全 文 ：第 31 卷第 3 期
2011 年 9 月
明 胶 科 学 与 技 术
The Science and Technology of Gelatin
Vol． 31． No． 3
Sept． 2011．
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明胶译丛
傅里叶变换红外光谱在区分牛明胶和
猪明胶方面的潜在应用
王毅虎 王 颖 张 兵*
中国科学院理化技术研究所，北京 100190
(摘译自 D． M． Hashim;et al． Food Chemistry 2010，118:856 － 860)
摘要:本文将傅里叶变换红外光谱(FTIR)与
衰减全反射(ATR)联用进行判别分析，找到
了一种简单、快速鉴别明胶的动物来源的方
法。以 3290 ～ 3280cm －1和 1660 ～ 1200cm －1这
两个光谱范围作为校正模板，采用化学计量
法、主成分分析法(PCA)划分和表征明胶化合
物。由 Comman s plot 代表的 PCA 的结果显
示了猪明胶和牛明胶的显著差别。这种建立
在 FTIR光谱二阶导数基础上的定性方法，不
仅能够快速鉴定明胶的来源，而且可以减少食
品和药品生产厂在明胶来源方面的疑虑。
关键词:衰减全反射(ATR) ;辨别分析;傅里
叶变换红外(FTIR)光谱;明胶;Coom-
ans plot
1 引言
明胶是控制胶原水解得到的产物，它作为
一种粘性材料主要用于制备果冻、调和蛋白、
肉冻、太妃糖、棉花糖、方旦糖、冰激凌和甜点
(Hidaka ＆ Liu，2002)。明胶可以制成胶囊和
粉末形式，它具有一些独特的性质，可用作如
泡沫稳定剂、胶凝剂、交联剂、乳化剂、微胶囊
剂以及澄清剂。市售明胶通常含有 9% ～
10%的水分，它不仅溶于水，而且可溶于多元
醇，如甘油和丙二醇。传统明胶的原料主要来
源于猪(Hidaka ＆ Liu，2002)。然而，由于一
些特殊要求，需要牛明胶在某种程度上取代猪
明胶。
明胶主要来源于动物的皮、白色结缔组织
和骨。当应用于食品领域时，对于穆斯林和犹
太族等宗教信徒而言，用何种原料就成为了一
个问题(Hidaka ＆ Liu，2002;Venien Levieux，
2005)。因此，非常有必要建立一些能够辨别
明胶来源的方法。
最近有一些关于区分猪明胶和牛明胶的
方法的报道(Hidaka ＆ Liu，2002;Nemati，Ovei-
si，Abdollahi，＆ Sabzevari，2004;Venien ＆
Levieux，2005)。Hidaka 和 Liu 的研究表明在
磷酸钙沉淀后，猪和牛明胶可以通过 pH 滴定
的方法来区分。氨基酸分析(Nemati et al．，
2004)和酶联免疫分析法(ELISA) (Venien ＆
Levieux，2005)也能够区分猪和牛明胶。但由
于这两种方法的样品制备条件比较敏感和苛
刻，因此需要大量的重复性实验。傅里叶变换
红外光谱(FTIR)已被证实在用于测定食品的
掺杂问题方面，是一种非常有用的方法，如蛋
糕和巧克力中的猪油含量(Che Man，Syahari-
za，Mirghani，Selamat，＆ Bakar，2005) ，动物油
混合物中的猪油含量(Syahariza，Che Man，Ji-
* 通讯联系人:zhangbing@ mail． ipc． ac． cn
第 31 卷第 3 期 王毅虎等:傅里叶变换红外光谱在区分牛明胶和猪明胶方面的潜在应用
nap，＆ Bakar，2005) ，以及果酱(Defernez ＆
Wilson，1995)、特级初榨橄榄油(Lai，Kemsley，
＆ Wilson，1995)和咖啡中的掺杂物(Paradkar
＆ Irudayaraj，2002)。它是一种有效的分析技
术，快速、准确、环境友好，具有分辨两个样品
之间光谱差别的潜能。当一束不同频率的入
射光线照射到物质上，由于分子振动的原因，
部分光线被吸收，红外光谱即测量这部分被吸
收的光。FTIR 与 ATR 或者传送附件联用已
经用于测定胶原和蛋白质的化学、物理化学、
形态性质、凝胶化，以及分子内交联(Cao ＆
Xu，2008;Friess ＆ Lee，1996;Muyonga et al．，
2004;Petibois ＆ Deleris，2006;Prystupa ＆ Don-
ald，1996)。由于谱图包括特殊物质的具体官
能团和化学组成，红外光谱成为食品分析中最
强大的光谱技术之一(Kumosinski ＆ Farrell，
1993)。
明胶原料来源是生产商和消费者都十分
关心的问题。本文将介绍 FTIR 光谱作为一
种快速的的潜在的应用方法来鉴定和区分明
胶的来源。
2 材料和方法
猪明胶和牛明胶分别购自 Sigma 公司和
