電子鼻在摻假牛肉餡識別中的應用

周秀麗,劉 全,查恩輝,*

(1.錦州醫科大學研究生學院,遼寧錦州 121001;2.遼寧省動物衛生監測預警中心,遼寧沈陽 110001)

電子鼻在摻假牛肉餡識別中的應用

周秀麗1,劉 全2,查恩輝1,*

(1.錦州醫科大學研究生學院,遼寧錦州 121001;2.遼寧省動物衛生監測預警中心,遼寧沈陽 110001)

為了探索電子鼻對牛肉類摻假識別的可行性,利用電子鼻對牛胸肉、豬前槽肉、雞胸肉和雞皮樣品進行了檢測分析。通過對所獲得的數據進行主成分分析(principal component analysis,PCA)、線性判別分析(linear discriminantanalysis,LDA),結果表明:電子鼻能夠較好的識別牛胸肉餡料中摻入不同比例的豬前槽肉、雞胸肉和雞皮,且LDA方法的效果明顯優于PCA方法。

牛肉,摻假,電子鼻

目前,電子鼻在摻假檢測領域涉及的種類很多,如蜂蜜、果蔬、水產、肉類等。而應用電子鼻對肉類摻假的研究已較普遍,如李芳[1]等對禽肉摻假的模型建立;賈洪峰[2]等應用電子鼻對耗牛肉和牛肉中摻入豬肉的識別;田曉靜[3]等研究了基于電子鼻和電子舌的羊肉品質檢測,但是對于肉餡的摻假至今鮮有報道。然而,隨著即食產品及半即食產品的產生,各種肉餡越來越受人們的歡迎。牛肉中蛋白質含量高,脂肪含量低,且味道鮮美,在人類生活中扮演著重要角色[4-5]。一些不法商販面對暴利誘惑,牛肉餡摻假現象也日益猖獗,嚴重影響了其市場的流通和消費者的利益。因此對牛肉餡摻假的監測刻不容緩[6-10]。

目前常用的肉類及其制品快速檢測的方法有:感官評定、氣相色譜、高效液相色譜、核磁共振、DNA探針雜交、PCR檢測等。雖然傳統的肉類品質評定及摻假檢測的方法己經較為成熟,但也存在一定的弊端,如易受外界環境影響、費時費力、樣品預處理復雜、檢測準確性差等多種問題。而電子鼻具有評價方法客觀、檢測快速、操作簡單、重現性好等優點,因此,電子鼻廣泛應用于肉類品質評價及摻假檢測等領域[11-14]。

本實驗研究了電子鼻對牛肉餡中摻入豬前槽肉、雞胸肉和雞皮的摻假檢測,并運用主成分分析(PCA)方法和線性判別分析(LDA)方法對數據進行處理分析,旨在建立一種科學、快速便捷且實用性強的牛肉餡摻假識別的電子鼻分析方法,具有一定的實際應用意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牛胸肉、豬前槽肉、雞胸肉(均為冷鮮肉,4 ℃) 均購于錦州市大商新瑪特超市;鮮雞皮 購于錦州市馬家街道批發市場,于4 ℃冰箱中密封保存,待檢。

表1 牛胸肉中摻入豬前槽肉、雞胸肉及雞皮比例表Table 1 The ratio chart of sample adulteration

圖1 電子鼻對4種肉類樣品的響應曲線 Fig.1 Response curves of electronic nose to 4 kinds of meat samples

PEN3型便攜式電子鼻(傳感器陣列由10個金屬氧化物傳感器組成) 德國Airsense公司;BCD-258WLDPN冰箱 海爾集團有限公司;電子天平SHIMADZU,AUW220D,最小精確度0.1 mg 日本島津公司;小型電動絞肉機,振蕩器 鎮江新區金旺食品機械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 摻假樣品的制備 依次將牛胸肉、豬前槽肉、雞胸肉、雞皮4種樣品利用絞肉機制成8～10 mm的肉糜,分別在牛胸肉糜中混合不同比例的豬前槽肉糜、雞胸肉糜和雞皮糜,用攪拌器攪拌均勻后分別裝入250 mL的錐形瓶中,于室溫(約25 ℃)密閉保存30 min待檢。實驗設計見表1。

