发明内容
本发明的目的在于提供一种果冻中色素和防腐剂快速测定的方法,旨在解决现有果冻中色素、防腐剂等的分析效率低、操作强度大以及分析成本高等问题。
本发明是这样实现的,一种果冻中色素和防腐剂快速测定的方法,包括以下具体步骤:采集果冻样本以及待测组分的多波长色谱数据;
将所述果冻样本的色谱数据中与待测组分具有相同出峰时间的色谱数据扣除,将剩余色谱数据存为本底光谱数据库并将各本底光谱数据库合并为本底光谱数据库W;计算主成分数目q;用奇异值分解结合主成分数目q对本底光谱数据库W降维,得到数据量较小的本底光谱数据库N;
获取待测组分的标准光谱数据库v;
获取果冻样本的光谱数据a;
将所述本底光谱数据库N、标准光谱数据库v以及市售果冻样品光谱数据a导入计算平台,应用向量-子空间夹角判据算法算出果冻样本中待测组分的实际含量。
优选地,所述采集果冻样本以及待测组分的多波长色谱数据的步骤之前还包括步骤:将果冻产品均质后加入20%(v/v)乙醇水溶液混匀置于-20℃~-30℃温度下冷冻,然后取出抽滤、水淋洗并定容得到待测的果冻样品;其中,所述果冻产品与20%(v/v)乙醇水溶液的质量体积比为(30~60)g:(15~30)mL。
优选地,所述采集果冻样本以及待测组分的多波长色谱数据包括以下具体步骤:
将果冻样本经高效液相色谱分析,采集多个果冻样本的多波长光谱数据,该光谱数据为波长、时间和光强度构成的数据阵列;
将待测组分经高效液相色谱分析,采集待测组分的多波长光谱数据,该光谱数据为波长、时间和光强度构成的数据阵列;
分别将采集所得的果冻样本和待测组分的多波长光谱数据由光强数据格式转化成不同时间下多波长下的吸光度值。
优选地,所述计算主成分数目q包括以下具体步骤:
在果冻样本光谱中添加白噪声蔽不均匀噪声和非线性因素的干扰,以二阶差分值序列的折点判断独立变量数目,得到体系主成分数目q。
优选地,所述用奇异值分解结合主成分数目q对本底光谱数据库W降维,得到数据量较小的本底光谱数据库N包括以下具体步骤:
应用函数[U,S,V]=svd(W)对本底光谱数据库W进行奇异值分解降维,分解后得到m阶行正交矩阵U、n阶列正交矩阵V以及奇异值矩阵S,取U的前q列,为降维后的本底数据库N。
优选地,所述获取待测组分的标准光谱数据库v包括以下具体步骤:
分别配制一系列不同浓度待测组分溶液,分别记录各溶液的浓度和190nm~780nm波长范围光谱,将不同浓度的待测组分的多波长光谱数据记入标准光谱数据库,选择230nm~600nm波长范围光谱,经多变量最小二乘回归后得到待测组分的标准光谱数据库v。
优选地,所述获取果冻样本的光谱数据a包括以下具体步骤:将所述果冻样本定量定容后,依照吸光度的线性范围,采用多波长紫外-可见光纤光谱仪进行光谱测量,得到果冻样本的光谱数据a。
优选地,将所述本底光谱数据库N、标准光谱数据库v以及光谱数据a导入计算平台,应用向量-子空间夹角判据算法算出果冻样本中待测组分的实际含量包括以下具体步骤:
(1)依据定量精度设定扣减步长Δ;
(2)在函数yi=aix+bi中带入较大的x1值,得到v1;其中,yi为在i波长下待测组分的吸光度值,ai、bi是常数,x表示色素或防腐剂的浓度,v1表示在浓度为x1时待测组分的多波长吸光度值y1,v1为所有的yi值组成的矩阵;
(3)从所述果冻样本的光谱数据a中扣除v1/Δ,扣除后的变量为da;把本底光谱数据库N和变量da合并后记为对比空间M,计算对比空间M与v1夹角;
(4)从待测果冻样本光谱数据a中逐步扣除v1后,重复步骤(3);
(5)当所述果冻样本中的待测组分完全被扣除后比对空间M和待测组分的光谱向量v1空间夹角值会出现最大值θmax,记录空间夹角最大值θmax出现时对应的扣减步数λ,通过待测组分的浓度x1和扣减步数λ,计算果冻样本中待测组分的含量Y1,用函数关系定义为:Y1=x1×λ/Δ;
