玉米中蛋白粉品质检测方案(近红外光谱仪)

引言 玉米蛋白粉是玉米深加工的产物，玉米经过去皮、脱胚等工艺生产出玉米油、玉米淀粉、玉米蛋白粉等各种产品，其中玉米蛋白粉是饲料行业的重要高蛋白质原料，与豆粕等高蛋白原料一样具有增加饲料蛋白含量的功效。 玉米蛋白粉的含水量不仅决定干物质的含量，还对玉米蛋白粉储存保质期影响很大；玉米蛋白粉蛋白质含量高低是其重要的质量指标；玉米蛋白粉中的灰分含量决定其无机物含量的高低，以上三个指标是饲料生产厂家采购原料必须分析的指标，而且玉米蛋白粉的货值高，对饲料产品的成本影响很大，其质量指标被各个饲料厂所重视。传统分析蛋白质含量的方法是凯氏定氮法，需要经过粉碎、称重、消化、蒸馏、滴定等复杂地实验过程，时间长，不能满足配方师对时效性要求，而且浪费大量的人力和实验室试剂；水分测定的传统方法是使用烘箱失重法，同样需要2个小时以上的分析时间，而且消耗大量的电力能源；灰分的传统方法是马弗炉灰化发，需要大量电力能源，浪费时间。 实验室常规分析还需要配备场地、人员和各种各样的仪器，终年累月地重复这些复杂的“瓶瓶罐罐”的分析，如果采用近红外技术，不仅可以将日常分析样品收集采集近红外光谱，建立蛋白质、水分、灰分的近红外模型，减少实验室常规仪器的购置和实验室空间及人员配置，而且还具有速度快(分析一个样品可以控制在1分钟内完成)、重复性好等优点。 实验 饲料生产厂家分析化验的玉米蛋白粉样品170份，采用饲料行业常规分析方法分析其中的蛋白质、水分、 灰分三个质量指标，样品保留扫描近红外光谱，常规分析数据记录保存在计算机中备用。 分析仪器为ThermoFisher Antaris II傅里叶近红外光谱仪，配备镀金背景和镀金漫反射表面的积分球和高灵敏度InGaAs则测器， 5cm直径的漫反射样品杯及配套的样品旋转器，仪器控制软件“Result”和近红外化学计量学软件“TQ Analyst” 测试条件：样品为经过磨粉处理后的玉米蛋白粉，粒径40目，测定其漫反射吸收光谱，光谱分辨率8cm-，扫描次数64次取平均得到平均光谱，扫描光谱范围10，000-4，000cm1， 每个样品经过扫描得到一张光谱。 数据分析与结果 图1是170份玉米蛋白粉的近红外漫反射吸光度光谱，由于样品的密度、颗粒度、紧实度等存在着差异，玉米蛋白粉的原始光谱可见离散程度，这是固体样品测试最常规的表现，而且由于长波区的散射效应，光谱基线出现明显的漂移，以上现象在图1中的原始光谱表现的非常明显，对光谱进行一阶导数处理后，光谱的基线和离散度明显消除，图2是图1中的原始光谱经过二阶导数处理后的光谱。 图1、玉米蛋白粉样品的近红外漫反射吸光度光谱 图3.蛋白质模型选择的近红外谱区范围 利用“TQ Analyst”软件中的偏最小二乘算法(PLS)对采集的玉米蛋白粉样品近红外光谱和对应的3个指标的实验室分析值进行回归分析，单独建立每个品质指标的近红外模型，在进行模型前对光谱预处理方法、谱区范围进行优化，不同质量指标优化得到的光谱预处理方法和谱区范围不尽相同，原则是：通过优化得到交叉检验的均方差越小越好。表1是玉米蛋白粉的3个品质指标模型优化后的模型参数列表。 图4.蛋白质模型内部交叉检验的相关图 图2、玉米蛋白粉的近红外漫反射吸收光谱的一阶导数光谱 图5.