一种基于核磁共振技术的食用油品质鉴别方法与流程

本发明属于分析技术领域，具体涉及基于核磁共振技术的食用油品质鉴别方法。

背景技术

人类日常生活中，食用油是与人们生活息息相关的生活必需品。食用油可以提供谷甾醇、不饱和脂肪酸、谷维素等对人体健康有益的营养物质。目前我国市场上最受欢迎的食用油主要包括大豆油、花生油、菜籽油、葵花籽油、芝麻油、玉米油、橄榄油。不同种类的食用油主要成分十分相似，但其价格却与其成分的含量差别及和营养价值有关，因此价格差异很大，这也导致一些不法商贩利用超标的或廉价的食用油与昂贵的食用油混合，伪装成高价食用油获取更高利益，严重损害了消费者的利益，损害了人类的健康。混合食用油是将两种或两种以上纯食用油按一定比例混合而成的食用油。混合食用油是通过在纯食用油中掺入超标的食用油包括高风险的地沟油和煎炸老油。地沟油和煎炸老油是长期高温加热的食用油，这个过程会产生各种有害物质。即使经过过滤和纯化，超标食用油中的多种有毒有害物质也难以去除。但是这种食用油依靠外观或气味鉴别比较困难，对人体健康危害很大。另外混合食用油还包括掺有廉价食用油的高价食用油，如与大豆油混合的橄榄油。这种掺假不仅是我们关注的焦点，也是非法交易者最常用的降低成本的方法。但这种掺假更为私密，不会危害消费者的健康，因此往往被普通消费者忽视。所以对食用油的品质进行鉴别对消费者和食品流通领域的管理者均有重要的意义，并且可以为相应的制度建立提供参考价值，为食用油的质量控制评价提供可行的方法。

当今技术手段为我们提供了多种食用油鉴别方法。然而，传统的化学方法往往需要各种化学仪器和试剂以及专业操作实验仪器。质量参数的检测需要很长时间，不能用于快速筛选。因此，发展一种食用油快速分析的方法对提高食用油企业的质量监管，保障食用油消费市场和消费者的权益具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种基于核磁共振技术的食用油品质鉴别方法，利用本发明方法可以快速、高效率地鉴别出不同种类食用油、掺假或不合格的食用油，经济实惠，方便快捷，可以有效提高监管部门效率，保证购买食用油消费者的权益以及身体健康，便于推广使用。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于核磁共振技术的食用油品质鉴别方法，包括以下几个步骤：

1)收集标准植物食用油样本和超标食用油样本；

2)对每一个样本进行核磁共振检测，采集得到高分辨率的一维核磁共振氢谱；而后转为步骤3或步骤4；

3)设计matlab程序对比常规食用油以及超标食用油谱图，寻找两者间差异，然后根据差异物质鉴别是否超标；

4)对高分辨率的一维核磁共振氢谱进行预处理得到二维的积分数据，进行统计数据分析得到食用油成分小分子特征峰的归属，利用特征峰算出不同种类食用油成分和质量的指标，从而建立标准食用油成分以及质量数据库；

5)利用标准食用油成分以及质量数据库统一标准设置成分和质量指标阈值，设计matlab程序直接处理二维的积分数据从而鉴别食用油的品质或种类。

在一较佳实施例中：所述标准植物食用油样本指的是在超市购买或者科研机构购买、符合国家使用标准的植物食用油；所述超标食用油样本为街道上摊贩使用多次或者不明途径的食用油。

在一较佳实施例中：步骤2中，核磁共振检测在布鲁克600mhz的核磁共振谱仪上完成：脉冲序列：zg30、扫描叠加次数：32次、弛豫延迟：1秒、单次采集时间：4.95秒、采集点数：32k、谱宽：6613.8hz、实验环境通过谱仪控制在298k。

