傅里叶变换红外光谱法分析乳制品的成分

王　梅

(苏州大学 分析测试中心，江苏 苏州　215123)



研究报告(165～168)

傅里叶变换红外光谱法分析乳制品的成分

王梅

(苏州大学 分析测试中心，江苏 苏州215123)

利用甲醇沉淀进口奶粉、国产奶粉和奶茶粉水溶液中的蛋白质，所得上清液用二氯甲烷萃取，再经傅里叶变换红外光谱法(FT-IR)分析沉淀物和各相中物质的成分. 试验结果表明：3种样品沉淀物中均含有蛋白质和脂肪酸甘油三酯，在萃取时均有乳糖析出. 三者上层(水+甲醇)均含有糊精；而下层(二氯甲烷-甲醇)进口奶粉中含有磷脂酰胆碱，国产奶粉中含有磷脂酰胆碱和长碳链伯酰胺，奶茶粉中含有咖啡因.

傅里叶变换红外光谱法；奶粉；奶茶粉

1　试验部分

1.1仪器与试剂

德国布鲁克公司VERTEX70傅立叶变换红外光谱仪，美国Pike公司金刚石晶体衰减全反射(ATR)附件，DLATGS检测器. QUINTIX224-1CN精密电子天平，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司. 80-2B台式离心机，江苏正基仪器有限公司.

进口奶粉样品为某海购网站购买的高钙全脂成人牛奶粉，国产奶粉和奶茶粉样品为某购物网站购买的牛奶粉和咸味炒米奶茶. 无水甲醇(分析纯)为国药集团化学试剂有限公司生产，二氯甲烷(分析纯)为江苏强盛功能化学股份有限公司生产.

1.2样品制备

准确称取奶粉和奶茶粉样品各1.00 g,置于10 mL烧杯中，加入3 mL 65 ℃蒸馏水，充分搅拌10 min，加入无水甲醇7 mL，搅拌均匀后静置15 min，过滤. 甲醇沉淀机理是降低水的介电常数，导致具有表面水层的蛋白质脱水，相互聚集，最后析出. 沉淀物用蒸馏水清洗，过滤后烘干待用. 两种奶粉的滤液为浅黄色透明胶体，奶茶粉的滤液为棕黄色液体. 滤得的液体用5 mL二氯甲烷萃取两次，合并下层溶液. 奶粉样品在萃取中易产生乳化现象，可采用3 500 r/min的速度离心15 min得到下层清液. 将上层和下层的清液分别滴在铝箔纸上，待溶剂挥发后进行红外测试. 随着体系温度的降低各样品的上层清液在萃取后放置24 h后有白色粉末析出，过滤后烘干待用.

1.3测试

粉末样品的红外测试:可将粉末直接覆盖在ATR附件的金刚石晶体上，将压力杆对样品施压后进行测试.

铝箔纸上的样品:可将含有样品的一面直接覆盖在ATR附件的金刚石晶体上,再施压进行测试 .

首先对3组边坡各指标进行量化处理，结果见表3。再将其代入隶属函数中(公式(3)～公式(6))，得出相应的指标隶属，考虑篇幅限制仅以K136+500—K136+800为例，计算结果见表4。

各样品红外测试条件如下：扫描范围4 000～600 cm-1，扫描次数16次，分辨率4 cm-1.

2　结果与讨论

2.1未处理样品的红外谱图

进口奶粉、国产奶粉和奶茶粉的红外谱图如图1所示. 从图1可以看出样品中蛋白质、油脂和糖类的特征峰. 1 649 cm-1处较强宽峰为蛋白质酰胺Ⅰ带C=O伸缩振动，1 535 cm-1处中等强度的峰为酰胺Ⅱ带N-H面内弯曲振动和C-N伸缩振动峰. 2 922 cm-1和2 853 cm-1处较强尖峰为油脂中亚甲基的C-H反对称和对称伸缩振动峰，1 743 cm-1处较强尖峰为油脂的C=O伸缩振动峰. 3 020～3 640 cm-1中等强度宽峰为糖类O-H伸缩振动峰，925～1 200 cm-1最强宽峰为C-O伸缩振动产生. 3种未处理的样品除了代表各种组分的峰相对强度的差异外，各谱峰峰形、峰位几乎没有太大的差异.

图1　未处理奶粉、奶茶粉的红外光谱图(a) 进口奶粉，(b) 国产奶粉，(c) 奶茶粉Fig.1　FT-IR spectra of untreated milk powder and milk tea powder(a) imported milk powder，(b) China-made milk powder，(c) milk tea powder

2.2沉淀物的红外光谱

进口奶粉、国产奶粉和奶茶粉沉淀物的红外谱图如图2所示. 由图2可以看出沉淀物中含有蛋白

图2　奶粉、奶茶粉沉淀的红外光谱图(a) 进口奶粉，(b) 国产奶粉，(c) 奶茶粉Fig.2　FT-IR spectra of precipitates(a) imported milk powder，(b) China-made milk powder，(c) milk tea powder

质和脂肪酸甘油三酯的特征峰. 蛋白质的特征峰：3 282 cm-1弱峰为N-H伸缩振动峰，1 639 cm-1和1 535 cm-1分别为酰胺Ⅰ、Ⅱ带. 脂肪酸甘油三酯的特征峰：2 922 cm-1和2 853 cm-1分别为亚甲基的反对称和对称伸缩振动峰，1 458 cm-1为亚甲基C-H弯曲振动峰，1 744 cm-1为酯羰基C=O伸缩振动峰， 1 098、1 160和1 236 cm-1均为C-O伸缩振动产生，其中1 160 cm-1强度最强，720 cm-1为长碳链中C-C骨架振动峰.

