基于FTIR和理化性质的乳粉溯源技术研究

梁晓琳，刘 燕，谭凯燕，2，苏海雁，李全阳，*

（1.广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004；2.广西壮族自治区产品质量监督检验研究院，广西南宁530004）

基于FTIR和理化性质的乳粉溯源技术研究

梁晓琳1，刘 燕1，谭凯燕1，2，苏海雁1，李全阳1，*

（1.广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004；2.广西壮族自治区产品质量监督检验研究院，广西南宁530004）

为探索全脂乳粉产地溯源的可靠方法，以不同产区的6种全脂乳粉为研究对象，用理化分析的方法测定了样品的蛋白、脂肪、灰分含量和溶解度4个理化指标，同时采用傅里叶变换红外光谱仪扫描得到上述样品的FTIR图谱，采用SPSS统计分析对以上数据进行方差分析、相似性分析和聚类分析。结果表明不同地理来源乳粉的蛋白质和脂肪含量差异显著，灰分和溶解度相对稳定，FTIR宏观指纹图谱具有一定的相似性，而特征峰的峰位和峰形存在差异，并在一定程度上反映了地理环境对乳粉理化性质的影响。将理化特征和FTIR分析结果采用SPSS统计软件分析处理，实现了6种乳粉样品产地的识别，聚类的准确率为100%。

傅里叶变换红外光谱，理化指标，相似性分析，聚类分析

民以食为天，食以安为先。随着人民生活水平的提高，人们更多地关注食品的质量安全，而保障食品质量安全行之有效的方法之一就是——追根溯源。各地也纷纷出台相关法律法规要求载明食品原产地，保护地理标志产品，因此，科研工作者对食品，尤其是乳制品的溯源研究成为新的热点。乳粉这种营养物质非常丰富的食品更是从“摇篮”时期就伴随着人们的成长，加上其流通范围非常广泛，理应成为“追根溯源”的重中之重。

在食品溯源的研究中发现不同地区的牦牛乳脂肪、蛋白含量差异显著[1]；意大利研究人员使用脂肪、蛋白、灰分含量等指标实现了水牛乳的产地溯源[2]。

傅里叶红外光谱法（FTIR）由于具有比传统红外光谱法更好的分辨率和信噪比，近年来在产品溯源中被广泛应用：在国内，用FTIR光谱对黄骅冬枣产地的正确识别率达93.3%[3]；FTIR指纹光谱对4个产区的牛肉原产地识别正确率达100%[4]；FTIR结合聚类分析对山药的产地正确识别率也达到了70%[5]。在国外，Karoui等先用红外光谱结合荧光光谱区分了Emmental奶酪的原产地[6]；后又单独使用中红外光谱来识别原产地保护（PDO）奶酪的原产地，正确率在90%以上[7]。然而对于乳粉的溯源研究却未能发现有关报道。

为此，本研究选用黑龙江和新疆两个产地的6种全脂乳粉，研究比较它们的蛋白质含量、脂肪含量、水分、灰分和溶解度及FTIR中红外宏观指纹图谱的差异，并结合多元统计分析的方差分析、相似性分析和系统聚类分析以图发现这些差异与其原产地直接的对应关系，为乳粉的原产地追溯提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

全脂乳粉 购买于黑龙江的全脂乳粉2种，购买于新疆的全脂乳粉4种，随机编号1～6，所有样品均生产于7月，同一品牌样品有相同的生产日期和生产批号，以避免季节对其造成的影响，且样品均为当地品牌，购买时已经与有关厂家联系，进行了核实用当地奶源进行生产，保证了乳粉的产地，样品的相关信息见表1；考马斯亮兰G-250和牛血清白蛋白标品 均由广州威佳科技有限公司；乙醚 成都市科龙化工试剂厂；氨水 重庆川东化工有限公司；石油醚 天津市富宇精细化工有限公司；无水乙醇 成都市科龙化工试剂厂；光谱级KBr德国merck公司。

表1 全脂乳粉产地相关信息Table.1 Producing area’information of whole milk powder

Spectrum Bx系列傅里叶变换红外光谱仪 Perkin Elmer公司；YP-2压片机 上海山岳科学仪器有限公司；JRA-2数显磁力搅拌水浴锅 金坛市科杰仪器厂；METASH UV-5200紫外/可见分光光度计 上海元析仪器有限公司；TD6离心机 长沙平凡仪器仪表有限公司；电热恒温鼓风干燥箱 上海新苗医疗器械制造有限公司。

1.2 理化指标测定方法

乳粉中蛋白质的测定采用考马斯亮兰G-250法：先用牛血清白蛋白标准品做标准曲线，再将乳粉0.1g（精确至0.0001g）溶于1000mL蒸馏水中于595nm处测吸光度，最后换算成蛋白质的百分含量[8]。平行测定三次，下同。

