使用台式FT-NIR和便携式Vis-NIR光谱技术对红椒粉中偶氮染料掺杂情况进行可解释的化学计量建模

《Analytica》：Interpretable Chemometric Modeling of Azo Dye Adulteration in Paprika Powder by Benchtop FT-NIR and Handheld Vis-NIR Spectroscopy

　　

摘要

合成偶氮染料是重要的辣椒粉掺假物，当以未声明或未经批准的形式使用时会对食品安全构成威胁。本研究使用台式傅里叶变换近红外（FT-NIR）Büchi NIRFlex N-500光谱仪和手持式ASD QualitySpec Trek Vis-NIR光谱仪，检测了三种代表性染料——Allura Red（E129）、Orange II和Ponceau 4R（E124）在辣椒粉中的含量，其添加比例范围为0%至6%（重量百分比）。实验设计包括每种染料17个浓度水平，每个浓度水平制备3个独立添加样本，测量时间跨度约为3个月，每个样品重复测量3次。使用台式FT-NIR光谱仪在10,000–4,000 cm^?1波长范围内进行测量，使用手持式Vis-NIR光谱仪在20,408–4,000 cm^?1波长范围内进行测量。通过主成分分析（PCA）和偏最小二乘法（PLS）对光谱数据进行表征，并通过分组交叉验证和独立测试集验证来评估模型的稳健性，其中独立测试集使用了预设的浓度值。为了辅助模型解释，利用DVPT2算法模拟了这些染料的非谐波近红外光谱，并将其与实验中相关的吸收区域进行了比较。对于FT-NIR方法，Allura Red、Orange II和Ponceau 4R的RMSEP值分别为0.315%、0.205%和0.338%（重量百分比），R²_TSV值分别为0.970、0.987和0.965；对于Vis-NIR方法，相应的RMSEP值为0.328%、0.262%和0.334%（重量百分比），R²_TSV值为0.968、0.979和0.964。这些模型仅需2到3个潜在变量。Orange II的FT-NIR模型效果最佳，这反映了其独特的近红外光谱特征；而所有Vis-NIR模型由于偶氮色素在可见光区域的吸收作用，仍为简单的2到3因子模型。模拟光谱结果支持将FT-NIR模型中的主要吸收区域归因于芳香族C–H跃迁和密集的吸收组合带，而Vis-NIR模型则主要由可见光区域的色素吸收决定。