電子鼻在摻假牛肉卷識(shí)別中的應(yīng)用

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(錦州醫(yī)科大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧錦州 121001)

牛肉因富含各種蛋白且易被人體吸收,能夠增強(qiáng)體質(zhì),修復(fù)組織,擁有“肉中驕子”的美譽(yù),深受廣大消費(fèi)者喜愛,尤其一些特殊人群(康復(fù)人群、運(yùn)動(dòng)員等)對(duì)牛肉的需求量更大[1]。隨著消費(fèi)者對(duì)牛肉及其制品需求的不斷增加,牛肉市場及其產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了供給不足,原料短缺等現(xiàn)象,致使牛肉價(jià)格較其他的畜肉高,所以我國牛肉及其制品摻假問題屢見不鮮[2-4]。

在肉及其制品的摻假檢測領(lǐng)域,檢測方法和手段有很多,其中包括熒光定量 PCR技術(shù)、紅外光譜技術(shù)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)等[5],這些技術(shù)雖然各有優(yōu)點(diǎn),但因其耗時(shí)長、實(shí)驗(yàn)處理過程復(fù)雜及對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻,不能滿足人們對(duì)摻假肉及其制品快速、簡便的檢測要求,而電子鼻分析技術(shù)具有檢測快速、操作簡單、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn),因此,電子鼻廣泛應(yīng)用于肉類品質(zhì)評(píng)價(jià)及摻假檢測等領(lǐng)域[6-12]。如張申[2]應(yīng)用電子鼻對(duì)牛肉中摻入不同比例的豬肉進(jìn)行了檢測區(qū)分;田曉靜[7]等基于電子鼻和電子舌對(duì)摻雜雞肉的羊肉進(jìn)行了品質(zhì)檢測;李璐[12]研究了電子鼻對(duì)羊肉中摻假鴨肉的識(shí)別應(yīng)用。這些研究僅限于一種摻假肉的檢測,而應(yīng)用電子鼻對(duì)摻入多種摻假肉的研究,尤其是牛肉卷里摻入豬肉和鴨肉的電子鼻檢測鮮有報(bào)道,但是市場中這種摻假牛肉卷卻時(shí)有售賣。

本實(shí)驗(yàn)研究了電子鼻對(duì)牛肉卷中摻入豬肋條肉、鴨胸肉的摻假檢測,并運(yùn)用線性判別分析(LDA)方法和主成分分析(PCA)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,旨在建立一種客觀、快速、便捷且重現(xiàn)性好的摻假牛肉卷識(shí)別的電子鼻檢測方法,為以后電子鼻檢測多種摻假肉和摻假牛肉卷提供參考。

1　材料與方法

1.1　材料與儀器

牛肉、豬肉購買于錦州大潤發(fā)超市的鮮肋條肉;鴨胸肉購買于錦州新瑪特超市的鴨胸脯;購買后均貯藏于4 ℃冰箱中。

PEN3電子鼻德國Airsense公司,10個(gè)傳感器名稱及性能描述見表1;AUX-J22絞肉機(jī)鎮(zhèn)江新區(qū)金旺食品機(jī)械有限公司;LC-QRJ型切片機(jī)河北任縣萬全機(jī)械廠;AUW220D型電子天平日本島津公司。

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

表1　PEN3電子鼻傳感器名稱及性能描述Table 1　Sensors used and their main applications in PEN3 electronic nose

1.2.1摻假牛肉卷制備將購買的牛肋條肉與豬肋條肉、鴨胸肉按表2比例混合、進(jìn)行裝模以及在-30 ℃下進(jìn)行速凍,將速凍后的肉樣脫模,用切片機(jī)將脫模后的肉樣切成直徑為110 mm的片狀。

1.2.2待檢樣品前處理將肉片置于模具直徑為150 mm的絞肉機(jī)中攪碎成肉泥狀,每個(gè)比例的樣品制備5個(gè)平行樣,將樣品密封保存,放置于4 ℃環(huán)境中待用。

表2　牛肉卷中摻入豬肋條肉和鴨胸肉的比例(%)Table 2　The ratio chart of sample adulteration(%)

