应用电子鼻技术检测肉与肉制品的风味和品质

孙钦秀，董福家，陈倩，孔保华

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

应用电子鼻技术检测肉与肉制品的风味和品质

孙钦秀，董福家，陈倩，孔保华*

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

电子鼻是模拟人的味觉形成过程来识别、分析和检测复杂气味的仪器，它由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成。由于具有客观性强，重现性好，检测速度快，无损伤等特点，电子鼻被广泛应用到肉品科学的研究中用于评价肉与肉制品的风味和品质。本文主要介绍了电子鼻的组成及工作原理，及其在肉品科学研究中的应用，同时分析了其在发展中遇到的问题，并对前景进行了展望。

电子鼻；组成及原理；肉品科学；应用

肉制品是人类膳食金字塔中的重要组成部分，可为人类提供丰富的蛋白质、脂肪、碳水化合物等营养物质。随着人们生活水平的提高，人们对肉制品的摄入量及品质要求也越来越高。对于肉制品品质评定，新鲜度检测以及原料污染等问题都需要一个方便快捷、重复性好的检测方法。实验室的化学分析检测和感官评价等是肉制品研究中常用的检测方法，但化学分析检测由于设备较昂贵、检测效率低等缺点而不能普及应用。而感官评价对品评人员的要求较高，不仅需要品评人员具有一定的经验，而且在感官评价前要进行相应的培训，这种方法主观性强，重复性差，个体差异大，没有统一标准，容易因嗅觉疲劳而影响分析结果［1］。电子鼻是近年来发展起来的一种分析识别和检测复杂嗅味和挥发性成分的仪器［2］，它与普通分析仪器，如色谱仪、质谱仪、电泳仪等不同，它检测到的不是被测样品中某种或某几种成分的定性与定量结果，而是与人和动物鼻子的工作原理相似，检测到的是目标物的总体气息。电子鼻由于具有评定方法客观，重现性好，不易疲劳，操作简单，检测速度快等特点而被广泛应用到肉品科学的研究中［3-4］。

1电子鼻的概述

1.1电子鼻的发展史

1964年Wilkens和Hatman利用气味在电极上的氧化-还原反应研制出了世界上第一个“电子鼻”［5］；1965年Buck等人和DarVnieks等人分别利用气味调制电导和调制接触电位研制出了“电子鼻”；1967年日本Figaro公司率先将金属氧化物半导体（SnO2）气体传感器商品化。1989年，北大西洋公约组织召开的一个以电子鼻为重要内容的国际学术会议对电子鼻做了定义：电子鼻是由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气体能力的装置。随后，1990年举行了第一届电子鼻专题学术会议［6］。此后，电子鼻技术被人们广泛研究，为了促进电子鼻技术的发展，国际上每年都会举办一次化学传感器会议。

1.2电子鼻的组成

电子鼻是模仿人类对气味的识别机制而设计研制的一种智能电子仪器［7］，它主要由3部分构成：（1）顶空进样器，将装有样品的密封瓶上方气体通过顶空吸入传感器上；（2）传感器，气味作用于传感器阵列，产生瞬间响应，响应由强到弱，最后达到稳定状态；（3）信号处理系统，就是气体传感器阵列所获得的气味信息经过的信号处理系统，即模式识别系统，它可以预处理并进行特征提取，再利用软件进行系统分析，即可完成对复杂气味的检测分析［8］。

1.3电子鼻的工作原理

电子鼻工作原理是模拟人的嗅觉形成过程。人的嗅觉系统由嗅觉细胞、嗅觉神经网络等组成，而电子鼻的工作系统主要包括气敏传感器阵列、信号处理系统和模式识别系统［9］。气敏传感器阵列如同人的嗅觉细胞，将多个具有不同选择性气敏传感器组成阵列，利用其对多种气体交叉敏感性，将不同气味分子在其表面产生作用转化为可测物理信号组。信号处理系统如同人的嗅觉神经系统［10］，信号预处理单元对信号进行特征提取后，信号进入模式识别单元接受进一步处理从而得出混合气体组成成分和浓度；模式识别系统就像人的大脑可以对处理过的信号进行判断，它需要建立在数据库基础上，传入气体组分经信号分析后与存储于数据库中该种气体图案进行比较鉴定后，就能快速进行系统化、科学化气味监测、鉴别、判断和分析。