2.3水相主成分红外谱图

进口奶粉、国产奶粉和奶茶粉经处理后上层(水+甲醇)红外谱图如图3所示. 从图3可以看出，三者均表现为糊精的特征峰. 2 996～3 630 cm-1中等强度宽峰为O-H伸缩振动峰，950～1 200 cm-1较强宽峰为C-O伸缩振动峰. 771 cm-1和869 cm-1为糊精中吡喃糖α-异构体的特征峰. 此外，C-O伸缩振动区峰较宽，进一步证明该糖类为聚合形式存在[6].

图3　奶粉、奶茶粉中糊精的红外光谱图(a) 进口奶粉，(b) 国产奶粉，(c) 奶茶粉Fig.3　FT-IR spectra of dextrin (a) imported milk powder，(b) China-made milk powder，(c) milk tea powder

体系温度降低引起进口奶粉、国产奶粉和奶茶粉样品溶液中有白色物质析出，3种白色物质的红外光谱图如图4所示. 由图4可以看出三者均表现为乳糖的特征峰. 一分子乳糖由一分子β-D-半乳糖和一分子α-D-葡萄糖形成β-1，4-苷键相连，因此在红外光谱中出现α-异构体的914 cm-1的振动峰，同时出现β-异构体899 cm-1的特征峰，在750～777 cm-1范围内出现两种环的扩张运动引起的宽峰. 与糊精的红外图相比，乳糖因相互连接的单糖只有两个，分子中形成的氢键的种类相对于糊精要少，因此乳糖在O-H和C-O振动区域表现出比糊精更多的峰[6].

图4　奶粉、奶茶粉中乳糖的红外光谱图(a) 进口奶粉，(b) 国产奶粉，(c) 奶茶粉Fig.4　FT-IR spectra of lactose(a) imported milk powder，(b) China-made milk powder，(c) milk tea powder

2.4有机相主成分红外光谱

乳脂肪中的大部分是脂肪酸甘油三酯，还有少量的磷脂、甾醇、游离脂肪酸以及脂溶性维生素等. 奶粉和奶茶粉中的脂肪酸甘油三酯在蛋白质沉降过程中随蛋白质一起沉降，但磷脂因其两亲性特点易与水结合形成胶束状从而保留在水+甲醇相中，经过二氯甲烷萃取进入二氯甲烷+甲醇相.

进口奶粉、国产奶粉和奶茶粉经处理后下层(二氯甲烷+甲醇)红外谱图如图5所示. 从图5(a)中可以看出磷脂酰胆碱的特征峰. 2 922 cm-1和2 852 cm-1强吸收峰为亚甲基C-H反对称伸缩和

图5　奶粉、奶茶粉中有机相的红外光谱图(a)进口奶粉，(b) 国产奶粉，(c) 奶茶粉Fig.5　FT-IR spectra of materials in organic phase (a) imported milk powder，(b) China-made milk powder，(c) milk tea powder

对称伸缩振动峰，1 466 cm-1为亚甲基C-H弯曲振动峰，1 378 cm-1为甲基C-H弯曲振动峰，721 cm-1为长碳链中C-C骨架振动峰. 1 222 cm-1为PO2-反对称伸缩振动峰，1 178 cm-1为C-O-C伸缩振动峰，1 086 cm-1为PO2-对称伸缩振动峰，1 062 cm-1为P-O-C伸缩振动峰，970 cm-1为磷脂中胆碱聚集体N+(CH3)3的不对称振动峰. 1 740 cm-1强吸收峰为酯的C=O伸缩振动产生，由红外谱图可以看出进口奶粉样品下层含有磷脂酰胆碱[7]. 此外，样品还含有不饱和双键，3 009 cm-1较弱的峰为不饱和C-H伸缩振动产生，1 420 cm-1为与双键相连的碳的C-H弯曲振动峰，1 648 cm-1为C=C伸缩振动峰.

从图5(b)可以看出国产奶粉处理后下层(二氯甲烷+甲醇)与进口奶粉相比差别较大，样品中含有代表磷脂酰胆碱特征的965 cm-1和990～1 300 cm-1的峰但强度较低，而与长碳链有关的2 919、2 850、1 468、720 cm-1的峰强度较高，同时亦存在代表双键的3 009 cm-1的峰. 此外，出现伯胺N-H反对称和对称伸缩振动峰3 393 cm-1和3 196 cm-1、酰胺Ⅰ带特征峰1 646 cm-1、酰胺Ⅲ带特征峰1 421 cm-1、酰胺Ⅴ带氨基N-H面外弯曲振动647 cm-1的宽峰，综合以上可判断样品中存在长碳链伯酰胺.

