石 磊，曾祥盛，2，彭冬英，黃贛輝

(1.江西出入境檢驗檢疫局，江西南昌 330002; 2.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，江西南昌 330047; 3.江西陽光乳業(yè)股份有限公司，江西南昌 330043)

生乳、巴氏乳與酸敗乳的電化學識別研究

石 磊1，曾祥盛1，2，彭冬英3，黃贛輝2，*

(1.江西出入境檢驗檢疫局，江西南昌 330002; 2.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，江西南昌 330047; 3.江西陽光乳業(yè)股份有限公司，江西南昌 330043)

闡述了一種以三電極體系為基礎，研究溶液體系特性的高性能傳感器陣列的設計原理和方法。它涵括了循環(huán)伏安法掃描、差分脈沖伏安法掃描、常規(guī)脈沖伏安法掃描、多電位階躍掃描等多種功能等，能夠對溶液體系施加多種方式的激發(fā)信號，得到多種相應特性，從而實現(xiàn)對溶液的全面分析。對新鮮生乳、熟乳(巴氏乳)、酸敗乳溶液進行循環(huán)伏安法、脈沖伏安法、多電位階躍等掃描方法檢測，并進行主成分分析表征。研究結果表明，傳感器陣列對生乳、熟乳(巴氏乳)、酸敗乳有明顯的辨別能力，不同的工作電極通過不同的檢測方法對乳樣有不同的區(qū)分力。

三電極體系，傳感器陣列，生乳，主成分分析

隨著我國人民生活水平的提高，市場對乳及乳制品的需求量越來越大。近年來，奶牛村、奶牛戶不斷增加，已基本上解決了我國奶源不足的問題。但是，有些奶農(nóng)、乳品加工生產(chǎn)廠家出于“提高指標，增加收入”以及“掩蓋質量缺陷”的目的［1］，進行摻假、摻偽。例如2010年元月，“三聚氰胺”再次引起全社會的關注，事后查明為不法分子故意使用未依法銷毀的2008年三聚氰胺污染乳粉引起，所幸涉案問題奶粉大多沒有進入消費市場;此外，在2010年底出現(xiàn)的動物水解蛋白(HAP)奶也成為消費者關心的一個重要事件。追本溯源，仍是生乳驗收程序中摻雜的檢測環(huán)節(jié)存有明顯瑕疵。目前乳制品企業(yè)對生乳的驗收步驟有相對比較固定的模式，主要有酒精實驗，隨后進行理化實驗、發(fā)酵實驗、細菌總數(shù)檢測等。酒精實驗是目前生乳驗收的通用方法，酒精實驗合格后，進入后續(xù)的常規(guī)理化檢驗，使用的主要儀器包括FOSS ELECTRIC公司的MilkoScan 4000［2］乳品分析儀、國內各企業(yè)生產(chǎn)的牛奶脂肪分析儀、HPLC［3］、PCR［4］、“SNAP?”抗生素殘留檢測試劑盒［5］等。但是目前常用的乳品檢測方法均或多或少帶有以下缺點:過于專一性、針對性太強、缺乏廣譜性;相對于日新月異的摻雜技術，具有滯后性;工作量大、信息歸類繁雜、難以綜合表達;檢測設備、費用昂貴，小型企業(yè)承擔起來比較困難;而且，這些費用最終都將轉嫁給消費者。我國生乳采收半徑大、奶站分布范圍廣、權屬條塊分割，面對這種情況，開發(fā)價格低廉、操作簡便的儀器，將有助于解決生乳摻雜問題，從而為優(yōu)質乳制品提供先行保障。根據(jù)“交互敏感”的仿生學原理［6，18］，通過研究生乳的電化學屬性，以標準生乳為參照系，組建一個包括若干個選擇性傳感器和若干個非選擇性交互感應的傳感器組成的傳感器陣列，采用化學計量學方法，構建一套具有廣譜識別能力的生乳摻雜快速檢測系統(tǒng)具有重要意義。類似的電子舌技術已在茶葉品質［7］、生物發(fā)酵［8］、酒飲料［9］等方面有了較多的應用研究，并已取得了很大進展。本文根據(jù)不同傳感器界面電位變化的特點，使用模式識別的方法解析信息編碼以達到對生乳、熟乳與酸敗牛乳進行識別判定的傳感器陣列的構建和電化學方法的探討，進而為生乳摻雜與否的判定系統(tǒng)構建奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮奶 由江西陽光乳業(yè)股份有限公司提供;氯化鉀 化學純，海展云化工有限公司;超純水(18.25MΩ·cm－1)。

