利用近红外光谱分析奶粉中的水分和蛋白质

为什么每一批奶粉都要检验成分

奶粉按成分进行交易。食品法典《奶粉和稀奶油粉标准》（CXS 207-1999）规定：稀奶油粉、全脂奶粉、部分脱脂奶粉和脱脂奶粉的水分含量上限均为 5 % m/m；非脂乳固体中乳蛋白含量下限为 34 % m/m；脱脂奶粉的乳脂上限为 1.5 % m/m；全脂奶粉的乳脂范围为 26 % 至低于 42 % m/m [1]。该标准中有两个细节对任何分析仪都很重要：水分数值不包括乳糖的结晶水，而非脂乳固体数值则包括结晶水 [1]。因此，乳品厂对每一批离开干燥塔的产品，都需要一个符合食品法典定义的水分结果，以及一个能够与非脂乳固体基准相关联的蛋白质结果。

参考方法

水分采用烘箱干燥参考方法 ISO 5537 | IDF 26 测定，其第二版（2023）取代了 2004 版，适用于各类干乳和干乳制品 [2]。蛋白质通过凯氏定氮法 ISO 8968-1 | IDF 20-1 由总氮求得，该标准同时规定了粗蛋白的计算方法 [3]。干乳制品中的脂肪现由重量法 ISO 23318 | IDF 249:2022 涵盖，其适用范围包括全脂、部分脱脂和脱脂奶粉、乳清粉以及乳基婴儿配方粉，该标准取代了原先单独的干乳标准 ISO 1736:2008 [4]。乳糖按照 ISO 22662 | IDF 198:2024 采用高效液相色谱法测定，其适用范围包括干乳 [5]。上述每种方法都涉及样品前处理、化学试剂或色谱分析，以及熟练的实验室操作；其结果出来时，产生样品的奶粉早已离开干燥塔。

近红外光谱在奶粉中能看到什么

水分分析是 NIR 光谱最早的成功应用；位于 1,440 nm 和 1,930 nm 附近的两个强而宽的吸收带几乎出现在每一张 NIR 光谱中，而氢键和样品温度都会影响水分测定的可靠性 [6]。蛋白质、脂肪和乳糖贡献的是相互重叠的倍频和合频吸收带，因此需要多变量定标才能将它们区分开。Holroyd 关于 NIR 在乳及乳制品中应用的综述指出，该技术通常用于脂肪、蛋白质和水分等总成分参数，强调了适当样品前处理的重要性，并总结了与乳制品相关的波长 [7]。

定量研究的记录可以追溯到几十年前。Baer 等将 82 个脱脂干乳样品的常规成分数据与滤光片型仪器的 NIR 反射测量结果进行关联，报告水分的相关系数为 0.971，预测标准误差为 0.274；脂肪分别为 0.961 和 0.099；乳糖为 0.887 和 0.594；凯氏定氮蛋白质为 0.905 和 0.438 [8]。Wu 等利用短波区域（800–1,050 nm），结合 PLS 和最小二乘支持向量机，评估了标准正态变量变换预处理，提出了奶粉的波长归属，并得到脂肪、蛋白质和碳水化合物的预测决定系数分别为 0.981、0.984 和 0.982 [9]。最近，Peng 等将微型 NIR 光谱仪与随机森林回归相结合用于牦牛奶粉，报告蛋白质、脂肪和水分的相关系数分别为 0.9846、0.9642 和 0.9915 [10]。一致的结论是：水分、脂肪和蛋白质能够得到良好预测，乳糖稍逊；而且每一个数值都仅针对其背后的奶粉群体和参考数据。

近线还是线内：定标与验证

NIR 是一种二级方法：定标模型将光谱与通过上述方法获得的参考值相关联，其准确度不可能超过参考方法。ISO 21543 | IDF 201:2020 给出了以透射、漫反射或透反射方式将 NIR 光谱法应用于液态、半固态或固态乳及乳制品的指南，涵盖定标样品的选择、参考分析、定标和异常值处理 [11]。就生产过程本身而言，Holroyd 等综述了多套用于奶粉的线内和在线 NIR 装置，得出结论：傅里叶变换 NIR 系统能够可靠地在线内测定奶粉的水分、脂肪和蛋白质组成 [12]。以下三项做法可确保两种配置都经得起检验：

• 按规格的定义来界定水分。食品法典的水分限值不包括乳糖结晶水 [1]，而 ISO 5537 烘箱法是 NIR 水分模型定标所依据的参考方法 [2]；基于不同水分定义训练的模型，将会对照不同的限值进行判读。
• 控制温度和样品呈现方式。样品温度和氢键会使水分吸收带发生位移 [6]，乳品 NIR 文献特别指出样品前处理是决定准确度的因素之一 [7]；近线样品杯或线内视窗所看到的奶粉，应与定标集处于相同的条件下。
• 按产品分别验证，然后持续监控。脱脂、全脂和填充脂肪奶粉属于不同的样品群体；正因如此，ISO 21543 规定了验证和异常值处理 [11]，模型投入使用后，还应继续定期与参考结果进行比对。

USTECH 的做法

对于在干燥塔旁或工厂实验室进行的近线检测，USTECH MasterLine17EC 台式 NIR 分析仪可测定样品皿中的粉末；对于在输送点的连续测量，ProLine2550 线内 FT-NIR 分析仪提供适用于粉末和颗粒的配置。caliX 化学计量学软件套件提供上述研究中所用的 SNV 预处理和 PLS 回归 [9]，ProChem 则将结果传送至工厂控制系统。哪些参数能够达到奶粉规格所要求的准确度，以及对某一产品而言乳糖是否在其中，需依照 ISO 21543 [11]，通过使用贵方自有样品和参考分析结果的可行性研究来确定。