2电子鼻在肉品品质检测研究中的应用

肉品品质评价中，气味是最直观的一个指标。由于电子鼻具有和常规分析仪器所无法比拟的优点，因此在肉品品质检测中发挥了很大的作用。电子鼻可对肉品中挥发性成分进行采集、检测和分析，完成相应的分析判断。在肉类工业中，电子鼻是检验肉品新鲜程度的快捷手段。此外，作为一种新型的无损伤检测技术，电子鼻可以对肉品品质进行分级，实现在线的连续检验，预测肉品货架期以及对肉品的掺杂掺伪行为的检测。

2.1肉品新鲜度评定

肉品含有丰富的蛋白质、脂肪等营养物质，为微生物的滋生提供了优良的条件，因此微生物污染导致肉品的腐败变质，也是肉品品质劣变的一个主要原因。电子鼻作为一种快速的无损检测技术可以实现对原料肉及肉制品新鲜程度的快速、准确的测定，从而保证肉品的质量。

目前，电子鼻在新鲜度检测方面的应用主要集中在对原料肉的检测，肉品新鲜度的常规检测主要包括理化指标及微生物指标的测定，将电子鼻在该方面的应用与这些指标结合，通过比较电子鼻所处理得到的数据与这些指标的相关性来评价电子鼻在检测新鲜度的可行性。电子鼻在牛肉和猪肉的新鲜度检测中应用较多，Winquit等［11］最早采用了电子鼻检测牛肉和猪肉在4℃冷藏时的新鲜度，并利用神经网络系统处理电子鼻采集的数据，结果表明电子鼻可预测牛肉和猪肉糜的储藏时间。随后，石志标等［12］建立了检测牛肉新鲜度的电子鼻系统，并应用该电子鼻系统对不同新鲜度的牛肉进行了鉴别试验，识别率高达99.25%，该研究表明电子鼻检测牛肉新鲜度是可行的。此外，王丹凤等［13］利用电子鼻检测了猪肉在不同温度下贮藏其挥发性成分的变化，并结合细菌总数检测，采用主成分分析可区分不同贮藏时间的猪肉样品，试验表明电子鼻结果与细菌总数之间具有较好相关性，通过电子鼻技术可实现猪肉中有害微生物的检测。Wang等［14］也通过电子鼻检测了冷却猪肉在4℃条件下储存10 d内菌落总数变化规律，从而判断肉的新鲜度，利用主成分分析方法分析电子鼻结果，并将其与细菌平板计数结果比较，结果表明两者具有较好的相关性，证实了电子鼻快速检测猪肉中菌落数的可行性。

此外，电子鼻在鸡肉、鱼肉和其他混合原料肉的新鲜度检测中也有应用。Arnold等［15］通过电子鼻分析了鸡肉加工过程中微生物种类和数量的变化，并与传统的平板计数方法做了比较，结果表明电子鼻可以很好的检测鸡肉中微生物的变化。赵梦醒等［16］利用电子鼻检测鲈鱼新鲜度，通过对数据进行主成分分析、线性判别分析和负荷加载分析，并结合感官评价、挥发性盐基氮（TVB-N）和菌落总数等指标，建立一种基于电子鼻技术判别鲈鱼新鲜度的方法，结果表明，电子鼻分析结果与感官、TVB-N和菌落总数结果基本一致，因此，电子鼻可以用来区分不同新鲜度的鲈鱼且其对鱼鳃的区分效果优于鱼肉。Vestergaard等［17］利用MGD-1型电子鼻检测了披萨馅在储藏过程中新鲜程度的变化，采用主成分分析和偏最小二乘回归法对传感器响应信号进行分析处理，并将结果与感官评价结果进行了相关性分析，结果表明电子鼻可以检测披萨馅在储存过程中发生的风味变化。

