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摘要：液体的折射率是一个重要的物理参数，在外界一定的条件下，掌握液体折射率及其變化，则可以了解其纯度、浓度等参数及品质。提出一种用低相干光外差干涉方法测量反复使用食用油的折射率，进而鉴别油的品质。实验以改进的迈克尔逊干涉仪为基础，将样品油放入测量臂光路中，当两束分别来自测量臂与参考臂的低相干光的光程接近相等时，会出现光外差干涉现象。利用光电探测器得到此干涉信号，根据前后相应的光程变化量，进而得到待测样品的折射率。食用油经反复加热1、2、3、5、7次后，葵花油的折射率分别为1.469 5、1.469 7、1.470 1、1.470 7、1.471 3，玉米油的折射率分别为1.468 8、1.469 1、1.469 4、1.470 1、1.471 1。结果表明，该方法可以准确测量出不同加热次数食用油的不同折射率，测量稳定性较高，能快捷、有效地鉴别反复使用的食用油品质。
关键词：折射率； 光学外差干涉； 反复使用食用油
中图分类号： TS 261.7； O 436.1 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.03.003
Abstract： The optical refractive index of the liquid is an important physical parameter.Under certain external condition，mastering the physical refractive index and its changes well is helpful to understand the liquid purity，concentration，other parameters and quality.An optical low coherence heterodyne interferometry is proposed to measure the refractive index of repeated use of edible oil and then used to identify the quality of the oil.The experiment is based on the improved Michelson interferometer.The sample oil is put into the optical path of measuring arm.When the optical path length of two beams from the measuring arm and the reference arm is equal，the optical heterodyne interference phenomenon can be generated. A photo detector is used to detect the interference signal according to the corresponding optical path variation，and then the refractive index of the sample can be calculated. Edible oil was repeatedly heated 1，2，3，5，7 times.The refractive indices of sunflower oil were 1 . 469 5，1 . 469 7，1 . 470 1，1 . 470 7，1 . 471 3 respectively，and the refractive indexes of corn oil were 1 . 468 8，1 . 469 1，1 . 469 4，1 . 470 1，1 . 471 1 respectively. The results show that this method can accurately measure the different refractive index of edible oil with different heating times.It has high stability and can quickly and effectively identify the repeated use of edible oil quality.
Keywords：the refractive index； optical heterodyne interference； repeated use of edible oil
引 言
