酸牛奶变质过程的激光光致发光光谱分析

杨 琴 （长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州434023）

牛奶作为最古老的天然饮料之一，营养价值很高，是人体钙的最佳来源，钙磷比例非常适当，利于钙的吸收。酸牛奶是以新鲜的牛奶为原料，经过巴氏杀菌后再向牛奶中添加有益菌，经发酵后再冷却灌装的一种牛奶制品。酸牛奶不但保留了牛奶的所有优点，而且某些方面经过加工过程还扬长避短，成为更加适合于人类的营养保健品，人们食用酸牛奶已渐成习惯。然而，酸牛奶营养丰富，非常适宜多种微生物的生长繁殖，极易腐败变质。变质的酸牛奶失去食用价值，甚至容易引起食物中毒。由于我国对于乳制品的检测水平和力度不够，因此使其质量安全成为人们日常生活中的隐患。近年来食品安全事故频发一次次挑战公众神经，给人们敲响食品安全的警钟，将乳制品质量检测推到了风口浪尖上。因此，实时、快速、准确地检测乳制品成分对提高乳制品质量具有重要的现实意义［1］。

目前对乳制品主要成分检测最常用、最普及的方法是化学分析法，虽然较准确，但是测定过程繁琐、操作复杂、用时较长，且受人员技术、试剂、仪器设备等诸多因素限制，只能在实验室进行。如何简便、快速、准确地检测乳制品的质量已成为维护乳品安全中急需解决的任务。近几年来，光谱测量在该领域已逐步推广使用［2－4］。光致发光光谱是现代检测技术中一类具有重要应用意义的光谱，可以定量测定许多物质，已成为一种很实用的分析方法［5－7］。与传统的化学分析方法相比，光致发光光谱具有灵敏度高、检测速度快、成本低、操作简单、非破坏性、低能耗的优点。同时，由于发射荧光时所放出的能量比从入射光所吸收的能量略小些，发光波长比入射光的波长稍长，因此与反射光谱法相比，光致发光光谱不易受到激发光的干扰［8］。

笔者把激光光致发光光谱分析技术应用于牛奶变质过程检验方面，以酸牛奶为研究对象，采用北京卓立汉光仪器有限公司生产的光致发光光谱分析仪，采集600～1000nm波段的光致发光光谱信息，观察其变质期间光谱的变化规律。同时，为了验证激光光致发光光谱法的可信度，分析了酸牛奶的物化特性，给出酸牛奶变质伴随的生物化学变化过程，测量了变质过程中物化参量粘度、pH值、菌落总数等指标。最后，利用最小二乘法原理对光致发光强度与物化参量值进行比较分析，建立两者的拟合曲线，了解酸牛奶变质过程中物化特性的变化对其光谱特性的影响，从而可对酸牛奶变质过程中的结构变化进行分析及预测。

1 材料与方法

1.1 样品制备

从超市够买10瓶新鲜的某品牌酸牛奶 （经过巴氏杀菌处理，0～5℃条件下，保质期为15d），每瓶采集5份样品，共50份样品。将10瓶酸牛奶置于实验室里，使其处于实验条件 （温度为20～23℃，湿度为27%～31%）的相同环境下，每隔12h采集一次光谱数据。

图1 激光光致发光光谱探测系统原理图

1.2 仪器设备

试验使用北京卓立汉光公司的ZLX－PL－I型光致发光光谱测量系统，如图1所示。光源采用全固体化单频绿光激光器，输出波长532nm，输出功率大于200mW；Omni－λ300型光谱仪的扫描范围0～1200nm，分辨率0.1nm；R2949型光电倍增管的光谱响应范围185～900nm，峰值响应波长 （400±30）nm；高压稳压电源0～1500V连续可调；美国SRS公司的SR830型锁相放大器、数据采集器等。

系统的分析条件为：激光束直径约0.5mm，激光器电流1.5A，光电倍增管所加电压－1400V，增益32，分析波长范围600～1000nm，扫描步距1nm，采样速率300nm／min。每个样本扫描50次，保存5条光谱曲线，以其平均光谱作为该样本的原始光谱。

1.3 酸牛奶变质过程的物化参量测量

为了验证激光光致发光光谱法的可信度，将光致发光光谱技术与牛奶变质过程的化学变化结合起来，采用理化方法结合牛奶变质过程中理化特性变化，测量了变质过程中的物化参量粘度、pH值、菌落总数等指标。试验中，粘度的变化采用粘度计 （NDJ－8S型）直接测量读数；pH值采用数字pH计（A301681型）测量，使用过程中应特别注意校准；菌落总数采用标准平皿菌落计数法进行测量。