在一较佳实施例中：步骤4中，采集得到的高分辨率的一维核磁共振氢谱使用mestrenova软件进行预处理，对处理后的谱图进行全谱归一化后得到每行为分析样本、每列为食用油成分小分子信息的二维矩阵，最后对食用油成分小分子的特征峰进行归属。

在一较佳实施例中：步骤5中，叠加食用油成分小分子特征峰所在积分区间的积分值，通过公式算出不同种类食用油成分和质量指标，进而得出每一种食用油的标准设置成分和质量指标阈值。

在一较佳实施例中：matlab程序的鉴定逻辑为：

1)先检测可能存在的超标物质特征峰，如果存在超标物质，则直接判定为超标食用油；

2)如果没有检测出超标物质，则计算出主要成分和相关参数的值，与每一种食用油的标准设置成分和质量指标阈值对比，如果满足某一食用油的参数则给出判断结果；若不满足就递归到混合食用油判断逻辑中对成分进行线性分析，获得组成样本的构成结果。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种食用油品质鉴别方法，利用基于核磁共振技术的食用油品质鉴别方法来根据食用油参数数据库设计程序软件从而为食用油品质鉴别提供技术支持。本发明基于核磁共振波谱技术的食品组学方法对不同种类的常规食用油和超标食用油检测得到相应的原始图谱，对比常规食用油以及超标食用油谱图，找出超标物质峰验证两者间质量差异，并通过对图谱进行进一步分析食用油成分的特征峰，从而算出每一种食用油的标准设置成分和质量指标阈值，利用之前设计好的程序软件以及这些阈值的数据可以有效准确区分出不同种类的食用油以及食用油掺假。利用本发明方法可以对检测食品样本，可得到丰富的有关食品大分子或小分子的大量的、多维的信息。利用基于核磁共振波谱技术的食品组学检测食用油掺假，可为监管部门监督食用油掺假以及质量提供崭新、便捷的技术方法，具有重要的经济和社会效益。

附图说明

图1为u脂肪酸分子信号在大豆油(so)和芝麻油(se)一维氢谱(0.5-5.5ppm)中的归属，3.0-5.5ppm的区域被纵向放大了4倍。

图2为不同种类标准食用油主成分分析得分图。

图3为超标食用油(地沟油、煎炸老油)和标准食用油的核磁共振谱图比较。

图4为专家系统操作结果页面；

图5为混合食用油主成分分析得分图(菜籽油、大豆油、花生油和橄榄油)。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，进一步阐释本发明：

一种基于核磁共振技术的食用油品质鉴别方法，包括以下几个步骤：

1)收集标准植物食用油样本和超标食用油样本；

2)对每一个样本进行核磁共振检测，采集得到高分辨率的一维核磁共振氢谱；而后转为步骤3或4；

3)设计matlab程序对比常规食用油以及超标食用油谱图，寻找两者间差异，然后根据差异物质鉴别是否超标；

4)对高分辨率的一维核磁共振氢谱进行预处理得到二维的积分数据，进行统计数据分析得到食用油成分小分子特征峰的归属，利用特征峰算出不同种类食用油成分和质量的指标，从而建立标准食用油成分以及质量数据库；

5)利用标准食用油成分以及质量数据库统一标准设置成分和质量指标阈值，设计matlab程序直接处理二维的积分数据从而鉴别食用油的品质或种类。

具体来说，所述标准植物食用油样本指的是在超市购买或者科研机构购买、符合国家使用标准的植物食用油；所述超标食用油样本为街道上摊贩使用多次或者不明途径的食用油。

步骤2中，核磁共振检测在布鲁克600mhz的核磁共振谱仪上完成：脉冲序列：zg30、扫描叠加次数：32次、弛豫延迟：1秒、单次采集时间：4.95秒、采集点数：32k、谱宽：6613.8hz、实验环境通过谱仪控制在298k。

步骤3中，采集得到的高分辨率的一维核磁共振氢谱使用mestrenova软件进行预处理，对处理后的谱图进行全谱归一化后得到每行为分析样本、每列为食用油成分小分子信息的二维矩阵，最后对食用油成分小分子的特征峰进行归属。