图5(c)为奶茶粉处理后下层(二氯甲烷+甲醇)的红外光谱. 代表长碳链特征峰的2 919、2 850和720 cm-1依然存在，氨基特征峰3 392 cm-1和3 196 cm-1也存在. 但由于600～1 800 cm-1区域有很强的其它物质吸收峰，导致无法判断样品中是否含有磷脂酰胆碱和长碳链伯酰胺. 除去上述长碳链和氨基特征峰，剩余峰与咖啡因红外谱图相吻合，咖啡因的结构式如图6所示. 各谱峰归属为：3 114 cm-1

图6　咖啡因的结构式Fig.6　Structure of caffeine

为不饱和C-H伸缩振动峰，1 697 cm-1为2号C=O伸缩振动峰，1 650 cm-1为6号C=O伸缩振动峰，1 600 cm-1为C=C伸缩振动峰，1 549 cm-1为C=N伸缩振动峰，1 486、1 457、1 431和1 404 cm-1为饱和C-H弯曲振动峰[8].

3　结论

未处理乳制品的红外光谱图均含有蛋白质、油脂和糖类特征峰. 经甲醇-二氯甲烷处理，乳制品中蛋白质和脂肪酸甘油三酯发生沉淀，而过滤后的清液中测定出水相中含有糊精和乳糖. 有机相进口奶粉中含有磷脂酰胆碱，国产奶粉中含有磷脂酰胆碱和长碳链伯酰胺，奶茶粉中含有咖啡因，可能还含有磷脂酰胆碱和长碳链伯酰胺. 因此，通过甲醇沉淀蛋白质再用二氯甲烷萃取的方法，可以方便、快速地获得乳制品中的主成分信息.

本文方法操作简单，所用试剂少，仪器普及率高,但因共沉淀和萃取效率等问题容易引起体系中各组分的损失，因此，此方法不适用于定量分析. 虽然此方法不能定量，但是从整个试验现象上看，糊精和乳糖含量较高，磷脂酰胆碱和长链伯酰胺是溶解在有机相的物质，含量较少，利用红外ATR的技术可以检测. 同时，对这些物质进行测定可以对奶粉是否掺假、是否添加有害成分进行初步的定性.

[1]邓月娥，周群，孙素琴.FT-IR光谱法与奶粉的品质分析[J]，光谱学与光谱分析，2005，25(12)：1972-1974.

[2]梁晓琳，刘燕，谭凯燕，等.基于FTIR和理化性质的乳粉溯源技术研究[J]，食品工业科技，2014，35(4)：49-52.

[3]周永国，侯文龙，杨越冬，等.傅里叶变换红外光谱法同时测定奶粉中蛋白质和脂肪含量[J]，理化检验-化学分册，2009，45(1)：66-72.

[4]田高友，鲁长波，袁洪福.液体奶和奶粉中三聚氰胺含量红外光谱分析方法研究[J]，现代科学仪器，2009，(5)：86-91.

[5]回瑞华，侯冬岩，关崇新，等.红外光谱法测定奶粉中苯甲酸钠的含量[J]，食品科学，2003，2(48)：121-123.

[6]谢晶曦，常俊标，王绪明.红外光谱在有机化学和药物化学中的应用[M]，北京：科学出版社，2001：77

[7]薛慧君，孙润广，王小梅，等.卵黄低密度脂蛋白结构的红外光谱和激光拉曼光谱分析[J]，光谱学与光谱分析，2010，30(11)：2998-3001.

[8]冯计民，刘世海. 海洛因、咖啡因的FTIR检验及谱图解释[J]，刑事技术，2005，(2)：23-24.

Analysis of Ingredients of Milk Product Via FTIR Spectrosmetry

WANG Mei

(AnalysisandTestCenter,SuzhouUniversity,Suzhou215123，JiangsuChina)

Proteins in imported milk powder, China-made milk powder and milk tea powder were precipitated via the addition of methanol.The supernatant was extracted by dichloromethane. Then the components of precipitates and substance in the two phases were analysised by Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR). Reasults were as follows: Precipitates of the powders contained proteins and triglyceride. Lactose was separated out during the extraction. The upper layer(mixture of water and methanol)of the powders contained dextrin. The lower layer(mixture of dichloromethane and methanol) of the imported milk powder contained phosphatidylcholine, while that of the China-made milk powder contained phosphatidylcholine and long carbon chain amide, and that of the milk tea powder contained caffeine.

FT-IR;milk powder;milk tea powder

2016-06-07;

2016-08-11.

王梅(1981-)，女，硕士研究生，从事分子光谱分析研究工作,E-mail:wangmei1222@suda.edu.cn.

O657.33

A

1006-3757(2016)03-0165-04

10.16495/j.1006-3757.2016.03.007