无论在食品加工厂还是在餐馆，食用油被反复使用的情况屡见不鲜。食用油经过反复加热，与空气接触产生氧化反应，油脂酸败的速度加快，随后生成大量的过氧化物，逐渐分解成低级的醛、酮、羟酸、醇类等有害物质。在高温下，低级羟基化合物还能聚合，形成粘稠的胶状聚合物，影响油脂的消化吸收[1]。专家指出，食用油在经过多次高温加热后，它的结构也会发生变化，生成苯并芘这样环状结构的有害物质，长期食用并在人体内积蓄到一定程度后，易诱发胃癌、肠癌等疾病，同时也会破坏人体的白血球和消化道黏膜，引起中毒等严重后果[2]。 生活中鉴别此类油的方法有很多种，一般可通过观察油的透明度，闻油的气味，品尝油的口感就能进行初步的区分，如要比较精确检测此类油，则可用顶空固相微萃取/气相色谱 质谱联用法（solid phase microextraction/gas chromatography-mass spectrometer，SPME/GC-MS）[3]、电导率法[4]、 高效液相色谱法[5]、离子色谱法[6]、近红外光谱法[7]、核磁共振谱法[8]等。其中：SPME/GC-MS法即用顶空固相微萃取（SPME）微量外源杂质成分，再用气相色谱 质谱联用法（GC-MS）测定乙酸、3 丁烯腈、糠醛、异硫氰酸烯丙酯、茴香脑、姜烯6种成分，样品中若含有这些微量成分中的一种或多种，就可判定为反复使用食用油；电导率法是测水相电导率值，但此法目前只能作为对金属离子总含量的半定量分析；高效液相色谱法是通过测定反复使用油中胆固醇的含量来进行鉴别；离子色谱法是测定油样品水萃取液中阴离子组成及含量，从而定性分析食用油脂中是否掺杂地沟油，此法在精度上还有些欠缺；近红外光谱法是根据植物油对近红外光谱的吸收，利用885 nm与897 nm两条谱线的光强比值差异进行鉴别；核磁共振谱法则是通过检测油样品的核磁共振氢谱、碳谱并观察其峰值的变化来实现鉴别。这些测量方法原理复杂，操作较困难，存在着一定的局限性。 本文利用低相干光外差干涉的原理，基于改进的迈克尔逊干涉系统，根据光电探测器得到的外差干涉信號，确定测量臂和参考臂相应的光程变化量，进而计算出反复使用食用油的折射率，以此鉴别反复使用食用油的品质。实验证明，本方法具有重复性好、操作方便、测量精度高等优点。
式中：f为参考光的频率；c为光在真空中的速度；λ为参考光的波长。光电探测器的响应频率只要高于Δf，就可以实现动态的实时测量。由低相干光干涉原理知，当参考光在参考臂反射镜的移动过程中与来自测量臂反射的测量光的光程差小于相干长度时可产生干涉，光电探测器即可探测到外差干涉信号，并在示波器上显示出来。
2 实验装置及原理
实验装置如图1所示，为改进的迈克尔逊干涉系统。半导体激光器（Laser Diode，LD）发出中心波长为810 nm的低相干光，此光束依次经聚焦镜、针孔光阑、准直镜到达半透半反镜（Beam Splitter，BS），在半透半反镜上分成两束：一束穿过半透半反镜经补偿镜和样品池（比色皿）由聚焦镜（Focus Lens 1）会聚到测量反射镜（Mirror 1，M1）上并沿原路返回，形成测量光；另一束经聚焦镜（Focus Lens 2）会聚到参考反射镜（Mirror 2，M2）上，之后再沿原路返回，形成参考光。这两束光再通过观测物镜会聚，经光阑到达光电探测器，之后对此信号进行处理或利用示波器显示，可观察到外差干涉信号[11-12]。M2安装在能够精确移动的平移台上，通过电机控制M2的位移机构，可以快速改变两束光的光程差。
3 实验结果与分析
本文使用金龙鱼牌葵花油（烟点210 ℃）和多力牌玉米油（烟点162 ℃）[15]，据有关报道，食用油反复加热使用七次，有毒物质丙二醛含量会飙升160倍[16]。本实验分别对两种油加热0、1、2、3、5、7次，且每次加热均达到其烟点，之后分组编号为：葵花油、葵花油Ⅰ、葵花油Ⅱ、葵花油Ⅲ、葵花油Ⅴ、葵花油Ⅶ；玉米油、玉米油Ⅰ、玉米油Ⅱ、玉米油Ⅲ、玉米油Ⅴ、玉米油Ⅶ。实验中采用的比色皿内径为10 mm，然后分别对各次加热的葵花油、玉米油进行测量，控制M2位置的位移机构可以估读到微米量级。为避免其他因素的干扰，在实验时要尽量控制温度、湿度，保证在同一环境下进行。食用油加热冷却后即进行测量，避免存放时间过长。每次更换样品前先将比色皿清洗干净，并且将比色皿放置于光路的同一位置，比色皿的清洗和样品油的注入均使用吸管完成。具体实验数据如表1、2所示。
从上面的两个表中可以得到：葵花油经过1次加热处理后折射率几乎不发生改变，玉米油亦然，但经过第2次加热后，两种油的折射率都随着加热次数的增多而提高；随着加热次数的增多，玉米油的折射率变化趋势比葵花油更加明显，这是因为葵花油的烟点有210 ℃，而玉米油的烟点只有162 ℃。在高温下，玉米油中的碳分子双键更易“断裂”，生成小分子的物质，在同样条件下，这些小分子的物质又有可能重新“聚合”，产生过氧化反应，生成其他新物质，从而导致折射率的较快改变。此外玉米油中游离脂肪酸的含量比较高，不耐热，烟点低[18]，高温下易产生醛类、酮类、酸类等毒素。相反葵花油中抗氧化物含量较多，耐热性相对较好，致毒点也较高，这是导致两种油折射率变化快慢不同的另一个原因。由此说明了在生活中多次加热的食用油最好弃用。
4 结 论
本文利用光学外差干涉的原理，基于改进的迈克尔逊干涉仪光路，测得加热不同次数葵花油和玉米油的折射率，从而区分是否为反复煎炸的老油，达到鉴别其品质的目的，为快速甄别“地沟油”提供了一种新的方法。实验结果验证了此方法的可行性和可靠性，折射率的测量精度能达到10-4量级。本方法测量精确、方便且快捷，适合发展成生活中携带式测量仪或生产中实时监测的设备，应用前景广泛。
参考文献：
[1] 刘少娟，王明，陈松青，等.煎炸油重复使用存在的卫生问题及其控制措施[J].中国食品卫生杂志，2005，17（6）：544-547.
[2] 牟涛涛，陈思颖，张寅超，等.常见食用油和煎炸食用油的激光诱导荧光光谱特性[J].光谱学与光谱分析，2013，33（9）：2448-2450.
