基于激光拉曼光谱快速无损检测牛油果油的研究

张凤娟，黄敏，刘振方

(1.无锡科技职业学院物联网技术学院，江苏 无锡 214028;2.江南大学轻工业过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

1 引言

牛油果油又称鳄梨油，是采用高科技技术从非洲植物果实牛油果中提炼出来的天然油脂[1]。特级初榨牛油果油含有丰富的维生素、肉桂酸、植物甾醇、抗氧化物以及大量的不饱和脂肪酸等物质[2-3]，不仅是理想的烹饪油脂，而且还具有极佳的美容功效、天然保健功效[4-6]，在西方被誉为"植物油皇后"称号。目前，在中国牛油果油也逐渐成为现代人的健康食用油的新油宠。由于牛油果油价格是普通食用油价格的几倍甚至几十倍，在商业利益的驱使下，近几年市场上销售的牛油果油存在严重的掺假行为，影响了消费者的切身利益，因而找到一种快速有效检验牛油果油品质优劣的方法是目前牛油果油市场亟待解决的问题。

现阶段，对食用油品质进行检测的最传统方法主要有质谱法、气相色谱法、液相色谱法等常规理化方法[7-9]，这些方法由于具有操作过程繁琐、速度慢、耗时长且所需仪器昂贵等缺点，故无法对食用油进行快速有效的现场检测。目前，光谱检测方法在食用油品质检测中越来越受到人们的青睐，如近红外光谱法、中红外光谱法、紫外光谱法及拉曼光谱法等[10-12]。在这几种光谱检测方法中，由于拉曼光谱具有优秀的指纹识别能力，能够检测出物质结构的细微变化，因此在食用植物油种类识别及品质快速检测方面得到越来越广泛的关注和研究[13-15]。王利军等[16]应用激光拉曼光谱快速鉴别花生油掺杂棕榈油，郭鹏程等[17]利用激光拉曼光谱快速检测灵芝孢子油。

目前，采用激光拉曼光谱对牛油果油进行种类识别及真伪鉴别的文献还尚未见报道。本论文采用便携式激光拉曼光谱仪，对牛油果油等6种油脂进行拉曼光谱测定和光谱处理，发现了牛油果油独有的两个激光拉曼峰以及优越的不饱和度参数，建立了牛油果油掺假判别的定性分析方法，对21份牛油果样品油拉曼光谱与原油进行比较，发现了1个疑似掺假油样品,并利用脂肪酸分析法得到了进一步的确认。

2 实验测量

2.1 样品来源

100%牛油果油(avocado oil)由江苏某大型油料公司提供，是新西兰进口上等品质的牛油果通过高速离心机冷榨而成；某品牌的棕榈油(palm oil)、玉米油(corn oil)、芥花籽油(canola oil)、核桃油(walnut oil)、亚麻籽油(flax seed oil)均从当地各大型超市购入。从缅甸、泰国、新西兰、墨西哥四个国家进口的21份待测牛油果油，部分购买于当地各大型油品专卖店，部分购买于网络，样品信息如表1所示。

表1 待测牛油果油样品信息表Table.1 Information of olive oil to be tested samples

2.2 仪器和试剂

仪器1：便携式拉曼光谱仪(ProTF-EZ RamanAg)，稳频激光光源：波长为785 nm，激光功率：0～500 mW之间连续可调；扫描范围：250～2500 cm-1;光谱分辨率：6 cm-1;积分时间：10 s;积分次数：5次。

仪器2：气相色谱仪(GC-2014，日本)：配FID-2014氢焰离子化检测器，AT.SE-30毛细管色谱柱(25 m×0.20 mm×0.25 μm)37种脂肪酸组成标准品，美国NU-CHEK;分析纯：甲醇、氯化钠、无水硫酸钠、正己烷、95%乙醇等。

2.3 样品拉曼光谱测定

油样品拉曼光谱测定与数据分析：将规格为3 mL的空样品瓶放入检测池中进行检测扫描，得到的光谱谱图如图1所示。扣除空样品瓶背景，吸取2 mL待测油样品放入样品瓶中，将装有待测样品的样品瓶放入激光拉曼光谱仪的样品室进行检测(仪器检测条件见2.2)，获得待测油脂拉曼光谱图。采用Matlab2019a分析软件对获得的拉曼光谱图进行基线校正、平滑滤波、归一化等处理，读出每种待测样品拉曼谱峰所对的强度值，找出牛油果油所独有的拉曼特征峰及各样品的不饱和度参数。

