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導(dǎo)讀

近年來(lái)，基質(zhì)輔助激光解吸電離時(shí)間飛行質(zhì)譜（MALDI-TOF）憑借其高通量、低成本、檢測(cè)速度快的優(yōu)勢(shì)在食品分析領(lǐng)域初露頭角，然而其在乳制品鑒定中的應(yīng)用仍處于起步階段，大多數(shù)研究?jī)H限于分析單一類別的化合物，主要是蛋白質(zhì)。然而，蛋白質(zhì)、多肽和脂質(zhì)都是牛奶中關(guān)鍵的營(yíng)養(yǎng)成分，對(duì)多種化合物的綜合分析方法仍較缺乏。2025年2月，華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院周婷副教授團(tuán)隊(duì)與島津分析中心在食品領(lǐng)域高水平期刊《Food Chemistry》（IF：8.5）上共同發(fā)表題為《Enhanced authentication of organic milk using MALDI-TOF MS with combined lipid-peptide fingerprinting and machine learning integration》的研究成果。該研究開(kāi)發(fā)了一種新穎的方法，通過(guò)MALDI-TOF對(duì)牛奶中脂質(zhì)和多肽提取分析，將脂質(zhì)-多肽聯(lián)合數(shù)據(jù)集與機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，顯著提高了牛奶認(rèn)證的準(zhǔn)確率，優(yōu)于基于單一數(shù)據(jù)集的模型。該方法展示了將MALDI-TOF與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合用于牛奶真實(shí)性認(rèn)證以防止乳制品欺詐的潛在應(yīng)用價(jià)值。

文章亮點(diǎn)

表1. 文章亮點(diǎn)

MALDI-TOF用于有機(jī)牛奶的真實(shí)性認(rèn)證

收集8個(gè)產(chǎn)地共48份有機(jī)牛奶和傳統(tǒng)牛奶樣品進(jìn)行質(zhì)譜采集，對(duì)脂質(zhì)和多肽數(shù)據(jù)分別進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，顯示有機(jī)牛奶和傳統(tǒng)牛奶的脂質(zhì)和多肽成分存在顯著差異。OPLS-DA分析脂質(zhì)結(jié)果如圖1a，有機(jī)牛奶和傳統(tǒng)牛奶樣品得到明顯的區(qū)分，模型擬合和預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)（R²Y=0.861，Q²=0.804）。為了驗(yàn)證模型的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性，進(jìn)行了200次置換檢驗(yàn)，結(jié)果顯示Q2截距相交于零以下，證實(shí)模型沒(méi)有過(guò)擬合（圖1b）。通過(guò)計(jì)算投影變量重要性（VIP）分?jǐn)?shù)以確定關(guān)鍵的判別特征。其中，VIP>2且p<0.05的脂質(zhì)有8個(gè)（m/z 659.5、647.4、603.4、578.4、706.5、760.5、633.4、411.2），它們被認(rèn)為與區(qū)分有機(jī)牛奶和傳統(tǒng)牛奶高度相關(guān)。

圖1.基于脂質(zhì)的多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（a）OPLS-DA分析有機(jī)牛奶（OM）和傳統(tǒng)牛奶（CM）；（b）OPLS-DA200次置換檢驗(yàn)結(jié)果；（c）8種脂質(zhì)的熱圖；（d）8種脂質(zhì)的箱形圖。

*，**和***分別表示OM與CM之間的顯著性水平（p<0.05，p<0.01，p<0.001）。

有機(jī)食品真實(shí)性驗(yàn)證不僅包括確認(rèn)食品的有機(jī)狀態(tài)，還包括驗(yàn)證其標(biāo)注的產(chǎn)地。多元統(tǒng)計(jì)分析顯示8個(gè)不同產(chǎn)地的有機(jī)牛奶中的脂質(zhì)和多肽成分存在顯著差異。PLS-DA分析多肽結(jié)果如圖2a，不同地區(qū)有機(jī)牛奶樣品完全分離（R²Y = 0.919， Q² = 0.882），表明不同產(chǎn)地的有機(jī)牛奶中多肽水平差異顯著。模型置換檢驗(yàn)證實(shí)不存在過(guò)擬合（圖2b）。熱圖（圖2c）和箱形圖（圖2d）顯示了10種差異肽（m/z 1284.7、1991.1、2107.2、2331.1、2460.3、2618.0、2763.5、3477.0、3982.2和2528.6）的相對(duì)豐度。這些多肽主要在大理地區(qū)有機(jī)牛奶樣品中含量較高，可能是由于高海拔環(huán)境對(duì)牛奶成分有較大影響。高海拔條件可能通過(guò)誘導(dǎo)低氧水平奶牛的代謝適應(yīng)，從而促進(jìn)蛋白質(zhì)合成并增加牛奶蛋白質(zhì)含量，從而顯著影響牛奶成分。富含微量元素（如硒和鋅）的高海拔土壤也可能促進(jìn)蛋白質(zhì)和肽的合成。

