梁曉琳，劉 燕，譚凱燕，2，蘇海雁，李全陽(yáng)，*

（1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣西南寧530004）

基于FTIR和理化性質(zhì)的乳粉溯源技術(shù)研究

梁曉琳1，劉 燕1，譚凱燕1，2，蘇海雁1，李全陽(yáng)1，*

（1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣西南寧530004）

為探索全脂乳粉產(chǎn)地溯源的可靠方法，以不同產(chǎn)區(qū)的6種全脂乳粉為研究對(duì)象，用理化分析的方法測(cè)定了樣品的蛋白、脂肪、灰分含量和溶解度4個(gè)理化指標(biāo)，同時(shí)采用傅里葉變換紅外光譜儀掃描得到上述樣品的FTIR圖譜，采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相似性分析和聚類分析。結(jié)果表明不同地理來(lái)源乳粉的蛋白質(zhì)和脂肪含量差異顯著，灰分和溶解度相對(duì)穩(wěn)定，F(xiàn)TIR宏觀指紋圖譜具有一定的相似性，而特征峰的峰位和峰形存在差異，并在一定程度上反映了地理環(huán)境對(duì)乳粉理化性質(zhì)的影響。將理化特征和FTIR分析結(jié)果采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析處理，實(shí)現(xiàn)了6種乳粉樣品產(chǎn)地的識(shí)別，聚類的準(zhǔn)確率為100%。

傅里葉變換紅外光譜，理化指標(biāo)，相似性分析，聚類分析

民以食為天，食以安為先。隨著人民生活水平的提高，人們更多地關(guān)注食品的質(zhì)量安全，而保障食品質(zhì)量安全行之有效的方法之一就是——追根溯源。各地也紛紛出臺(tái)相關(guān)法律法規(guī)要求載明食品原產(chǎn)地，保護(hù)地理標(biāo)志產(chǎn)品，因此，科研工作者對(duì)食品，尤其是乳制品的溯源研究成為新的熱點(diǎn)。乳粉這種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)非常豐富的食品更是從“搖籃”時(shí)期就伴隨著人們的成長(zhǎng)，加上其流通范圍非常廣泛，理應(yīng)成為“追根溯源”的重中之重。

在食品溯源的研究中發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的牦牛乳脂肪、蛋白含量差異顯著[1]；意大利研究人員使用脂肪、蛋白、灰分含量等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了水牛乳的產(chǎn)地溯源[2]。

傅里葉紅外光譜法（FTIR）由于具有比傳統(tǒng)紅外光譜法更好的分辨率和信噪比，近年來(lái)在產(chǎn)品溯源中被廣泛應(yīng)用：在國(guó)內(nèi)，用FTIR光譜對(duì)黃驊冬棗產(chǎn)地的正確識(shí)別率達(dá)93.3%[3]；FTIR指紋光譜對(duì)4個(gè)產(chǎn)區(qū)的牛肉原產(chǎn)地識(shí)別正確率達(dá)100%[4]；FTIR結(jié)合聚類分析對(duì)山藥的產(chǎn)地正確識(shí)別率也達(dá)到了70%[5]。在國(guó)外，Karoui等先用紅外光譜結(jié)合熒光光譜區(qū)分了Emmental奶酪的原產(chǎn)地[6]；后又單獨(dú)使用中紅外光譜來(lái)識(shí)別原產(chǎn)地保護(hù)（PDO）奶酪的原產(chǎn)地，正確率在90%以上[7]。然而對(duì)于乳粉的溯源研究卻未能發(fā)現(xiàn)有關(guān)報(bào)道。

為此，本研究選用黑龍江和新疆兩個(gè)產(chǎn)地的6種全脂乳粉，研究比較它們的蛋白質(zhì)含量、脂肪含量、水分、灰分和溶解度及FTIR中紅外宏觀指紋圖譜的差異，并結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析的方差分析、相似性分析和系統(tǒng)聚類分析以圖發(fā)現(xiàn)這些差異與其原產(chǎn)地直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為乳粉的原產(chǎn)地追溯提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