[3] 吴惠勤，黄晓兰，林晓珊，等.SPME/GC—MS鉴别地沟油新方法（III）[J].分析测试学报，2013（11）：1277-1282.
[4] 陈娟，李琰，孙震宇，等.电导率法鉴别地沟油的研究进展[J].广东化工，2016，43（13）：156-157.
[5] 郭涛，杜蕾蕾，万辉，等.高效液相色谱法测胆固醇含量鉴别地沟油[J].食品科学，2009，30（22）：286-289.
[6] 张咏，李莹，蔡春明.离子色谱法鉴别地沟油的应用研究[J].中国粮油学报，2012，27（1）：107-110.
[7] 谢梦圆，张军，陈哲，等.地沟油的近红外光谱分析鉴别[J].中国油脂，2011，38（12）：80-83.
[8] 杨扬，殷乐，尹芳华，等.几种食用油的核磁共振光谱特征与地沟油的快速检测[J].中国油脂，2015，40（7）：45-50.
[9] 梁铨廷，刘翠红.物理光学简明教程[M].2版.北京：电子工业出版社，2015：38-39.
[10] 关信安，袁树忠，刘玉照.双频激光干涉仪[M].北京：中国计量出版社，1987：25-28.
[11] SATYA R K，DON A G.Determining the refractive index of liquids using a modified michelson interferometer[J].Optics & Laser Technology，2012，44（8）：2361-2365.
[12] MACIEL M J，COSTA C G，SILVA M F，et al.A wafer-level miniaturized michelson interferometer on glass substrate for optical coherence tomography applications[J].Sensors and Actuators A：Physical，2016，242：210-216.
[13] 张浩，陈明惠，李振洋，等.基于低相干光干涉的液体折射率测量[J].光学仪器，2017，39（3）：1-5.
[14] MENG H Y，SHEN W，ZHANG G B，et al.Michelson interferometer-based fiber-optic sensing of liquid refractiveindex[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2011，160（1）：720-723.
[15] 李韬，王伟明，罗恒辉，等.食用油质量自动检测系统的设计与实现[J].现代电子技术，2005，28（24）：109-111.
[16] 邵艺谋.大学生实验食用油炸七次有毒丙二醛最多超160倍[N/OL].齐鲁晚报，（2012-05-16）[2017-03-13].http：∥epaper.qlwb.com.cn/qlwb/content/20120516/ArticelS09002FM.htm.
[17] 姜良广，孙鹏.水的折射率与波长间函数关系的模型[J].光谱实验室，2002，19（4）：554-556.
[18] 方冰，朱宁科，王瑛瑶，等.大豆油和菜籽油中游离脂肪酸与烟点的数学关系研究[J].中国粮油学报，2016，31（10）：56-59.
（编辑：刘铁英）
关键词：折射率； 光学外差干涉； 反复使用食用油
中图分类号： TS 261.7； O 436.1 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.03.003
Abstract： The optical refractive index of the liquid is an important physical parameter.Under certain external condition，mastering the physical refractive index and its changes well is helpful to understand the liquid purity，concentration，other parameters and quality.An optical low coherence heterodyne interferometry is proposed to measure the refractive index of repeated use of edible oil and then used to identify the quality of the oil.The experiment is based on the improved Michelson interferometer.The sample oil is put into the optical path of measuring arm.When the optical path length of two beams from the measuring arm and the reference arm is equal，the optical heterodyne interference phenomenon can be generated. A photo detector is used to detect the interference signal according to the corresponding optical path variation，and then the refractive index of the sample can be calculated. Edible oil was repeatedly heated 1，2，3，5，7 times.The refractive indices of sunflower oil were 1 . 469 5，1 . 469 7，1 . 470 1，1 . 470 7，1 . 471 3 respectively，and the refractive indexes of corn oil were 1 . 468 8，1 . 469 1，1 . 469 4，1 . 470 1，1 . 471 1 respectively. The results show that this method can accurately measure the different refractive index of edible oil with different heating times.It has high stability and can quickly and effectively identify the repeated use of edible oil quality.
