電子鼻在餐廚廢棄油脂摻假判別中的應(yīng)用

殷志康，笪丹丹，趙 迪，李春保

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肉品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 教育部肉品加工與質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省肉類(lèi)生產(chǎn)與加工質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210095)

我國(guó)是世界上最大的油脂消費(fèi)國(guó)，食用植物油的質(zhì)量關(guān)系到每個(gè)人的身體健康[1]。不法商販?zhǔn)占瘡U棄食用油或劣質(zhì)油以制備食用油的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮，造成了嚴(yán)重的食品安全問(wèn)題。餐廚廢棄油脂的主要成分是脂肪酸甘油酯，在被污染的環(huán)境中，餐廚廢棄油脂會(huì)發(fā)生酸敗、氧化、分解等一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生有毒或致癌的物質(zhì)[2]。由于回收油脂來(lái)源復(fù)雜，且經(jīng)深度精煉后，回收油脂中大部分可以檢測(cè)的物質(zhì)可能已經(jīng)被去除，難以找出與合格食用油不同的特征指標(biāo)，導(dǎo)致國(guó)家至今未制定關(guān)于餐廚廢棄油脂的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法。目前常用的摻假油脂檢測(cè)方法是一些物理或者化學(xué)的方法，如熱分析法、液相色譜法、紅外光譜法、核磁共振法、質(zhì)譜聯(lián)用法或分子生物學(xué)法等[3-8]。

熱分析法可根據(jù)樣品的結(jié)晶溫度、結(jié)晶特性的不同來(lái)區(qū)分餐廚廢棄油脂與食用植物油[9]，但在分析過(guò)程中受外界的擾動(dòng)影響較大。高效液相色譜法一般通過(guò)檢測(cè)泔水油中的陰離子表面活性劑(如十二烷基苯磺酸鈉[10])來(lái)鑒別食用植物油中是否摻入了回收泔水油，但若合格食用油中泔水油的摻入量低于10%，則該方法不能有效檢出。紅外光譜法可以根據(jù)不同種類(lèi)餐廚廢棄油脂的特征吸收峰作為其判別依據(jù)[11]，但一般不單獨(dú)作為判斷和考量的標(biāo)準(zhǔn)。低場(chǎng)核磁共振法可根據(jù)H的弛豫時(shí)間的不同從而實(shí)現(xiàn)對(duì)食用植物油中餐廚廢棄油脂的檢測(cè)[12]，但其對(duì)儀器設(shè)備有較高的要求。實(shí)時(shí)熒光PCR方法可以區(qū)分植物油中是否摻有動(dòng)物油脂[8]，但其成本較高且不適用于煎炸老油的鑒別。綜上所述，現(xiàn)有的方法存在前處理復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、檢測(cè)成本高等缺陷，在檢測(cè)油品摻假方面具有一定的局限性。

電子鼻，又稱(chēng)人工嗅覺(jué)系統(tǒng)，是一種能夠分析識(shí)別復(fù)雜氣味和易揮發(fā)成分的儀器。作為來(lái)源于20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的電子仿生技術(shù)，電子鼻由傳感器、信號(hào)處理與模式識(shí)別3個(gè)系統(tǒng)組成[13]。電子鼻檢測(cè)的原理是基于氣體傳感器陣列接觸到樣品中揮發(fā)性物質(zhì)后電導(dǎo)率信號(hào)的改變，傳感器陣列不只是獲取某一特定揮發(fā)性氣體的信號(hào)，而是測(cè)定樣品中所有可識(shí)別的揮發(fā)性氣體的全部信息，然后在所謂的“指紋”數(shù)據(jù)中對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行比較和識(shí)別[14]。使用電子鼻測(cè)量的樣品無(wú)需預(yù)處理，檢測(cè)費(fèi)用低廉，重復(fù)性好，且不對(duì)樣品產(chǎn)生任何破壞。目前，電子鼻已應(yīng)用于食用油品質(zhì)和摻假的鑒別研究[15]。胡曉慧等[16]利用氣體傳感器陣列采集油樣氣味特征信息，使用支持向量機(jī)算法對(duì)油樣進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)該方法在一定程度上對(duì)食用油和餐廚廢棄油脂的識(shí)別是可行的。電子鼻技術(shù)也已被應(yīng)用于新鮮油脂和酸敗油脂的鑒別、食用油氧化程度的判定以及煎炸老油品質(zhì)的鑒定。張麗[17]在研究餐廚廢棄油脂與食用植物油揮發(fā)性物質(zhì)的差異中發(fā)現(xiàn)，醛類(lèi)是油脂氧化的重要產(chǎn)物之一，而在氧化過(guò)程中還伴隨著氮氧化物和醇類(lèi)物質(zhì)的產(chǎn)生；醛類(lèi)、醇類(lèi)、氮氧化物可能是餐廚廢棄油脂與食用植物油的主要差異性揮發(fā)物。