图1 空样品瓶的拉曼光谱谱图Fig.1 Raman spectra of empty sample bottle

2.4 样品脂肪酸组成分析测定

样品甲酯化处理与分析测定：吸取油样0.3 mL,加入0.5 mol/L的KOH-甲醇溶液5mL，水浴锅加热至油滴消失，加入三氟化硼甲醇溶液5 mL煮沸，再加入3 mL正己烷萃取，取上清溶液2 mL冷藏，GC-FID分析，测其响应值。根据保留时间定性，用峰面积归一化分析定量。计算出各组分脂肪酸含量，从而对饱和脂肪酸(SFA)、单不饱和脂肪酸(MUFA)、多不饱和脂肪酸(PUFA)、进行统计分析。

色谱柱工作条件：载气为纯度99.99%氮气；FIT检测温度为250 ℃；进样口温度为230 ℃，分流进样，分流比为35∶1，进样量1 μL；程序升温方式从70 ℃初温以6 ℃/min的速度升到145 ℃，保持2 min,以2 ℃/min升至175 ℃，保持5 min，再以3 ℃/min升至225 ℃。

3 结果与分析

3.1 牛油果油原油与棕榈油等5种油样品原始拉曼光谱图分析

对包括牛油果油等6种油样品进行光谱扫描，得原始拉曼光谱图如图2所示。

图2 牛油果油等6种油样品的原始拉曼光谱谱图注：由上至下依次为:亚麻籽油、棕榈油、牛油果油、核桃油、玉米油、芥花籽油Fig.2 The original Raman spectra of 6 oil samples such as avocado oilFrom top to bottom is flax seed oil,palm oil,avocado oil,walnut oil,corn oil,canola oil

从图2可以看出，这6种食用油样品的原始拉曼光谱比较相似，在800 cm-1～2000 cm-1拉曼位移范围内有八个共同拉曼峰，它们分别是868、968、1072、1260、1296、1436、1654和1743 cm-1。位移值为868 cm-1和1082 cm-1的拉曼光谱峰来自于-(CH2)n-基团的C-C键伸缩振动特征峰；位移值为960 cm-1的拉曼光谱峰来自于反式RHC-CHR基团中的C=C键弯曲振动特征峰；位移值为1296 cm-1和1436 cm-1的拉曼光谱峰是-CH2基团中的C-H键弯曲振动特征峰，代表饱和官能团；位移值为1260 cm-1和1654 cm-1的拉曼光谱峰分别是来自于顺式RHC-CHR基团中的=C-H键弯曲振动、C=C键伸缩振动特征峰，代表不饱和官能团；位移值1760cm-1的拉曼光谱峰是RC=OOR基团中的C=O键伸缩振动特征峰。从图2发现，虽然六种油的拉曼光谱大体相似，但是这些拉曼峰在细微处存在一定差别，特别是牛油果油的拉曼光谱与其它5种拉曼光谱相比有两处独有的较弱特征拉曼峰(箭头指示位置)，由于原始拉曼峰的清晰度受基线影响较大，为了更清晰得比较牛油果油拉曼光谱与其它5种拉曼光谱之间的区别，把几种油光谱进行进一步处理。

3.2 牛油果油原油与棕榈油等5种油样品归一化拉曼光谱图分析

图3是把6种油光谱利用matlab2019a软件进行基线去除、平滑滤波、归一化等处理之后的图形。

经过归一化等处理后的光谱图与原始谱图比较有了很大改善，各种物质的特征峰变得清晰且易于鉴别。从图3的6种油样光谱图发现，6种油除了共有的8个拉曼位移峰之外，每种油都呈现出有别于其他油的独特的细微结构，有差别的微小拉曼峰共有6个，它们的位移值分别为917、1012、1115、1365、1523和1850 cm-1，各峰归属及归一化后的信号强度见表2。

从表2可以看出，其中1115 cm-1和1523 cm-1拉曼峰为牛油果油所特有，这两个拉曼峰与类胡萝卜素有关,是由类胡萝卜素等高度共轭化合物的C=C的伸缩振动引起的，类胡萝卜素被认为是牛油果油所含的特有成分，具有抗氧化的性质。所以，牛油果油与其它几种油相比，含有特有的微量成分，可作为牛油果油的特征峰，用来快速鉴别牛油果油。从图3中的6种油样光谱图还发现，虽然光谱图大体相似，各拉曼峰的相对强度有一定差别，特别是代表不饱和官能团的1260 cm-1拉曼位移处的峰值相对强度各油样差距较大，将油脂在1296 cm-1(-CH2基团中的C-H键弯曲振动)和1260 cm-1(顺式RHC-CHR基团中的=C-H键弯曲振动)的特征峰强度比值I1296/I1260,做为衡量油脂不饱和度大小的参数。I1296/I1260,比值越大，说明油脂中不饱和键含量越高，不饱和程度越高；反之，油脂不饱和程度越低。图4给出了6种油样的I1296/I1260比值。