脂肪测定采用碱性乙醚提取法[9]。

水分的测定参照GB/T 5413.8-1997[10]。

灰分的测定参照GBT 5413.7-1997[11]。

溶解度的测定参照GB/T 5009.46-2003[12]。

1.3 FTIR光谱分析方法

样品处理：称取奶粉3～5g（精确至0.0001g）至干燥箱中（100±5）℃干燥至恒重，待冷却后称取样品约0.0005g（精确至0.0001g），按样品：KBr=1∶50的比例加入到KBr（红外烤箱中干燥）中用玛瑙研钵研磨后进行压片，再进行红外测定。

仪器条件：扫描范围：4000～400cm-1；扫描次数：16次；分辨率4cm-1；检测器：DTGS检测器。

每个样品平行测定三次并平均结果。

1.4 数据分析方法

用红外仪器自带Spectrum v 5.3.1光谱软件对光谱进行自动基线校正和自动平滑处理；采用SPSS 19.0为主，Excel为辅对实验数据进行方差分析、相关性分析和系统聚类分析。

相似性分析是对观测量之间相似或不相似程度的一种测度，是计算一对观测量之间的广义距离，定距数据主要使用皮尔逊相关系数和夹角余弦距离，本研究中使用的是夹角余弦距离。计算公式如下：

根据距离的远近来判断变量之间的两两相关程度，而在此种距离分析中不存在假设检验问题。在新疆不同产地的小白杏杏仁油研究中就曾采用了相似性分析[13]。两两比较系数值越大相似性越高，最大值为1。

2 结果与讨论

2.1 理化指标测定结果

对6种乳粉样品的4项理化指标进行了检测，结果见表2。

乳成分的变化受很多因素的影响，如品种、个体、泌乳期、饲料等，其中环境也是影响乳成分改变的一个重要因素。奶牛生活在一定的区域内有其特定的环境条件，为了使奶牛适应当地的环境条件也会有特定的饲养模式（如放牧或圈养，饲料的组成模式等），这些“地理”因素都会被带到牛乳当中去。

由表2可以看出，同一季节的6种样品的4个理化指标总体上差异最大的是蛋白含量和脂肪含量，而灰分和溶解度相对稳定。其中，蛋白质含量的差异在0.77%～6.60%范围内，1、2号样品蛋白含量高于3～6号样品1%以上，并且1、2号样品之间蛋白含量无显著差异，同时3～6号样品之间蛋白含量也无显著差异。饲料会对乳蛋白率造成极大的影响，日粮的精粗比高时，乳蛋白率也会提高[14]。可以初步推断1、2号样品来源于同一个地区，3～6号样品来源于另一个地区。环境中主要是温度的差异会影响到牛乳的蛋白率，高温会引起牛的热应激从而使牛的采食量下降，最终使乳蛋白含量下降[15]。新疆气候干旱，表现为光热丰富，降水稀少，而黑龙江省属于寒温带季风气候，所以黑龙江地区样品蛋白含量略高于新疆，从而进一步推断1、2号样品来自黑龙江，3～6号样品来自新疆，这也正与实验的样品编号与地区相符。

表2 乳粉理化指标测定结果Table.2 The results of physical and chemical index of milk powder

乳脂肪是牛乳中比较容易发生变化的一个因素，从表2可以看出，各样品的脂肪含量差异较大，总体差异范围在0.27%～5.71%之间，除1、2号样品和6号样品外，其余各样品两两之间均差异显著，但是明显的变化趋势为3～6号样品中脂肪含量均高于1、2号样品0.33%以上。日粮的结构对乳脂率有显著的影响，有研究表明当日粮中精饲料含量高时有利于提高乳蛋白率，但却会使乳脂率降低[16]。结合前文的乳蛋白率可以推测，在特定的区域内，为了满足奶牛的健康生长，养殖人员采用一种特定的饲养模式，在这种条件下所产的牛乳也会带上区域的“烙印”。此外随着海拔高度的上升，牦牛乳脂肪呈现明显上升的趋势[1]。荷斯坦牛乳也可能存在这种现象。由此推断1、2号样品来源于黑龙江，3～6号样品来源于新疆，追溯实验样品编号发现判断与地区位置相符。

灰分主要反映的是乳中无机物的含量。表2反应出灰分的变化幅度较小，各样品灰分含量较为稳定，变化幅度在0.02%～0.32%，灰分受饲料的影响较小，各样品之间的灰分差异无明显的规律性，其溯源的价值需进一步与其他仪器分析手段及统计分析结合才能得以体现。

