電子鼻識別大米揮發(fā)性物質的應用性研究

胡志全 王海洋 劉友明

（華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，武漢 430070）

大米是我國多數(shù)人的主食，其獨有的香氣更是直接影響人們的食欲。采用傳統(tǒng)的感官評價來鑒別大米的氣味具有很強的主觀性，而且人的感覺器官的靈敏度易受到外界因素的干擾，從而影響評定的準確度［1］。大米的氣味成分十分復雜，至今還有未鑒定出的化合物，且大米氣味是許多揮發(fā)成分混合而成，很難通過一種或幾種揮發(fā)物質來鑒定［2］。

電子鼻技術在 食品［3－6］、煙 草［7］、白酒［8］、醫(yī)藥［9］等眾多領域有著廣泛應用。電子鼻具有人工嗅覺分析系統(tǒng)，能對復雜氣味進行檢測和識別［10］。與普通分析儀器相比，電子鼻得到的是被測樣品揮發(fā)物質的整體信息，也就是“指紋數(shù)據(jù)”［11］，并不僅僅是單個成分的定性和定量結果。大米中揮發(fā)性氣味物質通常采用GC－MS法來檢測，轉基因大米常用的檢測方法有以核酸為基礎的PCR檢驗方法［12］和檢測是否有外源基因表達蛋白質的ELISA法［13］，但這些方法操作繁瑣復雜且成本較高，而電子鼻具有快速、靈敏及不需要樣品前處理等優(yōu)點［14］。利用電子鼻對不同產(chǎn)地、收獲年份、基因型的大米的揮發(fā)性物質進行檢測，從而快速鑒別出不同類型的大米。

1 材料與方法

1.1 材料

所測試材料有 4個基因型：CK、1C、2A、TT51。CK是指Bt抗蟲轉基因水稻培育過程中的受體親本稻明恢63。1C、2A、TT51是指轉入不同目的基因的Bt抗蟲轉基因水稻，1C轉入的目的基因為cry1C*，2A轉入的目的基因為cry2A*，TT51轉入的目的基因為cry1A（b）／cry1A（c）。試驗材料由華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室提供。

8種大米材料分別為2011年10月收獲大米：孝感產(chǎn)CK、孝感產(chǎn)2A；2009年10月收獲大米：孝感產(chǎn)CK、孝感產(chǎn)1C、孝感產(chǎn)2A、孝感產(chǎn)TT51、隨州產(chǎn)CK、隨州產(chǎn)2A。為便于分析和測試依次編號為a、b、c、d、e、f、g、h。

1.2 儀器與設備

FOX 4000型電子鼻（有18個金屬氧化氣體傳感器組成，傳感器陣列性能見表1）、HS100自動進樣器：法國 Alpha M.O.S.公司；BL－2200H型電子天平：日本島津公司；JLGJ－45型礱谷機：浙江臺州市糧儀廠；JNMT－3型碾米機：浙江臺州市糧儀廠。

表1 電子鼻傳感器陣列性能表

續(xù)表

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

將測試水稻脫殼脫糠加工成精米（碾磨時間80 s），精米精度符合國家一級標準。檢測時，稱取3 g（準確至0.02 g）樣品放入10 mL進樣瓶，壓蓋密封。

1.3.2 樣品分析參數(shù)

電子鼻系統(tǒng)分析參數(shù)及測試大米所需的參考值見表2，每個樣品做4次平行。

表2 電子鼻測試相關設置參數(shù)

1.3.3 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學分析

將電子鼻試驗獲得的數(shù)據(jù)信息用Alpha SOFTV 9.1軟件進行統(tǒng)計學分析，采用主成分分析法（principal component analysis，PCA）和判別因子分析法（discriminant factor analysis，DFA）分析數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 大米香氣的傳感響應值分析

為更好觀察和分析電子鼻18個傳感器對8種大米揮發(fā)性氣味物質的變化，根據(jù)18個傳感器的響應值大小及差異，繪制雷達圖和柱狀圖（圖1）。由圖1可以看出，18個傳感器對大米香氣物質的響應值不同，其中，傳感器LY2／gCT和LY2／LG的響應值（0～0.2）較低，其他16個傳感器的響應值均較合適，在0.2～0.8之間。此外，8種大米的雷達圖譜具有相似的變化趨勢和形狀，說明幾種大米揮發(fā)性物質有相似之處，但也存在明顯的差異，主要集中在LY型傳感器上。通過電子鼻識別不同收獲年份、不同產(chǎn)地和不同基因型大米揮發(fā)性氣味的差異，從整體來把握大米香氣的指紋圖譜，且每個傳感器都具有較好的穩(wěn)定性（變異系數(shù)小于5%），因此，F(xiàn)OX 4000型電子鼻系統(tǒng)對大米氣味進行分析是可行的。

圖1 大米香氣傳感器響應值的雷達圖和柱狀圖

2.2 收獲年份、產(chǎn)地、基因型對大米香氣影響的主成分分析（PCA）

主成分分析PCA是在對樣品特性一無所知的前提下，通過對原始數(shù)據(jù)向量進行線性變換，從而在一定的視角來尋找樣品間的差異的一種算法。該算法不丟失任何樣品信息，僅僅通過改變坐標軸來達到區(qū)分樣品的目的［17－18］。