全脂乳粉 購(gòu)買于黑龍江的全脂乳粉2種，購(gòu)買于新疆的全脂乳粉4種，隨機(jī)編號(hào)1～6，所有樣品均生產(chǎn)于7月，同一品牌樣品有相同的生產(chǎn)日期和生產(chǎn)批號(hào)，以避免季節(jié)對(duì)其造成的影響，且樣品均為當(dāng)?shù)仄放?，?gòu)買時(shí)已經(jīng)與有關(guān)廠家聯(lián)系，進(jìn)行了核實(shí)用當(dāng)?shù)啬淘催M(jìn)行生產(chǎn)，保證了乳粉的產(chǎn)地，樣品的相關(guān)信息見(jiàn)表1；考馬斯亮蘭G-250和牛血清白蛋白標(biāo)品 均由廣州威佳科技有限公司；乙醚 成都市科龍化工試劑廠；氨水 重慶川東化工有限公司；石油醚 天津市富宇精細(xì)化工有限公司；無(wú)水乙醇 成都市科龍化工試劑廠；光譜級(jí)KBr德國(guó)merck公司。

表1 全脂乳粉產(chǎn)地相關(guān)信息Table.1 Producing area’information of whole milk powder

Spectrum Bx系列傅里葉變換紅外光譜儀 Perkin Elmer公司；YP-2壓片機(jī) 上海山岳科學(xué)儀器有限公司；JRA-2數(shù)顯磁力攪拌水浴鍋 金壇市科杰儀器廠；METASH UV-5200紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海元析儀器有限公司；TD6離心機(jī) 長(zhǎng)沙平凡儀器儀表有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司。

1.2 理化指標(biāo)測(cè)定方法

乳粉中蛋白質(zhì)的測(cè)定采用考馬斯亮蘭G-250法：先用牛血清白蛋白標(biāo)準(zhǔn)品做標(biāo)準(zhǔn)曲線，再將乳粉0.1g（精確至0.0001g）溶于1000mL蒸餾水中于595nm處測(cè)吸光度，最后換算成蛋白質(zhì)的百分含量[8]。平行測(cè)定三次，下同。

脂肪測(cè)定采用堿性乙醚提取法[9]。

水分的測(cè)定參照GB/T 5413.8-1997[10]。

灰分的測(cè)定參照GBT 5413.7-1997[11]。

溶解度的測(cè)定參照GB/T 5009.46-2003[12]。

1.3 FTIR光譜分析方法

樣品處理：稱取奶粉3～5g（精確至0.0001g）至干燥箱中（100±5）℃干燥至恒重，待冷卻后稱取樣品約0.0005g（精確至0.0001g），按樣品：KBr=1∶50的比例加入到KBr（紅外烤箱中干燥）中用瑪瑙研缽研磨后進(jìn)行壓片，再進(jìn)行紅外測(cè)定。

儀器條件：掃描范圍：4000～400cm-1；掃描次數(shù)：16次；分辨率4cm-1；檢測(cè)器：DTGS檢測(cè)器。

每個(gè)樣品平行測(cè)定三次并平均結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

用紅外儀器自帶Spectrum v 5.3.1光譜軟件對(duì)光譜進(jìn)行自動(dòng)基線校正和自動(dòng)平滑處理；采用SPSS 19.0為主，Excel為輔對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析和系統(tǒng)聚類分析。

相似性分析是對(duì)觀測(cè)量之間相似或不相似程度的一種測(cè)度，是計(jì)算一對(duì)觀測(cè)量之間的廣義距離，定距數(shù)據(jù)主要使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)和夾角余弦距離，本研究中使用的是夾角余弦距離。計(jì)算公式如下：

根據(jù)距離的遠(yuǎn)近來(lái)判斷變量之間的兩兩相關(guān)程度，而在此種距離分析中不存在假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題。在新疆不同產(chǎn)地的小白杏杏仁油研究中就曾采用了相似性分析[13]。兩兩比較系數(shù)值越大相似性越高，最大值為1。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