2.2肉品分级

由于原料、成分等不同可导致同一种产品其品质也良莠不齐，因此对肉品进行分级很重要。在肉品分级中，香气是一项重要的评定指标，电子鼻可以很好完成对香气的区分，其可作为肉品品质分级的一种新方法。

对于原料肉的分级，电子鼻主要应用于牛肉和猪肉的分级。Bourrounet等［18］利用电子鼻对牛肉进行等级评定分析，他们将不同贮藏时间的牛肉分为不同的等级，利用电子鼻对不同贮藏时间牛肉的挥发性成分进行分析，并采用主成分分析和人工神经网络方法对数据进行处理。结果表明，电子鼻的检测结果与按贮藏时间的分级结果相一致，即可以利用电子鼻实现对肉品的分级。Rajamaki等［19］利用电子鼻对不同品质的气调保鲜包装猪肉进行了检测，采用主成分分析、局部最小方差和人工神经网络分析方法分析检测数据，他还将电子鼻实验结果与微生物检测、感官评价和气相色谱的检测结果相比较，结果表明电子鼻检测的结果灵敏度更高、结果更可靠。此外，电子鼻还可以应用于肉制品的分级检测，姚璐等［20］利用电子鼻技术对3种不同等级的金华火腿进行了检测，并利用线性判别式分析、主成分分析和偏最小二乘回归法等多元统计方法进行了数据处理，结果表明电子鼻能够很好地区分不同等级的金华火腿，该研究为金华火腿的分级检测提供了新方法。

2.3生产线上连续检测

目前常用的在线检测方法多为定时、定点检测，但是这些检测方法破坏性大，时效性差，且耗费大量人力物力。而电子鼻检测具有方便、快捷，检测无损伤等优点，为肉制品生产加工中进行实时检测提供了新思路。目前电子鼻在生产线上的连续检测应用较少，Hansen等［21］利用由6个金属氧化物传感器组成传感器阵列的电子鼻在线检测了肉糜加工过程中气味的变化，采用偏最小二乘回归法和主成分分析对数据进行了分析处理，并将结果与气谱-质谱联用检测结果相比较，研究表明电子鼻可以对产品的质量进行较好的预测和评价。

2.4肉品货架期预测

肉品在贮藏、运输和销售等过程中，由于酶、微生物和外界环境等因素，会使肉品发生腐败变质，产生不良风味，致使产品品质下降，货架期缩短。随着贮藏时间的延长，产品的挥发性成分也会发生变化，导致其气味与新鲜制品有明显区别。基于此，我们可以利用电子鼻技术结合理化指标建立产品货架期预测模型。

肖红等［22］利用电子鼻分析了猪肉在不同贮藏温度与贮藏时间下的挥发性成分变化，利用主成分分析与货架期分析的方法，预测猪肉在0、7、10℃和20℃温度下贮藏的货架期。将电子鼻分析获得的猪肉气味数据与TVB-N相结合，建立猪肉货架期的预测模型。结果表明，基于电子鼻分析获得的猪肉气味变化与TVB-N变化具有较好的一致性，不同贮藏温度条件下猪肉的菌落总数值与TVB-N值均随着贮藏时间的延长而呈现上升趋势，且均符合一级化学动力学模型（R2>0.9），将上述两种货架期分析方法相结合并利用动力学模型建立了猪肉货架期的预测模型。此外，佟懿等［23］还利用电子鼻对带鱼在不同贮藏温度和时间下的挥发性气味变化进行了分析，并与TVB-N建立联系，同时对货架期进行了预测，建立了带鱼在0℃～10℃温度条件下的货架期预测模型。

