太赫兹光谱法检测面粉中过氧化苯甲酰含量

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.黑龙江北大荒丰威食品有限公司，黑龙江哈尔滨 150060；3.哈尔滨商业大学计算机与信息工程学院，黑龙江哈尔滨 150028）

摘要：检测40 个不同过氧化苯甲酰含量的面粉样品的太赫兹时域谱，获得其在0.2～2.0 THz频段内的频域谱、折射谱及吸收谱。时域谱表明，与参考信号相比，添加过氧化苯甲酰的面粉样品，其太赫兹波幅值出现了不同程度的降低，面粉样品的频域信号出现了不同程度的延迟现象。频域谱表明面粉样品中过氧化苯甲酰的含量越高，其频域谱的幅值越大，对太赫兹波的吸收强度越小，过氧化苯甲酰在一定程度上降低了面粉样品对太赫兹波的吸收。折射谱表明随着频率的增加，折射率逐渐降低，随着面粉中过氧化苯甲酰的含量增加，面粉样品的折射率随之增大。吸收谱表明面粉样品中的过氧化苯甲酰在1.6 THz处存在一个较为明显的特征吸收峰。因此，太赫兹光谱可用于面粉中过氧化苯甲酰的特征识别。利用40 个面粉样品的吸收谱数据作为输入变量，分别采用偏最小二乘（partial least squares，PLS）、支持向量回归（support vector regression，SVR）及最小二乘支持向量回归（least squares support vector regression，LS-SVR）建立校正模型，其中PLS和SVR模型得到的决定系数（R2）都低于0.9，相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）都大于10%，而LS-SVR模型的R2为0.986，RSD为4.30%，结果表明太赫兹光谱分析技术可以用于检测面粉中过氧化苯甲酰含量。

关键词：太赫兹波谱；过氧化苯甲酰；定性；最小二乘支持向量回归；定量；快速无损检测

太赫兹（terahertz，THz）是指频率在0.1～10 THz之间的电磁波，THz波谱中包含了物质中丰富的物理和化学信息，研究样品的THz光谱可以得到它的复介电常数、吸收系数和折射率等参数[1-5]。由于THz脉冲的波长相对较长，其光子能量很小，测量时不会引起有害的电离反应，可以对样品进行快速无损的检测[6-12]。近20年间，太赫兹时域光谱（terahertz tim e dom ain spectroscopy，THz-TDS）技术在食品[13-14]、中药[15-16]、生物科学[17]等方面都有很广泛的应用，在今后的研究中会与X射线、近红外等检测分析技术互补结合[18-19]。

过氧化苯甲酰是一种强氧化剂，它能氧化类胡萝卜素、叶黄素等色素而提高面粉白度，促进面粉熟化，其还原产物苯甲酸还可以抑制蛋白酶的活性和微生物的生长，避免蛋白质的分解，提高面食制品的贮藏性能。但是面粉中加入过氧化苯甲酰后会破坏面粉中的各种营养成分，使面筋质都受到不同程度的破坏，并且使脂肪酸氧化酸败，过氧化苯甲酰的还原产物苯甲酸的摄入量过多也不利于人体健康，是限制使用的食品添加剂[20]。动物试验表明，长期摄入过氧化苯甲酰对试验鼠的肝脏、脾脏、肾脏均有较大损伤[21]。所以，快速准确检测面粉中过氧化苯甲酰的含量具有重要意义。

杜娟等[22]研究在pH 6.84的Na2HPO4-KH2PO4缓冲溶液中，以罗丹明B为光谱探针，用分光光度法测定面粉中过氧化苯甲酰，在室温条件下，罗丹明B和过氧化苯甲酰组成的体系在550 nm波长处有最大吸收，加标回收率为97.5%～101.0%，但是小麦粉中微量的过氧化苯甲酰，在放置过程中受热、光照或辐射等会使部分过氧化苯甲酰分子中的过氧链断裂，分解生成氧气和苯甲酸，使测定结果偏低，所以本法适用于新出厂的面粉测定。Abe-Onishi等[23]利用高效液相色谱-质谱法分析面粉及其制品中的苯甲酸和过氧化苯甲酸的残留量，但是该方法比较耗时且操作繁琐。夏燚等[24]利用THz光谱的指纹识别特性检测增白剂中吊白块含量，获得了在0.2～2.0 THz波段的吸收谱和折射率谱，采用偏最小二乘（partial least squares，PLS）方法对增白剂中掺杂吊白块的含量进行了定量分析，结果表明增白剂中的吊白块含量与THz吸收系数具有较高的相关性。而本实验将深入研究利用THz光谱技术快速定性和定量检测面粉中的过氧化苯甲酰。