1.2.3電子鼻檢測保持室溫恒定,從制備好的樣品中取5 g置于50 mL統(tǒng)一大小的燒杯中并用保鮮膜密封,頂空集氣30 min。打開電子鼻的設(shè)置界面,將電子鼻的樣品間隔設(shè)置為1 s,清洗時(shí)間設(shè)置為50 s,調(diào)零時(shí)間設(shè)置為10 s,樣品準(zhǔn)備時(shí)間設(shè)置為5 s,檢測時(shí)間設(shè)置為50 s,進(jìn)樣速率設(shè)置為300 mL/min,載氣速率設(shè)置為300 mL/min。在第一個(gè)樣品檢測前將電子鼻系統(tǒng)清洗干凈,然后用電子鼻對(duì)7組不同的樣品依次檢測50 s,得到電子鼻的十根傳感器對(duì)生鮮牛肉卷中摻入豬肋條肉及鴨胸肉樣品產(chǎn)生的響應(yīng)值。每組樣品做5個(gè)平行實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次。

1.3　數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用與PEN3電子鼻相配套的、由德國Airsense公司提供的WinMuster軟件,用該軟件自帶的主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)功能對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行。

2　結(jié)果與分析

2.1　樣品傳感器信號(hào)分析

從圖1可以看出,在45 s之后電子鼻對(duì)肉樣的響應(yīng)值趨于平穩(wěn),在對(duì)摻假肉進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)中,同樣發(fā)現(xiàn)在45 s后電子鼻對(duì)生鮮肉樣的響應(yīng)值趨于平穩(wěn),因此,實(shí)驗(yàn)可以從45 s后選取分析時(shí)間點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)選取49 s作為分析時(shí)間點(diǎn)。從圖1中還可以看出,豬肋條肉與牛肋條肉、鴨胸肉的響應(yīng)強(qiáng)度值差別較大,尤其是S7、S2、S6、S9和S8號(hào)傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度差別最大,豬肋條肉明顯高于鴨胸肉和牛肋條肉,鴨胸肉高于牛肋條肉,當(dāng)牛肋條肉中摻入豬肋條肉或鴨胸肉后,S7、S2、S6、S9和S8號(hào)傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度將會(huì)有不同程度的升高,從而為電子鼻檢測摻入豬肉及鴨肉的牛肉卷提供可能。

圖1　電子鼻對(duì)三種生鮮肉揮發(fā)成分的響應(yīng)Fig.1　Response curves of electronic nose to 3 kinds of meat samples

從圖2可以看出,雷達(dá)圖能直觀地反映出揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)特征,從三幅雷達(dá)圖中可以看出,電子鼻的十根傳感器對(duì)三種生鮮肉樣的揮發(fā)性物質(zhì)都有明顯響應(yīng),同時(shí)對(duì)三種生鮮肉樣的響應(yīng)強(qiáng)度各不同。其中,S7、S6、S2、S8、S9號(hào)傳感器對(duì)牛肉和鴨肉的響應(yīng)值較大,尤其是S7、S6、S2響應(yīng)更為明顯,S7、S2號(hào)傳感器對(duì)豬肉的響應(yīng)值較大。因此,在牛肋條肉中摻入豬肋條肉和鴨胸肉的生鮮牛肉卷中S7、S2和S6號(hào)傳感器對(duì)氣味識(shí)別起主要作用,且由表1可知,它們的敏感物質(zhì)為含硫化合物以及萜烯、吡嗪類化合物、氫氧化合物、甲烷,這就為電子鼻對(duì)摻假牛肉卷的識(shí)別提供了實(shí)驗(yàn)的可能。

圖2　電子鼻對(duì)三種生鮮肉的雷達(dá)圖 Fig.2　Radar chart of 3 kinds of samples by electronic nose

2.2　PCA分析

對(duì)摻假牛肉卷樣品測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA),結(jié)果如圖3所示。

圖3　生鮮牛肉卷中摻入豬肋條肉及鴨胸肉樣PCA分析Fig.3　PCA analysis of beef roll mixed with pork and duck

