非线性化学指纹图谱法测奶粉中豆奶粉含量

  马永杰1*，董文宾2，樊成3，方悦2

  1．陕西科技大学化学与化工学院（西安710021）；2．陕西科技大学食品与生物工程学院(西安710021)；3陕西省产品质量监督检验研究所(西安710048)

摘要试验建立了一种利用非线性化学指纹图谱测定婴幼儿配方奶粉中掺杂豆奶粉含量的方法。先测定具有不同掺杂百分比的混合奶粉标样非线性化学指纹图谱，利用其诱导时间相对于掺杂豆奶粉含量之间的一元线性关系，通过最小二乘法，建立测定混合奶粉中掺杂豆奶粉含量的校正模型；然后用此模型和混合奶粉试样指纹图谱的诱导时间来计算混合奶粉中掺杂豆奶粉的含量，最后根据掺杂豆奶粉的含量来鉴别和定量评价奶粉质量。试验表明，该方法可以达到以下指标：测定值与真实值之间相关系数为0.997, RSD为0.35%~2.24%，回收率在91.25%~111,60%。方法准确度高，重现性好，操作简单，是一种切实可行的测定婴幼儿奶粉中掺杂豆奶粉含量的方法。

关键词  非线性化学指纹图谱；群集成分：婴幼儿配方奶粉：定量评价

 婴儿阶段是人生中具有重要意义的时期，母乳无疑是婴儿最理想的天然食品。当母乳缺乏时，以牛乳或羊乳为基乳的婴幼儿配方奶粉就成为母乳的替代品，用来补充婴幼儿的营养需求。然而，随着经济与科技的快速发展，市场上出现了种类繁多的婴幼儿配方奶粉，虽然广大消费者选择的范围变广了，但是食品安全问题也随之而来。从传统的掺水、掺淀粉、掺

尿素等，发展到掺水解动物蛋白、掺水解植物蛋白、掺植脂末等，甚至还掺人一些有毒物质如三聚氰胺。目前，不少商贩为了牟取暴利甚至把小品牌的配方奶粉或同品牌的豆奶粉、老年奶粉等加入大品牌婴儿配方奶粉中，以次充好，严重损害消费者的利益。并且这些掺杂配方奶粉在外观及形态上很难进行真伪辨别。目前，国家制定的常规检验方法大多是针对某假定的单一物质进行定性定量检测，如电泳技术、光谱技术、色谱技术、PCR技术、免疫学技术等。然而要实现多个项目的检测操作繁琐，尤其是对可能出现的未知物将难以评判。由于奶粉的成分很复杂，故仅凭若干个成分的分析指标来鉴别和质量评定，容易给假冒伪劣产品进入市场留下可乘之机。因此，建立一种成本低，操作简单，同时又能体现样品成分群集的整体信息的指纹图谱技术十分必要。

 群集成分分析是指由多种成分，包括多种单一成分和多类成分组成的复杂体系中各成分子集的分析。例如，羊奶中是否掺杂和掺杂了多少牛奶，人参粉末中是否掺杂和掺杂了多少桔梗，进口加拿大大麦中是否掺杂和掺杂了多少国产大麦，高价大品牌婴幼儿配方奶粉中是否掺杂了其它廉价配方奶粉或其它劣质奶粉，等等，诸如此类样品中成分子集的定性和定量分析问题都属于群集成分分析范畴。非线性化学指纹图谱技术就是样品中各物质的群集表征，是样本整体成分对反应体系的影响。近几年，非线性化学指纹图谱技术的理论和应用技术研究已取得广泛的发展，并报道了许多研究成果。为此，试验利用硫酸一丙酮一溴酸钠一硫酸锰一标样成分为反应体系，采用非线性化学指纹图谱技术群集成分分析方法，利用最小二乘一元线性回归法建立特征参数与掺杂奶粉含量的定量评价模型，对大品牌婴幼儿配方奶粉中掺杂同品牌的豆奶粉进行定量分析和质量评价，以此论证非线性化学指纹图谱技术在样品群集成分测定中应用的可行性与可靠性。

