消光法快速检测酪蛋白溶液浓度的研究

蛋白质含量是评价乳制品质量的关键营养学指标之-.我国乳制品蛋白质含量的测定主要采用国家标准方法--觊氏定氮法.该方法具有测定精度高的优点，但它费时、费力.这使得该测定方法在生产过程中不能用于线检测，只能序后抽查.由于此方法是通过检测乳制品中氮元素的含量来间接测定蛋白质含量，这就使得检测时无法排除其他氮化合物的影响.近年来牛乳蛋白质含量的快速检测虽有所发展，但国内乳制品蛋白质含量快速测量仪器的收稿日期：2012-08-05基金项目：黑龙江省 自然科学基金(201223)；黑龙江侍育厅科学技术研究项目(12521122)作者简介：周 真(1961-)，男 ，博士，教授；吕 廷(1986-)，男 ，硕士研究生，E-mail：hwdranran###126.corn；吴玉渠(1984-)，男 ，硕士研究生。

第4期 周 真等：消光法快速检测酪蛋白溶液浓度的研究 109研发较少，仍然无法满足我国乳 品行业发展的需要心].针对上述情况，本文提出了利用消光法快速检测溶液中酪蛋白含量的物理方法(酪蛋白是牛乳蛋白的主要成分，约76% ～86%).本文旨在从实验角度研究消光法快速检测酪蛋白含量的可行性.实验表明，该方法能快速检测酪蛋白溶液中的酪蛋白含量，可以为蛋白质快速检测仪器的研制和在线检测提供理论依据。

1 检测原理消光法 。-6]是指测量光透过颗粒离散介质后的消光光强，并 由该光强信息反演求解颗粒浓度 的方法。

- · - L图 1 消光原理图如图 1，当-束强度为 ，0的单色平行光通过含有均匀悬概粒的介质时，由于颗粒对入射光的散射和吸收作用，出射光强 ，会有-定程度的衰减 ，出射光强与入射光强的关系式为，Ioexp(- ) (1)式中：下为浊度； 为所测溶液的厚度.实际情况下，被测量的颗粒大多不是单分散颗粒系，而是有-定尺寸分布范围的多分散颗粒系，此时，该介质的浊度为 孚f N(D)D Kex dD (2) 叶J0代入式(1)后得到公(3)：In(I/Io)- 'IT f N(D)D K。 dD (3) rJ0式中：Ⅱ和 b分别是所测溶液中颗粒粒径分布的下限和上限；A为人射光的波长； 称为消光系数，Ⅳ(D)是以颗粒数计的尺寸分布函数，D为颗粒粒径。

由式(3)可知，入射光的衰减 ，/，0中包含有颗粒尺寸和浓度(颗粒数)的信息.由此，测得入射光的强度(，0)和透射光的强度 (，)，已知入射光波长 A，光程 和被测溶液消光系数 即可算得颗粒的尺寸分布函数 Ⅳ(D)。

该模型的-个重要前提是光的单散射，在颗粒浓度较大时，将不可避免地遇到光的复散射情况(部分颗粒并不暴露在原始入射光线中，但会对其他颗粒的散射光再次进行散射).在面对高浓度的溶液时，可以使用稀释的办法使得溶液在散射时尽量避免复散射.在浓度低时光散射现象不明显，透射光强数据可较为容易地获得准确的值.因此，本文在实验中将针对浓度低 于 8%的酪蛋 白溶液进行实验。

2 光强测量装置及光源选择2.1 酪蛋白溶液浓度测量框图为了研究消光法测量酪蛋白浓度的可行性，实验的系统框图如图2所示 .实验装置中采用功率稳定的 QIJ53D5SA激光头作为激光发射器，这样能减小光功率漂移造成的光强测量误差.光功率计是数据测量光强的重要环节，为了保证光功率的准确测量，本文选择了爱德万(ADVANTEST)生产的型号为TQ8210的光功率计，其技术参数如表1所示，它可以手动调节接收波长使之与连接的激光头的波长相对应，从而准确地测得其光强.将测量得到的光强数据上传计算机，利用 matlab进行多项式拟合 ，即可得到酪蛋白溶液浓度与消光度的关系模型。

图2 酪蛋白浓度测量框图表 1 光功率计技术参数110 哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 18卷2.2 激光波长选择实验中激光的波长很重要 ，因此必须找到酪蛋白溶液最为敏感的波长.为了能够找到红外光谱区域最合适的激光波长来进行酪蛋白含量检测，本文利用 TJ270-60型双光束近红外分光光度计对 6种不同浓度的酪蛋白溶液在红外光谱区域的吸收特性进行了实验研究。