目前，國(guó)外對(duì)電子鼻在油脂檢測(cè)方面的應(yīng)用研究則主要為食用植物油的質(zhì)量控制、油品的保質(zhì)期預(yù)測(cè)、橄欖油和牡丹籽油的摻假檢測(cè)等方向[18]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)已報(bào)道采用電子鼻對(duì)餐廚廢棄油脂和大豆油、花生油、橄欖油進(jìn)行定性區(qū)分，但未考慮餐廚廢棄油脂摻入正常商品油的情況[16,19-20]。而現(xiàn)實(shí)中廣泛存在將餐廚廢棄油脂摻入正常油中的情況，這種摻假情況則更為隱蔽。

鑒于此，本實(shí)驗(yàn)中，筆者將不同比例餐廚廢棄油脂摻入市售花生油中，利用電子鼻技術(shù)對(duì)有關(guān)傳感器的響應(yīng)值進(jìn)行線性擬合分析，并結(jié)合主成分分析法(PCA)和線性判別式分析法(LDA)的信息，建立摻入不同比例餐廚廢棄油脂的花生油的定性鑒別方法，以期為商品食用油中餐廚廢棄油脂摻假的檢測(cè)提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料

食用油購(gòu)自南京市蘇果超市(衛(wèi)崗店)，實(shí)驗(yàn)前密封保存于4 ℃冷庫(kù)中，以防止氧化變質(zhì)。2種實(shí)驗(yàn)花生油的信息如表1所示。餐廚廢棄油脂源于上海市楊浦區(qū)廢棄油回收公司(上海市餐廚垃圾集中處置定點(diǎn)公司)。

表1 實(shí)驗(yàn)用油的信息列表

1.2 儀器與設(shè)備

PEN3型電子鼻設(shè)備購(gòu)自德國(guó)Air sense公司，包含10個(gè)金屬氧化物傳感器陣列：W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W和W3S，分別對(duì)芳香族成分、氮氧化物、氨類(lèi)、氫氣、烷烴、甲烷、硫化物、乙醇、有機(jī)硫化物和芳香烷烴類(lèi)物質(zhì)較敏感。

1.3 樣品制備

將5 mL的油樣加入到20 mL的頂空進(jìn)樣瓶中，樣品中花生油(1號(hào)油或2號(hào)油)混合餐廚廢棄油脂的比例分別為0%、0.5%、1%、2%、5%、10%、20%、50%和100%，以餐廚廢棄油脂的摻入比例由低到高依次標(biāo)注為A、B、C、D、E、F、G、H和I號(hào)。

1.4 電子鼻測(cè)定方法

取裝入油樣的頂空進(jìn)樣瓶，壓緊瓶蓋，室溫下靜置平衡2 h，待其頂部氣體成分穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量。電子鼻傳感器在每次測(cè)量前后都進(jìn)行清洗，以消除漂移。經(jīng)過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定了電子鼻參數(shù)，氣體的進(jìn)樣速率為400 mL/min，載氣速率為400 mL/min，清洗時(shí)間為100 s，檢測(cè)時(shí)間為120 s。實(shí)驗(yàn)時(shí)頂空進(jìn)樣瓶上方插有2個(gè)針頭，一個(gè)針頭用于將油樣上方氣體導(dǎo)入電子鼻傳感器，另一個(gè)則用于輸入外部空氣以保持氣壓平衡。在相對(duì)電導(dǎo)率G/G0穩(wěn)定后，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所有樣本的實(shí)驗(yàn)平行數(shù)為3。其中G0和G分別為傳感器在初始階段和平衡階段的電導(dǎo)率。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用電子鼻系統(tǒng)自帶的Win Muster軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測(cè)量，在Win Muster系統(tǒng)中對(duì)115 s處數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)。使用Origin 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像繪制并作線性擬合分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 電子鼻對(duì)不同濃度摻假油的響應(yīng)