Keywords：the refractive index； optical heterodyne interference； repeated use of edible oil
引 言
无论在食品加工厂还是在餐馆，食用油被反复使用的情况屡见不鲜。食用油经过反复加热，与空气接触产生氧化反应，油脂酸败的速度加快，随后生成大量的过氧化物，逐渐分解成低级的醛、酮、羟酸、醇类等有害物质。在高温下，低级羟基化合物还能聚合，形成粘稠的胶状聚合物，影响油脂的消化吸收[1]。专家指出，食用油在经过多次高温加热后，它的结构也会发生变化，生成苯并芘这样环状结构的有害物质，长期食用并在人体内积蓄到一定程度后，易诱发胃癌、肠癌等疾病，同时也会破坏人体的白血球和消化道黏膜，引起中毒等严重后果[2]。 生活中鉴别此类油的方法有很多种，一般可通过观察油的透明度，闻油的气味，品尝油的口感就能进行初步的区分，如要比较精确检测此类油，则可用顶空固相微萃取/气相色谱 质谱联用法（solid phase microextraction/gas chromatography-mass spectrometer，SPME/GC-MS）[3]、电导率法[4]、 高效液相色谱法[5]、离子色谱法[6]、近红外光谱法[7]、核磁共振谱法[8]等。其中：SPME/GC-MS法即用顶空固相微萃取（SPME）微量外源杂质成分，再用气相色谱 质谱联用法（GC-MS）测定乙酸、3 丁烯腈、糠醛、异硫氰酸烯丙酯、茴香脑、姜烯6种成分，样品中若含有这些微量成分中的一种或多种，就可判定为反复使用食用油；电导率法是测水相电导率值，但此法目前只能作为对金属离子总含量的半定量分析；高效液相色谱法是通过测定反复使用油中胆固醇的含量来进行鉴别；离子色谱法是测定油样品水萃取液中阴离子组成及含量，从而定性分析食用油脂中是否掺杂地沟油，此法在精度上还有些欠缺；近红外光谱法是根据植物油对近红外光谱的吸收，利用885 nm与897 nm两条谱线的光强比值差异进行鉴别；核磁共振谱法则是通过检测油样品的核磁共振氢谱、碳谱并观察其峰值的变化来实现鉴别。这些测量方法原理复杂，操作较困难，存在着一定的局限性。 本文利用低相干光外差干涉的原理，基于改进的迈克尔逊干涉系统，根据光电探测器得到的外差干涉信號，确定测量臂和参考臂相应的光程变化量，进而计算出反复使用食用油的折射率，以此鉴别反复使用食用油的品质。实验证明，本方法具有重复性好、操作方便、测量精度高等优点。
式中：f为参考光的频率；c为光在真空中的速度；λ为参考光的波长。光电探测器的响应频率只要高于Δf，就可以实现动态的实时测量。由低相干光干涉原理知，当参考光在参考臂反射镜的移动过程中与来自测量臂反射的测量光的光程差小于相干长度时可产生干涉，光电探测器即可探测到外差干涉信号，并在示波器上显示出来。
2 实验装置及原理
实验装置如图1所示，为改进的迈克尔逊干涉系统。半导体激光器（Laser Diode，LD）发出中心波长为810 nm的低相干光，此光束依次经聚焦镜、针孔光阑、准直镜到达半透半反镜（Beam Splitter，BS），在半透半反镜上分成两束：一束穿过半透半反镜经补偿镜和样品池（比色皿）由聚焦镜（Focus Lens 1）会聚到测量反射镜（Mirror 1，M1）上并沿原路返回，形成测量光；另一束经聚焦镜（Focus Lens 2）会聚到参考反射镜（Mirror 2，M2）上，之后再沿原路返回，形成参考光。这两束光再通过观测物镜会聚，经光阑到达光电探测器，之后对此信号进行处理或利用示波器显示，可观察到外差干涉信号[11-12]。M2安装在能够精确移动的平移台上，通过电机控制M2的位移机构，可以快速改变两束光的光程差。
3 实验结果与分析
本文使用金龙鱼牌葵花油（烟点210 ℃）和多力牌玉米油（烟点162 ℃）[15]，据有关报道，食用油反复加热使用七次，有毒物质丙二醛含量会飙升160倍[16]。本实验分别对两种油加热0、1、2、3、5、7次，且每次加热均达到其烟点，之后分组编号为：葵花油、葵花油Ⅰ、葵花油Ⅱ、葵花油Ⅲ、葵花油Ⅴ、葵花油Ⅶ；玉米油、玉米油Ⅰ、玉米油Ⅱ、玉米油Ⅲ、玉米油Ⅴ、玉米油Ⅶ。实验中采用的比色皿内径为10 mm，然后分别对各次加热的葵花油、玉米油进行测量，控制M2位置的位移机构可以估读到微米量级。为避免其他因素的干扰，在实验时要尽量控制温度、湿度，保证在同一环境下进行。食用油加热冷却后即进行测量，避免存放时间过长。每次更换样品前先将比色皿清洗干净，并且将比色皿放置于光路的同一位置，比色皿的清洗和样品油的注入均使用吸管完成。具体实验数据如表1、2所示。