1.2.2 電子鼻測定條件 經預實驗確定的電子鼻參數為:樣品進樣速率300 mL/min,載氣速率300 mL/min,清洗時間40 s,傳感器歸零時間5 s,樣品準備時間5 s,檢測時間50 s。完成1次檢測后系統自動進行清零和標準化,然后再進行第2次采樣。

1.2.3 數據分析方法 通過電子鼻自帶的Win muster分析軟件對采集到的數據進行處理分析,主要采用主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)這兩種方法[15-16]。

2 結果與分析

2.1 電子鼻對4種肉類樣品的特征響應

由圖1可知,牛胸肉、豬前槽肉、雞胸肉和雞皮氣味的電子鼻響應在45 s時均可達到穩定,并且在預實驗中,同樣發現了摻假的牛胸肉穩定時間也在45 s,因此實驗中將45 s作為分析的時間點。同時從圖1還可以看出,牛胸肉、豬前槽肉、雞胸肉和雞皮的響應曲線差異較大,其中牛胸肉的響應值明顯高于其他3種樣品。因此,摻入其他3種樣品的牛胸肉可能會降低對電子鼻的響應強度,從而使得其響應值與純牛胸肉相比存在差異。

圖2 電子鼻對4種樣品的雷達圖Fig.2 Radar chart of 4 kinds of samples by electronic nose

從圖2可以看出,電子鼻對肉類的揮發性成分有明顯響應,并且每一個傳感器對4種肉類樣品的響應也各不相同。其中,牛胸肉和雞胸肉中的7號傳感器相對電阻率值高于其他傳感器;豬前槽肉的2號、6號和7號傳感器相對電阻率值較高;雞皮中的6號傳感器電阻率值明顯大于其他傳感器。因此電子鼻測定的雷達圖可以明顯區分出這4種不同的肉類,為電子鼻檢測摻假牛肉提供了可能。

2.2 電子鼻對牛胸肉中摻入豬前槽肉的PCA和LDA分析

一般情況下,總貢獻率超過70%～85%的方法即可使用[17],電子鼻對牛胸肉中摻入豬前槽肉的PCA分析如圖3所示。結果表明,2個主成分的貢獻率達到99.32%>70%,說明提取的信息能夠反映原始數據的絕大部分信息,且基本由第1主成分而決定。從圖3還可以看出,純牛胸肉和摻入豬前槽肉的牛胸肉樣品數據分布較遠,區分明顯,且電子鼻的響應距離隨著摻入豬前槽肉比例的增大而增大,只有在摻入30%和40%的豬前槽肉時略有重疊。由此可說明,PCA方法基本能夠區分出牛胸肉中摻入不同比例的豬前槽肉。

圖3 牛胸肉中摻入豬前槽肉的PCA分析圖Fig.3 PCA analysis of beef mixed with pork

電子鼻對牛胸肉中摻入豬前槽肉的分析如圖4所示。結果表明,2個主成分的貢獻率達到87.82%>70%,說明提取的信息能夠反映原始數據的大部分信息,此方法可用。從圖4還可以看出,純牛胸肉和摻入豬前槽肉的牛胸肉樣品數據點分布較遠,區分明顯,且牛胸肉中摻入豬前槽肉的含量不同,分布也不相同。相互之間沒有重疊,都能明顯的區分出來。由此可說明,LDA方法能夠區分出牛胸肉中摻入不同比例的豬前槽肉。

圖4 牛胸肉中摻入豬前槽肉的LDA分析圖Fig.4 LDA analysis of beef mixed with pork

綜上所述,電子鼻能較好的識別摻入不同比例豬前槽肉的牛胸肉樣品,但在PCA方法中出現少部分重疊現象,而LDA方法則能明顯的區分出所有摻假樣品。由此可見,LDA方法優于PCA方法。

