快速、便携式的基于纸张的增值分析设备（VA-PAD），用于即时现场检测掺水牛奶

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《International Dairy Journal》：Rapid, Portable Value-Added Paper-Based Analytical Device (VA-PAD) For Instant On-Site Screening of Water-Adulterated Milk

【字体：大中小】 时间：2026年03月03日 来源：International Dairy Journal 3.4

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　　基于微流控原理，本研究开发了低成本、无需仪器的纸基快速检测装置（VA-PAD），通过毛细作用和颜色指示剂实现牛奶中水掺假的原位筛查，定量检测限分别为牛乳10%和牦牛乳25%，适用于资源有限地区的日常 milk quality control。

Shahila Parween | Prajna Arpita Jena

MNR研究与创新基金会（MNR-FRI），MNR大学，Narsapur路，Sangareddy – 502294，特伦甘纳邦，印度

摘要

牛奶中掺水的问题仍然是一个全球性的严重问题，它损害了营养价值、消费者安全以及乳制品加工性能，因此迫切需要快速且易于使用的检测工具。为了解决这一需求，我们开发了一种基于纸张的增值分析装置（VA-PAD；其中“VA”表示增值），用于现场（POC）检测掺水的牛奶。该装置基于微流控原理工作，毛细管吸液过程受到牛奶粘度和固体含量的影响。掺水样品的粘度较低，导致流动速度更快，吸液距离更长（在一分钟内）。颜色指示剂提高了视觉清晰度，并能显示纯牛奶中特有的白色固体沉积物。该检测方法只需10微升样品，大约1分钟内即可提供定量结果，无需任何仪器或技术专业知识。通过对牛奶和水牛奶在不同稀释度下的测试，证明了该装置能够清晰区分纯牛奶和掺水样品：流动距离≤5.0 ± 2.0毫米表示纯牛奶，>7.0 ± 2.0毫米表示掺水，>12.0 ± 2.0毫米表示掺水量超过35%。牛奶的检测限约为10%，水牛奶的检测限约为25%。该装置在环境温度和热条件下表现出良好的重复性和稳定性，提供了一个便携且低成本的牛奶质量快速现场检测平台。

引言

新鲜牛奶是人们饮食习惯的重要组成部分，在提供全面均衡的饮食中起着至关重要的作用[1]。由于需求不断增加，乳制品行业快速发展，这也使得牛奶更容易受到掺假行为的影响。掺假行为可能导致产品价格更低但营养价值降低，同时剥夺消费者所需的必需营养素。掺假方式多种多样，包括混合、用有吸引力的包装掩盖有害物质、销售变质食品、标注虚假标签以及添加有毒物质[2, 3]。掺水是为了增加牛奶的体积、延长保质期并保持标准粘度，从而获取额外利润。为了延长保质期，通常会使用过氧化氢、碳酸盐/碳酸氢盐、甲醛、洗涤剂、苛性钠等化学物质；而为了维持粘度，则会使用淀粉或某些复原奶粉[4]。在牛奶中报告的各种掺假物质中，掺水是最常见且出于经济动机的行为，因为其操作简单，但在没有适当分析工具的情况下难以检测。这在印度等发展中国家是质量违规最常见的行为之一[5]。掺水不仅会稀释牛奶的营养价值，如果使用受污染的水，还可能引入有害微生物、化学物质或毒素，使牛奶不再安全饮用。这些行为对消费者健康构成严重威胁，因此牛奶掺假是一个重要的公共卫生问题。尽管政府采取了严格措施来保护消费者免受掺假行为的影响，但掺假事件仍然频发，使得检测变得困难。在印度，食品安全标准局（FSSAI）是负责食品和安全监管的政府机构[6]。该机构致力于控制牛奶掺假和污染问题；然而，公民也需要了解牛奶掺假的相关知识，因为这直接关系到他们的健康。必须确保牛奶的安全性才能放心饮用。检测牛奶中是否掺水最常见的方法是乳比重计测试，通过乳比重计测量牛奶的比重（正常范围：1.026–1.032）。比重低于此范围可能表明牛奶被稀释了。另一种方法是将一滴牛奶滴在玻璃板上，根据其扩散行为粗略估计非脂固形物（SNF）含量。另一种传统的检测方法是冰点测试（cryoscopy），纯牛奶的冰点约为-0.55°C，掺水后会使冰点接近0°C。烘箱干燥法可以通过重量分析确定总固形物含量。此外，折射率测量技术（通常在去除脂肪后进行）也被用于检测掺水[7, 8]。上述传统方法虽然广泛使用，但存在一些局限性，如需要实验室设施、专业操作技能，或容易受到成分掩盖的影响，因此亟需快速、低成本、可现场部署的替代方案。还有多种先进的分析方法，如液相色谱、气相色谱、超声波传感、光谱技术（拉曼光谱、介电光谱、质谱）和扫描技术也被报道[7]。Liang团队使用介电光谱结合机器学习算法实现了牛奶中掺水的无损检测。尽管该技术能够准确预测掺水程度，但对宽带介电或近红外光谱仪器的依赖限制了其便携性和成本效益。即使他们后来开发了工作在900–1800纳米范围内的便携式近红外光谱仪，仍需要昂贵的光学组件和复杂的数据分析流程，不适合家庭广泛使用[9, 10]。牛奶的非均匀性和胶体性质限制了光谱技术的应用，因为脂肪颗粒和酪蛋白胶束会导致显著的光散射和光谱变化，除非进行广泛的样品标准化和化学预处理，否则会影响光谱分析的可重复性和预测准确性[11]。Dave等人报道了一种基于AVR微控制器、光学传感器、LCD和键盘的光学传感系统，用于检测牛奶中的掺水。虽然这种方法在灵敏度方面优于传统光谱技术，但对电子硬件和用户操作仪器的依赖限制了其在家庭或农村地区的常规应用[12]。Lanjewar等人描述了一种基于机器学习的方法来识别牛奶中的掺水，显示出有希望的预测准确性[13]。Mamgain等人的另一种机器学习分析方法通过高精度的蒸发沉积模式进行分析；然而，对成像系统和计算模型的依赖使其不适合资源有限的现场使用[14]。Guo等人使用微波介电光谱技术评估牛奶中的水分含量，实现了无损和定量评估[15]。尽管这种方法高效，但需要专用仪器和受控的测量条件。Bassi等人开发了一种使用CMOS相机和半导体激光器的光学斑点成像系统来区分纯牛奶和掺水牛奶；然而，对光学组件和受控条件的依赖限制了其在实验室或工业环境中的应用[16]。Banach等人展示了牛奶的电参数与掺水量之间的强线性相关性，但该方法需要电气测量设备和校准，限制了其在快速现场检测中的使用[17]。虽然这些方法提供了可靠的分析性能，但对专用仪器、计算工具和培训人员的依赖限制了其在资源有限环境中的快速、分散式检测应用。