步骤4中，叠加食用油成分小分子特征峰所在积分区间的积分值，通过公式算出不同种类食用油成分和质量指标，进而得出每一种食用油的标准设置成分和质量指标阈值。

步骤4中，matlab程序的鉴定逻辑为：

1)先检测可能存在的超标物质特征峰，如果存在超标物质，则直接判定为超标食用油；

2)如果没有检测出超标物质，则计算出主要成分和相关参数的值，与每一种食用油的标准设置成分和质量指标阈值对比，如果满足某一食用油的参数则给出判断结果；若不满足就递归到混合食用油判断逻辑中对成分进行线性分析，获得组成样本的构成结果。

下文通过距离的实验实例进行说明：

1.研究对象

本实施例收集7个种类合计49个正规食用油样品，其中6个葵花籽油样品(ss)，6个菜籽油样品(ra)，6个大豆油样品(so)，6个花生油样品(pe)，6个玉米油样品(co)，4个橄榄油样品(ol)和15个芝麻油样品(se)。49个样品中有5个是来自国家粮食局科学研究院的标准食用油样品(包括大豆油、花生油、葵花籽油、玉米油和芝麻油)，剩下的均在大型超市购买。此外，收集7种摊贩所使用的超标食用油，包括地沟油和煎炸老油样品。7种超标油样本，其中两个为地沟油(1号和2号超标油)，一个为掺入20％地沟油的普通食用油(3号超标油)，一个为高芥酸食用油(4号超标油)，还有两个分别为长期存放的普通食用油(5号超标油)和乳化变质的食用油(6号超标油)，最后一个为自主炼制的煎炸老油(7号超标油)。最终所得样品为56个食用油样品。

2.试剂和仪器设备

实验试剂包括氘代氯仿(含有0.03％的四甲基硅烷)、氘代二甲基亚砜。

实验耗材包括5mm核磁管、50mlep管、记号笔、乳胶手套、口罩。

实验设备包括100μl、200μl、500μl微量进样器、振荡器、布鲁克600mhz核磁共振谱仪。

3.样本的收集和预处理

食用油包装开封后分装移入50mlep管里，放入277k冰箱里直至配样。配样时，将50μl食用油样品溶于300μl的含有0.03％tms(四甲基硅烷，用于定标)的有机溶剂cdcl3(氘代氯仿，氘代率99.8％)中，同时额外添加250μl的dmso-d6(氘代二甲基亚砜)。将溶液震荡至均匀后取出500μl移入5mm核磁管，封口，放入277k冰箱中，静置12小时等待实验。

4.核磁共振谱测定

核磁共振实验在装备有超低温探头的布鲁克600mhz的核磁共振谱仪上完成，实验温度设置为298k，氢的共振频率为600.13mhz。食用油样品选择zg30序列进行检测，采集正规食用油和超标食用油样品的高分辨率一维核磁共振氢谱。采样参数如下：扫描次数：32次；弛豫延迟：1s；采样时间：4.95s；采样点数：32k；谱宽：6613.8hz。

5.获得了正规食用油和超标食用油样品的高分辨率一维核磁共振氢谱后，就可以通过设计matlab程序对比常规食用油以及超标食用油谱图，寻找两者间差异，然后根据差异物质鉴别是否超标。

对于超标食用油，我们比较了与正常食用油的谱图，图3，发现超标食用油在一些区域会出现明显的变化(例如9.50ppm醛类物质激增或者5.30ppm双键次甲基峰下降)，利用这些超标物质的判定可以直接给出不合格食用油的判定。

6.如果还需要对食用油的种类进行区分，则需要对高分辨率一维核磁共振氢谱进行预处理。

采集得到的高分辨率一维核磁共振氢谱使用mestrenovav.9.0.1软件进行傅里叶变换、相位校正、基线校正、谱峰定标、残余水峰去除等预处理，对处理后的谱图进行积分和全谱归一化后得到每行为分析样本，每列为食用油成分小分子信息的二维矩阵，食用油成分小分子特征谱峰的归属参考kegg、hmdb的数据库和已发表的文献资料，已归属出的特征峰信息见图1和表1。

