太赫兹波谱用于违法添加工业明胶的检测

黄略略， 李 辰， 李 彬*， 刘妙玲， 邱浩榆

（1. 深圳职业技术学院 应用化学与生物技术学院，广东 深圳518055；2. 深圳市太赫兹科技创新研究院，广东深圳518102）

工业明胶与食品级明胶不同，对人体的危害很大，工业明胶在生产过程中用到的多种化工原料含大量的六价铬和砷等对人体有害的物质，并且使用五氯苯酚作为防腐剂，在皮革加工的过程中会深入皮毛之内，即便用大量的石灰和工业酸冲洗还原也无法完全清除其中的残留[1]，因此，工业明胶被国家列为违法添加物，禁止添加到食品中[2]。 对于工业明胶的检测，目前并没有国标，单纯针对明胶本身的测定无法区别工业明胶和食品级明胶，因为其主要成分是一致的，曾有学者表示，如果按一定比例加入食用明胶与工业明胶的话，可能无法检测出食物有问题[3]。 因此，目前对工业明胶的检测研究非常少，关于明胶的研究大部分集中在食用明胶的提取和改性。 赵龙岩[4]等（2012）通过分光光度计法检测工业明胶中铬和五氯苯酚的残留量来鉴别工业明胶，结果表明这种方法可行。 此法着眼于杂质和残留物，是一种非常好的思路，然而测定铬和五氯苯酚同样需要大量的前处理工作。

太赫兹（Terahertz，THz）位于电磁波谱的红外和微波区域之间，是指在0.1~3 THz 之间的频率，对应于波数为3.3~100 cm-1光谱谱段[5]。太赫兹波有很多优越的特性，与微波相比，太赫兹成像分辨率更高，太赫兹通信更保密、安全；与红外相比，太赫兹特征光谱对很多极性大分子有吸收特性，更容易用于毒品和异物的分辨和鉴定。 近年来，太赫兹作为一种新兴的检测技术，已被应用于农业育种[6-7]、医药[8]、生物[9]、化工[10-11]、食品[12-15]等各个领域的检测。

作者利用太赫兹波谱检测技术对食品级明胶和工业明胶进行检测和区分，并自制工业明胶阳性样品，用太赫兹波谱检测技术进行检测，旨在探寻一种快速、无损的工业明胶检测方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

食品级明胶：河南博洋明胶有限公司；工业明胶：河南祥盛食品添加剂有限公司；PE 微粉：上海阳励科技有限公司PE-18180；三种空心胶囊样品：两种直接购于淘宝不同店铺。 另一种购于药店，为修正药业斯达舒维U 颠茄铝胶囊Ⅱ。

喷雾干燥机：日本EYELA SD-1000；超声波提取机：上海比朗Bilon 2000CT；精密分析电子天平：梅特勒METTLER TOLEDO MS-204S；分析研磨机：德国艾卡IKA A11；电热恒温热风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司DHG-9123A；数显恒温水浴锅：上海精宏实验设备有限公司DK-S22；压片机：浙江海盐县光耀机械厂QYL5t；太赫兹时域光谱仪：英国TeraView 公司Terapulse 4000。

1.2 实验处理

1.2.1 明胶样品前处理用研磨机将明胶样品打碎，随后过200 目筛子，得到粉末状明胶样品。PE 粉提前放在称量瓶中，放入50 ℃烘箱中烘2 h，取出冷却备用。 100%的样品是称取大约150 mg 左右的明胶粉末，放入压片模具中，用25 MPa 的压力压成直径为13 mm 的圆片。 70%、50%等其他质量分数的明胶样品片是在明胶粉末中混入一定量的PE 粉末，充分混匀后再进行压片处理。

1.2.2 胶囊样品前处理修正胶囊处理：将其内部的药粉倒出，用棉签把胶囊内部擦干净。称取6 g 左右的空心胶囊样品， 放置于500 mL 超纯水的1 L烧杯中，水浴60 ℃使胶囊完全溶解，用150 目的筛子将胶囊表面不溶于水的色素滤掉，然后将水加至900 mL，放入超声波提取机中超声处理，处理条件为：超声5 s，间歇5 s，次数为70 次。 接着用喷雾干燥机将溶液喷干，得到胶囊的粉末状样品。 喷雾干燥机条件为：进样温度为设为160 ℃，出样温度为90 ℃， 进样速度为200~400 mL/h， 空气流速为0.5 m3/min，时间约为3 h。喷干后的粉末过200 目筛子，然后同上述1.2.1 中的压片方法制片。