1  材料与方法

1.1试验仪器与材料

 MZ-1B型非线性化学指纹图谱测定仪：湖南尚泰测控科技有限公司生产；217型复合甘汞电极、213型金属铂电极：上海精密科学仪器有限公司；BS 224 S电子天平：上海精密科学仪器有限公司。

 1.00 mol/L硫酸、1.00 mol/L丙酮、0.80 mol/L溴酸钠和0.08 mol/L硫酸锰溶液：分析纯；水：二次蒸馏水。大品牌婴幼儿配方奶粉I（简称奶粉I）、同品牌的豆奶粉Ⅱ（简称奶粉Ⅱ）：陕西省产品质量监督检验研究所提供。

1.2试验方法

 准确称取适量的奶粉放于含有25.00 m L硫酸、12.00 m L丙酮、15.00 m L硫酸锰溶液和10.00 m L蒸馏水的反应器中，盖好带注射孔和电极的反应器盖。打开恒温系统调节反应器，温度设为50℃、恒速搅拌设定850 r/min．点击菜单采集数据，搅拌到3.00 min时用注射器迅速加入5.00 m L溴酸钠溶液。记录E-t曲线至电位E不再随时间f变化为止。利用Ma tlab软件确定所测奶粉指纹图谱的诱导时间，采用最小二乘一元线性回归法来建立诱导时间与掺杂奶粉含量的定量评价模型。

2结果与讨论

2.1体系中的成分对非线性化学指纹图谱的影响

 非线性化学反应包括化学湍流、化学振荡、化学波和化学斑图等，反应涉及众多基元反应，其反应机理较复杂。同时，体系对外来化学物质的影响比较敏感，任何物质的增加或减少都可能使反应机理发生改变，从而导致样品指纹图谱可量化参数发生改变，如诱导时间、最大波幅和停波时间等。在体系中，影响非线性化学指纹图谱特征信息的物质主要有4类，分别为反应底物、反应耗散物、共存与样品中的共存物质以及存在于体系中但并不参与任何化学反应的物质，其中，反应底物和反应耗散物是影响非线性化学指纹图谱的主要物质，这两类物质中任何一种物质的缺乏都不能产生非线性化学反应，从而不可能测得样品的非线性化学指纹图谱。四类物质对非线性化学指纹图谱特征信息的影响各不相同，其影响程度主要取决于体系中各物质影响反应的相对活性和这些物质的浓度。因此，非线性化学指纹图谱特征信息是体系中各物质不同程度共同作用的结果，反映的是样品中各物质的群集特征。

2.2奶粉非线性化学指纹图谱检测用量的选择

 非线性化学指纹图谱是一种建立在非线性化学反应基础之上的动力学指纹图谱。反应溶液中相关物质的浓度直接受样品检测用量的影响，当反应溶液体积相同时，对于同一样品来说，随着检测用量的增加，反应溶液中所含有的有效成分含量也随之增加。根据非线性化学指纹图谱的动力学性质，样品成分浓度的变化不仅会影响非线性化学反应的速度，而且可能导致反应机理与指纹图谱定量信息发生改变，也可能导致指纹图谱特征性有明显改变。因此，必须在合适的检测用量范围内才能测得指纹图谱。按“试验方法”测定了奶粉I的检测用量对其指纹图谱的影响。如图1所示，当检测量在0.40 g以下时，由于体系中样品提供的反应底物浓度太小，不足以引起非线性化学反应；随着检测量的增加，样品提供的反应底物浓度也在增多，当检测量超过1.3 g时，由样品带来的对基本非线性化学反应产生干扰和抑制作用，其它共存物质的浓度也随之增大，最终导致非线性化学反应被完全抑制，无法进行。通过大量试验测试，结果表明，在0.40～1.30 g范围内，可测得配方奶粉的指纹图谱。因此，综合考虑，一方面要使指纹图谱特征性尽可能强、信息量尽可能大、测定时间尽可能短，另一方面还要使定量参数对掺杂含量的变化敏感且易于确定，故试验检测用量选用0.85 g为最佳。