本实验是对企业经常在面粉中添加的增白剂（过氧化苯甲酰）的含量进行检测，利用THz-TDS技术，通过向面粉中添加不同量的过氧化苯甲酰，经充分混合后压制成40 个含有不同过氧化苯甲酰含量的面粉样品，采用柱后衍生-高效液相色谱-荧光检测法检测的面粉样品实际含量值，在室温状态下对40 个面粉样品进行光谱扫描，得到了面粉样品的时域谱，研究通过傅里叶变换和计算得到0.2～2.0 THz频段内的频域谱、折射谱和吸收谱。根据面粉样品在THz频段内的吸收峰特征，对面粉样品中的过氧化苯甲酰进行定性分析，将40 个面粉样品的光谱数据作为输入变量建立PLS、支持向量回归（support vector regression，SVR）及最小二乘支持向量回归（least squares support vector regression，LS-SVR）模型[25-27]，选择相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）较小，且R2较大的模型预测面粉样品中过氧化苯甲酰的含量，研究其与柱后衍生-高效液相色谱-荧光检测法检测值之间的偏差，以期为控制面粉中违规添加剂的质量安全控制提供了一种快速无损的检测方法。

1 材料与方法

面粉：从黑龙江北大荒丰威食品有限公司扦取没有添加任何添加剂的特一粉。

过氧化苯甲酰（化学纯）、H3PO4（纯度85%）、氨水（纯度25%）、NH4C l、冰乙酸（均为分析纯）国药集团化学试剂有限公司；甲醇、乙醇（均为色谱纯）迪马科技公司；氯化血红素（分析纯）美国Sigm a公司；对羟基苯乙酸（纯度98%）美国Acros公司。

FW-4型压片机天津天光光学仪器有限公司；QL-901旋涡混合器海门市麒麟医用仪器厂；R968电子数显外径千分尺上海量具刃具厂；Z-2型THz-TDS系统美国Zomega公司；A lliance e2695型高效液相色谱仪（配有2475型荧光检测器）美国Waters公司；PINNACLE PCX型柱后衍生器美国Pickering公司；S40K型pH计瑞士Mettler公司。

称取10 kg面粉，添加一定量的过氧化苯甲酰，充分搅拌使其混合均匀，制备出一份不含有过氧化苯甲酰的空白样品和添加不同量的过氧化苯甲酰面粉大样品共40 份，并编排成1～40号面粉大样品。

分别从40 个面粉大样品中称取一定量的样品，利用柱后衍生-高效液相色谱-荧光检测法测定面粉样品中过氧化苯甲酰的含量[28]，分别从40 个面粉大样品中扦取0.15 g的样品与对THz波无吸收作用的聚乙烯粉0.05 g混合均匀，用5 t的重力压成直径为13 mm，厚度为1 mm的质地均匀、两端面平行的面粉薄片，编成1～40号面粉样品。

在首都师范大学“太赫兹波谱与成像重点实验室”和中央民族大学理学院共同组建的“太赫兹重点实验室”中对40 个面粉样品进行THz光谱采集，THz-TDS系统其重要组成部件是美国Coherent公司的Vitesse-800-5型钛蓝宝石飞秒激光器，以及美国Zomega公司的Z-2型太赫兹系统；以ZnTe为探测晶体，以掺钛蓝宝石激光器作为激发光源，重复频率为82 MHz，脉冲宽度为100 fs，中心波长为800 nm，它的平均功率在960 mW。在探测过程中，系统信噪比为1 000，谱分辨率好于40 GHz。在采集过程中，将产生THz信号的砷化镓（GaAs）、待测面粉样品和探测晶体碲化锌（ZnTe）组成的光路密封在充有氮气的箱体内，为了防止空气中水蒸气对THz信号的影响，需要将水分对实验的影响降到最低，保持箱内的相对湿度小于2%，温度为21 ℃，产生的THz脉冲经过2 个离轴抛物面镜聚焦后准直入射到压成的面粉样品上，透过面粉样品并与探测光共线后再次聚焦入射到探测元件ZnTe晶体上，产生线性电光效应，并改变探测脉冲的偏振态，即可得到载有面粉样品信息的THz脉冲电场的大小及变化信号，将信号送入锁相放大器进行放大，分别通过测量氮气和面粉样品得到参考信号和面粉样品信号，取3 次测量平均值。

将时域信号进行快速傅里叶变换得到参考和面粉样品的频域信号，采用Dorney[29]和Dubillaret[30]等提出的基于菲涅尔公式的数据处理模型处理数据，得到样品的折射率与吸收系数。

