馬金鴿， 楊巧玲， 鄧曉軍*， 時(shí)逸吟， 古淑青， 趙超敏， 于永愛， 張 峰

1. 上海海關(guān)動(dòng)植物與食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心， 上海 200135 2. 上海大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 上海 200444 3. 上海如海光電科技有限公司， 上海 201201 4. 中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院， 北京 100176

引 言

橄欖油是利用冷榨等物理壓榨方法直接從油橄欖鮮果中提取的油脂， 含有豐富的不飽和脂肪酸、 維生素、 β-谷甾醇、 類胡蘿卜素、 角鯊烯等天然營養(yǎng)成分[1]， 被廣泛應(yīng)用于食品、 醫(yī)藥、 日化等行業(yè)[2]， 由于其豐富的營養(yǎng)價(jià)值， 我國橄欖油的進(jìn)口和銷量逐年增加， 其中以進(jìn)口散裝報(bào)關(guān)為主要形式之一。 在跨境散裝集運(yùn)過程中， 受儲(chǔ)藏環(huán)境、 時(shí)間和溫度等諸多因素影響， 橄欖油中果肉碎末發(fā)生沉淀和累積， 同時(shí)不飽和脂肪酸易發(fā)生氧化、 酸敗， 產(chǎn)生初級氧化產(chǎn)物和次級氧化產(chǎn)物， 甚至是致癌物質(zhì)， 降低品質(zhì)， 危害消費(fèi)者的健康[3]。 由于散裝油輪分倉數(shù)量多， 導(dǎo)致不同分倉甚至同一分倉不同位置的植物油品質(zhì)存在較大差異， 由于散裝油輪貨重動(dòng)輒上萬噸， 產(chǎn)品貨值高， 急需一種在口岸監(jiān)管現(xiàn)場進(jìn)行品質(zhì)快速鑒別的技術(shù)手段， 確保對整批油品質(zhì)在科學(xué)評判的基礎(chǔ)上快速通關(guān)。

按照現(xiàn)行橄欖油產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行品質(zhì)質(zhì)量鑒別時(shí)， 通常進(jìn)行氣味、 滋味、 色澤等感官評價(jià)以及酸價(jià)、 不飽和脂肪酸等常規(guī)關(guān)注品質(zhì)指標(biāo)的分項(xiàng)檢測[4]， 其中酸價(jià)、 過氧化值、 亞麻酸等分別測定受存放時(shí)間及倉儲(chǔ)環(huán)境影響而產(chǎn)生的一級氧化產(chǎn)物和二級氧化產(chǎn)物， 可以直觀快速的反映出油脂的氧化程度， 是評價(jià)油脂品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[5]。 目前對散裝橄欖油的酸價(jià)、 過氧化值、 不飽和脂肪酸等進(jìn)行檢測時(shí)， 傳統(tǒng)方式主要是進(jìn)行分倉抽樣后送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)， 方法包括氧化還原滴定法、 氣相色譜法[6]、 電極法[7]等， 這些方法樣品前處理過程復(fù)雜， 操作繁瑣且耗時(shí)長[8]， 產(chǎn)生較高的現(xiàn)場倉儲(chǔ)成本及監(jiān)管成本。 近年來， 一些無損檢測技術(shù)以及小型便捷儀器發(fā)展迅速， 具有樣品無需前處理或前處理過程簡單， 分析速度快等優(yōu)點(diǎn)， 采用便攜類光譜儀器進(jìn)行橄欖油品質(zhì)檢測， 可以在油船和碼頭等口岸監(jiān)管現(xiàn)場對橄欖油抽檢樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)快速評價(jià)， 確保整個(gè)抽取樣品的代表性和針對性， 提升對整批次橄欖油質(zhì)量監(jiān)管的科學(xué)性。

