利用傅里叶变换红外光谱法分析燕麦片的品质

周旭章 彭 昕 张慧恩 蔡 艳

(浙江万里学院生物与环境学院1，宁波 315100)

(浙江医药高等专科学校2，宁波 315100)

利用傅里叶变换红外光谱法分析燕麦片的品质

周旭章1彭 昕2张慧恩1蔡 艳1

(浙江万里学院生物与环境学院1，宁波 315100)

(浙江医药高等专科学校2，宁波 315100)

为了建立一种快速、无损的鉴定市场所销售的燕麦片的品质鉴定分析方法，对宁波市超市所销售的品牌1～品牌8的燕麦片商品进行了抽样，采取傅里叶变换红外光谱法(FTIR)进行定性分析。结果表明，通过红外光谱图和特征峰之间的比较，可以分析出燕麦中含有的营养成分及其含量高低;结合二阶导数谱能把红外图谱中重叠的峰区分开来，增大谱图的分辨率，使分析更加精细准确;利用热微扰法测定燕麦红外光谱及其二维相关红外光谱可以判断燕麦的热稳定性。因此，傅里叶变换红外光谱法是一种快速、无损的鉴定燕麦片品质的分析方法。

燕麦 傅里叶变换红外光谱法 二阶导数谱 二维相关红外光谱

傅里叶变换红外光谱法(FTIR)一是种非常普遍的分析方法，具有宏观整体鉴定复杂体系的优点及无损快速检测的特点，逐渐被用于动植物与食品的真伪鉴别［1－3］。二维红外光谱(2D －IR)是由 Noda于1986年提出的［4－5］，二维红外光谱通过研究基团之间的相关性，不仅提高了红外谱图的分辨率，而且利用体系动态谱图提供的结构微弱变化信息来研究成分或基团之间的相互作用，已被人们用来研究物质的热扰动过程［6－10］。本文利用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)对市售的品牌1～品牌8的燕麦片进行品质分析，以期建立一种快速、无损的鉴定市售燕麦片的品质分析方法。

1 材料与方法

1．1 材料与仪器

燕麦片:市售;溴化钾:光谱纯，天津市光复精细化工研究所。

VERTEX70型傅里叶红外光谱仪:德国布鲁克公司;HY－12型压片机:天津光学仪器厂。

1．2 试验方法

称取干燥的燕麦片20 mg与1．2 g KBr混合，研磨至500目;称取120 mg样品与KBr混合粉末，将其放入压模中，用压机压片，压力约为20 000 psi，保持1～2 min，得到0．5～1 mm厚的透明片。

开启布鲁克VERTEX70傅里叶红外光谱仪，预热25 min，选定波数范围400～4 000 cm－1，分辩率4 cm－1，光阑设置8 mm，扫描时间16 s。作背景扫描后，将样品溴化钾片放入样品架，再放入样品腔中进行扫描，得到红外光谱图。利用可加热的红外光谱样品池，将可加热池调节与控制不同温度，即可得到不同温度下的红外光谱图。

2 结果与讨论

2．1 市售燕麦的红外光谱

抽取宁波市超市所经销的中档燕麦片:品牌1～品牌8，其主要营养成分指标如表1所示。利用布鲁克VERTEX70傅里叶变换红外光谱仪进行测定，得到红外光谱如图1所示。

表1 燕麦片样品主要营养成分指标

图1 燕麦片红外光谱图

2．2 燕麦片红外特征吸收峰及其主要营养成分

燕麦片的红外光谱主要体现在脂肪、蛋白质和碳水化合物这三大营养物质方面。脂肪的特征峰为(2 926±1)cm－1处CH2的伸缩振动和(1 746±1)cm－1处C=O的伸缩振动;蛋白质的特征峰为1 680～1 630 cm－1对应的酰胺Ⅰ带C=O吸收峰和1 570～1 510 cm－1对应的酰胺Ⅱ带的N－H和C－N吸收峰;碳水化合物的特征峰为3 800～3 200 cm－1区的O－H伸缩振动和1 200～1 030 cm－1处C－O伸缩振动峰、930～900 cm－1处和785～755 cm－1处的环振动峰。由图1可知，不同品牌之间的燕麦片红外吸收峰位置都基本上相同，只是吸收强度有差异。将实验所测得的8种燕麦片在营养成分特征峰处的相对吸收强度值列入表2。

表2 不同燕麦片营养成分特征峰相对吸收强度

由图1与表2可知，通过比较vCH2(2 926±1)cm－1相对吸收强度与 vC=O1 680～1 630 cm－1相对吸收强度比值大小，所检测的8种燕麦片都属于低脂燕麦片，其中品牌8、品牌1、品牌7与品牌5脂含量较低，与燕麦片商品的包装袋上的标称值基本相符。

