低场核磁共振结合主成分分析法快速检测掺假牛乳

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1、第9期姜潮等：低场核磁共振结合主成分分析法快速检测掺假牛乳#低场核磁共振结合主成分分析法快速检测掺假牛乳姜潮，韩剑众，范佳利，田师一（浙江工商大学食品质量与安全系，浙江省食品安全重点实验室，杭州310035）摘 要：以掺假牛乳样品为低场核磁共振检测对象，利用主成分分析法（PCA ）分析处理 Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG ）序列的检测数据，旨在探求一种能有效分析处理样品弛豫数据的快速方法，并用于牛乳品质的监控。对几种 常见掺假形式的（掺入水、食盐、尿素、豆浆等）牛乳样品、复原乳以及纯牛乳样品进行了检测和评价。试验结果表明： 纯牛乳和掺入不同物质的掺假牛乳在主成分得

2、分图上可以得到很好的区分；纯牛乳、复原乳及其混合乳也得到了有效的 辨识；同时各种掺假牛乳样品随掺假物质的掺加比例在图中呈规律性分布。PCA法可用于快速分析处理低场核磁共振数据，低场核磁共振结合 PCA法在乳制品的质量控制及评价中具有较大的应用潜力。关键词：主成分分析法（PCA），无损检测，品质控制，低场核磁共振（ LF-NMR），掺假牛乳，CPMG序列doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2010.09.056中图分类号：TS252.7文献标志码： A文章编号：1002- 6819（2010）-09- 0340-05姜潮，韩剑众，范佳利，等.低场核磁共振结合主成分分析法快

3、速检测掺假牛乳J.农业工程学报，2010, 26（9）:340-344.Jiang Chao, Han Jianzhong, Fan Jiali, et al. Rapid detection of adulterated milk by low field-nuclear magnetic resonance coupled with PCA methodJ. Transactions of the CSAE, 2010, 26（9）: 340 344. （in Chinese with English abstract） 1 94-201 I China Academic Jaumal E

4、lectronic PuWishing House. All rights reserved, http:ki.iidt第9期姜潮等：低场核磁共振结合主成分分析法快速检测掺假牛乳# 1 94-201 I China Academic Jaumal Electronic PuWishing House. All rights reserved, http:ki.iidt第9期姜潮等：低场核磁共振结合主成分分析法快速检测掺假牛乳3410引言牛乳营养价值极高，受到人们广泛青睐。然而，牛 乳掺假、掺杂现象普遍，已经导致了严重的食品安全问 题。国标方法检测周期较长且操作繁琐，不大适合实际 生产中大批量的

5、抽样检测。现有的对各种掺假牛乳的检 测基本采用理化方法，大多需要复杂的样品处理过程， 而且只能对特定掺假物进行检测。目前市场上也有多指 标乳成分快速检测的仪器，如丹麦 FOSS公司及美国 Bently公司，都是利用傅里叶红外原理，但价格昂贵，一 般企业和牧场无法使用。因此，研究价格低廉、方法简 便的牛乳掺假掺杂快速检测技术，具有十分重要的意义。 低场核磁共振仪不仅价格低廉（只有上述仪器价格的 1/3），而且分析检测方法快速、高效、无损，可得到食 品中水分和脂肪等的流动性及分布状态等重要信息2-9。它具有以下特点10:迅速、准确；测定样品时不需 要侵入样品内部，对样品不产生污染与破坏；一般不 受

6、样品状态、形状和大小的限制；能够实时在线测量， 获得样品在时间和空间上的信号信息。目前低场核磁共 振技术主要用于纵向弛豫时间（）、横向弛豫时间（T2） 以及自扩散系数的测量，尽管已在生鲜猪肉持水性11、收稿日期：2010-01-23 修订日期：2010-09-20基金项目：浙江省“重中之重”项目子项目（ZZ05-07）；浙江省高校中青年 学科带头人专项经费 作者简介：姜潮（1988），男，河南商丘人，主要研究方向：食品质量与 安全。杭州 浙江工商大学食品与生物工程学院，310035。Email: yeguziya通信作者：韩剑众（1963 ），男，浙江宁波人，博士，教授，博士生导 师，主要从事