表1.食用油一维氢谱中主要成分的核磁共振信号归属

谱峰多重性：s，单重峰；d，双重峰；t，三重峰；dd，双重双重峰；m，多重峰；br，宽峰ufa，不饱和脂肪酸；tg，甘油三酯；dg，甘油二酯

7.多变量和单变量统计分析

将二维矩阵导入simca14.0软件进行多变量统计分析，主要包括主成分分析(pca)，主成分分析使用中心化换算的数据标度换算方式。从图2的pca得分图可以看出，我们可以看到同种食用油成分相似能够很好地聚集在一起，而成分存在差异的食用油能够在两个主成分方向上被很好地区分开。成分差异越大，样品就分得越开，暗示着不同种类食用油可以通过成分物质区分开来。

8.食用油成分和质量参数的计算以及食用油鉴别标准。

根据公式(1)-(6)，可以计算出亚麻酸、亚油酸、油酸和饱和脂肪酸的含量百分比、食用油的碘值和酸值。

[亚麻酸]＝b/(a+b)(1)

[亚油酸]＝(3e-4b)/[2(a+b)](2)

[油酸]＝3d/[4(a+b)]-[亚麻酸]-[亚油酸](3)

[饱和脂肪酸]＝a/(a+b)-[亚油酸]-[油酸](4)

[碘值]＝(i/2-h/4)/[(a+b)/3]×86(5)

[酸值]＝(c/2-3g/4-h/2-f/2)/(c/2)×100％×[平均分子量]/56(6)

算出所有食用油的成分以及质量参数阈值判断标准如表2。

表2.单一食用油判断阈值

注释：c18a，一个不饱和度脂肪酸含量百分比；c18b，两个不饱和度脂肪酸含量百分比；c18c，三个不饱和度脂肪酸含量百分比；c18o，饱和脂肪酸含量百分比。

对于单一食用油，我们判定出可以直接给出种类、成分、碘值等信息，图4。然后我们根据观察食用油pca得分图，图5，可以发现，混合食用油相对于参与混合的纯种食用油在得分图中的得分值存在明显的线性相关性，说明混合后的成分含量与混合比例有一定的关联。我们进一步计算混合之后的成分含量发现样品所有主要成分均和参与混合的食用油比例正相关。我们的专家系统采取了多变量度量的方式，可以自动去除波动较大的不稳定参数，保留相对稳定数据，自动分析混合性质并计算出最精确的混合比，最后结合误差分析，给出置信度最高的可能性。

8.matlab软件专家系统判定结果

我们导入了49种单一食用油、10种实测混合食用油、48种模拟混合食用油和7种不合格食用油的二维信息矩阵数据，最后结果显示单一食用油正确率为95.92％，实测混合食用油正确率为94.59％，模拟混合食用油正确率为89.6％，不合格食用油正确率为100％。

9.结论

由以上验证可以看出，本发明所述的一种基于核磁共振技术的食用油品质鉴别方法所设计的专家系统软件具有很好的鉴别效果，劣质油或者超标油可以直接判断超标的物质峰从而给出结果，单一食用油可以直接鉴定出类别，混合食用油可以给出置信度最高的两种混合的食用油，即鉴别出是否掺假嫌疑，我们实测以及模拟的数据准确率也达到了理想的效果，可以用于监管部门鉴定食用油种类、掺假以及质量，减少检测成本，提高检测效率。

本发明的食品样本是常规食用油或者超标食用油，其收集和处理过程简单方便，花费低，属于无创性检测，有效提高了食用油鉴别掺假的效率，降低了监管部门检测成本，对提高食用油企业的质量监管，保障食用油消费市场和消费者的权益具有重要意义，具有重要的经济和社会效益，便于推广应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。