛奶的含量對(duì)指紋圖譜的可量化信息具有規(guī)律性的影響，其中誘導(dǎo)時(shí)間與牛奶百分含量呈良好線性關(guān)系。線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)R2分別為tind=－1 282x+2 553和0.998 9。該方程可作為利用樣品指紋圖譜誘導(dǎo)時(shí)間計(jì)算摻雜牛奶百分含量的模型。

圖3 牛奶含量對(duì)非線性化學(xué)指紋圖譜(左，1－0%，2－20%，3－40%，4－60%，5－80%，6－100%)和誘導(dǎo)時(shí)間(右)的影響Fig.3 Influences of cow milk content on the non-linear chemical fingerprint

2.8 非線性化學(xué)指紋圖譜信息回歸法的精密度、準(zhǔn)確度及應(yīng)用

用非線性化學(xué)指紋圖譜信息回歸法測(cè)定了純羊奶、純牛奶和5種新配制的混合奶標(biāo)樣中摻雜牛奶的含量。測(cè)定結(jié)果及其精密度和準(zhǔn)確度見表1。由表1中數(shù)據(jù)可見，各種牛奶含量測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD≤2.1%，回收率在97.3%～102%。這表明用非線性化學(xué)指紋圖譜信息回歸法測(cè)定混合摻雜奶粉中牛奶的含量時(shí)，結(jié)果精密度較高，沒有系統(tǒng)偏差，隨機(jī)偏差絕對(duì)值在允許偏差范圍內(nèi)，方法準(zhǔn)確度高。

回歸方程tind=－1 282x+2 553可用于奶品中摻雜牛奶含量的計(jì)算和奶種鑒別，不僅準(zhǔn)確度高，且使用也非常方便。先利用樣品測(cè)定其指紋圖譜的誘導(dǎo)時(shí)間，然后代入方程進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)牛奶含量x計(jì)算結(jié)果趨于0時(shí)，說明未摻雜牛奶，是純羊奶;當(dāng)計(jì)算結(jié)果趨于100%時(shí)，說明奶品是純牛奶;當(dāng)計(jì)算結(jié)果居于兩者之間時(shí)，有相應(yīng)程度的摻雜牛奶，利用計(jì)算值可對(duì)摻雜奶品進(jìn)行準(zhǔn)確的質(zhì)量評(píng)價(jià)(表1)和合理的價(jià)格估算。方法不僅對(duì)奶品摻雜牛奶與否及摻雜程度的鑒別評(píng)價(jià)非常準(zhǔn)確，而且對(duì)于前2種情況，無需計(jì)算，僅利用指紋圖譜(見圖2和圖3)就可準(zhǔn)確鑒別，就像利用直觀特征形狀來鑒別新鮮水果或蔬菜種類那樣容易。

表1 非線性化學(xué)指紋圖譜信息回歸法測(cè)定純羊奶、純牛奶和5種混合奶粉末中牛奶含量與鑒定評(píng)價(jià)結(jié)果aTable 1 Cow milk contents in different milk powders and identification-evaluation results obtained by regression method of non-linear chemical fingerprint informationa

3 結(jié)論

羊奶和牛奶組成混合奶的非線性化學(xué)指紋圖譜誘導(dǎo)時(shí)間與牛奶含量之間存在定量關(guān)系，利用混合奶非線性化學(xué)指紋圖譜信息和牛奶含量擬合得到的回歸方程，可用來預(yù)測(cè)該二元混合奶樣品中牛奶和羊奶的含量。研究結(jié)果表明，非線性化學(xué)指紋圖譜信息回歸法分析的結(jié)果具有較高的精密度和準(zhǔn)確度。另外，該方法能以回歸方程代替難以長(zhǎng)期保存的混合奶標(biāo)樣、測(cè)定操作簡(jiǎn)單、分析成本低廉，不僅容易準(zhǔn)確鑒別牛奶和羊奶，而且解決了測(cè)定羊奶和牛奶混合奶中各原奶含量的難題。方法對(duì)二元混合奶品進(jìn)行準(zhǔn)確的質(zhì)量評(píng)價(jià)和合理的價(jià)格估算，以及打假防偽具有重要的意義，對(duì)其他由2種混合物組成樣品的群集成分分析方法的研究也有參考借鑒作用。

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