E． Merck公司(表 1)。将明胶溶于去离子水
中，混合物置于超声波中，50℃超声 10min，直
至获得澄清溶液。浆料倒在铝箔模具中
(68mm ×8mm ×5mm) ，16 ～ 20℃静置 1 小时。
将胶冻按照 ATR 表面积切成 68mm × 8mm ×
3mm的小块。本文总计制备了 19 块猪、牛明
胶冻，样品的浓度在 2% ～ 16% w /v 之间。浓
度的选择与典型的甜点和软果糕中的明胶浓
度相似。
表 1 本文实验用的明胶样品的概况
明胶类型(来源) 公司名称 批号 明胶类型 Bloom值
牛皮明胶 Sigma 115K0144 B型 ～ 225
牛皮明胶 Sigma 047K0005 B型 ～ 225
牛皮明胶 Sigma 126K0053 B型 ～ 225
猪皮明胶 Sigma 087K0125 细胞培养用 *
猪皮明胶 Sigma 084K0211 细胞培养用 *
猪皮明胶 Sigma 047K00061 细胞培养用 *
明胶粉末(牛) E． Merck K37294478719 B型 80 ～ 120
明胶片(猪) E． Merck K35519572612 A型 160 ～ 240
* 未说明。
2． 2 红外光谱测试
采用配有 DTGS － KBR 检测器的 Nicolet
6700 型光谱仪(Thermo － Nicolet，USA) ，ATR
附件配备硒化锌池。光谱记录范围是 4000 ～
650cm －1，分辨率为 4cm －1，扫描 32 次。每个
实验重复两次，取谱图的平均值用于进一步研
究。所有测试在干燥的环境中及室温为 25 ±
0． 5℃的条件下进行。谱图的峰已扣减空气背
景，得到的结果用吸光度单位表示。
衰减全反射测试，是将样品放在 ATR 附
件的硒化锌(ZnSe)晶体上，红外辐射通过在
样品表面的穿透，与样品发生相互作用产生吸
收，从而被记录下来。该测试所需的样品量较
少，只要样品能够覆盖整个 ATR 表面就可以
进行测试。
2． 3 红外光谱和数据的获取
所有数据均采用 TQ 分析软件(Thermo －
Nicolet，Madison，WI，USA)进行判别分析
(DA) ，波数范围是 3300 ～ 3280cm －1和 1660 ～
1217cm －1。计算过程中需要恒定的路径常
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明 胶 科 学 与 技 术 2011 年 9 月
数。为了减少光谱信息，采用了六个主要的组
分进行计算。用马氏距离来表示簇间的距离。
它基于研究中的变量，通过研究这些变量找出
能够最好的用于区分明胶来源的变量，并且以
此建立一个数学模型。马氏距离从训练样本
的平均值的标准偏差得到。
2． 4 判别分析
在 TQ 分析软件中，需要将谱图分成两组
进行验证，一组用于校准，另一组用于验证。
只有 3 ～ 4 个谱图作为验证谱图，其余均用于
校准。当所有的验证谱均在群组范围内，则认
为该模块是正确的。
3 结果和讨论
3． 1 明胶谱图
图 1 显示了主峰出现的频段，猪明胶和牛
明胶的谱图很相似。涉及到 4 个区域，分别是
3600 ～ 2300cm －1(酰胺 A) ，1656 ～ 1644cm －1
(酰胺Ⅰ) ，15601335cm －1 (酰胺Ⅱ) ，以及
1240 ～ 670cm －1(酰胺Ⅲ) ，这些峰与 Muyonga
et al．(2004)所报道的峰相似。
图 1 牛明胶(1)和猪明胶(2)的 FTIR谱图
典型的明胶光谱呈现出低强度的酰胺Ⅰ
和酰胺Ⅱ带，并且酰胺Ⅲ带几乎不出现。这与
预期的从胶原到明胶的变性所造成的变化相
一致。非常低强度的酰胺Ⅲ带与明胶高温抽
提过程中三螺旋态的消失有关(Muyonga et
al．，2004)。3290 ～ 3280cm －1的峰是氢与酰
胺基键合的 N H 键的伸缩振动形成的，当
氢键强度增加时，吸收带可能向低频迁移
(Krimm ＆ Bandekar，1986)。
羰基 C O 双键的伸缩振动， N H 键
同步弯曲振动，以及 C N 键的伸缩振动，出
现在 1660 ～ 1620cm －1频带内，属于酰胺Ⅰ带。
α －螺旋结构表现在 1660 ～ 1650cm －1频率范
围内，β －折叠结构则在 1640 ～ 1620cm －1范围
内。1550 ～ 1520cm －1频带为酰胺Ⅱ带，包含
1550 ～ 1540cm －1α －螺旋结构和 1525 ～ 1520
cm －1β －折叠结构。酰胺Ⅱ带是由 N H 键
变形引起的。Fischer，Cao，Cox 和 Francis
(2005)以及 Lagant，Vergoten，Loucheux －
Lefebvre和 Fleury(1983)将 1500 ～ 1200cm －1
归因于 CH2 的变形。众所周知，在这一范围