對8種大米樣品的響應值信號數(shù)據(jù)進行主成分分析，建立前2個主成分的二維判別圖，如圖2所示。由圖2可以看出，每個樣品做4次平行，且4個數(shù)據(jù)點分布較為集中，說明數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性較好。主成分1（PC1）和主成分 2（PC2）的方差貢獻率分別為99.262%、0.277%，累計方差貢獻率為99.539%，大于85%，說明PC1和PC2已經(jīng)包含很大的信息量，能夠反映樣品的整體信息。并且，由于主成分2（PC2）的方差貢獻率僅有0.277%，所以，主要通過橫坐標主成分1（PC1）來區(qū)分開8個樣品。

圖2 大米香氣的主成分分析圖

表3 大米香氣主成分的區(qū)別指數(shù)

區(qū)分指數(shù)（discrimination index，DI）是電子鼻數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件提供的樣品區(qū)分程度的表征值，DI在80～100之間表明區(qū)分有效，該值越大，區(qū)分效果越好，圖2中的DI值為83，表明區(qū)分有效。以圖2中“十”字交叉的虛線為分界線，所有樣品被豎直虛線明顯分為2大組群。豎直虛線的右邊是2011年10月收獲的大米 a、b，左邊是2009年10月收獲的大米 c、d、e、f、g、h，因此，可以說明電子鼻可以很好地區(qū)分不同年份的大米樣品。進行電子鼻檢測試驗的時間是一樣的，而大米樣品的收獲年份卻不同，即不同儲藏時間的大米能被電子鼻顯著區(qū)分開。

由圖2和表3可知，大米樣品a和b的數(shù)據(jù)點分布于各自的區(qū)域，沒有重疊，并且區(qū)別指數(shù)為92.01%，說明是同一產(chǎn)地不同基因型大米的香氣是不同的，電子鼻可以準確的區(qū)分出a和b大米氣味的差異。

由表3可知豎直虛線左邊的6個大米樣品（c～h），區(qū)別指數(shù)較小的有：c與d為75.37%，c與g為20.61%，d與g為68.98%，e與h為15.76%，因此，6個大米樣品（c～h）被明顯的分成3個組群：第1組群樣品 f，第 2組群樣品 c、d、g，第 3組群樣品 e、h。由此可以看出，同一產(chǎn)地不同基因型的大米可以被電子鼻很好的區(qū)分開，而同一基因型不同產(chǎn)地的大米樣品不能被電子鼻明顯區(qū)分開，不同產(chǎn)地大米不能被區(qū)分的原因可能是大米的主要揮發(fā)性物質比較相近，從以前氣質的分析知，大米的主要揮發(fā)性物質為己醛、壬醛、戊醛、己醇和戊醇等［19］，雖然上述主要化合物含量存在差異，但表現(xiàn)出來的整體特性可能相似，也可能是電子鼻對不同產(chǎn)地大米的差異不敏感，傳感器無法識別這種微弱差異。相比于產(chǎn)地，基因型的差異對大米香氣的影響更大，電子鼻可以用來區(qū)分不同基因型大米的香氣。

2.3 收獲年份、產(chǎn)地、基因型對大米香氣影響的判別因子分析（DFA）

判別因子分析是在有先驗知識的前提下，對原始數(shù)據(jù)向量進行線性變換，使得各類樣品能夠更好地區(qū)分［20］。在主成分分析的基礎上通過對樣品采集數(shù)據(jù)進一步做判別因子分析，由圖3知大米樣品明顯被分成兩組，a和 b同組，c、d、e、f、g、h為一組，這兩組產(chǎn)生差異的原因主要是收獲的年份不同。稻米生長環(huán)境和時間的變化可導致稻米基本組成包括水分含量、蛋白質、脂肪等含量不同［21］，而且稻米儲藏環(huán)境（濕度、溫度、氧氣等）會導致自身代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物如醇、醛、酮類和儲糧害蟲自身代謝釋放的特殊氣味物質的不同，造成大米揮發(fā)性物質的差異［22］。

由表4大米樣品判別因子分析知，a和b間的氣味距離為0.26，明顯小于和其他大米的氣味距離，樣品c和a、b的氣味距離為0.53和0.79，明顯大于和其他樣品間的氣味距離，氣味距離是兩個樣品相似程度的描述，距離數(shù)據(jù)越小說明同組樣品間相似程度越高，距離越大說明不同組樣品間的差異程度越高。同組樣品間c與g的距離僅為0.02，而與h的距離卻為0.25，這從氣味距離的定量角度也說明基因型對大米香氣物質的形成影響要大于產(chǎn)地的影響。

圖3 大米樣品的判別因子分析圖

表4 大米樣品判別因子分析的氣味距離

3 結論

3.1 FOX 4000型電子鼻系統(tǒng)18個金屬氧化物氣體傳感器對不同的氣體響應程度不同，響應值大部分在0.2～0.8間，且變異系數(shù)小于5%，可以將其用于大米揮發(fā)性氣味物質的識別。

3.2 大米香氣的主成分分析可以有效區(qū)分不同收獲年份和不同基因型的大米，對同一基因型CK和2A的孝感產(chǎn)大米和隨州產(chǎn)大米不能明顯區(qū)分。將電子鼻應用于鑒別大米新陳和基因型是可行的。

3.3 大米香氣的判別因子分析表明，收獲年份、基因型和產(chǎn)地對大米香氣物質形成有一定程度影響，不同收獲年份的大米之間的氣味距離明顯大于不同基因型和不同產(chǎn)地的大米，大米氣味指紋圖譜差異性的出現(xiàn)主要是由于稻米后期儲藏條件引起的，基因型影響次之。

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