CHI660B電化學工作站與多通道選通儀 上海辰華儀器有限公司;CHI111Ag/AgCl參比電極 上海辰華儀器有限公司;金、鉑、銀、鎢、鈦、鈀六種惰性貴金屬電極作為工作電極以及鉑電極作為輔助電極的非選擇性傳感器陣列。

1.2 傳感器陣列的構建

1.2.1 電極的選擇 大部分電化學研究都是基于三電極系統(tǒng)［10］:包括工作電極(研究電極WE)、輔助電極(對電極CE)和測量電極電位的參比電極(RE)。

生乳中含有多達數(shù)百種乃至上千種的化學成分，為此，使用相同數(shù)量的選擇性傳感器對生乳進行檢測是不可能也是不必要的。借鑒生乳驗收的傳統(tǒng)方法，根據(jù)生乳的特點和傳感器陣列本身的特性，傳感器陣列包括作用不同但是具有互補作用的若干非特異性數(shù)據(jù)采集傳感器。

由于在生乳中添加不同的物質，可能會有不同的電化學信號的變化，有些變化可能是同向或相向，互相之間影響彼此消長，在某一特定傳感器有且只有一個唯一的表達。這些隱含的本質屬性需要借助傳感器陣列和化學計量學方法加以提取，即選取非選擇性電極構建傳感器陣列，進行非特異性數(shù)據(jù)的檢測和采集，涵括了工作電極、輔助電極、參比電極的篩選:工作電極可將化學性質穩(wěn)定的金、鉑、鎢、鈦、鈀等貴金屬和易于再生的銀作為電極組成傳感器陣列，該陣列中的電極也可針對具體情況進行電化學修飾;以鉑電極為輔助電極、以Ag/AgCl電極為參比電極。

1.2.2 電極處理方法 電極在首次測量之前要先將各惰性貴金屬工作電極及白金輔助電極采用機械拋光［10，16］:用γ－Al2O3拋光粉按照粒度由粗到細在絨墊上潤濕打磨至平整光潔，每次更換不同粒度的拋光粉前須用甲醇淋洗，最后放入超純水中超聲波清洗10min，然后放入甲醇中同樣超聲清洗10min，再用去離子水超聲波清洗，氮氣吹干保護待用。

在任意兩次測量過程中間，工作電極先置于蒸餾水中采用電化學清洗方法進行清洗1min，擦干。然后依次用同樣的方法再用清洗劑和蒸餾水對工作電極進行電化學清洗。輔助電極和參比電極用蒸餾水清洗，濾紙吸干。

電化學清洗方法如圖1所示，每個電極在0V電壓下清洗1s—1.2V電壓下清洗1s—0V電壓下清洗1s—－1.2V電壓下清洗1s—0V電壓下清洗1s，循環(huán)一次。電極在高電位下，清洗掉吸附在電極表面和具有氧化性的物質，在低電位下，清洗掉吸附在電極表面和具有還原性的物質，通過電化學清洗方法將電極表面清洗干凈。

圖1 電化學清洗方法

1.2.3 傳感器陣列組裝 傳感器陣列由工作電極組、輔助電極以及CHI111 Ag/AgCl參比電極構成三電極體系。工作電極包括金、鉑、銀、鎢、鈦、鈀六種惰性貴金屬電極，該傳感器陣列通過與電化學工作站及計算機相連接，構成一個完整的生乳摻雜判定系統(tǒng)。

1.3 實驗手段的選擇作為激發(fā)信號模式的電化學方法可采用電位法、伏安法、阻抗譜法等各子類方法進行研究。電位法是依據(jù)于相邊界模型離子交換機制，檢測味覺溶液與傳感器界面上不同電荷數(shù)量變化所引起的電位變化，在檢測過程中電流很小或幾乎沒有電流通過，