已经有许多基于比色、电化学、光学和微流控检测原理的现场（POC）测试方法被报道，用于检测各种牛奶掺假物（尿素、淀粉、洗涤剂、合成牛奶、过氧化氢、三聚氰胺、甲醛、洗涤剂、脂肪等）[18, 19, 20, 21, 22]。例如，Harsha等人开发了一种经济高效的POC试剂盒，用于检测牛奶中的尿素和葡萄糖[19]。同时，Anushka等人报道了一种基于纸张的微流控装置，可以检测多种掺假物，尽管需要相对较大的样品体积（约6毫升），并且缺乏明显的视觉输出[20]。Patari等人进一步展示了一种三维（3D）基于纸张的装置，用于牛奶掺假检测，强调了层状纸张微流控系统在快速质量评估中的潜力；然而，其设计主要是针对多种掺假物，而不是专门针对快速检测掺水[21]。最近，Prabhu和Clifford（2025年）也报道了一种低成本的基于纸张的平台，用于多掺假物检测[22]，而2024年《TrAC Trends in Analytical Chemistry》的一篇综述总结了μPAD技术在食品掺假分析方面的最新进展[23]。这些研究强调了基于纸张的传感技术在食品安全应用中的快速发展，重点在于多组分检测，而不是依赖大量样品和仪器进行快速的水掺假检测。尽管取得了这些进展，但专门针对水掺假的研究仍然有限，尽管这是最常见的掺假形式之一且具有经济动机。因此，仍然迫切需要一种简单、低成本、可现场部署的POC装置，能够在不使用复杂仪器的情况下，通过少量样品检测水掺假。总体而言，这些研究突显了实验室规模或仪器辅助的牛奶掺假检测技术与真正适用于现场、样品量少、用户友好的诊断工具之间的差距，强调了需要简单、快速、易于视觉解释的平台，特别是对于非技术用户，尤其是在资源和条件有限的地区。因此，现在迫切需要一种简单的POC装置来检测水掺假，不仅对乳制品行业如此，对发达国家和发展中国家的每个家庭也同样重要。

在这项研究中，我们报道了一种基于纸张的微流控现场装置，利用毛细驱动的流动行为和可见的沉积模式来检测和半定量估计牛奶中的掺水量。我们采用了一种简单的基于微流控的距离分析方法，使用了一种增值的基于纸张的分析装置（VA-PAD），其中“VA”表示增值，即通过氯酚红提高视觉清晰度、基于距离的定量测量以及在简单纸张微流控平台内的改进稳定性。颜色指示剂增强了装置的性能。VA-PAD在多孔纤维素基底上利用毛细驱动的流动原理工作，液体样品的移动距离与其物理化学性质（如粘度、表面张力和成分）相关。这种基于距离的读数可以在不需要外部电源、试剂、计算工具或复杂仪器的情况下实现定量或半定量分析，从而实现消费现场的牛奶质量检测。据我们所知，此前没有研究报道过这种低样品量、可视解释且完全无需仪器的专门用于检测牛奶中掺水的POC平台。这种简单性、经济性和实用性相结合的特点使该技术区别于现有方法。尽管简单，但它解决了日常食品消费和安全中的一个重要且普遍存在的问题。

材料

Whatman 4、Whatman 1、Qualitative-CYTIVA滤纸（美国）、Himedia公司的HP LaserJet M1005 MFP多功能打印机（黑白打印）、热风烤箱（Beston，喀拉拉邦，印度）、当地牛奶商提供的牛奶和水牛奶（Sangareddy，印度）。氯酚红试剂来自SRL公司（印度）。