2.3 電子鼻對牛胸肉中摻入雞胸肉的PCA和LDA分析

電子鼻對牛胸肉中摻入雞胸肉的PCA分析如圖5所示。結果表明,2個主成分的貢獻率達到99.04%>70%,說明提取的信息能夠反映原始數據的絕大部分信息,且基本由第1主成分而決定。從圖5還可以看出,摻入雞胸肉的比例在0～40%時,摻假牛胸肉樣品數據點分布較為接近,各區域嚴重重疊。而在摻入量高于40%時,各區域部分沒有重疊,區分明顯。

圖5 牛胸肉中摻入雞胸肉的PCA分析圖Fig.5 PCA analysis of beef mixed with chicken

電子鼻對牛胸肉中摻入雞胸肉的LDA分析如圖6所示。2個主成分的貢獻率達90.49%>70%,說明提取的信息能夠反映原始數據的絕大部分信息。從圖6還可以看出,純牛胸肉和摻入雞胸肉的牛胸肉樣品數據點分布較遠,區分明顯,且牛胸肉中摻入雞胸肉的含量不同,數據點分布也不相同相互之間沒有重疊,而且呈現了一定的線性關系。由此可說明,LDA方法能夠區分出摻入不同比例雞胸肉的牛胸肉樣品。

圖6 牛胸肉中摻入雞胸肉的LDA分析圖Fig.6 LDA analysis of beef mixed with chicken

綜上所述,在檢測摻入不同比例的雞胸肉的牛胸肉樣品時,PCA方法中適合雞胸肉摻入量在40%以上的牛胸肉樣品,而LDA方法則能明顯的區分出所有摻入雞胸肉的牛胸肉樣品。由此可見LDA方法優于PCA方法。

2.4 電子鼻對牛胸肉中摻入雞皮的PCA和LDA分析

電子鼻對牛胸肉中摻入雞皮的PCA分析如圖7所示,2個主成分的貢獻率達到98.57%>70%,說明提取的信息能夠反映原始數據的大部分信息,且基本由第1主成分而決定。從圖7還可以看出,純牛胸肉和摻假牛胸肉樣品數據點分布較遠,區分明顯,且電子鼻的響應距離隨著摻入雞皮含量的增大而增大,相互之間無明顯重疊現象。由此可說明,PCA方法基本能夠區分出牛胸肉中摻入不同比例的雞皮。

圖7 牛胸肉中摻入雞皮的PCA分析圖Fig.7 PCA analysis of beef mixed with horrida cutis

電子鼻對牛胸肉中摻入雞皮的LDA分析如圖8所示。由圖8可知,2個主成分的貢獻率達到89.97%>70%,說明此方法可用。從圖8還可以看出,純牛胸肉和摻入雞皮的牛胸肉樣品數據點分布較遠,區分明顯,且牛胸肉中摻入雞皮的比例不同,數據點的分布也不相同,相互之間沒有重疊,能夠將所有樣品區分出來。由此可見,LDA方法能夠區分出摻入不同比例的雞皮的牛胸肉樣品。

圖8 牛胸肉中摻入雞皮的LDA分析圖Fig.8 LDA analysis of beef mixed with horrida cutis

綜上所述,LDA方法和PCA方法均能較好的識別出摻入不同比例雞皮的牛胸肉樣品,但從數據點的分布距離的差異性來看LDA方法略優于PCA方法。

3 結論

從電子鼻傳感器的響應行為來看,牛胸肉的傳感器信號強度最大,而且明顯高于其他3種肉類樣品;雞皮的傳感器信號強度次之;雞胸肉的傳感器信號略高于豬前槽肉。由此可以認為,牛胸肉、豬前槽肉、雞胸肉和雞皮在電子鼻傳感器的響應行為可以作為其特征指紋,用于識別這4種不同的肉類樣品。

電子鼻能夠有效的區分出摻入不同比例的豬前槽肉、雞胸肉和雞皮的牛胸肉樣品。當摻入豬前槽肉、雞胸肉、雞皮的比例從0增加到100%時,LDA圖中的數據分布呈現出線性規律,但PCA圖只有在摻入雞皮的牛胸肉樣品中呈現規律性的變化,在摻入不同比例的豬前槽肉、雞胸肉的牛胸肉樣品中數據分布均有不同程度的重疊。

[1]李芳,孫靜,黃沁怡,等.禽肉風位指紋和識別模型的建立[J].中國食品學報,2014,14(2):255-260.

