CN112578039B - 一种燕窝中掺假物的分析鉴定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燕窝中掺假物的分析鉴定方法，包括以下步骤：将待检测样品和标准样品分别放入顶空瓶中，加热孵育后顶空进样，进入风味分析仪中；通过风味分析仪获取所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的三维谱图和/或二维俯视图，从所述三维谱图和/或所述二维俯视图中得到所述待检测样品和所述标准样品中的挥发性有机物的差异；若所述待检测样品和所述标准样品中的挥发性有机物存在差异，则利用所述风味分析仪中的Gallery Plot插件来绘制挥发性有机物的指纹谱对比图，建立分析模型，从而对燕窝是否掺假和/或掺假物的种类进行鉴别。该方法数据分析简便、直观、可视，不受掺假物类型的限制，具有广泛的运用前景。

Description

一种燕窝中掺假物的分析鉴定方法
技术领域
本发明涉及食品分析检测技术，尤其是一种燕窝中掺假物的分析鉴定方法。
背景技术
燕窝是珍贵的滋养之物，是古代王公贵族的推崇之物，在现代，燕窝作为天然的滋养身体的保养之品，已经走入大众的生活中。由于燕窝定价较高，不良商家对燕窝掺杂相似组分，以谋取利润，这种掺假的燕窝一般难以鉴别通过肉眼进行鉴别。
CN107490637A公开了一种检测燕窝有无掺杂其他含胶原蛋白的物质的方法，包括如下步骤，(1)对燕窝样品进行前处理：将燕窝样品分为两份，一份采用酸水解处理并定容作为酸水解样品，另一份采用碱水解处理并定容作为碱水解样品，将酸水解样品和碱水解样品混合，并定容，作为前处理样品；(2)柱前衍生化处理：将所述前处理样品用OPA、FMOC分别对其中的一级、二级氨基酸进行柱前衍生化，获得待测样品；(3)将待测样品和标准样品分别进行高效液相色谱检测分析，通过比较二者的检测图谱，判断待测样品中是否含有羟脯氨酸和/或肌氨酸，所述标准样品中含有羟脯氨酸和/或肌氨酸的标准物。这种方法只能对胶原蛋白类的物质掺假进行检测，无法应对所有可能掺假的情况。
CN111693625A公开了一种基于GC-IMS鉴定燕窝中掺假物的方法及应用，是将燕窝与常见燕窝掺假物如猪皮等分别进行GC-IMS检测，再将得到的挥发性组分指纹图谱进行对比，以此判断燕窝中是否含有掺假物，然而这种方法依据主成分分析法进行相似度分析，具有人为偏差，存在主观性判断导致的误判，因此不够准确。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的燕窝中掺假物鉴别无法针对所有未知组分，提供一种燕窝中掺假物的分析鉴定方法，在无需样品前处理的前提下，直接加热待测样品，顶空进样后可快速检测样品中的挥发性有机组分，结合软件插件获得样品的气相离子迁移谱图、挥发性有机物的Gallery Plot图、PCA图等，数据分析简便、直观、可视，不受掺假物类型的限制，运用范围广。
具体方案如下：
一种燕窝中掺假物的分析鉴定方法，包括以下步骤：
将待检测样品和标准样品分别放入顶空瓶中，加热孵育后顶空进样，进入风味分析仪中，所述待检测样品为掺假物情况未知的样品，所述标准样品为燕窝标准品；
通过风味分析仪获取所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的三维谱图和/或二维俯视图，从所述三维谱图和/或所述二维俯视图中得到所述待检测样品和所述标准样品中的挥发性有机物的差异，所述三维谱图为保留时间，迁移时间和峰强度的关系图，所述二维俯视图为保留时间和迁移时间的关系图；
若所述待检测样品和所述标准样品中的挥发性有机物存在差异，则利用所述风味分析仪中的Gallery Plot插件来绘制挥发性有机物的指纹谱对比图，从所述指纹谱图中选择特征物质建立分析模型，从而对燕窝是否掺假和/或掺假物的种类进行鉴别；
其中：所述指纹谱对比图是将所述待检测样品和所述标准样品中的挥发性有机物按组分进行对比，图中一行代表一个样品的挥发性成分组成；图中一列代表某种挥发性有机物在不同样品中的信号峰，信号峰通过颜色明暗代表物质的浓度高低，颜色明代表浓度高。
进一步的，所述掺假物包括银耳、卡拉胶、琼脂、淀粉中至少一种。
进一步的，将待检测样品和标准样品分别放入顶空瓶中，加热到70-85℃孵育10-25min后顶空进样。
进一步的，所述风味分析仪的色谱条件包括：漂移气流量恒定140-160mL/min，载气初始流量1-2mL/min，保持2-3min后，线性增加到90-110mL/min，结束。