7、肉品品质与安全控制研究。 杭州 浙江工商大学食品质量与安 全系，310035。Email: Hanjz99面制品加工和贮藏12及米制品品质13等方面进行了应用 研究，并取得了较大进展，但由于仪器本身的分析软件 一般是通过离散式指数非线性拟合或分布式指数拟合等 所谓的反演，很难用简单的弛豫时间来反映被测体系的 整体特征变化。作为化学计量学中模式识别重要分析工 具的主成分分析技术，利用特征分析的数学方法对数据 阵求取特征值，将数据降维，在消除众多信息共存中相 互重叠的信息部分而不丢失信息，不仅可简约数据，而 且有助于对测量数据的解释、理解、判别和聚类，特别 适合于液相掺假体系（如牛乳）的特征区分。

8、本文利用低场核磁共振分析仪，以纯牛乳及不同形 式的掺假牛乳为对象，结合PCA法分析处理反应样品驰 豫特性的CPMG回波数据，对其品质特性进行评价，为 核磁共振结合PCA法在牛乳品质评价和控制中的应用提 供试验依据。1材料和方法1.1 材料与设备考虑到不同品牌、不同产地和不同加工工艺对牛乳 和乳粉的影响，试验中选用同一品牌的纯牛乳和全脂乳 粉。市售纯牛乳，每100 mL牛乳中的蛋白质质量约为 3.0 g；全脂乳粉，每100 g乳粉中的平均蛋白质质量约为 24 g；市售豆浆；NaCI（食盐）、尿素均为分析纯试剂（杭 州汇普化工仪器有限公司）；水（蒸馏水）；NM120型核磁共振分析仪（上海纽迈电子科

9、技有限公司）；磁力 搅拌器（杭州仪表电机有限公司）；AR2140型电子天平 （美国OHAUS ）； HH-6型数显恒温水浴锅（国华电器 有限公司）；Dragonmed移液枪（上海大龙医疗设备有 限公司）；FA25型高剪切分散乳化机（上海华研仪器设 备有限公司）。1.2 试验方法1.2.1 样品准备掺水样品的配制：在纯牛乳中掺入不同体积的水， 按掺水体积的不同分为 5组，即：纯牛乳、掺水体积分 数分别为10%、20%、30%、40%的混合乳。掺食盐样品的配制：分别称取 0、0.3、0.6、1.2 g食 盐溶于5 mL水中，加入到45 mL纯牛乳中制成4个掺假 乳。掺豆浆样品的配制：纯牛乳掺入豆浆

10、的配制同掺水 样品的配制。掺尿素样品的配制：称取5 g尿素溶于20 mL水中配 成尿素工作液。分别吸取0、2、4、6、8、10 mL加入到 50、48、46、44、42、40 mL纯牛乳中制成6个掺假乳。纯牛乳掺入复原乳样品的配制：将123 g全脂乳粉溶 于1 000 mL水（65C）中，用高剪切分散乳化机乳化均 质，得到均匀的复原乳，其蛋白质质量浓度约为 2.95 g/（100 mL），与纯牛乳的蛋白质质量浓度相近。将纯 牛乳和复原乳按以下体积比例混合， 分为6组，即:100% 纯牛乳、80%纯牛乳和20%复原乳的混合乳、60%纯牛乳 和40%复原乳的混合乳、40%纯牛乳和60%复原乳的混

11、合乳、20%纯牛乳和80%复原乳的混合乳、100%复原乳。按以上方法配制的所有试验样品用磁力搅拌器混合 均匀后，用移液枪吸取0.5 mL放入核磁管中，32C（仪 器工作温度）水浴5 min后进行检测。1.2.2 样品检测CPMG序列检测参数D1 = 1 200 fS （D1 90与180脉冲间隔时间），D0 = 3 000 ms （D0脉冲重复序列时间），TD =32 768 （TD采样点数），SW= 50.0 kHz（S 采样频率）， NS =32 （NS累加次数）。每组5个重复样品，每个样品重复测定 3次，求平 均值，作为这一样品的检测结果。1.3 数据处理与分析图1为典型牛乳以及掺杂不同