本文采用便攜式拉曼設(shè)備采集了不同加熱溫度、 加熱時(shí)長下初榨橄欖油的光譜數(shù)據(jù)， 使用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中指定的氧化還原滴定法和脂肪酸內(nèi)標(biāo)法等經(jīng)典方法獲得對應(yīng)橄欖油的酸價(jià)、 過氧化值、 亞麻酸的實(shí)測值， 采取偏最小二乘法(PLS)和角度度量算法(VAPLS)分別對光譜數(shù)據(jù)和品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行建模， 并隨機(jī)抽取7個(gè)不同類型進(jìn)口散裝橄欖油樣本對模型進(jìn)行了驗(yàn)證， 判斷方法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 該方法無需前處理， 通過光譜數(shù)據(jù)建模來預(yù)測橄欖油的品質(zhì)指標(biāo)， 進(jìn)行橄欖油氧化程度和品質(zhì)的快速檢測， 可應(yīng)用于散裝橄欖油口岸現(xiàn)場品質(zhì)指標(biāo)實(shí)時(shí)評價(jià)， 確保進(jìn)出口大宗散裝植物油監(jiān)管的科學(xué)性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

特級初榨橄欖油(市售某品牌特級初榨橄欖油)； 異丙醇(AR)； 乙醚(AR)； 百里香酚酞(AR)； 氫氧化鈉滴定溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(0.1 mol·L-1)； 冰乙酸(AR)； 三氯甲烷(AR)； 碘化鉀(AR)； 硫代硫酸鈉滴定溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(0.1 mol·L-1)； 可溶性淀粉(AR)； 十一碳酸甘油三酯(AR)； 正己烷(AR)； 氫氧化鉀(AR)； 甲醇(AR)。

1.2 儀器

便攜式拉曼光譜儀(SEED 3000， 上海如海光電科技有限公司)； 精密電子天平(德國Sartorius公司)； 渦旋混合器(VORTEX-GENIE2， 美國Scientific Industries公司)； Eppendorf 5810R離心機(jī)(20050647GZ， 德國Eppendorf公司)； 氣相色譜儀(7890A， 安捷倫科技有限公司)； 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S， 上海力辰邦西儀器科技有限公司)； 酸堿滴定管。

1.3 方法

1.3.1 建模樣本的制備

據(jù)研究[9]表明， 橄欖油在220 ℃加熱條件下， 橄欖油酸價(jià)緩慢上升， 說明在此加熱條件下， 橄欖油開始發(fā)生氧化反應(yīng)， 而260 ℃加熱條件下酸價(jià)快速上升， 說明氧化反應(yīng)出現(xiàn)加速現(xiàn)象， 而當(dāng)加熱條件為300 ℃時(shí)， 橄欖油中的多不飽和脂肪酸急劇下降， 處于不穩(wěn)定狀態(tài)[10]。 為了確保樣本的穩(wěn)定性和品質(zhì)指標(biāo)的范圍， 實(shí)驗(yàn)取2 L橄欖油倒入恒溫加熱磁力攪拌器中， 在220 ℃下加熱9 h， 第一個(gè)樣本加熱1 h后取出， 之后每隔0.5 h取樣， 測量該溫度下樣品的酸價(jià)， 發(fā)現(xiàn)該溫度下加熱后酸價(jià)變化范圍不大， 提高加熱溫度， 另取兩份2 L橄欖油在240和260 ℃下分別加熱9和8 h， 每隔0.5 h取樣， 收集共51份樣本， 將樣本S1—S51冷卻至室溫備用。

1.3.2 模型建立及分析方法

(1)采用國標(biāo)GB23347中規(guī)定的檢驗(yàn)方法確定橄欖油樣本為特級初榨橄欖油[11-12]。

(2)分別采用國標(biāo)GB5009.229—2016中的冷溶劑指示劑滴定法、 GB5009.227—2016中滴定法和GB5009.168—2016中內(nèi)標(biāo)法測定樣本的酸價(jià)、 過氧化值及亞麻酸， 其中氣相色譜采用毛細(xì)管色譜柱， 聚二氰丙基硅氧烷強(qiáng)極性固定相， 100 m×0. 25 mm×0.2 μm)， 程序升溫： 初始溫度100 ℃， 持續(xù)13 min； 100～180 ℃， 升溫速率10 ℃·min-1， 保持6 min； 180～200 ℃， 升溫速率1 ℃·min-1， 保持20 min； 200～230 ℃， 升溫速率4 ℃·min-1， 保持10.5 min。 載氣為氮?dú)猓?進(jìn)樣體積1 μL。 。 為減少誤差， 每一樣本同一指標(biāo)重復(fù)測定三次， 取平均值。