进一步的，所述风味分析仪的离子迁移谱条件包括：柱温55-65℃，载气/漂移气为氮气，IMS温度为40-50℃。
进一步的，通过风味分析仪中Reporter插件对获得的数据进行计算，得到所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的三维谱图和/或二维俯视图。
进一步的，通过所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的三维谱图，获得样品中的挥发性有机物差异，同时结合所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的二维俯视图，获得所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的差异及差异的变化规律。
进一步的，所述特征物质包括E-2-庚烯醛、丙酸丁酯、糠醛或环己酮中至少一种。
进一步的，所述分析模型包括PCA算法模型和/或KNN算法模型。
进一步的，所述KNN算法模型中，超参数K＝5，使用前3个主成分进行分类，欧氏距离进行距离计算，距离平方的倒数进行加权，建立燕窝-掺假的二分类模型。
有益效果：本发明所述燕窝中掺假物的分析鉴定方法样品前处理简单，获得的结果准确，可针对未知的掺假物获得不同的特征物质，并结合数据计算模型，从而对掺假物的种类和含量进行鉴别，具有广泛的运用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1-1是本发明一个实施例提供的样品中挥发性物质成分三维谱图；
图1-2是本发明一个实施例提供的样品中挥发性物质成分谱图(俯视图)；
图1-3是本发明一个实施例提供的样品中挥发性物质成分对比差异谱图；
图2-1是本发明一个实施例提供的掺假物银耳的Gallery Plot指纹谱图；
图2-2是本发明一个实施例提供的掺假物卡拉胶的Gallery Plot指纹谱图；
图2-3是本发明一个实施例提供的掺假物琼脂的Gallery Plot指纹谱图；
图2-4是本发明一个实施例提供的掺假物淀粉的Gallery Plot指纹谱图；
图3-1是本发明一个实施例提供的全部样品PCA分析图；
图3-2是本发明一个实施例提供的混淆矩阵图之一；
图3-3是本发明一个实施例提供的ROC曲线图；
图3-4是本发明一个实施例提供的混淆矩阵图之二。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在下面的实施例中，如未明确说明，“％”均指重量百分比。
本实施例使用G.A.S.公司的
Figure BDA0002787656890000051
风味分析仪。
实施例1
取2g样品，样品情况见表1，将样品分别置于20mL顶空瓶中，80℃孵育20分钟后进样500μL。采用
Figure BDA0002787656890000052
风味分析仪，系统分析条件见表2，气相色谱条件见表3。
表1样品信息表
序号 样品编号 说明
1 1A、2A…6A 不同比例银耳掺假
2 1B、2B…6B 不同比例卡拉胶掺假
3 1C、2C…6C 不同比例琼脂掺假
4 1D、2D…6D 不同比例淀粉掺假
5 100A、100B…100D 纯掺假物掺假
6 100E 基础燕窝
说明：A～E分别代表银耳、卡拉胶、琼脂、淀粉、燕窝样品，每个样品取3次作为平行样，组内1～6号样品的掺假比例(重量浓度)分别为1％，2％，5％，10％，20％，50％；其中100A代表100wt％银耳，其余同理。
表2系统分析条件表
Figure BDA0002787656890000053
Figure BDA0002787656890000061
表3气相色谱条件表
Time E1 E2 R
00:00,000 150mL/min 2ml/min rec
02:00,000 150mL/min 2ml/min -
20:00,000 150mL/min 100ml/min Stop
Figure BDA0002787656890000062
风味分析仪配套的分析软件包括VOCal和三款插件，可以分别从不同角度进行样品分析：
1)VOCal：用于分析谱图和数据的定性定量，应用软件内置的NIST数据库和IMS数据库可对物质进行定性分析，用户可根据需求利用标准品自行扩充数据。图中每一个点代表一种挥发性有机物；对其建立标准曲线后可进行定量分析；
2)Reporter插件：直接对比样品之间的谱图差异(二维俯视图、三维谱图和差异谱图)；
3)Gallery Plot插件：指纹图谱对比，直观且定量地比较不同样品之间的挥发性有机物差异；