(6)比较Y1值与x1值的差值,该差值大于误差允许范围,则带入一个与Y1值相接近的x2进入步骤(2)中重新计算。
优选地,所述待测组分为柠檬黄、日落黄和山梨酸钾中的至少一种。
本发明克服现有技术的不足,提供一种果冻中色素和防腐剂快速测定的方法,实现采用一种新的果冻冷冻提取方法,这能将色素和防腐剂与果冻中的凝胶多糖类物质快速分离,然后通过采集已知的待测组分的多波长色谱数据,记录待测组分的出峰时间;采集含有待测组分的多组分果冻样本的多波长色谱数据;扣除果冻样本色谱数据中与待测组分具有相同保留时间的数据;合并多个样本的扣除待测组分的色谱数据,得到不含被测组分的本底数据库,计算主成分数目;用奇异值分解结合主成分数目对本底数据库降维,即可得到数据量较小的本底数据库,最后运用空间夹角判据计算多组分果冻样本中待测物质的含量,从而实现多组分混合体系中待测组分的定量。本发明操作简便,提取率与国标法相当或高于国标法。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
一种果冻中色素和防腐剂快速测定的方法,如图1所示,包括以下具体步骤:
S1、采集果冻样本以及待测组分的多波长色谱数据。
在步骤S1中,待测组分分别为柠檬黄、日落黄和山梨酸钾溶液,果冻样本中含有柠檬黄、日落黄和山梨酸钾成分。
更具体的,步骤S1包括以下操作步骤:
S1A、待测样本处理:
果冻样品的处理:称取一定量果冻,在匀浆机中均质,称取均质后的果冻30克,加入15mL体积分数为20%的乙醇水溶液混匀,倒入一次性塑料杯中,置于-20℃~-30℃冰箱中冷冻2h,冷冻处理后色素和防腐剂与果冻中的凝胶多糖类物质快速分离。取冷冻后的果冻冰渣快速抽滤,用约10mL蒸馏水分三次淋洗,合并滤液转移至25mL容量瓶中,定容,得到待测的果冻样品。
此外,果冻样品的处理还可以通过以下方法制备:称取一定量果冻在均质机中均质,称取均质后果冻样品30~60克,加入15~30mL20%的乙醇水溶液混匀,倒入一次性塑料杯中,置于-20℃~-30℃冰箱中冷冻2h。取冷冻后的果冻冰渣快速抽滤,用约10~20mL水,分三次淋洗,合并滤液转移至25mL~50mL容量瓶中,定容,得到待测溶液。由于山梨酸钾在多波长紫外-可见光纤光谱仪上的响应值较高,线性范围较窄,需根据实际测定情况将样品稀释25倍左右测定。
待测组分的处理:配制30μg/mL柠檬黄、30μg/mL日落黄、10μg/mL山梨酸钾混合水溶液作为待测组分。
S1B、获取光谱数据
将制得待测组分和果冻样品用高效液相色谱分析,获取被测组分色素和防腐剂的多波长光谱数据,即由波长、时间和光强度构成的数据阵列。其中,高效液相色谱条件为:
色谱柱:C18色谱柱(4.6mm×250mm,5μm);
梯度洗脱,流动相:
0.01~9.00min,乙腈:0.04mol/L乙酸铵水溶液=10:90(V/V);
9.01~20.00min,乙腈:0.04mol/L乙酸铵水溶液=40:60(V/V);
20.01~35.00min,乙腈:水=10:90(V/V);
35.01~60.00min,乙腈:水=95:5(V/V);
流速1mL/min;进样量:20μL;柱温:20℃;紫外检测波长:190~780nm。
S1C、转化数据格式:
将步骤S1B中所得的果冻样本的多波长光谱数据和待测组分的多波长光谱数据由光强数据格式转化成不同时间下多波长下的吸光度值,如附图2所示,转化后的数据的每一行代表一个波长下的色谱数据,每一列代表一个时刻下洗脱出来物质的光谱数据。步骤S1B中的果冻样本的光强数据经数据转化后得到果冻样本的色谱数据;待测组分的光强数据经数据转化后得到色素和防腐剂标准物质的色谱数据。
