張 冰 章穎強 魏佳莉 王曉萍

(浙江大學光電系浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室，杭州 310027)

油茶籽油，俗稱山茶油，是單不飽和脂肪酸(Monounsaturated Fatty Acids，MUFA)含量最高的食用油之一，主要產(chǎn)于我國南部山區(qū)，富含油酸、山茶苷、茶多酚，營養(yǎng)價值極高。由于油茶籽油價格遠高于其他食用油，因此在油茶籽油中摻入廉價低質(zhì)量食用油而冒充純油茶籽油的情況時有發(fā)生，已見多個省市油茶籽油摻偽事件的報道。

目前已有多種物理、化學方法用以檢測食用油的品質(zhì)。Alonso－Salces等［1］通過檢測食用油的核磁共振氫譜(1H NMR)指紋圖來鑒定食用油的產(chǎn)地和品質(zhì)，綜合正確率在90%以上，但是核磁共振設(shè)備巨大的體積和昂貴的價格限制了它的應(yīng)用范圍;莊小麗等［2］、薛雅琳等［3］采用近紅外光譜法，Lerma－García 等［4］、Maggio 等［5］采用傅立葉變換近紅外光譜法(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)，Gurdeniz等［6］采用中紅外光譜法(Mid－infrared Spectrometry)，Zou等［7］以及 EI－ Abassy 等［8］采用了拉曼光譜法(Raman Spectrometry)，Marina 等［9］采用聲表面波電子舌傳感器(SAW Sensor Electronic Nose)，Dankowska 等［10］以及 Poulli等［11］等采用了同步熒光光譜法(synchronous fluorescence spectroscopy)分別對摻有廉價食用油的橄欖油進行鑒別和預測，取得了較好的效果，但這幾種測量方法大都需對樣品進行預處理，或者需要較大的設(shè)備，難以實現(xiàn)快速現(xiàn)場檢測;因此，研究快速、準確、無損的食用油純度及成分的檢測方法是食品檢測領(lǐng)域的研究熱點之一。

介電譜法是一種通過測量物質(zhì)在電磁場作用下由于不同極化機制產(chǎn)生的介電常數(shù)對電場頻率的響應(yīng)，來推演物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及絕緣特性的方法。介電譜法具有無需樣品預處理、分析速度快、無損檢測、可同時測定多種成分等優(yōu)點，因此該方法已在國內(nèi)外的生物組織分析［12］、材料結(jié)構(gòu)分析［13］和食品檢測等領(lǐng)域有不少的應(yīng)用和研究成果，在食用油檢測方面，國外已有將介電譜法用于食用油貯藏性［14］和成分檢測［15－16］的報道。

本研究采用介電譜法檢測了油茶籽油、花生油、菜籽油、葵花籽油、大豆油5種食用油，運用主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)對5種油進行分類分析;采用偏最小二乘法(Partial Least Squares，PLS)對油茶籽油中分別摻入葵花籽油和花生油的混合油的摻入量進行定量分析，取得理想效果。

通過本研究工作，以期為食用油的摻偽鑒別和純度檢測提供了一種快捷、準確的方法，為食用油介電譜的溫度補償提供了方法依據(jù)，也為研制小型化現(xiàn)場食用油檢測儀器奠定了理論和試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品

本研究采用的5類食用油樣品，包括單不飽和脂肪酸型(MUFA)的油茶籽油(3種)、花生油、菜籽油和多不飽和脂肪酸型(Polyunsaturated Fatty Acids，PUFA)的葵花籽油、大豆油。3種油茶籽油分別為不同品牌的一級壓榨油茶籽油，花生油、菜籽油、葵花籽油、大豆油均為市售。

1.2 試驗設(shè)備

介電譜測量設(shè)備采用自制小型介電譜測量儀和自主設(shè)計的液體測試電極。小型介電譜測量儀的結(jié)構(gòu)框圖和實物圖如圖1所示，設(shè)計的小型化介電譜測量儀和傳統(tǒng)的大型阻抗分析儀相比，具有質(zhì)量輕、體積小、利于現(xiàn)場測量等優(yōu)點。液體測試電極有效極板為圓形，直徑30 mm，電極其他區(qū)域被不銹鋼包裹，并通過屏蔽線引出以降低雜散電場的影響，提高抗干擾能力;極板間距可調(diào)，可以根據(jù)被測樣品的類型，選擇最優(yōu)間距測量。和常用的液體介電測量電極(Agilent，16452A，Agilent Technologies)［15］相比，該電極可用于開放容器的直接測量，配合小型介電譜測量儀，更適合于現(xiàn)場快速檢測。

圖1 小型介電譜測量儀及液體測試電極

1.3 試驗方法

復介電譜(ε*=ε+jk/2πf)由表征介電常數(shù)頻率響應(yīng)的介電譜ε(實部)和表征電導率頻率響應(yīng)的電導譜κ(虛部)組成。本研究中，復介電譜的掃描頻段1kHz～2MHz，按對數(shù)坐標等間隔取100個測量點。介電譜測量儀以并聯(lián)模型測量樣本電容C和電導G，并通過公式(1)轉(zhuǎn)換成相對介電常數(shù)ε和電導率κ。