當(dāng)電子鼻的傳感器接觸到揮發(fā)性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率G發(fā)生變化，導(dǎo)致G與初始電導(dǎo)率G0的比值(相對(duì)電導(dǎo)率)也隨之改變。樣品中某一揮發(fā)性氣體的濃度越大，對(duì)應(yīng)傳感器的G/G0的變化就越大。如果樣品中某種揮發(fā)性氣體的濃度低于傳感器的檢測(cè)限，則相應(yīng)的G/G0值為1。電子鼻傳感器對(duì)摻入不同濃度餐廚廢棄油脂的假花生油的響應(yīng)曲線如圖1所示，圖中每一條曲線都代表一個(gè)傳感器的G/G0隨時(shí)間變化的情況。所有樣品的傳感器響應(yīng)值曲線均有一個(gè)快速上升而后逐漸下降的過(guò)程，大約60 s后曲線趨于平緩，約100 s后即可達(dá)到穩(wěn)定，因此后續(xù)的PCA和LDA分析中取第115 s處的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。

從圖1可以看出，純花生油與餐廚廢棄油脂的響應(yīng)存在不同程度的差別。其中，W1W、W2W和W5S這3個(gè)傳感器對(duì)純花生油樣品具有較大峰值和平衡響應(yīng)值，而這3個(gè)傳感器對(duì)純餐廚廢棄油脂樣品的響應(yīng)則表現(xiàn)為峰值響應(yīng)低、平衡信號(hào)值小。趙澤偉等[15]采用PEN3型電子鼻分析了薏苡仁油氧化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)傳感器對(duì)油脂中氧化前后的氮氧化物、氫氧化合物、甲烷、硫化物和芳香成分敏感。李靖等[21]利用PEN3型電子鼻系統(tǒng)分析研究了大豆色拉油煎炸過(guò)程中揮發(fā)性成分的變化特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間煎炸的大豆油中開(kāi)始出現(xiàn)H2S類(lèi)物質(zhì)，而氨氧化物、芳香苯類(lèi)、乙醇等揮發(fā)性成分的含量均有一定程度的升高。姜巖等[20]在研究花生油煎炸前后揮發(fā)性氣味成分變化的實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)，煎炸廢花生油產(chǎn)生的氨氧化物、氨類(lèi)、烷烴、硫化物以及醇類(lèi)物質(zhì)是其氣味變化的主要原因。李小鳳等[22]對(duì)市售植物油與餐廚廢棄油脂中的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)芳香類(lèi)與醚類(lèi)物質(zhì)可以作為區(qū)分植物油中是否有含有餐廚廢棄油脂的依據(jù)。通過(guò)電子鼻判別同一類(lèi)香氣成分之間的差異，可以更好地把握香氣成分的整體信息。在本實(shí)驗(yàn)中，W1W、W2W和W5S這3個(gè)傳感器對(duì)純花生油和餐廚廢棄油脂的響應(yīng)具有明顯差別，其對(duì)應(yīng)的敏感類(lèi)物質(zhì)為硫化物和氮氧化物，這與趙澤偉等[15]和姜巖等[20]的研究結(jié)果相類(lèi)似。

圖1 電子鼻傳感器對(duì)摻入不同比例餐廚廢棄油脂的假花生油(1號(hào)商品油)的傳感器響應(yīng)曲線

為更好地觀察傳感器的響應(yīng)值隨著花生油中餐廚廢棄油脂摻假比例變化的趨勢(shì)，對(duì)W1W、W2W和W5S這3個(gè)傳感器的響應(yīng)曲線進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)果如圖2(a～c)所示。由圖2(a)～(c)可知，隨著摻假比例的上升，W1W、W2W和W5S傳感器響應(yīng)值的峰值信號(hào)逐漸下降，峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后。此外，在所有摻假油樣的響應(yīng)值曲線圖中，只有W2S和W1S傳感器出現(xiàn)了響應(yīng)信號(hào)值低于1的情況。圖2(d～e)為W2S和W1S傳感器的響應(yīng)曲線圖，由圖2(d)～(e)可知，摻假油的平衡響應(yīng)值遠(yuǎn)低于正?；ㄉ?，且摻假比例越高平衡響應(yīng)值越低。周玥等[23]利用電子鼻對(duì)油茶籽油中菜籽油的摻假情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)電子鼻部分傳感器的相對(duì)電導(dǎo)率發(fā)生了明顯的變化，可用來(lái)區(qū)分2種油料。因此，餐廚廢棄油脂摻假的花生油確實(shí)會(huì)導(dǎo)致電子鼻對(duì)應(yīng)傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯改變，其響應(yīng)值與純花生油相比存在差異。在本實(shí)驗(yàn)中，可能是餐廚廢棄油脂中的含硫化合物、氮氧化物、甲烷以及乙醇類(lèi)成分使得純花生油和摻假花生油的電子鼻信號(hào)產(chǎn)生差異。