图3 经过处理后的6种油样光谱图。(a)牛油果油；(b)棕榈油；(c)玉米油；(d)芥花籽油；(e)核桃油；(f)亚麻籽油Fig.3 Spectrogram of six oil samples after treatment (a)avocado oil;(b)palm oil;(c) corn oil;(d) canola oil;(e) walnut oil;(f) flax seed oil

图4 不饱和度参数I1296/I1260比值Fig.4 Unsaturation parameter I1296/I1260

表2 有差别的6个拉曼峰相对强度Table.2 The relative intensities and attribution of the six Raman peaks

可以看出，各种油品的不饱和度参数I1296/I1260都不一样，且比值差异明显，牛油果油不饱和度参数最大，说明牛油果油含不饱和键最多，不饱和程度最大，因而通过I1296/I126也可以很好的用来快速检测出牛油果油。

3.3 实际样品测试

利用拉曼光谱对泰国、缅甸、新西兰、墨西哥进口的21份牛油果油进行检测，读取牛油果油所独有的特征峰1115 cm-1和1523 cm-1的拉曼相对强度值以及代表油脂不饱和度比值参数I1296/I1260，结果见表3。

表3 牛油果油测试样品在1115 cm-1和1523cm-1处的拉曼相对强度以及I1296/I1260Table.3 Avocado oil test samples at 1115 cm-1 and 1523cm-1 for Raman relative strength and I1296/I1260

测试结果发现21份牛油果油测试样品中除了7号样品，其他20份牛油果样品的拉曼光谱图的特征峰相对强度以及不饱和度参数与牛油果原油非常接近，包括原油在内的这21个样品中，位移值为1115 cm-1处特征峰相对强度最大值是0.175，最小值是0.159，平均值是0.168；位移值为1523 cm-1处特征峰相对强度最大值为0.161，最小值是0.148，平均值是0.155；不饱和度参数I1296/I1260的范围在1.68～1.49之间。对于样品7，1115 cm-1处特征峰相对强度较小，1523 cm-1处特征峰相对强度几乎为零。而且样品7的不饱和度参数I1296/I1260与平均值相比差距较大。7号样品与牛油果原油的去除基线后的拉曼光谱对照图如图5所示，这些光谱特征表明，7号样品可能混入了其他廉价油的成分，下一步通过脂肪酸组成测试进一步验证并确定可疑样品。

图5 牛油果原油(a)与样品7(b)拉曼光谱图的比较Fig.5 Comparison of the Raman spectra of avocado crude oil (a) with samples 7(b)

3.4 脂肪酸组成测试验证可疑样品

为了进一步验证可疑样品，参照GB/T17376-2008利用气相色谱法对包括原油在内的22个油样品进行脂肪酸组成定量分析，经面积归一化法计算各组分的含量，22个牛油果油的脂肪酸主要组成成分及含量见表4。

表4 牛油果油样品的主要脂肪酸含量比较Table.4 Comparison of main fatty acid content in avocado oil samples

由表4可知，棕榈酸、棕榈-稀酸、油酸和亚油酸这4种脂肪酸占牛油果油脂肪酸总含量的96%以上。除了这4种脂肪酸，分析发现牛油果油所含有的其他脂肪酸成分为：硬脂酸、亚麻酸、花生酸、花生-稀酸、木胶油酸、二十四碳-稀酸等(表中未列出)。根据各脂肪酸含量比例计算出每份油样的不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的含量比值，发现：除了样品7之外，不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸比值最大为6.54∶1，最小值为4.63∶1，平均值为5.48∶1。而样品7的不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸比值是2.18∶1，远远低于牛油果油的平均水平，这与前面的拉曼光谱分析结果完全吻合，由此进一步确认了7号牛油果油为可疑样品。

4 结论

采用便携式激光拉曼光谱仪，分析比较了牛油果油与棕榈油、玉米油、芥花籽油、核桃油及亚麻籽油拉曼光谱的区别，发现：与其他5种油相比，牛油果油具有位于1115 cm-1和1523 cm-1处峰强较弱且独有的两个特征拉曼峰，而且牛油果的不饱和度参数值I1296/I1260比其他5种油高出很多。利用牛油果油拉曼光谱的这两个特点，足以快速检测出牛油果油。同时利用拉曼光谱对21种牛油果油实际样品进行检测，发现有1个样品拉曼光谱与牛油果原油拉曼光谱差别较大，可能存在掺假行为，疑似掺假样品通过脂肪酸检测方法得到了进一步的确认。便携式激光拉曼光谱仪可以对牛油果的真伪进行无损、快速、现场检测。