式中:d為電極極板間距，S為電極極板面積。

基于PCA的食用油鑒別試驗的樣品為純油茶籽油、花生油、菜籽油、葵花籽油、大豆油，每種食用油樣品測3次，以同時檢測其重復性?；赑LS的油茶籽油摻偽定量分析試驗的樣品如下，分別選取3種油茶籽油作為基底油，花生油(MUFA型)和葵花籽油(PUFA型)作為添加油，按摻雜油的類型將試驗總體分為兩組:每組按油茶籽油占總質(zhì)量分數(shù)0%～100%范圍、間隔10%配制33個油茶籽油的摻雜混合油，作為摻偽程度預測的建模訓練樣本;再用花生油和葵花籽油分別摻雜3種油茶籽油，重復配置油茶籽油質(zhì)量分數(shù)為20%、40%、60%、80%、90%的混合油樣品各15份，作為預測樣本。以上所有測量試驗，測量溫度為(25±1)℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種食用油的鑒別

2.1.1 5種食用油樣品的介電譜

按1.3試驗方法，分別測量5種食用油的介電譜，此時只選取油茶籽油1號的數(shù)據(jù)進行分析，取每種食用油3次測量的平均值作為測量值，并計算每種食用油介電譜的平均值和標準差，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 5種食用油復介電譜

從圖2可見，在1～100 kHz頻段，食用油的介電譜和電導譜穩(wěn)定，這是由于低頻時油脂分子固有的德拜弛豫時間遠小于交變電場的周期，油脂分子長期處于極化態(tài)，不能有效負載電荷遷移，宏觀表現(xiàn)為介電常數(shù)較大而電導率較小;在100 kHz～2 MHz頻段，交變電場的頻率接近德拜弛豫時間，油脂分子運動加劇，有效電荷遷移增加，宏觀表現(xiàn)為介電譜隨頻率上升而下降，電導譜隨頻率上升而上升，該現(xiàn)象和已有的測量結(jié)果符合［14］。

MUFA型食用油中主要的脂肪酸是油酸(C18∶1)和芥酸(C22∶1)等，不飽和度為1;PUFA型食用油中主要的脂肪酸是亞油酸(C18∶2)和亞麻酸(C18∶3)等，不飽和度大于等于2;油茶籽油是一種MUFA型食用油，其油酸達90%以上。對比圖2中，兩種類型食用油的介電譜，發(fā)現(xiàn)MUFA型食用油(油茶籽油、菜籽油、花生油)的介電譜明顯低于PUFA型食用油(葵花籽油、大豆油)，其中油酸含量最高的油茶籽油，介電譜最低，即脂肪酸的介電譜與不飽和度有較好的相關(guān)性。向油茶籽油中添加其他食用油會使得油茶籽油的油酸含量下降，從而影響復介電譜。因此基于不同不飽和度的脂肪酸對宏觀介電激勵的不同頻譜響應(yīng)，通過對復介電響應(yīng)數(shù)據(jù)的分析處理，就可以得到油茶籽油的純度信息。

2.1.2 用PCA評估鑒別能力

對2.1.1中5種食用油樣品平均值的介電譜數(shù)據(jù)進行PCA分析，結(jié)果如圖3所示。主成分1和2的總貢獻率達99.91%，說明能夠很好的反映數(shù)據(jù)樣本的特性。圖3中，3種MUFA型食用油聚集于左側(cè)，兩種PUFA型食用油聚集于右側(cè)，不同類型的食用油區(qū)分效果明顯;同一類型的食用油由于其組分不同，也有良好的區(qū)分效果。通過對電導譜數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，由于食用油的電導率低，電導譜區(qū)分度小，在本研究的定性和定量數(shù)據(jù)分析中，只采用介電譜數(shù)據(jù)。

圖3 5種食用油PCA分析圖

2.2 摻偽混合油的定量分析

2.2.1 不同摻偽程度混合油的介電譜

按1.3試驗方法，對建模訓練樣本的摻雜花生油和葵花籽油的混合油各33個樣品進行介電譜檢測，首先分析油茶籽油1號的22個摻雜樣品，結(jié)果如圖4所示，其中，油茶籽油的介電譜隨油茶籽油摻偽程度的上升而上升，因此可以建立油茶籽油摻偽程度與介電譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性模型，從而實現(xiàn)油茶籽油的摻偽程度預測。