蛋白质模型交叉预测误差分布图 表1、玉米蛋白粉3个品质指标模型参数列表 质量 单位 谱区 光谱预页 最佳得分相关系 检验的均 指标 Unit 范围cm 处理方法 维数Factor 数(R) 方差 (RM-SECV) 指标范围 蛋白 质 % 9，272.07-4.516.47 二阶导数 5 0.965 0.588 53.30-64.10 水分 5，858.68-4，936.88 二阶导数 4 0.978 0.225 5.20- 11.00 灰分 % 9，272.07-4.516.47 二阶导数 9 0.921 0.354 2.90- 6.80 表1中所有3个品质指标模型中光谱预处理方法都采用了二导数处理，说明导数处理对消除密度、颗粒度、疏松程度等物理量变化造成的基线漂移和旋转具有很好的降低和消除作用。 图6.蛋白质模型交叉检验的Press图 表1中玉米蛋白粉中蛋白质含量很高，达到53.3-64.1%的范围，交叉检验的均方差只有0.588，平均相对偏差在1.05%的水平，单个样品最大误差2.42%，达到很高的准确度。图3是蛋白质模型选择的近红外谱区范围，图4、5是蛋白质模型内部交叉检验的实验室分析数据和交叉预测数据的相关图和误差分布图，图6是蛋白质模型交叉检验的均方差随得分矩阵维数的变化图。 图4、5、6显示玉米蛋白粉中的蛋白质含量采用近红外技术进行定量分析的平均相对误差可以控制在1%之内，单个样品的相对误差在2.5%以内的可信度可达95%。交叉检验的均方差RMSECV随Factor变化的趋势图非常合理。 水分和灰分品质指标的相关图、误差分布图和PRESS图不再一―列出，仅表述总氮的相关图、误差分布图和PRESS图。 水分的结果也是非常准确，单个样品的水分绝对误差控制在0.7%以内，均方差为0.225，平均相对偏差为3%左右，测定水分时应具有时效性，即测定完近红外光谱后应立即进行常规烘箱水分测试，中间间隔时间不能太长，否则测定近红外光谱样品的水分会发生变化，光谱中水的信息与样品的含水量对应不上。 图7.灰分模型内部交叉检验的相关图 灰分模型交叉检验的均方差为0.354，平均相对误差在7%以内，满足快速分析的要求。 结论： 玉米蛋白粉的灰分指标是三个指标中准确度最差的一个，原因是灰分是无机物的总和，本身无机物在近红外区或许就没有吸收，样品在马弗炉中高温灰化过程部分无机物可能会氧化，反应过程非常复杂这是灰分结果稍差的主要原因，误差水平在品质分析中能够满足快速分析的要求。 近红外光谱分析技术在饲料行业应用不仅能够快速、准确分析大量的原料样品，为配方师提供可靠数据，主要是能给饲料企业节省成本，防止饲料营养过剩或不足。 图7、8是灰分模型内部交叉检验的实验室分析数据和交叉预测数据的相关图和误差分布图 饲料原料种类非常多，近红外需要建立大量的原料质量模型才能满足饲料行业的应用，解决饲料行业原料多、来源复杂，原料质量不稳定等可能给饲料生产带来风险的因素，同时减少常规分析的人力、物力成本。 图7.灰分模型内部交叉检验的相关图 更多信息请见： www.thermoscientific.com/nanodrop @2016赛默飞世尔科技。版权所有。所有商标属于赛默飞世尔科技及其子公司。规格、条款和定价或按情况改变。不是所有的国家都能购买到所有的产品。欲知详情，请咨询您当地的销售代表。 赛默飞世尔科技 SCIENTIFIC 热线电话：ales.cad@thermofisher.comwww.thermofisher.comSCIENTIFICPart of Thermo Fisher Scientific 分析仪器为ThermoFisher Antaris II傅里叶近红外光谱仪，配备镀金背景和镀金漫反射表面的积分球和高灵敏度InGaAs检测器，5cm直径的漫反射样品杯及配套的样品旋转器，仪器控制软件“Result”和近红外化学计量学软件“TQ Analyst”。