不需要校對電極，系統(tǒng)結構簡單［11］。伏安法測量的是工作電極相對于參比電極的電位激發(fā)信號下與對電極之間的響應電流［12－13］。在傳感器界面上，電雙層或極性物質分布在工作電極的表面，當施加變化的電位信號時，對應變化的響應電流被儀器記錄。在伏安法中所測得的響應電流I由兩部分組成，即I= Ic+If，Ic是充電電流，If是法拉第電流，而這兩種電流來源不同，電位變化及變化方式將影響著Ic和If，也影響著響應電流。這種貴金屬伏安型傳感器的感應性通常比較高，也易于清洗和活化再生，但其選擇性往往很差，因為在所施加的電位下，溶液中的所有具有電化學活性的物質對儀器所測得的響應電流均有貢獻，因此必須通過計量學方法來解析。

1.4 實驗方法

運用本研究的傳感器陣列對新鮮生乳樣品進行電化學掃描和分析，并將所采集的數(shù)據(jù)進行集成處理。設置好實驗方法的相關參數(shù)，依次使用循環(huán)伏安法、常規(guī)脈沖伏安法、差分脈沖伏安法、電位掃描－階躍混合方法、多電位階躍法對新鮮生乳、熟乳(巴氏乳)和酸敗乳進行電化學掃描測試。其中每個樣品設置4個樣本，每個樣本檢測2次，最終數(shù)據(jù)取平均值。

1.4.1 新鮮生乳數(shù)據(jù)采集 新鮮生乳在常溫狀態(tài)通入高純氮氣祛除溶解氧后，通過上述方法進行生乳的非特異性數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)集成后使用SPSS18軟件進行數(shù)據(jù)處理。

1.4.2 熟乳(巴氏乳)的數(shù)據(jù)采集 新鮮生乳經(jīng)過70℃恒溫水浴30 min即獲得實驗所需熟乳(巴氏乳)，經(jīng)由通氮去氧后采用同樣的方法進行熟乳(巴氏乳)非特異性數(shù)據(jù)采集并集成。

1.4.3 酸敗乳的數(shù)據(jù)采集 新鮮生乳放置于冰箱中冷藏至有明顯的酸敗氣味后，恢復至室溫后經(jīng)由通氮去氧后采用同樣的方法進行酸敗乳非特異性數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)集成后利用SPSS18軟件進行數(shù)據(jù)處理。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

主成分分析(principal component analysis，PCA)是模式識別中最基本的多元統(tǒng)計分析方法。它是在保留原始變量主要信息的前提下將多元指標問題轉換成少數(shù)幾個綜合指標問題，起到降維與簡化問題的作用，使得在研究復雜問題時更容易抓住主要矛盾［14，17］。主成分分析使用SPSS18軟件進行處理。分析結果導入到軟件Sigmaplot 11中作圖。

2 結果與討論

分別運用本研究中的6個工作電極組成傳感器陣列對生乳、熟乳(巴氏乳)和酸敗乳的非特異性數(shù)據(jù)進行采集及數(shù)據(jù)分析。

2.1 循環(huán)伏安法(CV)

使用循環(huán)伏安法對新鮮生乳、熟乳(巴氏乳)和酸敗乳進行非特異性數(shù)據(jù)采集。參數(shù)設置為起始電位為開路電位，掃描范圍為－0.2～0.5V，掃描速率為0.1V/s，采樣間隔為0.005V。對多采集的數(shù)據(jù)運用SPSS18進行主成分分析。從圖2中可以看出，通過循環(huán)伏安法(CV)的檢測中，前兩個主成分分別保留了原始數(shù)據(jù)的99.76%、96.58%、99.36%、98.34%的信息量，說明前兩個主成分幾乎涵蓋了所有的信息。圖2(C、D、F)顯示金、鈦、銀電極對三種乳樣進行較好的區(qū)分辨識，同一種乳樣的主成分得分值能很好地落在各自的范圍內而互不干擾;圖2(E)顯示鎢電極在CV檢測中能夠明顯地區(qū)分酸敗乳，但是對熟乳(巴氏乳)和新鮮生乳的辨識欠佳。根據(jù)智能傳感器陣列設計原理，將上述的金、鈦、銀3各工作電極的數(shù)據(jù)進行組合，利用傳感器陣列的數(shù)據(jù)代替獨立傳感器對原有三種乳樣進行分析得出傳感器陣列在CV檢測中的最佳組合，結果如圖3所示。同樣傳感器陣列的主成分得分圖中，前兩個主成分保留97.80%的原始數(shù)據(jù)信息。從圖3中可知，相比于單個傳感器得分圖，傳感器陣列對三種乳樣具更好的區(qū)分辨識能力。

