使用近红外光谱对棕榈油进行产品筛查和质量控制

2023年10月2日

文章

棕榈油是一种食用油，源自油棕树的果实。油棕树原产于非洲，只生长在热带地区，一个多世纪之前才传入东南亚。如今，印度尼西亚和马来西亚的油棕种植园供应着环球85%以上的棕榈油[1]。

经过加工后的高质量棕榈仁油和棕榈油产品有着广泛的用途。而棕榈油的产品筛查和质量控制对于确保其符合不同行业的特定要求至关重要，一种简单的方法即为——使用近红外光谱。

棕榈油有什么用途？

超过50%的预包装消费品中都含有棕榈油——从披萨、方便面、冰淇淋等甜食，到除臭剂、洗发水、牙膏和口红等个人护理产品和化妆品 [2]，就连肥皂和洗涤剂等清洁产品也不例外。此外，棕榈油还被用作动物饲料和生物燃料（图1）。

油棕树可以生产两种类型的油：一种是棕榈油，来自于压榨果肉；另一种是棕榈仁油，来自于压榨果实中心的果仁（图2）。

棕榈油的加工：碾碎和精炼

图3展示了棕榈油的碾碎和精炼过程。果实碾碎后，得到的天然棕榈油 (CPO) 呈天然红色，这是因为其中含有大量的β-胡萝卜素。经过精炼、漂白和除臭处理后的精制棕榈油（RBD）不再含有胡萝卜素，从而呈淡黄色或无色。

在碾碎之后，对天然棕榈油进行分馏，包括结晶和分离过程，在这两个过程中，可以获得天然棕榈油（CPO）的固体（棕榈硬脂）和液体（油脂）馏分。接下来再通过熔化和脱胶工艺去除这些馏分中的杂质。

之后再通过过滤和漂白去除气味和色素，进一步精炼油脂，末尾生产出精制棕榈油（RBD）和游离脂肪酸。精制棕榈油（RBD）还可以进一步分馏，用于生产食用油或用作其他产品的原料。

棕榈油的质量控制

在棕榈油的生产过程中，在许多阶段都需要对棕榈油进行质量控制监测。近红外光谱不仅可用于棕榈油生产过程中的质量控制，还可用于采购棕榈油的公司在使用前评估其质量。

如本文所示，使用近红外光谱可大幅提高质量控制的效率和成本效益。接下来我们将先简要介绍近红外光谱技术，然后举例说明近红外光谱技术在棕榈油行业的应用。这些实例可以说明棕榈油生产商如何从使用近红外光谱进行质量控制的过程中获益。

近红外光谱仪的工作原理

光和物质以各种方式相互作用，光谱方法（如，近红外光谱法）中使用的光通常用波长或波数来表示，而非能量。近红外光谱仪（如，瑞士万通DS2500近红外光谱液体分析仪）通过测量这种相互作用可生成样品的光谱图（图4）。

近红外光谱分析技术对样品中存在的某些官能团（即-CH、-NH、-OH、-SH）十分敏感，非常适合对棕榈油的多项化学参数进行定量分析，如：水分含量、游离脂肪酸（FFA）、碘值（IV）、漂白指数（DOBI）等。由于光与物质的相互作用还取决于样品，因此还可以测量物理参数和流变参数（如：密度、粘度）。所有这些丰富的信息都包含在一张近红外光谱图中，因此该方法十分适合多参数的快速分析。

测量模式

近红外光谱的测量模式取决于样品类型，分析棕榈油等液体样品需使用透射模式（图5）。在这种情况下，近红外光穿过样品并被样品部分吸收，未被吸收的近红外光到达检测器。

使用近红外光谱仪的优势

显然，样品测量简单和分析快速是使用近红外光谱进行质量控制的两大优势：

分析快速——1分钟内即可获得结果。
无需样品前处理——样品直接进行测量。
节约成本——分析无需试剂。
绿色环保——不产生废弃物。
无损分析——样品分析后可重复使用。
操作简单——没有经验的用户也可快速上手。

阅读我们之前的博文，了解有关近红外光谱作为一种快检技术的更多信息。

用于质量控制的近红外光谱仪需符合ASTM标准

ASTM E1655：红外多变量定量分析标准规程

本规程涵盖了用于确定材料物理或化学特性的红外光谱仪的多变量校准指南，适用于在近红外（NIR）光谱区（780-2500 nm）到中红外（MIR）光谱区（4000-400 cm^-1）进行的分析。

近红外光谱分析的典型应用和参数

棕榈油产品需要通过多种标准化测试方法来确定其化学和物理特性，实验室测试是研发和质量控制不可或缺的一部分。表1列出了天然棕榈油 (CPO)、粗制棕榈仁油（CPKO）和精制棕榈油（RBD)质量控制相关的测试参数。

参数	传统分析方法（参考方法）
水分	卡尔费休滴定法
游离脂肪酸（FFA）	电位滴定法
碘值（IV)	电位滴定法
漂白指数（DOBI）	光度法
胡萝卜素	光度法

近红外光谱：棕榈油分析的整体解决方案

瑞士万通近红外光谱仪为棕榈油分析提供了整体解决方案，仪器带有现成的预校准模型，可用于测定碘值（IV）、水分和游离脂肪酸（FFA）含量（表2）。不同的特定预校准模型专用于分析天然棕榈油（CPO）、粗制棕榈仁油（CPKO）或制棕榈油（RBD）等产品。通过这些预校准模型，仪器开箱即用，无需任何方法开发。

参数		粗制棕榈仁油（CPKO）	天然棕榈油（CPO）	精制棕榈油（RBD）
游离脂肪酸FFA (%)	参数范围	0–4	2.5–6	0–0.25
SECV	0.11	0.26	0.03
水分 (%)	参数范围	0–0.3	0–0.3	0–0.1
SECV	0.03	0.05	0.01
碘值 IV	参数范围	7–19	49–53	21–63
SECV	0.27	0.22	0.56

使用瑞士万通DS2500近红外光谱液体分析仪分析天然棕榈油的结果详见表3。通过近红外光谱测量的所有参数都显示出稳健的相关值。此外，所有模型的交叉验证标准误差 (SECV) 值都接近校准标准误差（SEC)。

模型评估指标	游离脂肪酸（FFA）	碘值（IV）	水分含量	漂白指数（DOBI）	胡萝卜素含量
R²	0.835	0.911	0.638	0.842	0.677
SEC	0.266%	184 mg/100g	0.046%	0.17	22.9 µg/g (ppm)
SECV	0.270%	210 mg/100g	0.047%	0.19	23.4 µg/g (ppm)

结语

近红外光谱技术非常适合分析天然棕榈油（CPO）、粗制棕榈仁油（CPKO）和精制棕榈油（RBD）的多个关键质量参数。只需一台近红外光谱分析仪，即可测量多个质量控制参数，所需的时间仅为其他分析技术的一小部分。

使用参考方法（即：滴定法、卡尔费休滴定法、光度法）分析棕榈油样品需要30分钟，且传统的湿化学分析需要化学试剂、样品前处理、多种分析仪器和熟练的实验室工作人员。相反，使用近红外光谱仪对棕榈油进行多参数分析，只需要不到一分钟的时间。由于可快速获得结果，且无需进行样品前处理，从而可提高样品吞吐量。同时还可大幅降低成本，因为不仅节省了时间，还无需使用化学品。