[2]賈洪峰,盧一,何江紅,等.電子鼻在牦牛肉和牛肉豬肉識別中的應用[J].農業工程學報,2011,27(5):358-363.

[3]田曉靜.基于電子鼻和電子舌的羊肉品質檢測[D].杭州:浙江大學,2014.

[4]周英,杜杰.電子鼻工作原理及在肉品檢測中的應用[J]. 肉類工業,2016(4):42-45.

[5]Xiaojing Tian,Jun Wanga,Shaoqing Cui. Analysis of pork adulteration in minced mutton using electronic nose of metal oxide sensors[J].Journal of Food Engineering,2013,119:744-749.

[6]陳銀基.不同影響因素條件下牛肉脂肪酸組成變化研究[D].南京:南京農業大學,2007.

[7]常志勇.基于仿生電子鼻的肉品新鮮度多信息融合識別技術[D].長春:吉林大學,2013.

[8]王亞雷,賈文坤,潘立剛,等.電子鼻技術在肉類品質應用中快速分析初探[J].食品安全質量檢測學報,2016,7(2):419-424.

[9]徐瑗聰,董凱,黃昆侖,等.豬肉、牛肉和綿羊肉摻偽PCR的檢測技術[J].農業生物技術學報,2013,21(12):1504-1508.

[10]Nurjuliana M,Cheman YB,Mathashim D,et al. Rapid identification of pork for halal authentication using the electronic nose and gas chromatography mass spectrometer with headspace analyzer[J]. Meat Sci,2011,88(4):638-644.

[11]賈洪峰,盧一,何江紅,等.肉類電子鼻識別模型的建立[J].食品與機械,2011,27(3):96-98.

[12]田曉靜,劉麗霞,王俊.電子鼻技術在肉與肉制品檢測中的應用進展[J].食品工業科技,2013,34(7):397-400.

[13]范麗麗.實時熒光PCR檢測食品肉類種源方法研究[D].蘇州:蘇州大學,2013.

[14]Vincenzo Lippolis,Massimo Ferrara,Salvatore Cervellieri,et al. Rapid prediction of ochratoxin A-producing strains of Penicilliumondry-cured meat by MOS-based electronic nose[J]. International Journal of Food Microbiology,2016,218:71-77.

[15]田曉靜,王俊,崔紹慶.電子鼻快速檢測區分羊肉中的摻雜雞肉[J].現代食品科技,2013,29(12):2997-3001.

[16]潘磊慶,唐琳,詹歌.電子鼻對芝麻油摻假的檢測[J].食品科學,2011,31(20):318-321.

[17]田懷香,孫宗宇.電子鼻在金華火腿香精識別中的應用[J].中國調味品,2008(11):61-64.

The application of electronic nose in adulterated minced beef identification

ZHOU Xiu-li1,LI Quan2,ZHA En-hui1,*

(1.College of Food Science and Engineering,Jinzhou Medical University,Jinzhou 121001,China;2.Animal Health Monitoring and Early Warning Center of Liaoning Province,Shenyang 110001,China)

In order to detect the feasibility of beef adulteration with electronic nose,the beef,pork,chicken and chicken skin sample were detected by electronic nose. Principal component analysis(PCA)and linear discriminant analysis(LDA)were employed according to the data obtained. The results indicated that electronic nose could well discriminate the beef with different ratio adulteration of pork,chicken breast and chicken skin,moreover,the recognition effect of LDA was better than PCA.

beef;adulteration;electronic nose

2016-08-29

周秀麗(1990-),女,碩士,研究方向:食品科學與工程,E-mail:zhouxiuli_0118@163.com。

*通訊作者:查恩輝(1979-),女,博士,副教授,研究方向:畜產品質量安全,E-mail:Michelle_enhui@126.com。

遼寧省農業領域創新人才項目(2014037);遼寧省自然科學基金(201520776)。

TS251

A

:1002-0306(2017)04-0073-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.04.005