12、成分牛乳的 CPMG回 波峰点图，掺杂不同成分的牛乳与典型牛乳的CPMG回波峰的曲率和信号强度之间存在一定的差异。常规处理 方法为通过离散式指数非线性拟合、分布式指数拟合等 方法，确定与样品中水分结合状态具有一定相关性的横 向弛豫时间T2,由于水分结合状态与样品的品质直接相 关，因此可以利用T2大小评价样品品质。但是，往往夹 杂在图1回波峰400 ms之后的随机噪音值，能够较大地 影响T2拟合结果的稳定性，因此，针对牛乳等回波峰在 400 ms之后有较大随机噪声值的许多复杂样品体系，仅 仅利用T2无法实现不同样品的区分与比较。主成分分析法（PCA）是模式识别中最基本的多元 统计分析方法14。它

13、是在保留原始变量主要信息的前提 下，将多变量的信息进行数据转换和降维，并对降维后 的特征向量进行线性分类，最后在 PCA分析的散点图上 显示样品之间的整体品质差异。主成分分析具有计算速 度快，表征结果简洁明了等优点。图1典型牛乳以及掺杂牛乳样品的 CPMG回波峰点图Fig.1 CPMG echo peak amplitudes of milk sample本文利用主成分分析的方法，将一个样品检测的 CPMG回波峰点数据作为多个变量列为一行，一个行向 量代表一个样品。将不同形式掺假样品检测的CPMG回波峰点数据放在一起，形成nx p维的原始数据矩阵D。 n为样品数量，p为CPMG回波峰点数。然后

14、，利用主成 分分析技术，根据方差最大原理对数据矩阵 D进行分析D =TX L式中：T n x m维矩阵，n 样品数量，m主成分数；Lmx m维矩阵。根据主成分分析原理，T矩阵即为主成分得分矩阵， 第一列为主成分1,第二列为主成分2。将T矩阵第一列 和第二列进行作图，即为主成分得分图。利用主成分分 析结果，可以将样品的CPMG回波峰数据在主成分得分 图上以一个点代表一个样品，5个点形成的区域面积代表 样品整体品质差异，进行简洁明了的表征。主成分分析使用SPSS11.0软件。2结果与讨论2.1 掺入水、食盐、豆浆、尿素及复原乳样品的低场核 磁共振检测掺水是最直接、最常用的牛乳掺假方法。为了提高 掺

15、水牛乳的密度，往往随后加入食盐。为增加乳汁的稠 度向牛乳中加入豆浆。为了解决奶源不足，则向牛乳中 添加复原乳。而掺入尿素则可以提高牛乳中的检测蛋白 含量。按照1.2.1中的试验方法配制5种常见形式的掺假牛 乳样品，对检测数据进行主成分分析，结果见图2ae。图中主成分1和主成分2上包含了在PCA转换中得到的 主成分1和主成分2的贡献率。贡献率越大，说明主要 成分可以较好的反映原来多指标的信息。一般情况下， 总贡献率超过70%85%的方法即可使用15。图中每一 个圈代表这种样品的整体特性，其中5个记号点分别代表此样品的5个重复样品。不同样品的类间品质差异可 以通过主成分得分图上的间隔距离表征，两类

16、样品的间 隔越远说明其品质特性差别越大。图 2a中主成分1和主 成分2保留了 99.1%的原始数据信息，其中主成分1包含 1 94-201 I China Academic Jaumal Electronic PuWishing House. All rights reserved, http:ki.iidt343农业工程学报2010年的信息量为93.0%,对不同掺水比例的牛乳样品进行了很 好的区分，随掺水体积比例增加，样品的分布在主成分1 轴上从左向右推移。图2b中，主成分1和主成分2保留 了 93.9%的原始数据信息，纯牛乳与掺假组在主成分1轴上可以得到很好的区分，表明掺食盐牛乳与纯牛乳样

17、 品间存在明显的品质差异。掺入水和不同质量食盐的样 品的差异可以在主成分2轴上反映出来，其中添加0.3 g 和0.6 g食盐的样品分布出现部分重叠。图 2c、d分别显 示了添加不同体积比的豆浆和尿素工作液牛乳样品主成 分得分的分布情况，得到了与掺水样品类似的试验结果。 从图2 c、d中可以看出在主成分1轴上，可以有效地区 分纯牛乳和添加豆浆或尿素工作液的掺假样品；同时在 1 94-201 I China Academic Journal Electronic ?ubishing Huuse. All rights reserved, http:/?WU ivAnki.iidt#农业工程学报20