2 结果与分析

利用柱后衍生-高效液相色谱-荧光检测法测得面粉样品中过氧化苯甲酰的含量，编成1～40号面粉样品如表1所示。

表1 40 个面粉样品中过氧化苯甲酰的含量
Tab le 1 Content of benzoyl peroxide in 40 flour sam p les

利用THz光谱系统扫描40 个面粉样品，得到参考信号与样品信号的时域谱，如图1所示。

图1 参考信号与样品信号的时域谱
Fig. 1 Time domain spectra of reference signal and samp le signal

从图1可以看出，由于不同过氧化苯甲酰含量的面粉样品对THz波的吸收程度不同，衰减的程度与延迟的时间长短也有所不同，与参考信号相比，含有不同含量的过氧化苯甲酰的面粉样品的幅值出现了不同程度的降低，面粉样品信号产生的时间出现了不同程度的延迟现象。

对40 个面粉样品的时域信号进行傅里叶变换，得到参考信号与样品信号的频域谱，如图2所示。在0.2～2.0 THz波段内，参考样品和面粉样本的频域谱的波形基本相同，差别不大，参考信号的振幅最高，面粉样品在该THz频段的幅值均有不同程度的降低，过氧化苯甲酰的含量越高，其频域谱的幅值越大，对THz波的吸收强度越小，可以看出，面粉中的过氧化苯甲酰在一定程度上降低了面粉样品对THz波的吸收。

图2 参考信号与样品信号的频域谱
Fig. 2 Frequency domain spectra of reference signal and sample signal

将经过傅里叶变换得到的相位差代入到菲涅尔公式的数据处理模型中，经计算得到面粉样品的THz折射率，40 个面粉样品的THz折射谱如图3所示。

图3 面粉样品的THz折射谱
Fig. 3 Terahertz refraction spectra of fl our sam p les

由图3可知，面粉中不同含量的过氧化苯甲酰面粉样品的折射率谱中，在0.5～2.0 THz波段内，随着频率的增加，面粉样品的折射率呈现先减小再平缓增大，最后再减小的趋势。过氧化苯甲酰面粉样品的折射率范围为1.40～1.75，平均折射率为1.58。从整体上看，随着面粉中过氧化苯甲酰的含量增加，面粉样品的折射率随之增大，面粉样品的折射谱的变化趋势基本相同，均随频率的增大而减小。因为面粉的样品信号都在它的平均折射率附近变化，没有出现较为明显的吸收峰与反常色散现象，这可能是因为面粉样品分子间的相互作用比较弱。

将频域谱中的幅值和计算得到的折射率代入到菲涅尔公式的数据处理模型中，经计算得到面粉样品的THz吸收系数，40 个面粉样品的THz吸收谱如图4所示。

由图4可知，在0.4～2.0 THz频域波段范围内，出现了较显著的吸收峰，吸收系数在0～1.2 cm-1范围内呈非线性增长的趋势，由于面粉样品的散射，含有不同过氧化苯甲酰含量的面粉样品的吸收系数均随频率的增加而增加。且过氧化苯甲酰的含量越高，衰减的程度越低，吸收系数越小，说明过氧化苯甲酰的存在降低了面粉样品对THz波的吸收程度。面粉样品在1.6 THz处都出现了第1个较为明显的特征吸收峰，可作为其在THz波段的指纹谱用于物质识别，面粉样品的吸收谱存在部分交叉的现象，在1.6 THz后面粉样品的色散现象也相对减弱。

图4 面粉样品的THz吸收谱
Fig. 4 Terahertz absorp tion spectra of fl our sam p les

利用THz吸收谱数据和面粉样品中过氧化苯甲酰的含量分别建立校正模型，从40 个面粉样本中按一定间隔抽取30 个面粉样品作为校正集来建立模型，分别采用PLS、SVR及LS-SVR 3 种方法建模，用其余10 个面粉样品作为预测集来验证模型，模型的准确性由R2、预测均方根误差（root mean square error of prediction，RMSEP）及RSD 3个参数判定，预测结果见表2。

表2 基于不同模型的预测结果
Tab le 2 Prediction results based on different models

由表2可以看出，通过与用高效液相色谱-荧光检测法测定的面粉样品实际值相比，PLS和SVR的R2都低于0.9，拟合度较低，RSD都大于10%，偏差较大。而LS-SVR的R2为0.986，表明面粉样品中过氧化苯甲酰的含量与THz吸收系数具有较高的相关性，RMSEP为5.64，RSD为4.30%，低于5%，其准确性较好，明显低于前两种模型的偏差，说明模型的预测效果较好。