包含的振动模式与在脂肪酸、蛋白质、多糖和
磷酸盐衍生物中所含 CH2 的振动是一致的。
由于明胶中包含许多不同的功能基团，这
些功能基团与单个基团相比包含了更多的信
息，所以猪明胶和牛明胶的傅里叶变换红外光
谱表现出宽阔以及重叠的吸收带。由图 2 可
以看出，不同浓度的明胶样品显示出不同的光
谱，并且它们全部都遵照浓度的大小顺序排
列。由光谱结果可以看出，FTIR 的灵敏度能
够区分样品的浓度。
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第 31 卷第 3 期 王毅虎等:傅里叶变换红外光谱在区分牛明胶和猪明胶方面的潜在应用
图 2 牛明胶 FTIR谱图的浓度 －吸收值(1720 ～ 1060cm －1)
3． 2 标准明胶的傅里叶变换红外判别分析和
表征
判别分析法，是在分类确定的条件下，根
据某一研究对象的各种特征值判别其类型归
属问题的一种多变量统计分析方法。虽然猪
明胶和牛明胶拥有相似的光谱，但是区别主要
集中在蛋白质和多肽的分析上。因为蛋白和
多肽是明胶的主要成分，它最终决定了在食品
体系中的功能。蛋白和多肽的红外光谱受到
相连肽键振动的影响(Brauner，Dugan，＆
Mendelsohn 2000;Brauner，Flach，＆ Mendel-
sohn 2005;Krimm ＆ Bandekar 1986)。不同动
物来源的明胶光谱最大的不同主要体现在
3290 ～ 3280cm －1和 1660 ～ 1200cm －1两个范围
内，因此，选用这两个范围来精确分析猪明胶
和牛明胶光谱的差异(图 3)。
图 3 牛明胶和猪明胶谱图离散状态的差别
用 TQ 分析软件来进行主组分分析
(PCA，principal component analysis) ，找出影响
光谱变化的最主要的特征。表 2 中显示了性
能指标(PI，performance index)以及辨别分析
中的主组分光谱。PI 表示校准方法能够将验
证标准进行分类的程度，高的 PI 值意味着更
接近其所在等级的标准。对于这三个不同天
数的分析，PI的平均值为 90． 9 ± 0． 89，表明了
此种方法能够得到重现性好的结果。主组分
光谱的判断更详尽地说明了在由主组分决定
的校正集中的光谱信息。它还描述了对于每
个主组分而言总光谱变化的量。
Muyonga et al．(2004)已经提出，通过 1600
～ 1700cm －1的吸收带来解析明胶的二级结
构。但是当分辨率为 2cm －1时，猪明胶和牛明
胶的光谱是难以区分的(图 4)。但是当基于
光谱强度进行对比，能够得到一个轻微差异，
从而使得结果能够通过辨别分析技术而归类。
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明 胶 科 学 与 技 术 2011 年 9 月
表 2 性能指标与分析区域提供的主成分图谱特征
天 性能指标 PC1* PC2*
1 91． 6 94． 81 99． 56
2 91． 2 90． 28 99． 24
3 89． 9 98． 93 99． 33
平均 ± SD 90． 9 ± 0． 89
* PC1 － Principal component 1;PC2 － Principal component 2。
图 4 牛明胶(1)和猪明胶(2)三谱图的 FTIR组分峰的位置
所有明胶样品的红外光谱都通过 TQ 分
析软件进行辨别分析。应用 Coomans plot 能
使辨别分析得到的结果最大程度的显现，通过
标准猪明胶和牛明胶红外光谱的马氏距离得
到 Cooman s plot (Pettersen，Svartengren，＆
Lundstedt，1998)。坐标轴为样本到模型的距
离，坐标是计算出的 OMNIC 距离(样品标准
偏差)。图 5 中标绘了猪明胶和牛明胶的主
组分样本的距离。两种样品都能按照各自的
组群成功分类。
图 5 两类明胶(猪明胶和牛明胶)的 Coomans Plot
4 结论
傅里叶变换红外光谱技术能够快速的分
辨明胶的种类。为了能够确定未知明胶的来
源，使用判别分析的方法对 3290 ～ 3280cm －1
和 1660 ～ 1200cm －1范围内 N H 键的变形
进行分析，证明 Cooman s plot 对于应用可视
化的判别分析方法进行分类是有帮助的。这
一定性方法能够快速确定食品、药物和影像产
品中明胶的来源。两个独立的 PCA 模型恰当
的界定了两种单独的样品。这种建立在 FTIR
光谱二阶导数基础上的定性方法，在未来不仅
能够用于食品工业，还能减少人们对于明胶是
来源于猪还是牛的疑虑。
参 考 文 献(略)
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