由图1与表2还可以看出，在1 156～1 153 cm－1、1081 ～1079 cm－1和 1023 ～ 1018 cm－1处都有十分明显的3个强吸收峰，其相对强度仅次于vO－H3 800～3200 cm－1，这是由两种C—O键的伸缩振动所引起的，其中一种是属于C—O—H的，另一种是糖环的C—O—C;1156～1153 cm－1为吡喃糖环内醚的C—O—C伸缩振动;1081～1079 cm－1为吡喃糖环的C—O—H 伸缩振动;936～900 cm－1、711～707 cm－1和 580 ～575 cm－1为环糊精骨架振动;在 750 cm－1，674 cm－1附近出现的弱的吸收峰，表明多糖中还存在α－D－吡喃木糖。因此，所检测的8种燕麦片中含有膳食纤维与糊精，而燕麦片商品都只标明含有膳食纤维，而未标明含有糊精。

2．3 燕麦片的二阶导数红外光谱

由图1可知，不同品牌之间的燕麦片红外吸收峰位置都基本上相同，只是吸收强度有差异，由于吸收峰相互重叠，在指纹区峰重叠更为严重，很难辩别出细微差异。在这种情况下，需要借助二阶导数谱识别。二阶导数谱最大的优势能把复杂体系原来重叠的峰区分开来，增大谱图的分辩率，如图4所示。

图2 品牌1与品牌6燕麦片二阶导数谱

由图2顶部的二条普通红外谱线，很难辩别出品牌1与品牌6的差异，也很难看出指纹区的精细结构。图2下部的二条二阶导数谱分别属于品牌1与品牌6，从这二条二阶导数谱中可以看出，在1 154～1 019 cm－1之间出现差异，品牌1比品牌6多三条吸收峰。其他品牌的燕麦片二阶导数谱，限于篇幅在此不再骜述。

2．4 热微扰下燕麦片的红外光谱

2．4．1 燕麦片的红外光谱随温度的变化

由图3可知，随着温度的升高，品牌7麦片中各成分对应的吸收峰位置与强度变化不很明显，说明该变温过程对二者只是一种微扰，没有引起剧烈的氧化还原反应或热分解反应。各主要特征吸收峰的相对强度变化如表4所示。

图3 品牌7燕麦片不同温度下的红外光谱

表3 品牌7燕麦片特征峰相对强度随温度的变化

从表3 可以看出，vO－H3 800 ～3 200 cm－1与 vC=O1 680～1630 cm－1分别代表碳水化合物与蛋白质的特征吸收峰的相对强度，在30～60℃之间基本不变，70℃呈逐渐递减;蛋白质分子中的酰胺Ⅱ带的N－ H 和 C －N 吸收峰 vC－H，C－N1 570 ～1 510 cm－1，在30～70℃之间逐步增加到最大值，70～90℃缓慢减小，110～120℃又呈增加。其原因很有可能是由于蛋白质分子中酰胺Ⅰ带的C=O与碳水化合物分子中的OH形成氢键随着温度的增加而增加，而蛋白质分子中的酰胺Ⅱ带的N－H和C－N与碳水化合物分子中的OH形成的氢键随着温度的增加，氢键先解离，然后增强，再解离。其他品牌的燕麦片都具有类似的热微扰特性。

2．4．2 燕麦片的红外光谱二维相关分析

对于燕麦片的微扰特性还可以进行二维相关红外光谱分析(2D－IR)，二维相关分析通过对一系列瞬间谱图的数学运算，可以将红外图上相互重叠甚至掩盖的峰清楚的分辨出来，因为这些重叠的峰会在二维光谱的直角坐标的平面中展开［21，22］。图4、图5与图6分别表示品牌7燕麦片、品牌5燕麦片与品牌3燕麦片的二维同步相关谱，它们是基团的红外振动峰进行相关分析的结果。同步相关谱图中，主对解线上自相干峰的出现(由斑点色度深浅与面积大小来判断)，表明所对应的振动峰随着热扰的进程而变化，如图4、图5与图6中碳水化合物vO－H3800－3200 cm－1强自相关，其中品牌3燕麦片自相关最强，说明品牌3燕麦片的碳水化合物的热稳定性较品牌5燕麦片、品牌7燕麦片差;随着温度的升高，vO－H3800－3200 cm－1自相关均呈减弱趋势，但减弱幅度最大的是品牌5燕麦片，其次是品牌3燕麦片，品牌7减弱最小，说明在高温下品牌7燕麦片的碳水化合物的热稳定性较品牌5燕麦片、品牌3燕麦片差。vC－O－H1 080 ～1 079 cm－1较弱自关，随着温度升高，vC－O－H1 080 ～1 079 cm－1自相关减弱。