18、10年 1 94-201 I China Academic Journal Electronic ?ubishing Huuse. All rights reserved, http:/?WU ivAnki.iidt#农业工程学报2010年一“*-:上或 二恂水40%a她T，乳憧半軋*水*吨牛乳水+OJgWfto慷g*瞠半fl 水 1 94-201 I China Academic Journal Electronic ?ubishing Huuse. All rights reserved, http:/?WU ivAnki.iidt#农业工程学报2010年095t.00.5 l.d 1.5

19、 3JJl(RK9X0K 1 94-201 I China Academic Journal Electronic ?ubishing Huuse. All rights reserved, http:/?WU ivAnki.iidt#农业工程学报2010年 1 94-201 I China Academic Journal Electronic ?ubishing Huuse. All rights reserved, http:/?WU ivAnki.iidt#农业工程学报2010年?-丐老jtswt=娅牛孔揪川1叫o能口装剜、口样卩幫JOT*AuvIflNV0感半乳*2讥a* era$押

20、汁？作渚* (RiTfl.*6mL範邛 3l+NmL能素r.ft!A 1 94-201 I China Academic Journal Electronic ?ubishing Huuse. All rights reserved, http:/?WU ivAnki.iidt#农业工程学报2010年 1 94-201 I China Academic Journal Electronic ?ubishing Huuse. All rights reserved, http:/?WU ivAnki.iidt#农业工程学报2010年-13 -t.O0(J.51.0.52.0-2fl -IJ -1

21、JD -0.5 U5 IQ 15 刮1( KKJ%) 1 94-201 I China Academic Journal Electronic ?ubishing Huuse. All rights reserved, http:/?WU ivAnki.iidt#农业工程学报2010年 1 94-201 I China Academic Journal Electronic ?ubishing Huuse. All rights reserved, http:/?WU ivAnki.iidt#农业工程学报2010年=i.-.wr 三二二 q .o捷牛乳A * LOK覽廉乳 *律4(Ri埴匝乳

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23、和主成分2得分图Fig.2 PC1 and PC2 scores of pure milk and different adulteration samples 1 94-201 I China Academic Journal Electronic ?ubishing Huuse. All rights reserved, http:/?WU ivAnki.iidt第9期姜潮等：低场核磁共振结合主成分分析法快速检测掺假牛乳345* 魁牛IL*躺汕It年瞋4梟hYL蚪半扎* 术 4J+主成分1轴上，随豆浆或尿素工作液添加体积比的增加， 各组样品分布均由左向右呈规律性推移。图 2e中，主成 分1

24、和主成分2保留了 80.3%的原始数据信息，纯牛乳与 掺假组在主成分2轴上可以得到很好的区分，其中纯牛 乳与100%复原乳也得到了很好的区分，表明掺复原乳牛 乳及100%复原乳与纯牛乳样品间存在明显的品质差异。 试验结果表明结合PCA法，低场核磁共振不仅可以有效 辨识纯牛乳和每种不同掺假形式的掺假牛乳，同时对掺 假物质（水，食盐，豆浆，尿素）还可以表征添加浓度 对牛乳品质特性变化的影响。2.2 纯牛乳和5种不同形式掺假牛乳的低场核磁共振区分将纯牛乳和按试验方法1.2.1配制的掺水、掺食盐、 掺尿素、掺豆浆、掺复原乳和掺假牛乳的低场核磁共振 检测数据整合后进行主成分分析，结果见图 3,主成分1

25、和主成分2保留了 93.1%的原始数据信息，图中各种牛乳 样品均分布在各自的区域。在主成分 1轴上纯牛乳与各 掺假组能够得到有效的区分。2.01.5100 5*1.5-2SU图3纯牛乳和5种不同形式的掺假牛乳的主成分1和主成分2得分图Fig.3 PC1 and PC2 scores of pure milk and five different kinds of adulterated milk samples总体而言，低场核磁共振主要利用氢原子核在磁场 中的自旋弛豫特性，通过弛豫时间的变化分析来研究被 测物质中有关氢质子特别是水的存在状态及其变化（如 食品中的结合水、不易流动水和自由水的变化