2 结果与讨论

2.1 激光光致发光光谱分析

采用ZLX－PL－I型光致发光光谱测量系统，采集酸牛奶样品 （50份）的激光光致发光光谱。发现保鲜期与变质后的光致发光光谱有较大的差别，图2所示为酸牛奶样品的激光光致发光光谱，表1列出了其光致发光光谱与时间的对应关系，谱线1～10对应时间0～108h，间隔12h。

图2中的光致发光谱线在752nm和851nm附近均有较强的峰，752nm处的各峰强度相当，只是随着时间的推移，半峰宽在不断增加；谱线的显著变化部分集中在800～900nm波段，随着时间的推移，该区段的谱峰强度逐渐增加，半峰宽也在不断增加，并且峰位发生变化，特别是谱线1～3和谱线10的峰位变化最明显。谱线1～3在700～800nm和800～900nm谱段变化都较小，可以认为24h内酸牛奶的生物化学组分在所处的测量环境条件下改变不是很大。为了确立激光光致发光方法与物化参量的相关性，在进行谱图处理时，着重研究不同时段的峰值强度，并期望找出与物化参量的关系。

2.2 牛奶变质过程中物化参量的变化

进行光谱采集及分析后，将酸牛奶样品在相同的实验条件下测定粘度、pH值、菌落总数3个指标的变化，如图3所示。在酸牛奶变质过程的初始阶段，粘度和pH值得变化较小，虽然菌落总数稍有增加，但同样表明24h以内酸牛奶受外界影响较小，生物化学组分变化几乎没变。随着时间的增加，图3（a）中酸牛奶的粘度显著增加，图3（b）中的pH值持续降低，图3（c）中的菌落总数逐步增加，由于其数量级较大，因此纵坐标取对数。

表1 酸牛奶光致发光光谱与时间的对应关系

2.3 光致发光强度与物化参量值比较分析

在光致发光相对峰值强度和物化参量值的基础上，根据最小二乘法原理，利用SPSS11.0对酸牛奶样品的粘度、pH值、菌落总数与其光致发光相对强度分别进行拟合，拟合曲线图如图4所示。图4中显示了实验测得的各个散点，图4（a）为粘度与光致发光峰值强度拟合曲线，其相关系数r＝0.9833；图4 （b）为pH值与光致发光峰值强度拟合曲线，其相关系数r＝0.9726；图4（c）为菌落总数与光致发光峰值强度拟合曲线，同样由于菌落总数的数量级较大，为了增强两者的线性效果，对菌落总数取对数后再进行建模分析，其相关系数r＝0.9866。

图3 酸牛奶变质过程的物化参量随时间的变化

图4 光致发光峰值强度与物化参量的拟合曲线图

由上述比较分析结果可知，在酸牛奶样品变质过程中，其激光光致发光光谱在851nm附近的峰值存在着明显的变化，且该峰值相对强度与样品的物化参量近似为线性关系，即激光光致发光相对强度与粘度、菌落总数取对数后的值的增大而增大，却与pH值的增大而减小。其中与pH值的线性关系效果要稍差一点，与菌落总数的对数值的线性关系最好，相关系数高达0.9866，数据信息丢失较少。从而通过物化参量对激光光致发光光谱法进行了验证，可以根据酸牛奶的激光光致发光光谱对其变质程度做出大致的判断。

3 结 语

采用ZLX－PL－I型光致发光光谱测量系统，研究了酸牛奶变质过程的激光光致发光光谱。结果发现伴随着酸牛奶的变质过程，其光致发光光谱在752nm和851nm附近均有较强的峰。其中在851nm附近的光谱峰存在着明显的变化，其相对强度值与酸牛奶的物化参量粘度、pH值、菌落总数分别具有对应关系。因此可以通过检测酸牛奶的激光光致发光光谱的方法为研究其变质过程提供了可能性。牛奶变质伴随着极为复杂的化学变化，在此过程中其组分和结构都有很大的变化，而物化参量的变化只是其化学变化的外在表现。为了能够将激光光致发光技术更便捷准确地应用于变质过程的检验，需要作进一步的研究，特别是能找到反映酸牛奶变质化学变化的关键核心指标，将光致发光光谱技术与牛奶变质过程的化学变化结合起来，为酸牛奶变质和食品检验提供一条新的技术途径。