2.3奶粉指纹图谱的基本信息和重现性

 非线性化学指纹图谱拥有丰富的直观信息和可量化信息，其直观信息中包含诱导曲线、波动曲线、波峰形状和电位漂移曲线等；而可量化信息即特征参数包含峰谷电位（E can、峰谷时间(t can峰顶电位(E pet、峰顶时间(t pet)、诱导时间(t ind)、起波电位（E uns、停波电位( E une)、停波时间(t une)、平衡电位(E equ)、平衡时间(t equ)、波动幅度（△E und）、最大波幅（△E mas）、波动寿命(t und)、波动周期(tund)和波数(n wav)等，如奶粉I的非线性化学指纹图谱的相关特征信息见图2。

 按试验方法，在同一检测条件下，测定了奶粉I和奶粉Ⅱ的非线性化学指纹图谱，各样本平行测定3次。图3表明，各种奶粉非线性化学指纹图谱均有很好的特征性和重现性。同品牌不同种类的奶粉因其成分种类和浓度差异，其指纹图谱表现出相应的差异。奶粉的成分及其浓度的差异越大，其指纹图谱特征信息的差异就越大；反之，相应指纹图谱的差异就越

小。从图3可知，奶粉I指纹图谱的诱导时间较长，诱导曲线轮廓左端下凹的趋势幅度较大，停振时间较长；相比较而言，奶粉Ⅱ指纹图谱的诱导时间较短，诱导曲线轮廓左端下凹的趋势幅度较小，停振时间较短。因此，直接利用这些指纹图谱明显的直观特征差异就可将奶粉I和奶粉Ⅱ区别开，同时其良好的重现性和特征性为掺杂定量分析提供了必要条件。

2.4奶粉掺杂定量测定方法研究

 同一品牌婴幼儿配方奶粉和豆奶粉的纯品指纹图谱的特征各不相同，差异性明显。当同品牌的奶粉I和奶粉Ⅱ互掺时，其混合奶粉指纹图谱特征与各种纯品的特征也明显不同。为此，试验以奶粉I为主，分别向其中掺杂不同百分含量的奶粉Ⅱ，测定混合奶粉的指纹图谱，利用这些指纹图谱的特征参数（如诱导时间）与混合奶粉中掺杂量之间的线性回归关系模型，对相应指纹图谱进行鉴别和掺杂含量的定量评价。

2.4.1不同掺杂量对奶粉指纹图谱特征信息的影响

 将奶粉I与奶粉Ⅱ按不同比例混合成标样系列后，采用0.85 g检测用量，按“1.2试验方法”测定其指纹图谱。奶粉I与奶粉Ⅱ互掺百分含量对指纹图谱特征信息的影响见图4。由图4可知，奶粉I中掺杂的奶粉Ⅱ的含量对指纹图谱的定量信息诱导时间有规律性影响，呈良好的线性关系。

2.4.2掺杂的混合奶粉指纹图谱信息定量鉴别和评价模型的建立

 由图4可知，奶粉I与奶粉Ⅱ互掺后，其指纹图谱中定量信息如诱导时间与掺杂量成线性关系，这些信息为定量鉴别样品和测定其中掺杂奶粉的含量提供了条件。试验采用最小二乘一元线性回归法来建立奶粉I与奶粉Ⅱ互掺形成的混合奶粉定量鉴定评价模式。研究结果表明，掺杂奶粉非线性化学指纹图谱的定量参数信息诱导时间( t ind)与奶粉Ⅱ掺杂量C成线

性关系，即t ind=KC+B。为了方便，将指纹图谱定量信息诱导时间t ind统一用y表示。欲利用样品非线性化学指纹图谱中的定量信息求得掺杂奶粉中的掺杂量，必先求出参量系数K和B。