對(duì)6種乳粉樣品的4項(xiàng)理化指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

乳成分的變化受很多因素的影響，如品種、個(gè)體、泌乳期、飼料等，其中環(huán)境也是影響乳成分改變的一個(gè)重要因素。奶牛生活在一定的區(qū)域內(nèi)有其特定的環(huán)境條件，為了使奶牛適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件也會(huì)有特定的飼養(yǎng)模式（如放牧或圈養(yǎng)，飼料的組成模式等），這些“地理”因素都會(huì)被帶到牛乳當(dāng)中去。

由表2可以看出，同一季節(jié)的6種樣品的4個(gè)理化指標(biāo)總體上差異最大的是蛋白含量和脂肪含量，而灰分和溶解度相對(duì)穩(wěn)定。其中，蛋白質(zhì)含量的差異在0.77%～6.60%范圍內(nèi)，1、2號(hào)樣品蛋白含量高于3～6號(hào)樣品1%以上，并且1、2號(hào)樣品之間蛋白含量無(wú)顯著差異，同時(shí)3～6號(hào)樣品之間蛋白含量也無(wú)顯著差異。飼料會(huì)對(duì)乳蛋白率造成極大的影響，日糧的精粗比高時(shí)，乳蛋白率也會(huì)提高[14]?？梢猿醪酵茢?、2號(hào)樣品來(lái)源于同一個(gè)地區(qū)，3～6號(hào)樣品來(lái)源于另一個(gè)地區(qū)。環(huán)境中主要是溫度的差異會(huì)影響到牛乳的蛋白率，高溫會(huì)引起牛的熱應(yīng)激從而使牛的采食量下降，最終使乳蛋白含量下降[15]。新疆氣候干旱，表現(xiàn)為光熱豐富，降水稀少，而黑龍江省屬于寒溫帶季風(fēng)氣候，所以黑龍江地區(qū)樣品蛋白含量略高于新疆，從而進(jìn)一步推斷1、2號(hào)樣品來(lái)自黑龍江，3～6號(hào)樣品來(lái)自新疆，這也正與實(shí)驗(yàn)的樣品編號(hào)與地區(qū)相符。

表2 乳粉理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table.2 The results of physical and chemical index of milk powder

乳脂肪是牛乳中比較容易發(fā)生變化的一個(gè)因素，從表2可以看出，各樣品的脂肪含量差異較大，總體差異范圍在0.27%～5.71%之間，除1、2號(hào)樣品和6號(hào)樣品外，其余各樣品兩兩之間均差異顯著，但是明顯的變化趨勢(shì)為3～6號(hào)樣品中脂肪含量均高于1、2號(hào)樣品0.33%以上。日糧的結(jié)構(gòu)對(duì)乳脂率有顯著的影響，有研究表明當(dāng)日糧中精飼料含量高時(shí)有利于提高乳蛋白率，但卻會(huì)使乳脂率降低[16]。結(jié)合前文的乳蛋白率可以推測(cè)，在特定的區(qū)域內(nèi)，為了滿足奶牛的健康生長(zhǎng)，養(yǎng)殖人員采用一種特定的飼養(yǎng)模式，在這種條件下所產(chǎn)的牛乳也會(huì)帶上區(qū)域的“烙印”。此外隨著海拔高度的上升，牦牛乳脂肪呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)[1]。荷斯坦牛乳也可能存在這種現(xiàn)象。由此推斷1、2號(hào)樣品來(lái)源于黑龍江，3～6號(hào)樣品來(lái)源于新疆，追溯實(shí)驗(yàn)樣品編號(hào)發(fā)現(xiàn)判斷與地區(qū)位置相符。