S2、将所述果冻样本的色谱数据中与待测组分具有相同出峰时间的色谱数据扣除,将剩余色谱数据存为本底光谱数据库并将各本底光谱数据库合并为本底光谱数据库W;计算主成分数目q;用奇异值分解结合主成分数目q对本底光谱数据库W降维,得到数据量较小的本底光谱数据库N。
在步骤S2中,具体的包括以下具体步骤:
S2A、获取不含待测组分的背景的光谱数据
确定被测组分、被测组分与本底组分完全分离的高效液相色谱条件。在此条件下对样本进行分析,得到待测的果冻样本和待测组分的对照品样本的高效液相色谱图。如附图3和4所示,其中,附图3为待测组分对照品在254nm处的高效液相色谱图,在附图3中,A为柠檬黄、B为山梨酸钾、C为日落黄,两种色素的出峰时间分别为柠檬黄4.678min、日落黄16.299min,防腐剂山梨酸钾6.799min;附图4为果冻样本在254nm处的高效液相色谱图,经分析对比,附图4中A为柠檬黄、B为山梨酸钾、C为日落黄,其他的色谱峰为果冻样本中相对于色素或防腐剂的本底物质。从果冻样本的色谱图中分别扣除与色素或防腐剂标准物质具有相同保留时间的光谱数据,其余数据存入本底光谱数据库中;合并多个果冻样本的本底光谱数据库构成本底光谱数据库W;
S2B、本底光谱数据库的降维
在步骤S2A中得到的本底光谱数据库W数据量大,会导致计算量很大。将步骤步骤S2A中所得的本底光谱数据库W进行奇异值分解,根据体系主成分数目去q将本底光谱数据库W降到适当的维数,得到本底光谱数据库N。其中,所述的体系主成分数目q确定的方法为:
在标准化的果冻样本光谱中添加一定强度的白噪声蔽不均匀噪声和非线性因素的干扰,以二阶差分值序列的折点判断独立变量数目,得到体系主成分数目q。
所述的将本底光谱数据库W降到适当的维数的方法如下:
应用[U,S,V]=svd(W)对本底光谱数据库W进行奇异值分解降维,分解后得到m阶行正交矩阵U、n阶列正交矩阵V和奇异值矩阵S,取U的前q列,为降维后的本底数据库N。
S3、获取待测组分的标准光谱数据库v。
步骤S3包括以下具体步骤:分别配制一系列浓度为3.0μg/mL~30.0μg/mL的柠檬黄和日落黄标准溶液,以及1.0μg/mL~10.0μg/mL的山梨酸钾标准溶液,分别记录各溶液的浓度和190nm~780nm波长范围光谱,记入标准光谱数据库。选择230nm~600nm波长范围光谱,经多变量最小二乘回归后得到色素和防腐剂的标准光谱数据库v。
S4、获取果冻样本的光谱数据a。
将步骤S1A处理得到的果冻样品依照吸光度的线性范围,定量移取滤液,用水稀释定容至5~25mL容量瓶中,采用多波长紫外-可见光纤光谱仪进行光谱测量,得到待测果冻样本光谱数据a。
S5、将所述本底光谱数据库N、标准光谱数据库v以及果冻样本光谱数据a导入计算平台,应用向量-子空间夹角判据算法算出果冻样本中待测组分的实际含量。
在步骤S5中,分别将上述步骤中得到的本底光谱数据库N、标准光谱数据库v、待测果冻样本光谱数据a导入计算平台,应用向量-子空间夹角判据算法将待测果冻样本光谱扣减色素(防腐剂)的标准光谱,得出待测样本中色素(防腐剂)的实际含量。
更具体的,步骤S5包括以下具体步骤:
(1)依据定量精度设定扣减步长Δ(本实施例为1000);
(2)在算式yi=aix+bi中带入较大的x1值,得到v1,其中,所述的yi表示在i波长下色素(防腐剂)的吸光度值,ai、bi是常数,x表示色素(防腐剂)的浓度,v1表示在浓度为x1时色素(防腐剂)的多波长吸光度值y1,v1为所有的yi值组成的矩阵;
(3)从待测果冻样本光谱数据a中扣除v1/Δ(本实施例是扣除v1/1000),扣除后的变量记为da;把本底光谱数据库N和变量da合并后记为对比空间M,计算对比空间M与v1夹角;
(4)从待测果冻样本光谱数据a中逐步扣除v1后,重复步骤(3);
