傅里叶红外光谱技术在熟制虾肉真伪鉴别及掺伪行为分析中的应用

穆士乐

(山东商业职业技术学院，济南 250103)

市售虾肉熟制后会失去相应虾种的原始外观，熟虾虾种的鉴定方法也没有统一的国家标准，所以目前缺乏虾肉优劣和掺假的精确方法。有些不良商家为了提高经济效益，将劣质虾种以次充好，熟制虾肉的掺假现象屡见不鲜。目前对于虾肉的鉴定主要是基于虾种的鉴别，鉴别虾肉中是否混入其他劣质品种虾肉。结构蛋白能反映虾品种的遗传特性差异，所以虾种鉴定一般使用蛋白质电泳[1]、鱼蛋白免疫分析法、DNA指纹分析技术[2]。

然而，这些方法大多耗时，对产品有破坏性或需要训练有素的人员，因此与光谱法相比，不适用于大批量样品的无损和快速检测[3]。本文尝试建立“三步红外光谱”的方法，对3个品种的熟制虾肉罗氏沼虾、南美对虾和日本对虾进行综合分析，通过比较其一、二级红外谱图和特定谱段的相似系数以及各虾种的二维红外光谱谱图的差异对其品种进行鉴定，为熟制虾肉的真伪鉴别和掺假行为的分析鉴定提供了理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料

市售罗氏沼虾、南美对虾和日本对虾：购于青岛团岛海鲜市场，采用同样的熟制方法熟制，备测。

1.2 仪器

FTIR-850傅里叶变换红外光谱仪、ATR附件、电阻式热探测器、BTP-3XLOVX型冷冻干燥机。

1.3 方法

红外光谱：样品冷冻干燥24 h，粉碎，过200目筛，取粉末2 mg、适量溴化钾粉末于研磨皿中研磨均匀，压片。置于光程为1 mm的石英比色皿中，采用透射法扫描获得红外谱图，每个样品至少扫描3次。利用Thermo FT-IR光谱仪的OMNIC光谱软件(9.2.106版)对原始的FT-IR数据进行处理，对原始红外光谱进行13点平滑处理，得到二阶导数红外光谱[4]。利用比对软件(compare)计算3种虾肉的红外光谱间的相关系数[5]。

二维红外光谱：将样品放置在ATR附件中，并与温度控制器连接。温度范围为50～90 ℃，间隔为5 ℃，得到不同温度下的动态原始光谱[6]。利用Thermo设计的二维红外相关分析软件(Nicolet iN10 SpectraCorr)对与温度相关的动态光谱进行了分析，得到二维红外光谱[7]。

2 实验结果

2.1 红外光谱图

图1 3种虾肉的红外谱图

由图1可知，3种虾的谱图大体上是相似的，其中罗氏沼虾和日本对虾与南美对虾的相似系数分别为0.9829和0.7411。3种虾的光谱峰集中在3200～2870 cm-1和1650～830 cm-1，且在1650～830 cm-1范围内杂峰比较多。3种虾的酰胺I吸收带(1655 cm-1)和酰胺II吸收带(1544 cm-1)的峰值普遍较强。与其他2种虾肉相比，日本对虾在1745 cm-1处有1个中等强度的脂质特征峰[8]，表明日本对虾中的脂质含量高于其他2种虾肉中的脂质含量。根据这个特征峰可以很简单地将日本对虾与另外2种虾区分开。对于一些难以鉴别区分的波段，我们可以将一阶图谱经过数据处理软件求导，得到它的二阶导数图谱[9]。

2.2 3种虾肉的二阶导数红外光谱图

图2 3种虾肉的二阶导数红外光谱

通常，二阶导数红外光谱可以通过放大一阶红外光谱的微小差异来提高光谱分辨率，并且一阶红外光谱一些重叠的吸收峰和肩峰可以通过二阶导数红外光谱分析分开[10]。3种熟制虾肉的二阶导数红外光谱显示了与峰位置有关的差异，由于一阶红外光谱求导后吸光度的正负号会发生改变，所以二阶导数的峰的方向正好与一阶导数谱图相反[11]。由图2可知，在1800～1400 cm-1范围内，3种虾肉脂质含量的差异变得更明显。

图3 3种虾的酰胺吸收带

由图3可知，在1710～1600 cm-1的酰胺吸收带，不同的峰位、形状和强度，这3种蛋白质有不同的分布。与其他2种虾肉相比，SAS在1679，1656，1631 cm-1处有较强的吸收峰，而MR和PJ中的吸收峰在1682 cm-1处更强。此外，SAS在1461，1433，1422 cm-1处有较强的吸收峰，而MR和PJ则没有。因此，可以利用二阶导数红外光谱将这3种虾肉进一步区分。