2.5肉品掺杂掺假检测

在肉品加工生产中，常有一些不法企业为了谋取利益，以低品质的产品冒充高品质的产品，或者将低品质产品添加高品质产品中，影响产品质量，扰乱肉品市场。由于不同原料肉对肉品最终风味影响较大，我们可以通过检测肉品气味的差别，判断肉品是否掺有其他成分。但目前国内外肉品掺假的快速检测报道还比较少。Santos等［24］利用电子鼻技术对利比亚火腿中已确定的70多种风味物质中的一些特征物质进行了分析，并采用主成分分析和人工神经网络方法分析数据，结果表明电子鼻可以区分伊比利亚火腿的原料肉种类和成熟时间，从而检测出不合格和假产品。Nurjuliana等［25］利用电子鼻检测清真产品中是否掺有猪肉，试验中检测了猪肉、牛肉、羊肉、鸡肉为原料的香肠，从中挑出掺有猪肉的香肠，并将其检测结果与气相色谱检测结果进行了比较，结果表明电子鼻可以检测出掺有猪肉的香肠。

3电子鼻技术发展中存在的问题

由于电子鼻技术具有检测简单、快捷、所需样品量少、成本低、重复性好等优点而得到持续快速的发展。然而，电子鼻技术还处于发展阶段，与生物嗅觉还有很大的差距。受敏感膜材料、制造工艺、数据处理方法等方面的限制，电子鼻的应用范围还不是很广。总之，电子鼻技术目前还处于实验室阶段，虽然已有很多的研究，但仍旧存在很多问题，如传感器阵列专属性及稳定性差，易受湿度、温度、振动等环境因素的影响；传感器易于过载或“中毒”，与干扰气体发生反应，影响检测结果。此外，有关传感器与样品风味物质作用机制研究较少，这也直接影响传感器的适用范围。

随着传感器技术的发展和人类对嗅觉过程的深入了解，生物芯片和生物信息学的发展，生物计算机的出现，生物与仿生材料研究的进步，微细加工技术的提高和纳米技术的应用，电子鼻的功能将日益增强，越来越多的取代生产和生活中人类鼻子的作用，获得更广泛的应用。电子鼻的体积也逐渐趋于微型，从“台式”到“便携式”，再到“手持式”；电子鼻的成本也在不断降低，价格也已经从最初的十多万美元到现在的几万美元。估计不久的将来，电子鼻会像计算机一样，成为普通家庭的日用仪器。如用作家庭医疗诊断工具，家庭肉、奶、蛋等食品新鲜度的检测，以及环境卫生检测仪等。

电子鼻未来的研究主要内容应包括：优化传感器阵列，根据所测样品的物化属性，针对性地研发特异性强、灵敏度高的传感器材料，解决传感器专属稳定性差的缺点；根据分析目的选择合适、简便的数据处理方法；建立更好的特征值提取方法和模式识别方法来模拟人的思维过程；结合新技术，如微电技术、生物学技术、材料学和计算机技术等技术的发展，推进电子鼻的发展及在肉品科学中的应用。

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Application of Electronic Nose Technique Detect the Flavor and Quality of Meat and Meat Products

SUN Qin-xiu，DONG Fu-jia，CHEN Qian，KONG Bao-hua*
（College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，Heilongjiang，China）

The electronic nose was an apparatus that simulates human olfaction to analyze，recognize and examine complex gas，which characterized by its multi-functional gas sensors and suitable pattern recognition systems.Due to its objectiveness，repetitiveness，quickness and non-destructiveness，electronic nose technique has been widely used in meat science to evaluate the flavor and quality of meat and meat products.In this paper，the composition and basic principle of electronic nose was introduced briefly，its applications in meat science were reviewed，and finally，the issues of this technique were analyzed，and the development in further meat research was prospected.

electronic nose；composition and principle；meat science；application

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.12.032

2015-01-28

国家自然科学基金（31271897）；黑龙江省科技计划项目（GC13B212）

孙钦秀（1989—），女，硕士，研究方向：农产品加工与贮藏。

孔保华（1963—），女，教授，博士生导师，研究方向：畜产品加工。