4)Dynamic PCA插件：动态主成分分析和相似度分析图，用于将样品聚类分析和相似度分析，以及快速确定未知样品的种类。
在上述条件下对样品进行检测分析，结果如下：
1、样品中挥发性物质成分对比
软件能够自动生成样品挥发性物质的三维谱图(保留时间，迁移时间和峰强度)及二维俯视图(保留时间和迁移时间)。从图1-1的三维图中可以直观看出不同样品中的挥发性有机物差异，同时结合对应的二维俯视图图1-2和图1-3，可以更明显体现挥发性物质的差异和变化。
对图1-1、图1-2和图1-3的说明：
1)Reporter插件制作的二维俯视图背景为蓝色，横坐标1.0处红色竖线为RIP峰(反应离子峰，经归一化处理)，根据峰(色点)的有无或者颜色深浅能够直观表现不同样品之间的组分及浓度差异。
2)纵坐标代表气相色谱的保留时间(s)，横坐标代表离子迁移时间(归一化处理)。
3)RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物。颜色代表物质的浓度，白色表示浓度较低，红色表示浓度较高，颜色越深表示浓度越大。
4)差异化谱图是对GC-IMS谱图(俯视图)的差异化分析，是以某一个样品为参照，对比显示样品中所有挥发性物质在不同样品中的差异情况，红色代表该物质在该样品中浓度高于参照样品，而蓝色则代表低于参照样品。
结合以上说明及GC-IMS谱图可以对不同样品之间的挥发性物质组成进行直观比较和初步的判断，尤其是在二维俯视图中，不同样品中的挥发性物质种类及浓度差异比较直观，当以燕窝为参照差异对比时，如图1-3所示，其它掺假样品中对应的挥发性物质差异一目了然，红色越深，说明对应物质浓度比燕窝中浓度高的越多；蓝色越深则反之。可以看出其中琼脂中的风味物质和燕窝相对接近。
为了更具体直观表现不同样品、不同过程中挥发性物质的变化规律和相对含量的比较，借助Gallery Plot插件来绘制挥发性物质的指纹谱图，直观且定量地比较不同样品之间的挥发性有机物差异。如图2-1、图2-2、图2-3、图2-4分别给出了银耳、卡拉胶、琼脂、淀粉掺假样品的Gallery Plot指纹谱图，其中：
1)图中一行代表一个样品的挥发性成分组成；图中一列代表某种挥发性物质在不同样品中的信号峰；信号峰的颜色明暗代表该物质的浓度高低。
2)从图中可以直观看出每种样品的完整挥发性有机物信息以及样品之间挥发性有机物的差异。
观察上述4种掺假物不同比例掺假的指纹谱图，随着掺假比例的递变，燕窝或者掺假物中的特征物质浓度应该呈现出递增或者递减的趋势，但是由图2-1、图2-2、图2-3、图2-4可知，奇怪的是不同掺假比例的样品中大部分挥发性物质浓度的变化并不是单调的，一些物质在掺假样品中的浓度甚至比燕窝及掺假物都高，还有一些燕窝中特有的物质，随着掺假比例增大居然浓度会增加，而且一些物质在平行样中的浓度也具有明显差异。只有少数个别物质的浓度呈现单调变化，如图2-1、图2-3、图2-4中的左侧虚线方框所示。出现这些反常现象的原因分析有三：1、用于掺假的基础燕窝存在差异；2、进行掺假时称量误差及混合不均匀，尤其是琼脂和卡拉胶，容易结块，不易分散；3、掺假物对物质挥发具有较大影响。
另外，观察方框中的特征物质，其递变规律在不同样品中也是不同的，例如A银耳掺假中，随着掺假比例提高，观察到癸醛具有很好的递减规律，但是在卡拉胶和琼脂的掺假中就不一样了，这说明使用不同的掺假物时，特征标记物可能会不一样，针对不同的掺假情况，可能需要不同的鉴别模型。这为特征物质的选择增加了难度，如何选择特征标记物对所有掺假进行区分？
以下尝试通过所有物质的信号强度分布结合指纹谱图对特征物质进行筛选，以期能够在此实验结果下对所有的掺假进行区分，筛选的特征物质包括：E-2-庚烯醛、丙酸丁酯、糠醛、环己酮，以此建立模型对所有掺假进行判别。
3、聚类分析
如图3-1PCA图可以看出样品之间的特征差异及聚类趋势，使用2个主成分时，累积贡献率为84％。可以看到随着掺假比例的变化，样品点的变化。随着掺假比例降低，此时燕窝比例相应增高，所有掺假趋近于真燕窝，所以随着掺假比例降低，样品点向真燕窝的区域靠近，如图中红圈所示。左侧圆圈(理论上代表真燕窝)和右侧椭圆形(掺假物的区域)之间的距离越远交集越小，对掺假的鉴别能力越强，准确度越高。当然这是聚类的趋势，实际鉴别及分类情况还需要模型验证。
建立KNN模型，超参数K＝5，使用前3个主成分进行分类，累计贡献率94.5％，欧氏距离进行距离计算，距离平方的倒数进行加权，建立燕窝-掺假的二分类模型，模型准确率100％，混淆矩阵及ROC曲线如图3-2和图3-3。不足的是，此分类中，燕窝样本与掺假样本数量之间差距过大，需要更多的燕窝样本进行验证。