圖4 不同純度的油茶籽油介電譜

2.2.2 PLS模型主成分數(shù)的確定

分別用摻雜花生油和葵花籽油的油茶籽油各33個樣本的介電譜數(shù)據(jù)作為訓練數(shù)據(jù)分別建立PLS模型。采用“去一法”交叉驗證來確定最佳主成分數(shù)，即對于每一主成分數(shù)，依次選擇每一個樣本作為預測數(shù)據(jù)，用剩下的樣本作為訓練數(shù)據(jù)，按該主成分數(shù)建模并計算預測殘差平方和(Predicted Residual Sum of Squares，PRESS)。即可得到每一主成分數(shù)對應(yīng)的PRESS，選擇PRESS最小的主成分數(shù)作為最佳主成分數(shù)建立PLS模型，可獲得預測效果最佳的模型?！叭ヒ环ā苯徊骝炞C結(jié)果如圖5所示，兩種混合油的最佳主成分數(shù)均為1，進一步驗證了單一主成分貢獻率大，數(shù)據(jù)點集中在同一水平面的現(xiàn)象。

圖5 混合油PLS模型的PRESS值和主成分數(shù)關(guān)系圖

2.2.3 PLS 模型的外部驗證

對1.3試驗方法中的預測樣本進行介電譜測量，測量得到的介電譜數(shù)據(jù)用已建立的PLS模型分別進行預測，實際值和預測值的對比結(jié)果如圖6所示?；ㄉ?油茶籽油混合油的預測均方根誤差(Root Mean Square Prediction Error，RMSEP)為2.10%，決定系數(shù)(Coefficient of Determination，R2)為0.998 9;葵花籽油/油茶籽油混合油的 RMSEP為1.27%，R2為 0.999 5。從預測結(jié)果可以看出，2.2.2中建立的PLS模型對油茶籽油濃度的預測效果令人滿意。

圖6 PLS模型外部預測結(jié)果

對比兩種混合油的預測結(jié)果，PLS模型對PUFA型食用油/油茶籽油混合油的預測能力要優(yōu)于MUFA型食用油/油茶籽油混合油。這是因為油茶籽油本身屬于MUFA型食用油，其MUFA質(zhì)量分數(shù)達90%以上，是MUFA含量最高的食用油，雖然在油茶籽油中摻雜其他MUFA型食用油也會降低MUFA/PUFA比率，但添加同等比率的PUFA型食用油會使混合油中的MUFA/PUFA比率更低，由于MUFA和PUFA對介電譜的貢獻不同，使得介電譜出現(xiàn)更大的區(qū)分，因此介電譜法對PUFA型食用油/油茶籽油混合油的預測能力更強。

2.3 溫度特性

考慮到油的介電譜受溫度影響，本研究開展了油茶籽油介電譜的溫度特性，選取油茶籽油1號在10、15、20、25、30、40、50 ℃條件下分別進行測量，每個溫度環(huán)境下測量3次，取其平均值，可以得到介電譜隨溫度變化的趨勢，如圖7所示，從圖7中可以看到隨溫度的升高，介電譜呈總體下降趨勢。這是因為隨著溫度的上升，脂肪酸分子活動加劇，分子偶極子的極化時間下降，引起介電常數(shù)下降。

圖7 油茶籽油在不同溫度下的介電譜

提取介電譜中10 kHz、100 kHz和1 MHz 3個頻率的介電常數(shù)，進一步分析其隨溫度變化的趨勢，結(jié)果如圖8所示，從圖中可見，隨著溫度上升，各頻段介電常數(shù)線性下降，斜率 Δk在 －5.6～ －5.2(×10－4℃－1)之間。用2.2.2 中建立的葵花籽油/油茶籽油PLS模型預測10℃時的純油茶籽油介電譜數(shù)據(jù)，得到的預測油茶籽油純度為80.19%，即25℃時80.19%純度油茶籽油介電譜等效于10℃時100%純度油茶籽油介電譜，因此溫度對介電譜的影響是不能忽視的。

圖8 介電譜的溫度依存特性

通過分析檢測數(shù)據(jù)，提出了介電譜的溫度補償方法:

式(3)中ε(T)、ε(25)分別為在溫度T和25℃時的介電常數(shù)，Δk(f)表示在頻率為f時介電常數(shù)隨溫度的變化率。因此，在油茶籽油現(xiàn)場測量時，可根據(jù)現(xiàn)場溫度T，推算出25℃時的等效介電譜，并利用已建立的PLS模型預測油茶籽油的摻偽程度。

3 結(jié)論

通過對包括油茶籽油在內(nèi)的5種食用油及兩組油茶籽油摻雜混合油進行介電譜測量和數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論。

3.1 對食用油的介電譜數(shù)據(jù)進行PCA分析，可顯著的區(qū)分不同類型的食用油和相同類型的不同油品。

3.2 油茶籽油摻雜混合油的介電譜隨著油茶籽油濃度的上升而下降，利用偏最小二乘法(PLS)，建立油茶籽油濃度與介電譜數(shù)據(jù)的定量分析模型，可比較準確的預測油茶籽油的濃度。

3.3 油茶籽油的介電譜隨著溫度的增加線性下降，斜率在 －5.6～ －5.2(×10－4℃－1)之間。結(jié)果表明食用油介電譜具有溫度特性，為提高測量精度給出了溫度補償?shù)姆椒ā?/p>

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