圖3中的橫、縱坐標(biāo)分別表示的是第一和第二主成分的貢獻(xiàn)率,貢獻(xiàn)率越大,表示該主成分越能反映原有多指標(biāo)的信息[13],總貢獻(xiàn)率超過70%～85%,則說明該方法有效[14]。從圖3可以看出,生鮮摻假肉的總貢獻(xiàn)率為97.73%>70%,說明該方法有效,且能較好的反映原有多指標(biāo)的信息。從圖3中還可以看出,純牛肉與純豬肉相距最遠(yuǎn),與純鴨肉相距較近,且隨著牛肉含量的減少,摻假豬肉、鴨肉的牛肉樣品的分布逐漸遠(yuǎn)離純牛肉,且靠近純豬肉。牛肉含量為80%和60%的摻假樣品相距較近,但是也能明顯分開。摻假豬肉、鴨肉的牛肉卷樣品在圖中隨著摻假比例的不同,分別聚集在不同區(qū)域,且能夠明顯區(qū)分開。因此,生鮮牛肉卷中摻入豬肋條肉及鴨胸肉樣的主成分能較好的反映原有多指標(biāo)的信息,電子鼻能將不同摻假肉的樣品很好地區(qū)分開。

2.3　LDA分析

對(duì)摻假牛肉卷樣品測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性判別分析(LDA),結(jié)果如圖4所示。

圖4　生鮮牛肉卷中摻入豬肋條肉及鴨胸肉樣LDA分析Fig.4　LDA analysis of beef roll mixed with pork and duck

從圖4可以看出,生鮮牛肉卷中摻入豬肋條肉及鴨胸肉樣的第一、第二主成分貢獻(xiàn)率分別為87.70%、9.17%,它們總的貢獻(xiàn)率為96.87%>70%,說明該方法有效。純牛肉和純豬肉很好的分布在了圖的兩邊,不同比例的摻假肉樣分布在它們之間。除牛肉含量為40%和60%的摻假肉樣在第一主成分中部分重疊外,其他不同比例的摻假肉樣在第一、第二主成分中均沒有重疊,區(qū)分明顯。在圖4中,同一比例的摻假肉樣聚集在同一區(qū)域,不同比例的摻假肉樣能各自分布在不同區(qū)域。說明生鮮牛肉卷中以大于10%的比例摻入豬肋條肉和鴨胸肉,在電子鼻的LDA分析中能都很好地被區(qū)分開。

3　討論與結(jié)論

電子鼻的響應(yīng)曲線圖和雷達(dá)圖能反映出牛肋條肉、豬肋條肉以及鴨胸肉肉樣中揮發(fā)性物質(zhì)的信息,其中2號(hào)、6號(hào)和7號(hào)傳感器對(duì)牛肋條肉、豬肋條肉以及鴨胸肉響應(yīng)強(qiáng)度最大,其他傳感器響應(yīng)強(qiáng)度較平穩(wěn),說明肉類的揮發(fā)性物質(zhì)主要是氫氧化物、甲烷、含硫化合物以及萜烯、吡嗪類化合物。實(shí)驗(yàn)證明豬肋條肉的2號(hào)、6號(hào)和7號(hào)傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度均明顯高于牛肋條肉和鴨胸肉的,鴨胸肉的2號(hào)、6號(hào)和7號(hào)傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度略高于牛肋條肉的,所以,摻入豬肉和鴨肉的牛肉的響應(yīng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。因此,電子鼻能識(shí)別3種不同肉樣。這與張申[2]所得到2號(hào)和7號(hào)傳感器響應(yīng)強(qiáng)度最大,6號(hào)傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度較為明顯的結(jié)論相似,說明本實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果具有可靠性。

在PCA圖中,主成分能夠較好的反映原有多指標(biāo)的信息,牛肉卷樣品隨著豬肉、鴨肉摻入比例的不同,在圖中分別聚集在不同區(qū)域,說明電子鼻能夠?qū)⒉煌瑯悠访黠@的區(qū)分開來。在LDA圖中,雖然部分肉樣在第一主成分上有重疊,但是在第二主成分上能區(qū)分開,總體上呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。這就說明電子鼻能夠?qū)饺胴i肉、鴨肉的牛肉卷肉樣很好地區(qū)分開,這與賈洪鋒等[15-16]實(shí)驗(yàn)得出通過PCA分析,電子鼻能有效的區(qū)分牛肉與豬肉、牛肉與鴨肉的結(jié)論相吻合,由此可見電子鼻檢測摻假牛肉卷具有很高的可信性。

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