電子鼻在摻假牛肉卷識別中的應用

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(錦州醫科大學食品科學與工程學院,遼寧錦州 121001)

牛肉因富含各種蛋白且易被人體吸收,能夠增強體質,修復組織,擁有“肉中驕子”的美譽,深受廣大消費者喜愛,尤其一些特殊人群(康復人群、運動員等)對牛肉的需求量更大[1]。隨著消費者對牛肉及其制品需求的不斷增加,牛肉市場及其產業出現了供給不足,原料短缺等現象,致使牛肉價格較其他的畜肉高,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域,檢測方法和手段有很多,其中包括熒光定量 PCR技術、紅外光譜技術和氣相色譜-質譜聯用技術等[5],這些技術雖然各有優點,但因其耗時長、實驗處理過程復雜及對實驗條件要求苛刻,不能滿足人們對摻假肉及其制品快速、簡便的檢測要求,而電子鼻分析技術具有檢測快速、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[6-12]。如張申[2]應用電子鼻對牛肉中摻入不同比例的豬肉進行了檢測區分;田曉靜[7]等基于電子鼻和電子舌對摻雜雞肉的羊肉進行了品質檢測;李璐[12]研究了電子鼻對羊肉中摻假鴨肉的識別應用。這些研究僅限于一種摻假肉的檢測,而應用電子鼻對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道,但是市場中這種摻假牛肉卷卻時有售賣。

本實驗研究了電子鼻對牛肉卷中摻入豬肋條肉、鴨胸肉的摻假檢測,并運用線性判別分析(LDA)方法和主成分分析(PCA)方法對數據進行處理分析,旨在建立一種客觀、快速、便捷且重現性好的摻假牛肉卷識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個傳感器名稱及性能描述見表1;AUX-J22絞肉機鎮江新區金旺食品機械有限公司;LC-QRJ型切片機河北任縣萬全機械廠;AUW220D型電子天平日本島津公司。

1.2　實驗方法

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、進行裝模以及在-30 ℃下進行速凍,將速凍后的肉樣脫模,用切片機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的絞肉機中攪碎成肉泥狀,每個比例的樣品制備5個平行樣,將樣品密封保存,放置于4 ℃環境中待用。

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。打開電子鼻的設置界面,將電子鼻的樣品間隔設置為1 s,清洗時間設置為50 s,調零時間設置為10 s,樣品準備時間設置為5 s,檢測時間設置為50 s,進樣速率設置為300 mL/min,載氣速率設置為300 mL/min。在第一個樣品檢測前將電子鼻系統清洗干凈,然后用電子鼻對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生鮮牛肉卷中摻入豬肋條肉及鴨胸肉樣品產生的響應值。每組樣品做5個平行實驗,重復3次。

1.3　數據分析

本實驗數據分析采用與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)功能對實驗得到的樣品進行數據進行。

2　結果與分析

2.1　樣品傳感器信號分析

從圖1可以看出,在45 s之后電子鼻對肉樣的響應值趨于平穩,在對摻假肉進行預實驗中,同樣發現在45 s后電子鼻對生鮮肉樣的響應值趨于平穩,因此,實驗可以從45 s后選取分析時間點,本實驗選取49 s作為分析時間點。從圖1中還可以看出,豬肋條肉與牛肋條肉、鴨胸肉的響應強度值差別較大,尤其是S7、S2、S6、S9和S8號傳感器的響應強度差別最大,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,當牛肋條肉中摻入豬肋條肉或鴨胸肉后,S7、S2、S6、S9和S8號傳感器的響應強度將會有不同程度的升高,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　電子鼻對三種生鮮肉揮發成分的響應Fig.1　Response curves of electronic nose to 3 kinds of meat samples

從圖2可以看出,雷達圖能直觀地反映出揮發性物質的響應特征,從三幅雷達圖中可以看出,電子鼻的十根傳感器對三種生鮮肉樣的揮發性物質都有明顯響應,同時對三種生鮮肉樣的響應強度各不同。其中,S7、S6、S2、S8、S9號傳感器對牛肉和鴨肉的響應值較大,尤其是S7、S6、S2響應更為明顯,S7、S2號傳感器對豬肉的響應值較大。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號傳感器對氣味識別起主要作用,且由表1可知,它們的敏感物質為含硫化合物以及萜烯、吡嗪類化合物、氫氧化合物、甲烷,這就為電子鼻對摻假牛肉卷的識別提供了實驗的可能。

圖2　電子鼻對三種生鮮肉的雷達圖 Fig.2　Radar chart of 3 kinds of samples by electronic nose

2.2　PCA分析

對摻假牛肉卷樣品測得的數據進行主成分分析(PCA),結果如圖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、縱坐標分別表示的是第一和第二主成分的貢獻率,貢獻率越大,表示該主成分越能反映原有多指標的信息[13],總貢獻率超過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率為97.73%>70%,說明該方法有效,且能較好的反映原有多指標的信息。從圖3中還可以看出,純牛肉與純豬肉相距最遠,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,分別聚集在不同區域,且能夠明顯區分開。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的信息,電子鼻能將不同摻假肉的樣品很好地區分開。

2.3　LDA分析

對摻假牛肉卷樣品測得的數據進行線性判別分析(LDA),結果如圖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、第二主成分貢獻率分別為87.70%、9.17%,它們總的貢獻率為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,區分明顯。在圖4中,同一比例的摻假肉樣聚集在同一區域,不同比例的摻假肉樣能各自分布在不同區域。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分開。

3　討論與結論

電子鼻的響應曲線圖和雷達圖能反映出牛肋條肉、豬肋條肉以及鴨胸肉肉樣中揮發性物質的信息,其中2號、6號和7號傳感器對牛肋條肉、豬肋條肉以及鴨胸肉響應強度最大,其他傳感器響應強度較平穩,說明肉類的揮發性物質主要是氫氧化物、甲烷、含硫化合物以及萜烯、吡嗪類化合物。實驗證明豬肋條肉的2號、6號和7號傳感器的響應強度均明顯高于牛肋條肉和鴨胸肉的,鴨胸肉的2號、6號和7號傳感器的響應強度略高于牛肋條肉的,所以,摻入豬肉和鴨肉的牛肉的響應強度會發生變化。因此,電子鼻能識別3種不同肉樣。這與張申[2]所得到2號和7號傳感器響應強度最大,6號傳感器的響應強度較為明顯的結論相似,說明本實驗所得到的結果具有可靠性。

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域,說明電子鼻能夠將不同樣品明顯的區分開來。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分開,總體上呈現出規律性變化。這就說明電子鼻能夠將摻入豬肉、鴨肉的牛肉卷肉樣很好地區分開,這與賈洪鋒等[15-16]實驗得出通過PCA分析,電子鼻能有效的區分牛肉與豬肉、牛肉與鴨肉的結論相吻合,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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