图4～图6中对角线相两侧交叉峰的出现表明对应在Z轴与X轴上一对基团振动峰的强度变化在热扰过程中是彼此相关的，如图中vO－H3 800～3 200 cm－1与 vC－O－H1 081 ～1 079 cm－1。图中深兰色表示相关强度等高线为正相关峰(也称为同相交叉峰)，浅兰色的相关强度等高线为负相关(也称异相交叉峰)。当两个不同官能团的振动相应的暂态电偶极矩以同一方向发生变化时，就产生一个同相交叉峰;当两个不同官能团的振动相应的暂态电偶极矩发生相反方向变化时，就产生一个异相交叉峰。品牌7燕麦片、品牌5燕麦片与品牌3燕麦片三种燕麦片vO－H3 800 ～3 200 cm－1与 vC－O－H1 081 ～1 079 cm－1均呈正相关峰，但品牌3燕麦片与品牌7燕麦片正相关最强，品牌5正相关较弱，说明在30～70℃范围内品牌5燕麦片较为稳定;随着温度的升高，这种正相关减弱，其中品牌7燕麦减弱得较少，说明在80～120℃范围内品牌7燕麦片较为不稳定。在30～70℃范围内品牌3燕麦片与品牌7燕麦片中碳水化合物的吸收峰 vO－H3 800～3 200 cm－1与蛋白质有吸收峰vC=O1 680～1 630 cm－1亦均呈正相关，而品牌5呈现负相关，说明品牌5燕麦片中的碳水化合物对蛋白质的稳定定性具有保护作用;随着温度的升高，在80～120℃范围内品牌7仍为正相关，而品牌5燕麦片与品牌3燕麦片为负相关，说明在高温下品牌5燕麦片与品牌3燕麦片中的碳水化合物对蛋白质的稳定定性具有保护作用，其稳定性增强，品牌7燕麦片较为不稳定。因此，从品牌7燕麦片、品牌5燕麦片与品牌3燕麦片的二维同步相关谱分析可以证实，在热微扰情况下，碳水化合物之间、碳水化合物与蛋白质之间存在相互氢键作用，反映出这三种燕麦片中热稳定性最差的是品牌7燕麦片。

图6 品牌3燕麦片二维同步相关谱

3 结论

3．1 通过对品牌1～品牌8的燕麦进行FTIR光谱检测，燕麦的主要红外吸收峰有:脂肪的特征峰为(2 926±1)cm－1处 CH2的伸缩振动和(1 746 ±1)cm－1处C=O的伸缩振动;蛋白质的特征峰为1 680～1 630 cm－1对应的酰胺Ⅰ带C=O吸收峰和1 570～1 510 cm－1对应的酰胺Ⅱ带的N－H和C－N吸收峰;碳水化合物的特征峰为3 800～3 200 cm－1区的O－H伸缩振动和1 200～1 030 cm－1处C－O伸缩振动峰、930～900 cm－1处和785～755 cm－1处的环振动峰。红外光谱分析还表明，所检测的8种燕麦片都属于低脂燕麦片，其中品牌8、品牌1、品牌7与品牌5脂肪含量较低，与燕麦片商品包装袋上的标称值基本相符;红外光谱还检测出了燕麦片中含有商标中未标明的糊精。因此，通过傅里叶变换红外光谱法(FTIR)，无需分离提取，可快速无损地对样品进行整体检测食品中的营养成分，结果直观。

3．2 通过热微扰测定燕麦的红外光谱与二维相关红外光谱分析，结果表明，燕麦的蛋白质分子中酰胺Ⅰ带的C=O与碳水化合物分子中的OH形成氢键随着温度的增加而增加，而蛋白质分子中的酰胺Ⅱ带的N－H和C－N与碳水化合物分子中的OH形成的氢键随着温度的增加，氢键先解离，然后增强，再解离;从品牌7燕麦片、品牌5燕麦片与品牌3燕麦片的二维同步相关谱分析可以证实，在热微扰情况下，碳水化合物之间、碳水化合物与蛋白质之间存在相互氢键作用，反映出这三种燕麦片中热稳定性最差的是品牌7燕麦片。因此，通过热微扰测定燕麦的红外光谱与二维相关红外光谱分析可以判断燕麦的热稳定性。

3．3 不同品牌之间的燕麦片红外吸收峰位置都基本上相同，只是吸收强度有差异，由于吸收峰相互重叠，在指纹区峰重叠更为严重，很难辩别出细微差异。在这种情况下，可以借助二阶导数谱来识别不同品牌的燕麦差异。

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Analysis of Oatmeal Quality by Fourier ransform Infrared Spectroscopy

Zhou Xuzhang1Peng Xin2Zhang Huien1Cai Yan1

(College of Biological and Environmental Science，Zhejiang Wanli University1，Ningbo 315000)
(Zhejiang Pharmaceutical College2，Ningbo 315000)

In order to establish a fast nondestructive method for analysis of oatmeal quality，qualities of eight brands of oatmeal from Ningbo supermarkets were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)．Results showed that the comparison of infrared spectrum and characteristic absorption peaks of different brands of oatmeal could determine the contents and composition of nutritional ingredients in oatmeals;second derivative spectrum which could identify overlapped peaks in conventional IR spectrum and increase resolution had been used to achieve more accurate and finer analysis．FTIR combined with two－dimensional correlation infrared spectrum was applied to study the thermal stability of oatmeal through mini－ heating process．In conclusion，FTIR could provide a fast nondestructive method for analysis of oatmeal quality．

oatmeal，FTIR，Second derivative spectrum，two－dimensional correlation infrared spectrum

S512．6

A

1003－0174(2011)11－0110－05

时间:2011－10－25 10:16

网络出版地址:http://www．cnki．net/kcms/detail/11．2864．TS．20111025．1016．001．html

CNKI:11 －2864/TS．20111025．1016．001

2011－04－01

周旭章，男，1958年出生，高级工程师，生物化工