圖2 循環(huán)伏安法中金、鈦、鎢和銀工作電極的主成分1和主成分2得分圖

圖3 循環(huán)伏安法中傳感器陣列對乳樣的區(qū)分結果

2.2 差分脈沖伏安法(DPV)

將差分脈沖伏安檢測方法的參數(shù)設置為初始電位0.5V，掃描范圍為0～0.5V，電位增量為0.01V，振幅為0.05V，脈沖寬度0.05s，采樣間隔為0.01s，脈沖周期為0.5s之后，對新鮮生乳、熟乳(巴氏乳)和酸敗乳進行非特異性數(shù)據(jù)采集并分析。從圖4(A、B、F)中可以看出通過差分脈沖伏安法(DPV)對生乳、熟乳(巴氏乳)與酸敗乳的檢測中，鈀、鉑、銀電極對三種乳樣進行較好的區(qū)分辨識。為了得到更好的區(qū)分效果，將單獨傳感器的數(shù)據(jù)進行組合，本實驗中將鈀、鉑、銀工作電極的數(shù)據(jù)進行疊加，作為傳感器陣列采集數(shù)據(jù)，再進行主成分分析，從而得到混合電極對三種樣品的主成分得分圖，如圖4顯示，傳感器陣列的區(qū)分效果明顯優(yōu)于單獨傳感器。

圖4 差分脈沖伏安法中鈀、鉑、銀工作電極和傳感器陣列的主成分1和主成分2得分圖

2.3 常規(guī)脈沖伏安法

將常規(guī)脈沖伏安檢測方法的參數(shù)設置為初始電位0.5V，掃描范圍為－0.2～0.5V，電位增量為0.01V，脈沖寬度0.05s，采樣間隔為0.01s，脈沖周期為0.2s之后，對新鮮生乳、熟乳(巴氏乳)和酸敗乳進行非特異性數(shù)據(jù)采集并分析。從圖5中可看出各單獨傳感器通過常規(guī)脈沖伏安法(NPV)對生乳、熟乳(巴氏乳)與酸敗乳的檢測，從圖5(B、C、E)中可知鉑、金、鎢傳感器對生乳都有較強的辨別能力，對熟乳(巴氏乳)和酸敗乳也有一定的區(qū)分能力，但熟乳(巴氏乳)和酸敗乳在主成分1軸上會相重疊。為了得到更好的區(qū)分效果，將單獨傳感器的數(shù)據(jù)進行組合，本實驗中將鉑、金、鎢工作電極的數(shù)據(jù)進行疊加，作為傳感器陣列采集數(shù)據(jù)，在進行主成分分析，從而得到混合電極對三種樣品的主成分得分圖，如圖5所示，鉑、金、鎢傳感器陣列在NPV檢測中對三種乳樣的區(qū)分效果顯著增強。

圖5 常規(guī)脈沖伏安法中鉑、金、鎢工作電極和傳感器陣列的主成分1和主成分2得分圖

2.4 掃描－階躍功能

掃描－階躍法是分別由6個掃描階段與6個節(jié)約階段組成的檢測方法，電化學工作站以圖6所示的信號模式作為激發(fā)信號，通過鉑、金、鈀等非特異性惰性金屬電極組成的傳感器陣列將檢測樣品的物理化學屬性轉變成為電流信號，結合特定的算法評價乳樣的品質特征。將所采集的新鮮生乳、熟乳(巴氏乳)和酸敗乳的非特異性數(shù)據(jù)進行分析處理。從圖7中可看出單獨傳感器通過掃描－階躍功能(SSF)對生乳、熟乳(巴氏乳)與酸敗乳的檢測中金、鈦工作電極對三種乳樣進行一定的區(qū)分辨識;將上述的金、鈦工作電極的數(shù)據(jù)進行組合，利用傳感器陣列的數(shù)據(jù)代替獨立傳感器對原有三種乳樣進行分析得出傳感器陣列在SSF檢測中的最佳組合，結果如圖8所示。同樣傳感器陣列的主成分得分圖中，前兩個主成分保留98.11%的原始數(shù)據(jù)信息。從圖8中可見，相比于單個傳感器得分圖，傳感器陣列對三種乳樣具更好的區(qū)分辨識能力，同一種乳樣的主成分得分值能很好地落在各自的范圍內而互不干擾;并且各個區(qū)域內點的離散度比較小，說明傳感器陣列的組合能很好的區(qū)分辨識不同種類的乳品。