(3)采集樣本拉曼光譜。 室溫環(huán)境下， 將樣本S1—S51分別置于測量瓶中， 采集相應(yīng)拉曼光譜數(shù)據(jù)， 每份采集3次， 取平均。 拉曼采集參數(shù)： 激光光源波長785 nm， 功率200 mW， 積分時(shí)間300 ms。

(4)采用主成分分析法[13]對校正集進(jìn)行分析， 選取最佳主成分?jǐn)?shù)， 對樣本拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析計(jì)算， 將響應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為角度值[14]， 采用偏最小二乘法及角度度量法， 結(jié)合最佳主成分?jǐn)?shù)， 分別建立橄欖油品質(zhì)預(yù)測模型。

(5)模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值對比， 通過線性相關(guān)系數(shù)(R2)、 均方根誤差(RMSE)及相對誤差進(jìn)行模型效果評價(jià)。

2.結(jié)果與討論

2.1 油樣品質(zhì)檢測

通過不同溫度恒溫加熱橄欖油得到51個(gè)樣本， 分別檢測每個(gè)油樣的酸價(jià)、 過氧化值和亞麻酸， 變化趨勢如圖1所示。

由圖1可知， 隨加熱時(shí)長的增加， 油樣酸價(jià)在220 ℃下基本穩(wěn)定不變， 240 ℃下加熱4 h以后呈上升趨勢， 260 ℃條件下加熱1.5 h后迅速上升， 加熱過程酸價(jià)整體范圍在0.36～1.53 mg·g-1之間； 油樣過氧化值整體均顯示為波動(dòng)狀態(tài)， 且240 ℃下的值明顯高于220與260 ℃， 實(shí)測值范圍在1.95～5.46 mmol·kg-1之間； 而亞麻酸含量處于不斷下降趨勢， 且溫度越高， 加熱時(shí)間越長， 含量越低， 處于35～1 109 mg·(100 g)-1之間。 油樣品質(zhì)變化趨勢和文獻(xiàn)[15]中得到的結(jié)論基本一致， 即在高溫加熱條件下， 橄欖油中不飽和脂肪酸發(fā)生一級氧化， 產(chǎn)生氫過氧化物， 在240 ℃加熱4 h以后酸價(jià)開始明顯增長， 說明此時(shí)橄欖油開始初步發(fā)生二級氧化， 部分氫過氧化物不穩(wěn)定分解成醛和酮， 隨即氧化生成酸， 導(dǎo)致酸價(jià)升高， 過氧化值降低， 而在260 ℃后， 由于溫度過高， 氫過氧化物基本分解完全， 此時(shí)過氧化值降低到與220 ℃下持平， 而亞麻酸由于在加熱過程中不斷的氧化分解， 含量一直呈降低趨勢。

圖1 橄欖油加熱的品質(zhì)指標(biāo)變化趨勢圖(a)： 酸價(jià)變化； (b)： 過氧化值變化； (c)： 亞麻酸變化Fig.1 Trend chart of quality indicators of olive oil heating(a)： Change in acid value； (b)： Change in peroxide value； (c)： Change in linolenic acid

2.2 樣本拉曼光譜分析

選取未加熱的橄欖油及分別在220， 240和260 ℃下加熱4 h的油樣進(jìn)行拉曼光譜圖分析對比， 如圖2所示。

圖2 不同處理?xiàng)l件下橄欖油的拉曼光譜圖Fig.2 Raman spectra of olive oil underdifferent processing conditions