圖2.基于多肽的多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（不同產(chǎn)地）（a）八個(gè)不同地區(qū)的有機(jī)牛奶的PLS-DA結(jié)果；（b）PLS-DA模型200次置換檢驗(yàn)結(jié)果；（c）10種多肽的熱圖；（d）10種多肽的箱形圖。

采用two-tailed Dunn和Kruskal-Wallis檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，p<0.05認(rèn)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。不同的小寫字母表示不同地區(qū)的統(tǒng)計(jì)顯著差異。

與單源數(shù)據(jù)分析相比，整合多源信息能提供更全面和準(zhǔn)確的評(píng)估。該研究首次將牛奶樣品中脂質(zhì)和多肽數(shù)據(jù)集結(jié)合起來(lái)構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以加強(qiáng)對(duì)乳制品的認(rèn)證能力。使用單個(gè)數(shù)據(jù)集與聯(lián)合數(shù)據(jù)集構(gòu)建的模型的分類準(zhǔn)確度如圖3a所示。在使用聯(lián)合數(shù)據(jù)集構(gòu)建的7個(gè)模型中，ANN、SVM和KNN模型在有機(jī)牛奶和傳統(tǒng)牛奶的鑒別中達(dá)到100 %的準(zhǔn)確率，其余模型也表現(xiàn)出較高的分類準(zhǔn)確率（91.6±3.1 %）。相比之下，僅使用單個(gè)脂質(zhì)或多肽數(shù)據(jù)集構(gòu)建的模型性能較低，特別是NB模型，其準(zhǔn)確性為52.3 %（脂質(zhì)數(shù)據(jù)集）和68.6 %（多肽數(shù)據(jù)集）。此外，聯(lián)合數(shù)據(jù)集還提高了模型區(qū)分不同產(chǎn)地有機(jī)牛奶的準(zhǔn)確性（圖3c）。結(jié)果證實(shí)，將脂質(zhì)和多肽數(shù)據(jù)集與機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合大大提高了分類準(zhǔn)確度，為區(qū)分有機(jī)牛奶和傳統(tǒng)牛奶以及識(shí)別其地理區(qū)域提供了強(qiáng)大的工具。

圖3.單個(gè)數(shù)據(jù)集和聯(lián)合數(shù)據(jù)集的機(jī)器學(xué)習(xí)模型性能比較

有機(jī)牛奶和傳統(tǒng)牛奶分類:（a）每個(gè)模型在測(cè)試集上的準(zhǔn)確性；（b）AUC值在不同數(shù)據(jù)集上的分布。不同產(chǎn)地的有機(jī)牛奶分類:（c）每個(gè)模型在測(cè)試集上的準(zhǔn)確性；（d）AUC值在不同數(shù)據(jù)集上的分布。

MALDI-8030 EasyCare質(zhì)譜儀

MALDI-8030 EasyCare是島津MALDI家族最新型號(hào)EasyCare系列臺(tái)式機(jī)之一，極性雙全，正負(fù)離子模式快速切換，優(yōu)秀的靈敏度和分辨率，可擴(kuò)展更多分析能力。Easycare臺(tái)式系統(tǒng)體積小，性能佳，可自行維護(hù)，是教學(xué)、質(zhì)量控制和研究實(shí)驗(yàn)室的理想分析儀器。雙極性，多功能，適用于廣泛的待分析物，包括MALDI成像、聚合物分析、寡核苷酸檢測(cè)、多肽、蛋白、抗體檢測(cè)、脂類、糖類、小分子檢測(cè)及臨床研究開(kāi)發(fā)等。新增的EasyCare功能滿足客戶手動(dòng)清潔離子透鏡及調(diào)諧儀器的需求，使其恢復(fù)最佳性能，減少工程師的上門服務(wù)次數(shù)。

圖4. 島津MALDI-8030 EasyCare質(zhì)譜儀

專家心聲

華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院周婷副教授在開(kāi)展有機(jī)牛奶真實(shí)性驗(yàn)證的課題研究中使用島津MALDI-TOF質(zhì)譜儀進(jìn)行樣品檢測(cè)。周老師表示，島津MALDI-8030質(zhì)譜儀能夠幫助他們快速地獲得牛奶樣品中脂質(zhì)和多肽的指紋圖譜，該儀器具備操作簡(jiǎn)單，高通量和準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，為該團(tuán)隊(duì)的研究提供了有力的幫助，獲得了可靠的數(shù)據(jù)，提高了研究效率。

華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院周婷副教授

參考文獻(xiàn)：

Minrui Zhou, Ting Li, et al. Enhanced authentication of organic milk using MALDI-TOF MS with combined lipid-peptide fingerprinting and machine learning integration. Food Chemistry 475 (2025) 143346.

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