1.2.3 阳性样品制作选取胶囊样品中噪声比较低的修正药业胶囊样品作为基质， 喷干成粉末后，按照1∶0、5∶5 和3∶7 与PE 粉混合均匀， 做成不同比例的基底，然后将打粉过筛后的工业明胶按照不同比例与基底混合，随后按照上述方法压片。

1.2.4 太赫兹检测方法在THz 透射式测量实验中，样品片放入专门的测试夹具中，将测试夹具直接固定于THz-TDS 系统。 实验过程中在密封样品仓中持续充入氮气，使相对湿度小于5%，温度保持在298 K 左右。 为减少测量误差，对同一样品均从不同位置测量3 次，取平均值作为样品的光谱信号。

设通过氮气（无样品放置）时获得的参考信号为Eref（ω），通过厚度为d的测量样品时获得的样品信号为Esam（ω），则样品光谱响应函数H（ω） 由公式（1）[15-16]表示为：

其中，A(ω）为样品与参考的振幅比；φ(ω)为样品与参考的相位差。

依据Dorney 等人提出的提取材料光学参数的模型[17]，样品的折射率n（ω）和吸光度a（ω）分别为：

2 结果与分析

2.1 食品级明胶和工业明胶的太赫兹测定图谱

图1~2 分别是食品级明胶和工业明胶的太赫兹光谱图。 图1 和图2 的时域光谱中，明胶样品与参照样之间存在明显差异， 明胶样品信号强度变弱，且质量分数降低，信号增大，说明明胶的存在阻碍了一部分THz 波的传输，并且随着PE 粉的混入，稀释了明胶质量分数，使得信号增强。 从图1 可知，食品级明胶的吸光度具有随频率增加而上升的趋势，但在THz 频段内均没有谱线的特征吸收，可认为食品级明胶在太赫兹频段是“半透明”的。 而工业明胶的THz 吸光度具有明显的特征吸收峰，吸收峰位为1.55 THz，吸光度曲线和吸收峰的大小随质量分数减小而降低。 质量分数为100%时，吸收峰信号过于强烈而导致峰型不好， 而当质量分数在70%及以下时，峰型较好。 此外，对工业明胶的测定发现， 质量分数低至1.57%时， 依然有一个可见的凸起，这表明，工业明胶在太赫兹光谱下具有较高的灵敏度。

图1 不同质量分数食品级明胶的时域及吸收光谱图Fig. 1 Time domain spectra and absorption spectra of food gelatin with different concentration

图2 不同质量分数工业明胶的时域及吸收光谱图Fig. 2 Time domain spectra and absorption spectra of industrial gelatin with different concentration

对比而言，工业明胶含有较多的杂质和加工过程中的化学残留物[1]，而恰恰是因为这些杂质的存在，使其与食品级明胶产生了区别，导致工业明胶在太赫兹光谱下有明显的特征吸收峰，产生的原因不是单纯的明胶，也不是单纯的某类杂质，而是共同作用的结果。

2.2 不同来源的空心胶囊太赫兹测定图谱

3 种胶囊样品分别购于淘宝网和药店， 图3~5分别为淘宝1 号、2 号和修正胶囊样品的太赫兹光谱图。 从结果可知，不同质量分数的3 种胶囊样品均未测出工业明胶特征吸收峰，这表明3 种样品中均不含有工业明胶或含量非常低，一般来说，胶囊的主要材料是明胶，所以质量分数很低的可能性较小，当然目前也有植物明胶制成的胶囊[18]，无论是哪种情况， 结果可以说明3 种样品中不含有工业明胶。 另外，比较3 种样品的折射率图可知，在同一质量分数下，3 种样品的折射率并不相同，说明每一种胶囊的成分是有区别的， 比如淀粉的添加量等，成分不同，太赫兹光谱的透射信号受到阻碍的程度不同，导致折射率不同以及频谱中吸收曲线的斜率不同。 比较来说，在同一质量分数下，修正样品的吸收曲线斜率较低，这表明样品的测量噪声较小，属于3种样品中品质较高的样品。