  设C和Yi（i =1，…，n）分别为第i个婴幼儿配方奶粉标准样品中掺杂奶粉百分含量及相应指纹图谱的定量信息参数值。于是，由n个已知试验点数据C i和Y i,可建立一元线性拟合方程(1)。

 Y = KC + B (1)

  式中：K和B可利用最小二乘法求出其估计值k和b，代入公式(1)即可获得其具体形式，即校正模式为公式(2)。

 =k C + b (2)

  相应的是Y的估计值。利用公式(2)和混合奶粉样品测得的指纹图谱的定量信息值就可计算或预测婴幼儿配方奶粉样品中掺杂奶粉的百分含量。

 根据最小二乘法的实质是当线性方程函数真实值Y与估计值Y勺偏差平方和最小时，此时的参量估计值最佳，如公式(3)所示。

 当用n个标样求k和b时，试验点数目，n和n个试验点数据C i和Y i的值都是已知的，故解方程组式(5)就可求出k和b，代人一元线性拟合方程式(2)就校正完毕，用公式(2)和婴幼儿配方奶粉未知样品指纹图谱中相应定量信息值就可计算或预测婴幼儿配方奶粉中掺杂其它奶粉的含量。故公式(2) =k C+ b可作为大品牌婴幼儿配方奶粉分别与其它品牌奶粉或劣质奶粉互掺混合物指纹图谱定量鉴别和评价的通用模型。

2.4.3用定量鉴别和评价模型预测混合奶粉中掺杂奶粉的含量

 为了验证试验的可行性以及可靠性，根据定量鉴别评价的通用模型，用非线性化学指纹图谱信息和最小二乘一元线性回归法测定了奶粉I与奶粉Ⅱ按不同比例混合成混合奶粉以及纯奶粉的指纹图谱定量信息，求得了混合奶粉的掺杂含量，测定结果及其精密度和准确度见表1。由表1可知，各种混合奶粉中掺杂含量测定结果的相对偏差绝对值≤2.24%，回收率在91.25%～111.60%之间。这表明用非线性化学指纹图谱信息和最小二乘一元线性回归法测定混合掺杂婴幼儿配方奶粉中的掺杂量时，方法准确度和精确度较高。图5表明，混合奶粉中豆奶粉含量的测定值与真实值相关性很好，无过拟合现象。

 因检测过程和仪器分析测定数据存在偶然误差及其波动性，当掺杂的豆奶粉含量C计算结果接近0但不一定等于0时，可以把混合奶粉认为是纯品婴幼儿配方奶粉；当计算结果接近100%但不一定等于100%时，可以把混合奶粉认为是纯豆奶粉；当计算结果居于两者之间时，可认为混合奶粉中有相应程度的掺杂奶粉存在，同时可利用计算值对掺杂奶粉进行准确的质量评价。

3结论

 试验利用非线性化学指纹图谱技术对婴幼儿配方奶粉中掺杂豆奶粉的含量进行定量分析，同时根据混合奶粉的非线性化学指纹图谱诱导时间与掺杂的豆奶粉含量之间的定量关系，采用最小二乘一元线性回归法，利用混合奶粉标样及其非线性化学指纹图谱信息拟合得到回归方程，用通用模型来测定婴幼儿配方混合奶粉中豆奶粉的含量。试验结果表明，采用非线性化学指纹图谱技术群集成分分析方法，对大品牌婴幼儿配方奶粉中掺杂同品牌的豆奶粉进行定量分析和质量评价，其方法可行，同时分析结果具有较高的精密度和准确度。该通用模型还可用于准确鉴别同品牌不同批次的婴幼儿配方奶粉中掺人豆奶粉的含量，可作为定量鉴别婴幼儿配方奶粉掺杂检测的通用模型。该方法具有操作简单和分析成本低廉的优点，同时对食品掺杂的定性和定量分析以及打假防伪具有重要作用，具有良好的应用前景。