26、）。掺假牛 乳掺杂物质的不同，将会导致牛乳中水乳平衡体系的变 化，从而影响体系中水的存在状态。本研究表明，结合 PCA法，低场核磁共振不仅可以辨识纯牛乳和掺假牛乳， 同时对常见掺假牛乳的不同掺假形式也有很好的区分效 果。此外，不同掺假样品随掺假物质掺加比例呈一定规 律性分布。低场核磁共振技术可以用于监测掺假物及其 浓度差异造成的牛乳品质变化情况。3结论低场核磁共振技术作为一种现代化检测分析技术， 在乳制品的质量控制及评价中具有较大的潜力。本试验 选择了纯牛乳及几种常见形式的掺假牛乳（掺水、掺食 盐、掺豆浆、掺尿素、掺复原乳）为研究对象。结果表明：结合PCA法，低场核磁共振不仅能够有效区分和辨

27、识纯牛乳和不同掺假牛乳的品质特性，而且可以表征掺 假物质的不同添加量对牛乳品质造成的影响。这为现代 乳品企业及有关监管部门监测、评价和控制乳制品的品 质提供了新的研究思路和有效手段。参考文献1 GB 5408 - 5425 .乳及乳制品分析方法S.北京：中国标 准出版社，1985.2 陈卫江，林向阳，阮榕生，等核磁共振技术无损快速评 价食品水分的研究J 食品研究与开发，2006，27(4): 125- 127.Chen Weijiang, Lin Xiangyang, Ruan Rongsheng, et al. Study on quick and non-destructive estim

28、ate the moisture content of foodJ. Food Research and Development, 2006, 27(4): 125 127. (in Chinese with English abstract)3 顾小红，任璐，陈尚卫，等核磁共振技术在食品研究中 的应用J.食品工业科技,2005，26(9): 189 191.Gu Xiaohong, Ren Lu, Chen Shangwei, et al. Application of NMR on food research. Science and Technology of Food Industry

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31、nsory attributes in pork slaughtered at an age between 90 and 180 daysJ. Meat Science, 2007,77(2): 190 195.7 陈臣，郭本恒.核磁共振技术在乳制品研究中的应用J 中国乳品工业，2007，35(7): 32 35.Chen Chen, Guo Benheng. Application of NMR to the research of dairy productsJ. China Dairy Industry, 2007 ,35(7): 32 35. (in Chinese with Eng

32、lish abstract)8 邵小龙，李云飞用低场核磁研究烫漂对甜玉米水分布和状态影响J.农业工程学报,2009，25(10): 302 306. Shao Xiaolong, Li Yunfei. Effects of blanching on water distribution and water status in sweet corn investigated by using MRI and NMRJ. Transactions of the CSAE, 2009, 25(10): 302 306. (in Chinese with English abstract)9 Tina

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38、rights reserved, http:/ki.iidt第9期姜潮等：低场核磁共振结合主成分分析法快速检测掺假牛乳# 1 94-201 I China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/ki.iidt第9期姜潮等：低场核磁共振结合主成分分析法快速检测掺假牛乳#Rapid detection of adulterated milk by low field-nuclear magneticresonance coupled with PCA methodJia ng Chao,

39、Han Jia nzhong , Fan Jiali, Tian Shiyi(Department of Food Quality and Safety , Zhejiang Gongshang University , Food Safety Key Lab of Zhejiang Province ,Hangzhou 310035, China )Abstract: The adulterated milk samples were tested by the CPMG sequenee of the low field-nuclear magnetic resonance. In ord

40、er to search for a method to an alyze and process the sample data rapidly and effectively, prin cipal comp onent an alysis (PCA) was used to mon itor milk quality. Milk samples adulterated with water, salt, urea or soybea n milk, reconstituted milk and pure milk were prepared for the LF-NMR testing

41、and evaluation. The results showed that LF-NMR can be used to distinguish between pure milk and different kinds of adulterated milk. Pure milk, reconstituted milk and their mixed milk were an effective identification. There was effective identification among pure milk, reconstituted milk and their m

42、ixed milk. The application of LF-NMR in adulterated milk with different additive proportions showed the similar result, too. The PCA method can be used to analyze and process the test data of LF-NMR. LF-NMR coupled with PCA shows a greater potential in the evaluation of dairy products quality.Key words: prin cipal comp onent an alysis, non destructive exam in ati on, quality con trol, LF-NMR, adulterated milk, CPMG seque nee 1 94-201 I China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/ki.iidt