灰分主要反映的是乳中無(wú)機(jī)物的含量。表2反應(yīng)出灰分的變化幅度較小，各樣品灰分含量較為穩(wěn)定，變化幅度在0.02%～0.32%，灰分受飼料的影響較小，各樣品之間的灰分差異無(wú)明顯的規(guī)律性，其溯源的價(jià)值需進(jìn)一步與其他儀器分析手段及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合才能得以體現(xiàn)。

由表2可以看出，6個(gè)樣品之間溶解度差異在0.09%～2.24%，變化相對(duì)穩(wěn)定，但也呈現(xiàn)出一些規(guī)律，1、2號(hào)樣品與3～6號(hào)樣品之間差異顯著，前者溶解度低于3～6號(hào)樣品1.4%以上，而1、2號(hào)樣品之間無(wú)顯著差異，3～5號(hào)樣品之間也無(wú)顯著差異。乳粉的溶解度除了受加工工藝的影響外，原料乳的濃度、酸度和脂肪含量也會(huì)對(duì)乳粉的溶解性造成影響[17]?？梢酝茢?、2號(hào)樣品可能來(lái)源于同一地區(qū)，3～6號(hào)樣品可能來(lái)源于同一地區(qū)。需與其他指標(biāo)及統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合才能更好的體現(xiàn)其溯源價(jià)值。

2.2 紅外光譜結(jié)果

對(duì)6個(gè)樣品進(jìn)行紅外測(cè)定的FTIR光譜圖結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 6種乳粉的FTIR分層平鋪圖Fig.1 FTIR layered spectra of 6 kinds of milk powder注：從上到下依次為1～6號(hào)樣品。

從圖1可以看出不同產(chǎn)地乳粉的圖譜有很高的相似度，直觀可見(jiàn)的差異較小。從圖2則可發(fā)現(xiàn)各產(chǎn)地樣品之間特征峰則存在一定的差異，所有的樣品在3000～2800cm-1區(qū)域內(nèi)都有兩個(gè)明顯的吸收峰出現(xiàn)，這是牛乳脂肪的特征峰，這兩個(gè)峰分別在（2926± 1）cm-1和（2859±1）cm-1位置，它們分別是牛乳脂肪酸的亞甲基和甲基的C-H鍵伸縮振動(dòng)峰，后者與樣品中脂肪分子的大小和多少都有關(guān)系。表2結(jié)果顯示各地區(qū)樣品的脂肪含量差異顯著，F(xiàn)TIR則是從微觀上通過(guò)脂肪分子反映了不同地理來(lái)源樣品的差異。在1700～1500cm-1區(qū)域包含了大量與蛋白質(zhì)相關(guān)的信息，主要是蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用以及蛋白質(zhì)和水、離子等其他物質(zhì)的相互作用的信息[18]。同樣是從蛋白質(zhì)的微觀層面來(lái)反映地理差異。1200～900cm-1這個(gè)波數(shù)段表征的則是乳糖等糖類的相關(guān)信息。有研究人員分三個(gè)波段（3000～2800cm-1、1700～1500cm-1、1500～900cm-1）對(duì)奶酪進(jìn)行掃描后識(shí)別原產(chǎn)地，效果良好[7]。本研究發(fā)現(xiàn)，6個(gè)樣品圖譜的上述三個(gè)波段也是差異存在的主要區(qū)域，蘊(yùn)含著重要溯源線索。

圖2 6種乳粉的FTIR光譜圖Fig.2 FTIR spectra of 6 kinds of milk powder

2.3 檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

將紅外光譜特征峰相關(guān)信息和4種理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果用SPSS 19.0做相似性分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 乳粉紅外和理化指標(biāo)的相似性矩陣Table.3 The similarity matrix of infrared and physiochemical indexes of milk powder

由表3可知，所有樣品和自身的相似度為1。1號(hào)和2號(hào)樣品相似度達(dá)到了0.992，而和3～6號(hào)樣品的相似度均小于0.992，最低時(shí)僅有0.947。同樣的，4～6號(hào)樣品之間相似度也在0.991以上，尤其是4號(hào)和6號(hào)樣品的相似度高達(dá)0.999。由此可以推斷1、2號(hào)樣品來(lái)源于同一個(gè)地區(qū)的可能性大，3～6號(hào)樣品來(lái)源于同一個(gè)地區(qū)的可能性大，這也正與實(shí)驗(yàn)編號(hào)1、2來(lái)源于黑龍江，3～6號(hào)來(lái)源于新疆的實(shí)際情況相符。