2.3 二维红外光谱图

为了更有说服力地识别3种虾肉之间的差异，在1800～1500 cm-1范围内采用了二维红外光谱进一步放大3种虾肉之间的差异。二维红外光谱可以提高光谱的分辨率，并通过显示微小干扰对样品中各分子的影响来提供更多样品的信息[12]，然后再通过一种相关的数学分析技术对数据进行处理。二维红外关联谱说明每个红外波段或官能团的灵敏度以及各官能团之间的相关性。当被研究的系统受到特定的扰动时，可以检测到收到回应的顺序。二维相关谱中的峰(自峰和交叉峰)代表了光谱强度在对应特定变量变化时谱图同步的一致性，可用于验证样本之间的差异。在二维红外光谱中，正相关性(红绿区)表示一组吸收带同时变化(变强或变弱)，负相关性(蓝区)则相反[13]。

3种虾肉之间的差异可以通过同步的二维红外光谱进一步描述。3种虾肉在1800～1500 cm-1范围内的同步二维红外光谱见图4。

图4 3种虾的二维红外光谱

温度从50 ℃上升到90 ℃时，SAS在1620 cm-1处有1个较强的峰，在1520，1552，1706 cm-1处有3个较弱的峰。MR在1621，1648，1708 cm-1处有3个强峰，在1523，1553 cm-1处有2个弱峰，PJ在1623 cm-1处有1个强自峰，在1525，1709，1738 cm-1处有3个弱峰。综上所述，3种虾肉中蛋白质和脂类的热敏性不同，导致二维红外光谱之间存在明显差异。因此，这3种虾肉在1800～1500 cm-1范围内具有各自独特的指纹图谱，可作为虾肉鉴别的专属范围。

3 结论

3种不同种类的熟制虾肉SAS、MR和PJ通过傅里叶红外光谱、二阶导数红外光谱和二维红外光谱结合的“三步红外光谱法”快速、有效地鉴别。在傅里叶红外光谱中，3种虾肉之间的相关系数分别为1.0000，0.9829和0.7411。其中，脂类的吸收峰是SAS、MR和PJ的主要差异，PJ相对于SAS和MR具有较高的脂类含量。利用二阶导数红外光谱技术，放大了图谱之间微小的差异。1710～1500 cm-1范围内的二阶红外光谱表明，该频率范围内的不同峰位置、形状和强度有区别，表示三者具有不同的蛋白质分布，包括不同的二级结构。最后，通过在1800～1500 cm-1范围内的二维红外光谱，对这3种虾肉进行了更为清晰的鉴别。

4 讨论

傅里叶变换红外光谱(FT-IR)是一种快速、无损、易于处理的分子光谱分析方法，具有信噪比高、重复性好等特点，广泛用于鉴定食品、中草药等混合体系[14]。二阶导数红外光谱可以用来处理严重重叠的光谱，提高表观分辨率。如果FT-IR和SD-IR光谱的差别太小，可以用二维相关红外光谱(2 DCOS-IR)对红外光谱进行二维展开，更显著地消除2个结果之间的分歧。基于傅里叶红外光谱分析方法，对得到的结果进行“三步红外光谱”分析，可以对复杂的混合体系进行广泛而准确的分析和识别。

在3种熟制虾肉的一、二级红外光谱图中，利用特征谱段相似系数法比较3种虾肉分别在一、二级图谱不同特征谱段的相似系数[15]，然后利用分析软件进行特征峰比对分析，比较了PJ、SAS和MR的红外光谱图中峰的位置、形状和强度的异同。最后利用二维红外光谱法对不确定的结果进行进一步鉴别认定。实验结果表明，利用特征谱段相似系数法和二级红外光谱法可以快速地判断出3个不同虾肉的品种，采用二维红外光谱法进一步证实结果，方法简便、准确。

利用傅里叶红外光谱法鉴别不同虾种，可以获得每个虾种的整体特征峰谱图，还可以得到不同虾种之间的相关系数，因此可以直观显示纯虾肉与掺杂了其他品种的虾肉之间的差异。利用这种方法，不仅可以简单、快速鉴别纯熟制虾肉与掺入其他劣质品种虾肉，而且具有无损、准确的特点。本实验为熟制虾肉真伪鉴别、掺伪行为的鉴定提供了一种现代化的方法和理论基础。