王會(huì)，陸建良

（1.聊城大學(xué)食品科學(xué)與工程系，山東聊城252059；2.浙江大學(xué)茶學(xué)系，浙江杭州310029）

近紅外光譜法快速測(cè)定含乳飲料中增稠劑含量

王會(huì)1，陸建良2

（1.聊城大學(xué)食品科學(xué)與工程系，山東聊城252059；2.浙江大學(xué)茶學(xué)系，浙江杭州310029）

研究近紅外光譜法快速測(cè)定含乳飲料中增稠劑的含量的技術(shù)方法。應(yīng)用近紅外光譜儀，以含增稠劑乳飲料為研究對(duì)象，通過(guò)NIR掃描和NIRCAL分析優(yōu)化，獲得了在單種增稠劑存在條件下具有較好預(yù)測(cè)效果的定量數(shù)學(xué)模型。同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用上述模型進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)注意模型的適用基質(zhì)以及濃度適用范圍。應(yīng)用NIR對(duì)含乳飲料中增稠劑的定量檢測(cè)方法作為企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?nèi)控是可行的，而將此方法作為含乳飲料中增稠劑的定性和定量尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

含乳飲料；增稠劑；近紅外光譜

黃原膠、果膠、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉（CMC）等都屬于天然高分子多糖或者多糖衍生物，常用作乳化劑或增稠穩(wěn)定劑。由于這類(lèi)化合物所有的良好特性，在飲料工業(yè)中為了增加產(chǎn)品穩(wěn)定性或改善口感等原因而添加一定數(shù)量的這類(lèi)化合物。但即使是同一種商品膠類(lèi)，往往沒(méi)有明確的分子量，也是一種具有相似分子特性的混合物，這就給定性和定量帶來(lái)很多不便。目前這類(lèi)化合物的測(cè)定方法通常采用重量法、金屬離子沉淀法、酶解法、HPLC法、近紅外光譜法等。但是這些方法操作往往非常繁瑣，不能適用于生產(chǎn)線上的快速監(jiān)測(cè)。

近紅外光譜分析是近年來(lái)食品分析領(lǐng)域應(yīng)用較快的方法，該方法的主要特點(diǎn)是無(wú)需將被測(cè)定目標(biāo)物分離純化，也不管目標(biāo)物的存在形態(tài)是固態(tài)還是液態(tài)，卻能直接進(jìn)行掃描分析，根據(jù)事先的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)物建立起來(lái)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量[1-2]。目前這一方法已在淀粉糖生產(chǎn)等得到應(yīng)用，并取得良好的效果[3]。本試驗(yàn)通過(guò)含膠乳飲料制備、NIR掃描和數(shù)據(jù)分析，獲得具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的含乳飲料中CMC和黃原膠等增稠劑的定量數(shù)學(xué)模型。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃原膠：淄博順達(dá)生物化學(xué)有限公司；脫脂奶粉（蛋白質(zhì)含量32%）：完達(dá)山企業(yè)集團(tuán)乳品有限公司；BUCHIN200 NIR：Buchi labortechnik AG，Switzerland公司。

1.2 方法

1.2.1 含膠乳飲料的配制

50 g/L脫脂牛奶母液：取100 g脫脂奶粉，加2 L沸蒸餾水，并加熱溶解，冷卻后加水補(bǔ)足至2 L，該溶液即為A液。2 000mg/L黃原膠母液：取2 g黃原膠置于1 LA液的燒杯中，加熱助溶，冷卻后以蒸餾水補(bǔ)足至1 L，該溶液即為B液。

梯度黃原膠液體奶待測(cè)液：將A液與B液按一定比例調(diào)配，使終濃度形成100mg/L～1 000mg/L的黃原膠梯度待測(cè)液（濃度梯度為20mg/L，體積為50mL），每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2.2 NIR掃描