下面通过增加特征物质再建立一个模型，特征标记物除上个模型提到的信号峰外，再加入2-庚酮单体二聚体，考察是否可以对不同的掺假进行鉴别，调参K＝5，使用前5个主成分，累计贡献率98.2％，欧氏距离进行距离计算，距离平方的倒数进行加权，对燕窝及4种不同掺假物进行鉴别，准确率可达90.8％。混淆矩阵见图3-4。可以看出银耳及燕窝的鉴别准确率达到100％，部分卡拉胶、琼脂及淀粉掺假样品之间出现了误判，尤其是淀粉掺假样品，有6个被误判为卡拉胶和琼脂掺假。
从上面的分析可以看出，通过筛选特征标记物，建立并优化判别模型，可以对燕窝是否掺假以及掺假物的种类进行鉴别，且具有较高的准确度，随着更多样本的验证，有可能会得到更理想的结果。
本发明采用GC-IMS技术是气相色谱和离子迁移谱两项技术的联用，样品随载气进入仪器，首先经过气相色谱柱的初次分离，随后进入离子迁移管，待测分子在电离区带电后，在电场和逆向漂移气的作用下迁移到达检测器检测，实现二次分离。它结合了二者优势，分离度好、灵敏度高，这为痕量挥发性有机物的定性、定量分析提供了依据，尤其是对于部分同分异构体的分析方面，优势非常明显。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种燕窝中掺假物的分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
将待检测样品和标准样品分别放入顶空瓶中，加热到70-85℃孵育10-25min后顶空进样，进入风味分析仪中，所述待检测样品为不同掺假比例的样品，所述标准样品为燕窝标准品，样品情况见下表；
Figure 49511DEST_PATH_IMAGE001
每个样品取3次作为平行样，表中1~6号样品的掺假比例的重量浓度分别为1%，2%，5%，10%，20%，50%；其中100A代表100wt%银耳，其余同理；
所述风味分析仪的检测条件包括：漂移气流量恒定140-160mL/min，载气初始流量2mL/min，保持2min后，线性增加，在20分钟时达到100mL/min，结束；柱温55-65℃，载气/漂移气为氮气，IMS温度为40-50℃，色谱柱为MXT-5 15m ID:0.53mm；
通过风味分析仪获取所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的三维谱图和/或二维俯视图，从所述三维谱图和/或所述二维俯视图中得到所述待检测样品和所述标准样品中的挥发性有机物的差异，所述三维谱图为保留时间，迁移时间和峰强度的关系图，所述二维俯视图为保留时间和迁移时间的关系图；
若所述待检测样品和所述标准样品中的挥发性有机物存在差异，则利用所述风味分析仪中的Gallery Plot插件来绘制挥发性有机物的指纹谱对比图，从所述指纹谱对比图中选择特征物质建立分析模型，从而对燕窝是否掺假和/或掺假物的种类进行鉴别；
其中：所述指纹谱对比图是将所述待检测样品和所述标准样品中的挥发性有机物按组分进行对比，图中一行代表一个样品的挥发性成分组成；图中一列代表某种挥发性有机物在不同样品中的信号峰，信号峰通过颜色明暗代表物质的浓度高低，颜色明代表浓度高；
所述特征物质为E-2-庚烯醛、丙酸丁酯、糠醛和环己酮；
所述分析模型包括PCA算法模型和KNN算法模型；
所述KNN算法模型中，超参数K=5，使用前3个主成分进行分类，欧氏距离进行距离计算，距离平方的倒数进行加权，建立燕窝-掺假的二分类模型。
2.根据权利要求1所述燕窝中掺假物的分析方法，其特征在于：所述掺假物包括银耳、卡拉胶、琼脂、淀粉中至少一种。
3.根据权利要求1所述燕窝中掺假物的分析方法，其特征在于：所述顶空进样的进样体积为500ul，进样针温度为85℃。
4.根据权利要求1所述燕窝中掺假物的分析方法，其特征在于：通过风味分析仪中Reporter插件对获得的数据进行计算，得到所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的三维谱图和/或二维俯视图。
5.根据权利要求1所述燕窝中掺假物的分析方法，其特征在于：通过所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的三维谱图，获得样品中的挥发性有机物差异，同时结合所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的二维俯视图，获得所述待检测样品和所述标准样品各自的挥发性物质的差异及差异的变化规律。
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