圖2 不同比例摻假的1號(hào)花生油W1W、W2W、W5S、W2S、W1S傳感器響應(yīng)曲線

為進(jìn)一步考察摻假比例與傳感器響應(yīng)值的變化之間是否存在線性關(guān)系，以純花生油樣品的峰值相對(duì)電導(dǎo)率為基準(zhǔn)，與不同摻假比例樣品的峰值相對(duì)電導(dǎo)率作差，將上述5個(gè)傳感器峰值相對(duì)電導(dǎo)率的下降值對(duì)摻假比例作圖，線性方程如表2所示。由表2可知，在較低摻假比例下，傳感器峰值相對(duì)電導(dǎo)率的差值與摻假比例之間存在一定的線性關(guān)系。其中W2S和W1S傳感器的線性擬合決定系數(shù)R2分別達(dá)到0.988和0.997。因此，W2S和W1S這2個(gè)傳感器可能是鑒別餐廚廢棄油脂摻入情況的特征性傳感器，在較低的餐廚廢棄油脂摻假比例范圍內(nèi)(<5%)具有較好的線性響應(yīng)規(guī)律。

表2 低濃度下餐廚廢棄油脂摻假比例(摻入1號(hào)商品油)與峰值相對(duì)電導(dǎo)率下降值的線性擬合

2.2 主成分分析和線性判別式分析

PCA通過(guò)對(duì)提取的傳感器多指標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，提取多元數(shù)據(jù)的主要因素，最后由二維散點(diǎn)圖的形式顯示出來(lái)。使用該方法可在較少損失樣品信息的情況下反映原始數(shù)據(jù)的主要信息。橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)表示在PCA轉(zhuǎn)換中方差貢獻(xiàn)最大的2個(gè)指標(biāo)，分別稱(chēng)為第一主成分和第二主成分[24]。第一主成分和第二主成分的貢獻(xiàn)率之和越大，主成分分析法越能反映數(shù)據(jù)的原始信息，一般來(lái)說(shuō)總貢獻(xiàn)率在85%以上，就可以采用PCA法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[25]。2種花生油中摻假餐廚廢棄油脂的PCA和LDA分析圖餐廚廢棄油脂餐廚廢棄油脂，結(jié)果如圖3所示。

圖3 2種花生油中摻假餐廚廢棄油脂的PCA和LDA分析

圖3(a)為1號(hào)花生油中摻假餐廚廢棄油脂的PCA分析圖，圖中2個(gè)主成分的總貢獻(xiàn)率達(dá)到99.28%，這表明提取的信息能夠充分反映原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息。由圖3(a)可以看出，純花生油樣品與其他摻假油樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，區(qū)分顯著，但是不同摻假油樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)間分布較為密集。例如摻入0.5%與20%，1%與100%比例餐廚廢棄油脂的樣品間有部分重疊區(qū)域，不能很好地區(qū)分。圖3(b)為2號(hào)花生油中摻假餐廚廢棄油脂的PCA分析圖，2個(gè)主成分的總貢獻(xiàn)率為97.72%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于85%，說(shuō)明此PCA圖可以很好地反映2號(hào)油樣的整體實(shí)際情況。與1號(hào)油樣的結(jié)果相類(lèi)似，2號(hào)純花生油樣品與其他摻假油樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較遠(yuǎn)，區(qū)分顯著，但是不同摻假比例油樣數(shù)據(jù)間相互重疊(如摻假1%、2%和5%)，難以區(qū)別。潘磊慶等[26]采用主成分分析法，分別對(duì)摻入了大豆油、玉米油和葵花籽油的芝麻油進(jìn)行鑒別分析，結(jié)果表明不同摻假比例芝麻油的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布互有重疊，摻假至少需達(dá)到50%以上才能有明顯區(qū)分。彭星星等[27]用電子鼻分析了核桃油摻假前后PCA法鑒別的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)核桃油中摻入大于20%的大豆油、大于7%的菜籽油或者大于75%的玉米油才能有較好的識(shí)別效果。綜上所述，利用 PCA 分析能夠清晰地鑒別出純正花生油與摻假花生油，但是對(duì)于摻假油的摻假比例未見(jiàn)很好的區(qū)分度。