由于酪蛋白不易溶于水而易溶于碱性的碳酸钠溶液，因此本文选择了浓度为 0.1 mol/L碳酸钠溶液作为溶剂来配制各种不同浓度的酪蛋白溶液。

800 l oo0l 20o1 4001 6001 80o 200o2 200240026o0波长 /nm图3 不向浓度的酪蛋白溶液的吸光度光谱如图3所示，6种浓度的吸收曲线 自上而下分别为6%，5%，4%，3%，2%，1%的酪蛋白溶液，6种溶液在 800-850 nm区域内对激光的吸收达到了最顶峰，且在 800～1 520 nm范围内吸光度呈下降趋势，而在 1 600～1 800 nm和1 800-2 000 nm两个区域内虽然又出现了吸光度反弹趋势，但两个区域的吸光度和800 nm处的吸光度相比仍有很大的差距。

从 800～2 600 nm整个范围内来看靠近800 nm的地方酪蛋白溶液的吸光度是明显的最高峰.由此可知，酪蛋白溶液对波长 800 nm的红外光最为敏感，再考虑到实验室条件，因此，本文采用了波长为 808 nm的激光发射器。

3 实验及其结果3.1 接收光强测量实验实验中重复配制 16种不同浓度的酪蛋白溶液，并将 它们分别 放入样 品池 甲 (长 宽高分 别为：3 mm×50 mm×50 mm)，样品池乙(长宽高分别为：6 mm×50 mm×50 mm)，样品池丙(长宽高分别为：8 mm×50 mm×50 mm)进行消光度测量实验.对测得的实验数据进行 matlab多项式拟合，得到酪蛋 白浓度和接收光强的关系模型.如表 2所示测量数据是利用三个样品池对 16种不同浓度的酪蛋白溶液多次进行消光度实验所接收到的光强的平均值。

表 2 三个样品池在不同浓度酪蛋白溶液消光后接收到的光强3.2 实验数据分析从表 2的数据可以看出：随着酪蛋白溶液浓度的增加接收到的光强反而减少.酪蛋白溶液浓度的增加即是单位体积内酪蛋白分子数的增加，这就使得酪蛋白溶液的浊度(r)变大，从而使消光变得更加明显，符合式(3)，且接收到的消光数据和酪蛋白溶液的浓度--对应.利用 matlab对三个样品池测得的数据进行多项式拟合 J，建立酪蛋白溶液浓度和接收到光强的对应关系，得到仿真曲线图.如图4第-部分所示三个样品池的浓度与接收到的光强的曲线走势均很明显，随着接收光强的增加，酪蛋白溶液的浓度确在减小.由此可知，不论是从实验数据还是多项式拟合的图形均符合消光原理，且浓度和接收光强--对应 ，所以消光法检测酪蛋白溶液浓度是完全可行的。

图4中的第二，第三，第四部分，分别是样品池甲，乙，丙测得的实验数据拟合曲线(建立的模型曲线)与标定的酪蛋白溶液浓度的对比.从这三部分不难看出，三个样品池测得的标定浓度和和拟合曲线误差很小(经过实验数据的处理，计算出其最大误差为0.16%).标定的酪蛋白溶液浓度较为均匀的分布在拟合曲线两侧.利用表 2中已获得的数据第4期 周 真等：消光法快速检测酪蛋白溶液浓度的研究 111进行多项式拟合，得到三个样品池的酪蛋白溶液浓度和接收到光强的关系模型分别如下：矮健·皿谣接收光强 /mW(a)接收光强与酪蛋白溶液浓度关系86鬟4蔷2龌 0接收光强//mW(c)样品池乙的拟合曲线和标定浓度堡艇健皿髑瀣接收光强 //mW(b)样品池甲的拟合曲线和标定浓度接收光强 /mW(d)样品池丙的拟合曲线和标定浓度图4 各样品池的酪蛋白浓度与接收光强的关系样品池甲：Ft0.13 13-1.41/20.27，8.1 (4)样品池乙： -12.661321.99/2-20. 4518.67 (5)样品池丙：546.7313-420.4212-18. 97113.11 (6)式(4)～(6)中：，为接收光强；n为酪蛋 白溶液浓度。

通过式(4)-(6)这三个拟合所得的酪蛋白浓度和接收到光强的关系模型可以得出，利用消光法检测酪蛋 白溶液浓度 的方法可以建立如下关 系模型：na1，02，口3，口4 (7)式中，口 ，0 ，口，，n 的值是通过多项式拟合所得。

从式(7)可以看出，知道 口 ， ：，口，，0 和 ，就可以计算酪蛋白溶液的浓度.0 ，口：，0 ，口 是在样品池确定的情况下经过反复试验，用所得实验数据进行多项式拟合而得，-旦选择好用什么样的样品池就能把它们确定下来.只要用选择的样品池测出接收光强就能快速地计算出酪蛋白溶液的浓度。

4 结 语由实验研究可知，利用消光法建立的检测酪蛋白溶液中酪蛋白含量的关系模型是可行的.酪蛋白溶液浓度与接收光强的关系模型建立后，只需测得其接收光强就能够快速地计算出被测溶液的酪蛋白含量.因此，消光法检测酪蛋白含量的方法可以为快速检测乳制品中蛋白质含量的仪器研制和在线检测提供依据。