从上面的两个表中可以得到：葵花油经过1次加热处理后折射率几乎不发生改变，玉米油亦然，但经过第2次加热后，两种油的折射率都随着加热次数的增多而提高；随着加热次数的增多，玉米油的折射率变化趋势比葵花油更加明显，这是因为葵花油的烟点有210 ℃，而玉米油的烟点只有162 ℃。在高温下，玉米油中的碳分子双键更易“断裂”，生成小分子的物质，在同样条件下，这些小分子的物质又有可能重新“聚合”，产生过氧化反应，生成其他新物质，从而导致折射率的较快改变。此外玉米油中游离脂肪酸的含量比较高，不耐热，烟点低[18]，高温下易产生醛类、酮类、酸类等毒素。相反葵花油中抗氧化物含量较多，耐热性相对较好，致毒点也较高，这是导致两种油折射率变化快慢不同的另一个原因。由此说明了在生活中多次加热的食用油最好弃用。
4 结 论
本文利用光学外差干涉的原理，基于改进的迈克尔逊干涉仪光路，测得加热不同次数葵花油和玉米油的折射率，从而区分是否为反复煎炸的老油，达到鉴别其品质的目的，为快速甄别“地沟油”提供了一种新的方法。实验结果验证了此方法的可行性和可靠性，折射率的测量精度能达到10-4量级。本方法测量精确、方便且快捷，适合发展成生活中携带式测量仪或生产中实时监测的设备，应用前景广泛。
参考文献：
[1] 刘少娟，王明，陈松青，等.煎炸油重复使用存在的卫生问题及其控制措施[J].中国食品卫生杂志，2005，17（6）：544-547.
[2] 牟涛涛，陈思颖，张寅超，等.常见食用油和煎炸食用油的激光诱导荧光光谱特性[J].光谱学与光谱分析，2013，33（9）：2448-2450.
[3] 吴惠勤，黄晓兰，林晓珊，等.SPME/GC—MS鉴别地沟油新方法（III）[J].分析测试学报，2013（11）：1277-1282.
[4] 陈娟，李琰，孙震宇，等.电导率法鉴别地沟油的研究进展[J].广东化工，2016，43（13）：156-157.
[5] 郭涛，杜蕾蕾，万辉，等.高效液相色谱法测胆固醇含量鉴别地沟油[J].食品科学，2009，30（22）：286-289.
[6] 张咏，李莹，蔡春明.离子色谱法鉴别地沟油的应用研究[J].中国粮油学报，2012，27（1）：107-110.
[7] 谢梦圆，张军，陈哲，等.地沟油的近红外光谱分析鉴别[J].中国油脂，2011，38（12）：80-83.
[8] 杨扬，殷乐，尹芳华，等.几种食用油的核磁共振光谱特征与地沟油的快速检测[J].中国油脂，2015，40（7）：45-50.
[9] 梁铨廷，刘翠红.物理光学简明教程[M].2版.北京：电子工业出版社，2015：38-39.
[10] 关信安，袁树忠，刘玉照.双频激光干涉仪[M].北京：中国计量出版社，1987：25-28.
[11] SATYA R K，DON A G.Determining the refractive index of liquids using a modified michelson interferometer[J].Optics & Laser Technology，2012，44（8）：2361-2365.
[12] MACIEL M J，COSTA C G，SILVA M F，et al.A wafer-level miniaturized michelson interferometer on glass substrate for optical coherence tomography applications[J].Sensors and Actuators A：Physical，2016，242：210-216.
[13] 张浩，陈明惠，李振洋，等.基于低相干光干涉的液体折射率测量[J].光学仪器，2017，39（3）：1-5.
[14] MENG H Y，SHEN W，ZHANG G B，et al.Michelson interferometer-based fiber-optic sensing of liquid refractiveindex[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2011，160（1）：720-723.
[15] 李韬，王伟明，罗恒辉，等.食用油质量自动检测系统的设计与实现[J].现代电子技术，2005，28（24）：109-111.
[16] 邵艺谋.大学生实验食用油炸七次有毒丙二醛最多超160倍[N/OL].齐鲁晚报，（2012-05-16）[2017-03-13].http：∥epaper.qlwb.com.cn/qlwb/content/20120516/ArticelS09002FM.htm.
[17] 姜良广，孙鹏.水的折射率与波长间函数关系的模型[J].光谱实验室，2002，19（4）：554-556.
[18] 方冰，朱宁科，王瑛瑶，等.大豆油和菜籽油中游离脂肪酸与烟点的数学关系研究[J].中国粮油学报，2016，31（10）：56-59.
（编辑：刘铁英）