LDA是另一種對(duì)數(shù)據(jù)降維的分類(lèi)方法，它盡可能地使樣本空間均勻分布，即“投影后組內(nèi)方差最小，組間方差最大”。LDA所構(gòu)造的判別函數(shù)是由原始變量的線性組合得到的，這樣可以最大限度地區(qū)分不同的樣本集，使其在空間中具有最佳的可分離性，在降低數(shù)據(jù)維數(shù)的同時(shí)減少信息的損失。與PCA相比，LDA組間距逐漸增大而組內(nèi)點(diǎn)則更加集中，該法在實(shí)際分析中易于實(shí)現(xiàn)、分類(lèi)效果好，在電子鼻數(shù)據(jù)的處理中得到廣泛的應(yīng)用[28]。

圖3(c)為1號(hào)花生油中摻假餐廚廢棄油脂的LDA分析圖，純花生油和摻假油樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，區(qū)分明顯。但花生油中摻假餐廚廢棄油脂的含量不同，數(shù)據(jù)分布點(diǎn)之間也有重疊，彼此間的區(qū)分并不明顯，特別是摻假比例為5%、10%、20%和50%的油樣之間有一個(gè)共同的重疊區(qū)域。圖3(d)為2號(hào)花生油中摻假餐廚廢棄油脂的LDA分析圖，由圖3(d)可以發(fā)現(xiàn)，純花生油和摻假油樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較遠(yuǎn)，區(qū)分明顯。2號(hào)花生油中摻假餐廚廢棄油脂的含量不同，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布情況也不相同，相互之間沒(méi)有交集，都可以比較明顯地進(jìn)行區(qū)分。楊冬燕等[29]在進(jìn)行電子鼻技術(shù)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，LDA法考慮了數(shù)據(jù)組類(lèi)間的差異以及組內(nèi)點(diǎn)最大化的集中程度，可以有效區(qū)分精煉餐廚廢棄油脂與8種不同的食用植物油。胡國(guó)梁等[30]在使用電子鼻進(jìn)行油脂氧化判別分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)LDA法可以有效地對(duì)食用油氧化程度進(jìn)行定性分析。Wei等[31]采用電子鼻技術(shù)對(duì)牡丹籽油中其他油脂的摻假情況進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅使用LDA分析無(wú)法鑒別純牡丹籽油與其他摻假油，若結(jié)合了電子鼻圖像的數(shù)據(jù)之后，則可以較好地區(qū)分純牡丹籽油與摻假10%以上的摻假油。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，利用LDA分析可以清晰地鑒別出純正花生油與摻假花生油，但是對(duì)于不同摻假比例的摻假油區(qū)分度仍然不高，僅利用LDA分析無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分所有不同比例的摻假油。

3 結(jié)論

利用PEN3型電子鼻系統(tǒng)研究了在花生油中摻入不同比例餐廚廢棄油脂后揮發(fā)性成分的變化特征。研究結(jié)果表明，餐廚廢棄油脂的加入會(huì)導(dǎo)致PEN3型電子鼻系統(tǒng)W2S和W1S傳感器中出現(xiàn)在純花生油中未見(jiàn)的平衡響應(yīng)值低于1的信號(hào)。摻假油樣的W1W、W2W和W5S傳感器的平衡響應(yīng)值較純花生油相比也有降低現(xiàn)象，摻假比例越高，平衡響應(yīng)值越低。在較低摻假濃度下，W2S與W1S傳感器的峰值相對(duì)電導(dǎo)率之差與樣品中餐廚廢棄油脂含量存在較好的線性關(guān)系，可以將這2個(gè)傳感器作為定量檢測(cè)食用植物油中低濃度餐廚廢棄油脂的特征傳感器。利用電子鼻系統(tǒng)結(jié)合主成分分析法和線性判別式法對(duì)純花生油和摻假油進(jìn)行鑒別是可行的，PCA法和LDA法均能有效地定性分析花生油和摻假油。綜上所述，利用電子鼻系統(tǒng)判別餐廚廢棄油脂摻假具有較好的可行性。