將紅外光譜特征峰相關(guān)信息和基礎(chǔ)理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果用SPSS 19.0做系統(tǒng)聚類分析（歐氏距離和最近鄰元素），結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)聚類樹狀圖Fig.3 Dendrogram of hierarchical cluster analysis

由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)5階聚類后，所有的樣品最終聚為一類。在歐氏距離為18.74時(shí)所有的樣品可以明顯的分為兩個(gè)表征群，結(jié)合橫坐標(biāo)樣品編號(hào)，其中一個(gè)表征群為4、6、5、3號(hào)樣品，另一個(gè)表征群為1、2號(hào)樣品，這也正與1、2號(hào)樣品來(lái)自黑龍江，3～6號(hào)樣品來(lái)自新疆相符，說(shuō)明乳粉的紅外光譜和理化指標(biāo)結(jié)合聚類分析能夠較好地區(qū)別其原產(chǎn)地。聚類分析是研究“物以類聚”的一類典型統(tǒng)計(jì)分析方法，在牛奶和奶酪的產(chǎn)地溯源中被廣泛采用[2，19-20]，并且取得了較好的聚類效果，本實(shí)驗(yàn)的聚類正確率為100%。

3 結(jié)論

3.1兩地乳粉的蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和溶解度具有一定的差異，尤其是蛋白質(zhì)和脂肪含量與產(chǎn)品的地理來(lái)源呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，可以輔助進(jìn)行產(chǎn)地識(shí)別。

3.2兩個(gè)產(chǎn)區(qū)乳粉FTIR光譜反映了乳粉化學(xué)組成的復(fù)雜性和多樣性，兩地乳粉的特征吸收峰的差異為乳粉的產(chǎn)地識(shí)別提供了溯源線索。

3.3利用傅里葉變換中紅外光譜和理化指標(biāo)相結(jié)合，相關(guān)性分析和聚類分析可以識(shí)別不同產(chǎn)區(qū)乳粉的地理來(lái)源，對(duì)乳粉地理溯源研究具有很強(qiáng)的借鑒意義。

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Study on geographic origin of milk powder based on FTIR and physicochemical properties

LIANG Xiao-lin1，LIU Yan1，TAN Kai-yan1，2，SU Hai-yan1，LI Quan-yang1，*
（1.College of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Testing Institute of Product Quality Supervision，Nanning 530004，China）

In order to explore the reliable method of whole milk powder origin traceability，6 kinds of whole milk powder came from different regions were regarded as object of study.The physicochemical analysis was used to measure samples’content of protein，fat，ash and solubility，at the same time Fourier transform infrared spectrometer was used to obtain all samples’FTIR spectra.Then SPSS was used to analyze the data by analysis of variance，similarity analysis and cluster analysis.Results showed that the content of protein and fat of whole milk powder came from different regions had significant difference，and ash content and solubility were relatively stable.FTIR macroscopically fingerprint had a certain similarity，but the peak position and peak shape of the characteristic peaks had difference，and to a certain extent，reflect the geographical environment influence on the physicochemical properties of milk powder.SPSS statistical software was used to process physicochemical properties and FTIR results，the producing area identification of 6 kinds of milk powder was realized，the accuracy of cluster analysis achieved 100%.

FTIR spectra；physical-chemical indexes；similarity analysis；cluster analysis

TS207.3

A

1002-0306（2014）04-0049-05

2013－07－16 *通訊聯(lián)系人

梁曉琳（1986-），女，碩士研究生，研究方向：乳品科學(xué)。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31071576）；廣西大學(xué)科研基金項(xiàng)目（GXL090325）。