图3 淘宝1 号胶囊样品的吸收光谱图和折射率图Fig. 3 Absorption spectra and refractive index spectra of taobao 1 sample

图4 淘宝2 号胶囊样品的吸收光谱图和折射率图Fig. 4 Absorption spectra and refractive index spectra of taobao 2 sample

图5 修正胶囊样品的吸收光谱图和折射率图Fig. 5 Absorption spectra and refractive index spectra of xiuzheng sample

2.3 自制工业明胶阳性样品的太赫兹检测

图6~8 为不同基底的工业明胶阳性样品检测结果。 从三个图的吸收光谱可知，测定结果都依然符合工业明胶质量分数越大， 特征吸收峰值越高，折射率越高的趋势。 此外，在同一工业明胶质量分数条件下，30%修正胶囊基底的阳性样品吸收峰最明显，100%修正胶囊基底的阳性样品吸收峰最不明显，这说明PE 粉的加入是有很大作用的，它能够起到稀释样品的作用， 稀释后样品的折射率降低，吸收基线降低，吸收峰更加明显。

由上述2.1 的分析可知，工业明胶以PE 粉为基质时，1.57%的低质量分数下仍然可以看到一个小的吸收凸起，而当样品中混有无特征吸收峰的阴性样品时，质量分数提升至5%，才可以看出有明显的特征吸收峰，这表明，在检测样品中是否含工业明胶时，真实样品的检测限会更高。

图6 100%修正胶囊基底阳性样品的吸收光谱图和折射率图Fig. 6 Absorption spectra and refractive index spectra of 100% xiuzheng positive sample

2.4 太赫兹光谱条件下工业明胶的定量分析

将图2（b）、图7（a）和图8（a）中工业明胶的吸收峰高值与工业明胶的质量分数分别作出3 条散点图，从图9 中可以看出，对三条线进行线性拟合，每条线的R2值都在0.99 以上，这说明，两者之间存在线性关系， 可以通过此法来进行工业明胶的定量。 此外，从图中还可看出，三条线的斜率并不相同， 线条斜率随着基底中除PE 粉之外的混合物的增加而降低， 这也从另一个角度证实了前面2.3 中所阐述的观点。 然而，食品中违法添加工业明胶，都会含有除工业明胶以外的物质，产品中工业明胶质量分数较高， 检测值和真实值之间的差距较小，若质量分数较低，检测值会偏小。

图7 50%修正胶囊基底阳性样品的吸收光谱图和折射率图Fig. 7 Absorption spectra and refractive index spectra of 50% xiuzheng positive sample

图8 30%修正胶囊基底阳性样品的吸收光谱图和折射率图Fig. 8 Absorption spectra and refractive index spectra of 30% xiuzheng positive sample

图9 工业明胶质量分数与吸收峰高的线性拟合结果Fig. 9 Linear fitting result of absorption value to industrial gelatin concentration

3 结 语

太赫兹光谱法非常适合用于食品中违法添加物工业明胶的检测， 工业明胶纯品的检测限可达1.5%左右，在阳性样品中同样可以实现对工业明胶的检测，检测限最低可达5%，高于纯品的检测限，这应该是由于阳性样品中含有多种其他物质成分，这些成分虽然无特征吸收峰，但其阻碍了一部分太赫兹波的传输，增加了噪声，导致检测限升高。 混合不同质量分数的PE 粉能够不同程度提高阳性样品中工业明胶的检测限。

工业明胶的质量分数和吸收曲线峰高之间符合线性关系，可以通过这一发现对工业明胶的太赫兹检测结果进行定量。 此外，工业明胶有特征吸收峰而食品明胶没有，那么工业明胶的峰为何产生是一个值得深入研究的问题。 作者已开展相关研究，将食品明胶溶解后， 添加了不同比例的五氯苯酚，然后喷雾干燥、压片、检测，但未有工业明胶的特征吸收峰出现，接下来将采取其他方法来进一步研究出峰的原因。