由表2可以看出，6个样品之间溶解度差异在0.09%～2.24%，变化相对稳定，但也呈现出一些规律，1、2号样品与3～6号样品之间差异显著，前者溶解度低于3～6号样品1.4%以上，而1、2号样品之间无显著差异，3～5号样品之间也无显著差异。乳粉的溶解度除了受加工工艺的影响外，原料乳的浓度、酸度和脂肪含量也会对乳粉的溶解性造成影响[17]。可以推断1、2号样品可能来源于同一地区，3～6号样品可能来源于同一地区。需与其他指标及统计分析相结合才能更好的体现其溯源价值。

2.2 红外光谱结果

对6个样品进行红外测定的FTIR光谱图结果见图1和图2。

图1 6种乳粉的FTIR分层平铺图Fig.1 FTIR layered spectra of 6 kinds of milk powder注：从上到下依次为1～6号样品。

从图1可以看出不同产地乳粉的图谱有很高的相似度，直观可见的差异较小。从图2则可发现各产地样品之间特征峰则存在一定的差异，所有的样品在3000～2800cm-1区域内都有两个明显的吸收峰出现，这是牛乳脂肪的特征峰，这两个峰分别在（2926± 1）cm-1和（2859±1）cm-1位置，它们分别是牛乳脂肪酸的亚甲基和甲基的C-H键伸缩振动峰，后者与样品中脂肪分子的大小和多少都有关系。表2结果显示各地区样品的脂肪含量差异显著，FTIR则是从微观上通过脂肪分子反映了不同地理来源样品的差异。在1700～1500cm-1区域包含了大量与蛋白质相关的信息，主要是蛋白质与蛋白质之间的相互作用以及蛋白质和水、离子等其他物质的相互作用的信息[18]。同样是从蛋白质的微观层面来反映地理差异。1200～900cm-1这个波数段表征的则是乳糖等糖类的相关信息。有研究人员分三个波段（3000～2800cm-1、1700～1500cm-1、1500～900cm-1）对奶酪进行扫描后识别原产地，效果良好[7]。本研究发现，6个样品图谱的上述三个波段也是差异存在的主要区域，蕴含着重要溯源线索。

图2 6种乳粉的FTIR光谱图Fig.2 FTIR spectra of 6 kinds of milk powder

2.3 检测结果的统计分析

将红外光谱特征峰相关信息和4种理化指标测定结果用SPSS 19.0做相似性分析，结果见表3。

表3 乳粉红外和理化指标的相似性矩阵Table.3 The similarity matrix of infrared and physiochemical indexes of milk powder

由表3可知，所有样品和自身的相似度为1。1号和2号样品相似度达到了0.992，而和3～6号样品的相似度均小于0.992，最低时仅有0.947。同样的，4～6号样品之间相似度也在0.991以上，尤其是4号和6号样品的相似度高达0.999。由此可以推断1、2号样品来源于同一个地区的可能性大，3～6号样品来源于同一个地区的可能性大，这也正与实验编号1、2来源于黑龙江，3～6号来源于新疆的实际情况相符。

将红外光谱特征峰相关信息和基础理化指标测定结果用SPSS 19.0做系统聚类分析（欧氏距离和最近邻元素），结果见图3。

图3 系统聚类树状图Fig.3 Dendrogram of hierarchical cluster analysis

由图3可以看出，经过5阶聚类后，所有的样品最终聚为一类。在欧氏距离为18.74时所有的样品可以明显的分为两个表征群，结合横坐标样品编号，其中一个表征群为4、6、5、3号样品，另一个表征群为1、2号样品，这也正与1、2号样品来自黑龙江，3～6号样品来自新疆相符，说明乳粉的红外光谱和理化指标结合聚类分析能够较好地区别其原产地。聚类分析是研究“物以类聚”的一类典型统计分析方法，在牛奶和奶酪的产地溯源中被广泛采用[2，19-20]，并且取得了较好的聚类效果，本实验的聚类正确率为100%。

3 结论

3.1两地乳粉的蛋白质、脂肪、灰分和溶解度具有一定的差异，尤其是蛋白质和脂肪含量与产品的地理来源呈现出一定的相关性，可以辅助进行产地识别。

3.2两个产区乳粉FTIR光谱反映了乳粉化学组成的复杂性和多样性，两地乳粉的特征吸收峰的差异为乳粉的产地识别提供了溯源线索。

3.3利用傅里叶变换中红外光谱和理化指标相结合，相关性分析和聚类分析可以识别不同产区乳粉的地理来源，对乳粉地理溯源研究具有很强的借鉴意义。

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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 *通讯联系人

梁晓琳（1986-），女，硕士研究生，研究方向：乳品科学。

国家自然科学基金项目（31071576）；广西大学科研基金项目（GXL090325）。