从图5可以看出，用预测效果较好的LS-SVR方法建模，得到混合物中吊白块的实际值与LS-SVR得到的预测值的线性拟合结果，可以看出10 个预测集的面粉样品在实际值标准直线附近轻微波动，预测值与实际值基本一致，表明预测值与实际值拟合度较高，定量分析产生的误差主要来源于面粉样品的浓度配制误差、压片的厚度均匀性不一致和THz系统的信噪比。

图5 LS-SVR模型预测值与实际值
Fig. 5 Linear fi tting of actual values versus predicted values from the LS-SVR model

3 结论

利用THz光谱快速检测了不同过氧化苯甲酰含量的面粉，获得面粉样品的THz时域谱、频域谱、折射谱及吸收谱。在0.2～2.0 THz频段内，在1.6 THz处有明显的特征吸收峰，可用于面粉中过氧化苯甲酰的特征识别，以及面粉中过氧化苯甲酰的定性分析。在时域谱中，与参考信号相比，不同含量的过氧化苯甲酰面粉样品幅值出现了不同程度的降低；随着面粉样品中过氧化苯甲酰的含量越高，频域谱的幅值越大，折射率越大，吸收系数越小，利用PLS、SVR及LS-SVR建立过氧化苯甲酰含量与面粉样品吸收系数之间的定量分析模型，其中PLS和SVR的R2都较小，RMSEP和RSD都较大。而LS-SVR的R2较大，RMSEP较小，RSD低于5%，能够更加准确地预测面粉样品中过氧化苯甲酰的含量，由于面粉中的添加剂种类较多，对检测的过程具有一定的干扰，因此首先使用THz时域光谱技术对面粉中的过氧化苯甲酰进行定性分析及定量检测，为快速无损检测面粉中违规添加剂提供理论基础。

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Determ ination of the Content of Benzoyl Peroxide in Flour Based on Terahertz Spectroscopy

ZOU Dezhi1, LI Dan1, ZHANG Qing1, YU Kunhong2, YU Dianyu1,*, WANG Liqi3,*
(1. College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;2. Heilongjiang Beidahuang Fengwei Food Co. Ltd., Harbin 150060, China;3. School of Computer and Information Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

Abstract:Terahertz time domain spectra for 40 flour samples w ith different contents of benzoyl peroxide were measured,and frequency domain spectra, refractive spectra and absorption spectra were obtained in the range of 0.2–2.0 THz. The time domain spectra indicated that the terahertz wave amplitude value of the flour samples w ith benzoyl peroxide was reduced as compared to reference signal, and the frequency domain signal was delayed to different degrees. The frequency domain spectra indicated larger amplitude and lower intensity of terahertz wave absorption for flour samples w ith higher content of benzoyl peroxide, demonstrating that benzoyl peroxide could reduce terahertz wave absorption in flour. The refractive spectra indicated that refractive index decreased gradually w ith the increase in frequency, but it increased w ith increasing content of benzoyl peroxide in flour. The absorption spectra indicated that benzoyl peroxide in flour samples had a significant characteristic absorption peak at 1.6 THz. Therefore, terahertz spectrum can be used for the identification of benzoyl peroxide in flour. Partial least squares (PLS), support vector regression (SVR) and least squares support vector regression (LS-SVR) were used separately to establish a calibration model by using the absorption spectral data of 40 flour samples as input variables. The determ ination coefficients (R2) of both the PLS and SVR models were lower than 0.9, w ith relative standard deviations (RSD) greater than 10%, while the R2of the LS-SVR model was 0.986, w ith RSD of 4.30%,indicating that terahertz spectroscopy can be used to detect the content of benzoyl peroxide in flour.

Key words:terahertz spectroscopy; benzoyl peroxide; qualitative; least squares support vector regression; quantitative; rapid nondestructive detection

基金项目：“十三五”国家重点研发计划重点专项（2016YD0401402）；国家自然科学基金面上项目（31571880）

作者简介：邹德智（1992—），男，硕士研究生，研究方向为粮食、油脂及植物蛋白工程。E-mail：1393600121@qq.com

*通信作者：于殿宇（1964—），男，教授，博士，研究方向为粮油精深加工技术。E-mail：dyyu2000@126.com

王立琦（1966—），女，教授，博士，研究方向为食品安全快速检测。E-mail：hsdw lq@163.com

邹德智, 李丹, 张青, 等. 太赫兹光谱法检测面粉中过氧化苯甲酰含量[J]. 食品科学, 2017, 38(22): 298-302.

ZOU Dezhi, LI Dan, ZHANG Qing, et al. Determ ination of the content of benzoyl peroxide in flour based on terahertz spectroscopy[J]. Food Science, 2017, 38(22): 298-302. (in Chinese w ith English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201722044. http://www.spkx.net.cn

太赫兹光谱法检测面粉中过氧化苯甲酰含量

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论