圖6 掃描－階躍功能激發(fā)信號

圖7 掃描－階躍功能中金、鈦工作電極的主成分1和主成分2得分圖

圖8 掃描－階躍功能中傳感器陣列對乳樣的區(qū)分結果

2.5 多電位階躍法

掃描－階躍法是由6個電位階躍階段構成，其激發(fā)信號模式如圖9所示。

圖9 多電位階躍法激發(fā)信號

從圖10(B、C、F)中可以看出鉑、金、銀工作電極在多電位階躍法(STEP)對生乳、熟乳(巴氏乳)與酸敗乳的檢測中進行一定的區(qū)分辨識，但從圖10中可知，不同乳樣的得分值區(qū)域存在部分干擾，為了得到更好的區(qū)分效果，將單獨傳感器的數(shù)據(jù)進行組合，本實驗中將鉑、金、銀工作電極的數(shù)據(jù)進行疊加，作為傳感器陣列采集數(shù)據(jù)，在進行主成分分析，從而得到混合電極對三種樣品的主成分得分圖。如圖10所示，傳感器陣列的區(qū)分效果明顯優(yōu)于單獨傳感器。

圖10 多電位階躍法中鉑、金、銀工作電極和傳感器陣列的主成分1和主成分2得分圖

3 結論

本文介紹了一種基于電化學三電極體系的傳感器陣列對生、熟乳與酸敗牛乳的電化學識別方法，以及對數(shù)據(jù)采取的處理方法。

該方法中的傳感器陣列采用非修飾性惰性貴金屬電極，集成性好，能夠很好地應用于混合溶液的檢測與識別。采用多種分析方法，能從不同角度對溶液進行全面分析，從而能獲取更多的溶液特性的信息。運用特征值提取和主成分分析法能使實驗結果簡單明了，同時又能保留絕大部分的信息。實驗證明，單獨傳感器對不同的乳樣所采集的電化學信息不同，單電極組合成傳感器陣列對不同樣品所采集的電化學信息也不同，從而使得傳感器陣列能夠對不同的乳樣各進行區(qū)分辨識。本文研究的傳感器陣列雖然無法確定哪個種類的樣品質量更加優(yōu)秀，但是可以顯示不同乳樣具有不同的品質特征。該方法可應用于生乳收購的第一道把關，另外還可在食品安全檢測、水質污染檢測及其他領域發(fā)揮積極作用。

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Investigation on identification of raw milk，pasteurized and rancid milk with electrochemical method

SHI Lei1，ZENG Xiang－sheng1，2，PENG Dong－ying3，HUANG Gan－h(huán)ui2，*
(1.Jiangxi Entry－Exit Inspection and Quarantine Bureau，Nanchang 330002，China; 2.State Key Laboratory of Food Science and Technology，Nanchang University，Nanchang 330047，China; 3.Jiangxi Yangguang Dairy CO.LTD，Nanchang 330043，China)

Stated the design principle and the method of a high accurate electronic sensors array which was based on a three－electrode structure for solution system characteristics research.This electronic detecting system had many functions such as cyclic voltammetry，differential pulse voltammetry，normal pulse voltammetry，multipotential steps and so on.It could get solution’s characteristics from several actuating signals on solution system by giving multiple applied potential.So that，the solution system could be analyzed roundly.It was used to test the following sample:raw milk，pasteurized milk and rancid milk with cyclic voltammetry，pulse voltammetry，multipotential steps and sweep－step functions.The collected data was analyzed and expressed by means of principal component analysis(PCA).The result indicated that the electronic sensor array could clearly distinguish raw milk，pasteurized milk and rancid milk.Different working electrode had different discrimination on milk.

three－electrode structure;sensors array;raw milk;principal component analysis(PCA)

TS252.1

A

1002－0306(2011)12－0468－06

2011－08－24 *通訊聯(lián)系人

石磊(1963－)，女，學士，高級工程師，研究方向:食品質量安全控制。

國家質檢總局科技計劃項目(2010IK149);江西省科技廳2010年度科技攻關項目(2010BSA17300)。