將BUCHIN200NIR預(yù)熱2 h后，進(jìn)行硬件調(diào)諧和軟件自檢.并進(jìn)行含黃原膠液體奶樣品NIR掃描，掃描波段為1 000 nm～2 500 nm（4 000 cm-1～10 000 cm-1），分辨率為3.856 96CM-1，每樣品掃描1次，每60分鐘儀器自動(dòng)進(jìn)行空白參比[4]。

1.2.3 波譜分析、建模和驗(yàn)證

采用BUCHIN200供應(yīng)商提供的統(tǒng)計(jì)分析軟件NIRCAL（v4.01），按濃度隨機(jī)抽取60%波譜作為建模集數(shù)據(jù)，剩余40%作為驗(yàn)證集波譜.根據(jù)軟件說(shuō)明進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳飲料中黃原膠NIR分析

對(duì)141個(gè)不同濃度處理的黃原膠樣品（0，100mg/L～1 000mg/L）進(jìn)行掃描，從原始波譜圖可以看出，含黃原膠液體奶樣品在1 450 nm和1 950 nm附近出現(xiàn)2個(gè)主峰（圖1）。

圖1 含黃原膠乳飲料的NIR原始波譜Fig.1 TheoriginalNIR spectroscopy ofm ilk beveragescontaining xanthan gum

由NIR CAL軟件對(duì)波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑預(yù)處理（Smooth Savitzky-Golay 9 points）后，并采用主成分相關(guān)分析（principal component regression，PCR）從12個(gè)一級(jí)因子（primary factor）中提取10個(gè)二級(jí)因子（second factor），如圖2。

圖2 根據(jù)黃原膠波譜數(shù)據(jù)提取的主因子Fig.2 Them ain factor of xanthan gum spectrum data extraction

以其中的85個(gè)波譜數(shù)據(jù)用于建模，并以此模型對(duì)剩余波譜進(jìn)行預(yù)測(cè)和驗(yàn)證，結(jié)果顯示，黃原膠預(yù)測(cè)值f（x）與原始參考值存在f（x）=0.972x+9.347的線性關(guān)系，該方程的相關(guān)系數(shù)R為0.98，而且從預(yù)測(cè)結(jié)果看，當(dāng)黃原膠濃度低于200mg/L時(shí)，該模型的預(yù)測(cè)效果不佳（圖3）。

圖3 黃原膠模型對(duì)驗(yàn)證集樣品的預(yù)測(cè)效果Fig.3 The predictiveeffectof xanthan gum on the validation set sam plesmodel

由于上述模型對(duì)低于200mg/L的黃原膠預(yù)測(cè)效果不理想，故而對(duì)200mg/L～1 000mg/L的黃原膠原始數(shù)據(jù)重新進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分析方法為偏最小二乘法（partial leastsquare，PLS），從7個(gè)一級(jí)因子中提取4個(gè)二級(jí)因子作為建模因子（圖4）。

圖4 優(yōu)化后根據(jù)原始數(shù)據(jù)提取的主因子Fig.4 Themain factor oforiginaldata extraction after optim ization

經(jīng)因子提取和濾波處理后，黃原膠樣品在1 100、1 460、1 490、1 580、1 775～1 825、2 000 nm和2 075 nm～2 100 nm出現(xiàn)特征吸收（多糖羥基、糖苷和氫鍵），結(jié)果如圖5。

圖5 黃原膠特征波譜Fig.5 The characteristic spectrum of xanthan gum

相關(guān)分析也顯示，黃原膠濃度主要與1 100 nm等處吸光度存在較高的相關(guān)性（圖6）。

圖6 黃原膠特征波長(zhǎng)的相關(guān)性分析結(jié)果Fig.6 Analysis resultsof correlation of xanthan gum characteristic wavelength

根據(jù)上述因子以PLS方法建模，并以此模型進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證，該模型預(yù)測(cè)值f（x）與驗(yàn)證集原始參考值x的關(guān)系為f（x）=1.004 7x+7.844 3，該方程的相關(guān)系數(shù)R為0.99（圖7，表1）。說(shuō)明優(yōu)化后的模型對(duì)未知樣品中黃原膠的預(yù)測(cè)效果較好。