(5)当待测果冻样本中的色素(防腐剂)完全被扣除后比对空间M和色素(防腐剂)的光谱向量v1空间夹角值会出现最大值θmax,记录空间夹角最大值θmax出现时对应的扣减步数λ,(参见图5,图5为空间夹角值与扣减次数之间的曲线图,由图5可以发现,出现最大夹角时的扣减步数为822),这时通过色素(防腐剂)的浓度x1和扣减步数果冻样本中色素(防腐剂)的含量Y1;计算式为Y1=x1×λ/Δ,得到Y1即为待测果冻样品中色素(防腐剂)的含量值。若Y1值与x1值相差较大,则带入一个与Y1相接近的x2重新计算。
为了验证本发明实施例测定结果的准确性,在本发明中选择了五种市售的果冻的样本,通过高效液相色谱-紫外可见光纤光谱仪联用建立本地数据库后,用本发明实施例公开的果冻中色素和防腐剂快速测定的方法同时测定果冻样本中色素和防腐剂的含量,并和高效液相色谱法结果比较,测定结果如下表1~表3所示:
表1 两种方法测定果冻样本中柠檬黄的含量
表2 两种方法测定果冻样本中日落黄的含量
表3 两种方法测定果冻样本中山梨酸钾的含量
从表1~表3可知,采用向量-子空间夹角判据测定计算果冻中的柠檬黄、日落黄和山梨酸钾含量,与高效液相色谱测定结果对比,相对误差基本小于±5%,说明向量-子空间夹角判据方法测定结果准确。
本发明还进行了加标回收实验,结果如表4所示:
表4 回收率实验
由表4可知,采用向量-子空间夹角判据进行计算,三种待测组分的样品加标回收率在95.2%~107.5%之间,可适用于市售果冻中色素和防腐剂的快速同时测定。
为了比较冷冻法与国标法的提取率效果,本发明进行了自配本底加标回收的提取率实验。在1000mL大烧杯中加入500mL蒸馏水煮沸,加入14.28魔芋粉,0.9g琼脂粉,搅拌均匀至透明无气泡,冷却至室温。称取50g本底,在磁力加热搅拌器中,恒温60℃,一边搅拌一边加入0.5克乳粉,0.2克柠檬酸和0.3克柠檬酸钠,再加入10mL1.518mg/mL柠檬黄标准溶液,10mL1.454mg/mL日落黄标准溶液,10mL0.522mg/mL山梨酸钾标准溶液,制得80.5g中含有15.18mg柠檬黄,14.54mg日落黄,5.22mg山梨酸钾的加标样品。称取约2.5克加标样品,分别根据国标法和冷冻法,对加标样品进行处理,定容于25mL容量瓶中。加标样品提取率测定结果如表5所示:
表5 加标样品提取率
由表5可知,本发明操作简便,冷冻法提取率与国标法相当或高于国标法。
相比与现有技术的缺点和不足,本发明具有以下有益效果:
(1)分析效率高、操作强度小:由于本发明采用紫外可见多波长直接测定,直接定量色素和防腐剂,不需要经过0.22μm滤膜过滤,不需要分离时间,而且样本测量及定量计算时间小于10秒,其分析效率较高,操作强度较小,非常适合于同类大批量样本的快速分析测定,易于推广应用。
(2)分析成本低:由于本发明是基于本底光谱集、标准光谱和果冻样本光谱间矩阵向量角标准,通过逐量扣减方式实现定量,可以采用最常见的一阶光谱仪器的输出数据,没有对数据维数提出特别要求,因此,本发明无需特殊仪器设备,而且试剂消耗量显著降低,从而降低了分析成本。对于同类样品的测定,本发明在进行一次色谱分离后,无需再利用联用仪器累积本底,仅通过光谱测量即可实现定量,从而可降低机时和试剂损耗。
(3)无需积累不含被测组分的本底数据库:由于果冻种类繁多,原料复杂,建立完整的本底数据库工作量大,从而影响分析精度和方法的适用性。而本发明提出借助高效液相色谱-光谱联用方法,分离测取果冻样本各个色谱时刻的一维谱后,进行分类,获得不含被测组分的本底数据,结合向量-子空间夹角判据算法实现样本中被测组分的分析。因此,本发明无需积累不含被测组分的本底数据库,不仅减小了工作量,而且也提高了分析精度,扩大了方法的适用性。
(4)稳健性好:本发明与现有的单波长、双波长及若干个波长方法相比,抗干扰能力强,可辨识复杂光谱程度高,稳健性好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。