由圖2可知， 油樣特征峰集中在800～1 800和2 800～3 000 cm-1波段范圍內(nèi)， 隨著加熱溫度的升高， 在800～1 800 cm-1的特征峰響應(yīng)強(qiáng)度明顯增大， 而2 800～3 000 cm-1處特征峰強(qiáng)度基本沒有變化。

2.3 建立品質(zhì)指標(biāo)分析模型

2.3.1 建模樣本確定

在全部樣本中指標(biāo)范圍內(nèi)隨機(jī)分散選取10個(gè)樣本作為驗(yàn)證集， 剩余樣本作為校正集樣本。

2.3.2 橄欖油品質(zhì)指標(biāo)模型的建立

分別采用偏最小二乘法(PLS)、 角度度量法(VAPLS)建立橄欖油酸價(jià)、 過氧化值、 亞麻酸等三個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的分析模型。 本文首先對未經(jīng)處理的校正集、 驗(yàn)證集進(jìn)行分析， 對校正集進(jìn)行主成分分析降維， 根據(jù)二階差分序列確定最佳主成分?jǐn)?shù)為11。 將校正集光譜數(shù)據(jù)作為自變量(X)， 酸值、 過氧化值、 亞麻酸的真實(shí)值作為因變量(Y)， 進(jìn)行偏最小二乘回歸以及角度度量法運(yùn)算， 分別建立橄欖油的三種品質(zhì)指標(biāo)分析模型， 采用預(yù)測值與真實(shí)值之間的線性相關(guān)系數(shù)(R2)、 均方根誤差(RMSE)及相對誤差進(jìn)行模型的預(yù)測性能進(jìn)行評價(jià)， 其中R2越接近1， RMSE和相對誤差越小， 說明模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性越好。 結(jié)果如表1所示。

表1 全光譜下模型評價(jià)結(jié)果Table 1 Model evaluation results under full spectrum

由表1可以看出， 當(dāng)對未經(jīng)處理的全光譜波段進(jìn)行橄欖油酸價(jià)、 過氧化值、 亞麻酸等品質(zhì)指標(biāo)模型分析時(shí)， PLS方法計(jì)算的校正集的相關(guān)系數(shù)分別為0.992 7， 0.917 7和0.998 9， 而相對誤差均比較大； VAPLS建立的校正集的相關(guān)系數(shù)分別為0.992 7， 0.911 3和0.952 0， 其中亞麻酸的相對誤差高達(dá)60.42， 說明此時(shí)兩種方法建立的模型缺乏穩(wěn)定性， 預(yù)測能力較低。

已由圖2可知， 橄欖油樣品的特征峰集中在800～1 800和2 800～3 000 cm-1波段范圍內(nèi)， 截取樣本光譜該特征波段作為建模數(shù)據(jù)， 分別通過一階導(dǎo)(D1)、 二階導(dǎo)(D2)、 多元散射校正(MSC)、 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換(SNV)等方法對已截取的光譜進(jìn)行預(yù)處理， 分別建立模型， 其中經(jīng)過一階導(dǎo)處理后的光譜建立模型效果最佳， 結(jié)果如表2所示。

由表2可看出， 經(jīng)過預(yù)處理后的光譜建立的模型穩(wěn)定性大幅提升， 酸價(jià)、 過氧化值、 亞麻酸等PLS方法校正集模型的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.998 8， 0.995 4和0.998 2， 亞麻酸的相對誤差在-9.92～9.34范圍內(nèi)， 第一種方法建模更優(yōu)， 而酸價(jià)及過氧化值模型的均方根誤差均降低， 效果更好； VAPLS建立的校正集的相關(guān)系數(shù)分別為0.995 7， 0.998 6和0.992 9， 相對誤差范圍在-5.43%～4.60%之間， 效果優(yōu)于PLS方法， 建立的模型更穩(wěn)定， 預(yù)測能力更佳。 兩種方法模型的預(yù)測值和實(shí)際值的散點(diǎn)關(guān)系圖如圖3所示， 可以看出， 模型數(shù)據(jù)穩(wěn)定的分布在回歸線上。

表2 光譜預(yù)處理后的模型評價(jià)結(jié)果Table 2 Model evaluation results after spectral preprocessing