圖7 優(yōu)化后模型對(duì)驗(yàn)證集樣品的預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.7 Thepredicted resultsof theoptim izedm odelon the validation set samples

通過(guò)NIR掃描和NIRCAL分析優(yōu)化，建立了用于液態(tài)奶中黃原膠分析的預(yù)測(cè)模型，該模型對(duì)200mg/L～1 000mg/L濃度的黃原膠有較好的預(yù)測(cè)效果，該預(yù)測(cè)模型主要建立在黃原膠1 100 nm等處的特征吸收基礎(chǔ)之上，預(yù)測(cè)結(jié)果與原始參考值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99。

2.2 乳飲料中CMC、阿拉伯膠、明膠的NIR分析

通過(guò)含增稠劑乳飲料的配制、NIR掃描及波譜分析、建模和驗(yàn)證（具體參照黃原膠的NIR分析），建立液體乳飲料中CMC、阿拉伯膠、明膠的NIR預(yù)測(cè)模型，見(jiàn)表2。

表1 優(yōu)化前后黃原膠模型主要參數(shù)比較Table1 Comparison ofmain parametersof xanthan gum model beforeand after optim ization

表2 各增稠劑定量模型特點(diǎn)Table2 The characteristicsof quantitativemodelof thickening agent

3 結(jié)論與討論

以NIRCAL軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析、建模、優(yōu)化和驗(yàn)證，獲得了在單種增稠劑存在條件下具有較好預(yù)測(cè)效果的定量數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用黃原膠、羧甲基纖維素鈉、阿拉伯膠、以及明膠預(yù)測(cè)模型所得預(yù)測(cè)值與原始參考值的相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.97（表1）。同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用上述模型進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)注意模型的適用基質(zhì)以及濃度適用范圍。應(yīng)用NIR對(duì)含乳飲料中增稠劑的定量檢測(cè)方法作為企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?nèi)控是可行的，而將此方法作為增稠劑的定性和定量尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

[1]黃艷,王錫昌.近紅外光譜分析在食品檢測(cè)中的最新進(jìn)展[J].食品研究與開(kāi)發(fā),2007,28(7):137-139

[2] 崔艷莉,冀曉磊,古麗菲婭,等.近紅外光譜在在果蔬品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)中的研究進(jìn)展[J].農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊,2007(7):84-86

[3] 劉宵,楊維旭.近紅外光譜(NIR)在淀粉糖生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].淀粉與淀粉糖,2004(3):40-45

[4] 謝麗娟,劉東紅,張宇環(huán),等.近紅外光譜技術(shù)定量測(cè)定楊梅汁可溶性固形物[J].光譜學(xué)與光譜分析,2007,27(7):1332-1335

[5]唐長(zhǎng)波,岳田利.近紅外光譜法檢測(cè)果汁中的富馬酸[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2007,16(2):187-189

Rapid Test of Thickener in M ilk Beverages by Near Infrared Spectroscopy

WANGHui1，LU Jian-liang2
（1.Departmentof Food Science and Engineering，Liaocheng University，Liaocheng252059，Shandong，China；2.Departmentof Tea Science，ZhejiangUniversity，Hangzhou 310029，Zhejiang，China）

The rapid determination of thichener concent inmilk beveragesby near infrared spectroscopy（NIR）method was studied.Milk drinks containing thickening agentwas deteced through NIR scanning and NIRCAL optimization analysisand geta quantitativemathematicalmodelhad a better prediction effectunder the condition of single type of thickening agent.At the same time，the study also found thatattention should be paid to modelapplicable scope and substrate concentration.The application of NIR in quantitative detectionmethod of thickening agent in themilk beverage productquality as enterprise internal controlwas feasible，But this approach asa thickeningagentinmilk beveragesofqualitativeand quantitative stillneeded the furtherexperimental research.

milk beverages；thickener；near infrared spectroscopy

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.24.031

2015-12-17

王會(huì)（1979—），女（漢），講師，碩士，主要從事食品加工研究。