圖3 校正集預(yù)測值與實(shí)際值之間的關(guān)系(a)： PLS法酸價(jià)校正集； (b)： VAPLS法酸價(jià)校正集； (c)： PLS法過氧化值校正集(d)： VAPLS法過氧化值校正集； (e)； PLS法亞麻酸校正集； (f)： VAPLS法亞麻酸校正集Fig.3 The relationship between the predicted value and the actual value of the calibration set(a)： The acid value correction set of the PLS method; (b): The acid value correction set of the VAPLS method;(c): Peroxide value correction set of PLS method; (d): Peroxide value correction set of VAPLS metion;(e): Linolenic acid correction set of PLS metion; (f): Linolenic acid correction set of VAPLS metion

2.3.3 模型準(zhǔn)確性評價(jià)

在進(jìn)口散裝橄欖油中隨機(jī)抽取7份樣本， 分別采集其拉曼光譜， 并用1.3.2中的分析方法， 將光譜數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集帶入模型計(jì)算其酸價(jià)、 過氧化值、 亞麻酸的預(yù)測值， 各結(jié)果如表3—表5所示。

由表3—表5可以看出， 兩種方法建立模型的預(yù)測結(jié)果對比下， VAPLS法酸價(jià)、 過氧化值、 亞麻酸預(yù)測值和實(shí)測值非常接近， 模型的均方根誤差分別為0.025 8， 0.222 8和17.064 1， 相對誤差誤差范圍分別在-4.71%～5.34%， -4.24%～3.17%， -1.28%～5.98%之間， 結(jié)果表明此模型預(yù)測精度高、 穩(wěn)定性好， 相比PLS方法更穩(wěn)定， 預(yù)測結(jié)果更準(zhǔn)確。 拉曼光譜結(jié)合VAPLS法， 可以無需配制溶液， 耗時(shí)短、 操作難度低， 在無損的前提下， 能真正實(shí)現(xiàn)進(jìn)口散裝橄欖油酸價(jià)、 過氧化值、 亞麻酸等品質(zhì)的現(xiàn)場快速無損鑒別。

表3 酸價(jià)模型評價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation results of acid value model

表4 過氧化值模型評價(jià)結(jié)果Table 4 Model evaluation results of peroxide value

表5 亞麻酸模型評價(jià)結(jié)果Table 5 Model evaluation results of linolenic acid

3 結(jié) 論

針對進(jìn)口大宗散裝橄欖油不同分倉內(nèi)因倉儲(chǔ)環(huán)境差異及儲(chǔ)存時(shí)間過長而導(dǎo)致品質(zhì)變化等問題， 提供一種可在口岸現(xiàn)場進(jìn)行快速品質(zhì)檢測方法， 采用便攜式拉曼光譜儀結(jié)合基于偏最小二乘法的角度度量化學(xué)計(jì)量學(xué)算法， 對橄欖油的酸值、 過氧化值、 亞麻酸三個(gè)關(guān)鍵品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行建模分析， 得到的三種模型校正集相關(guān)系數(shù)均大于0.99； 采用模型對7份散裝進(jìn)口橄欖油進(jìn)行檢測， VAPLS法模型均方根誤差分別為0.025 8， 0.222 8和17.064 1， 效果均優(yōu)于PLS模型。

相較于傳統(tǒng)檢測手段， 拉曼光譜法具有樣品無需前處理過程， 耗時(shí)短、 操作難度小等優(yōu)勢， 本方法采用的化學(xué)計(jì)量學(xué)手段有效的消除了光譜測量的乘性效應(yīng)， 模型更具穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性， 單個(gè)樣品測量的過程不超過1 min， 適用于進(jìn)口散裝橄欖油品質(zhì)的快速品質(zhì)鑒別， 提高大宗散裝產(chǎn)品口岸通關(guān)效率， 為后續(xù)的進(jìn)口橄欖油的監(jiān)管科學(xué)性以及抽樣準(zhǔn)確性提供相應(yīng)的技術(shù)手段。