电子鼻在掺假牛肉卷识别中的应用

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(锦州医科大学食品科学与工程学院,辽宁锦州 121001)

牛肉因富含各种蛋白且易被人体吸收,能够增强体质,修复组织,拥有“肉中骄子”的美誉,深受广大消费者喜爱,尤其一些特殊人群(康复人群、运动员等)对牛肉的需求量更大[1]。随着消费者对牛肉及其制品需求的不断增加,牛肉市场及其产业出现了供给不足,原料短缺等现象,致使牛肉价格较其他的畜肉高,所以我国牛肉及其制品掺假问题屡见不鲜[2-4]。

在肉及其制品的掺假检测领域,检测方法和手段有很多,其中包括荧光定量 PCR技术、红外光谱技术和气相色谱-质谱联用技术等[5],这些技术虽然各有优点,但因其耗时长、实验处理过程复杂及对实验条件要求苛刻,不能满足人们对掺假肉及其制品快速、简便的检测要求,而电子鼻分析技术具有检测快速、操作简单、重现性好等优点,因此,电子鼻广泛应用于肉类品质评价及掺假检测等领域[6-12]。如张申[2]应用电子鼻对牛肉中掺入不同比例的猪肉进行了检测区分;田晓静[7]等基于电子鼻和电子舌对掺杂鸡肉的羊肉进行了品质检测;李璐[12]研究了电子鼻对羊肉中掺假鸭肉的识别应用。这些研究仅限于一种掺假肉的检测,而应用电子鼻对掺入多种掺假肉的研究,尤其是牛肉卷里掺入猪肉和鸭肉的电子鼻检测鲜有报道,但是市场中这种掺假牛肉卷却时有售卖。

本实验研究了电子鼻对牛肉卷中掺入猪肋条肉、鸭胸肉的掺假检测,并运用线性判别分析(LDA)方法和主成分分析(PCA)方法对数据进行处理分析,旨在建立一种客观、快速、便捷且重现性好的掺假牛肉卷识别的电子鼻检测方法,为以后电子鼻检测多种掺假肉和掺假牛肉卷提供参考。

1　材料与方法

1.1　材料与仪器

牛肉、猪肉购买于锦州大润发超市的鲜肋条肉;鸭胸肉购买于锦州新玛特超市的鸭胸脯;购买后均贮藏于4 ℃冰箱中。

PEN3电子鼻德国Airsense公司,10个传感器名称及性能描述见表1;AUX-J22绞肉机镇江新区金旺食品机械有限公司;LC-QRJ型切片机河北任县万全机械厂;AUW220D型电子天平日本岛津公司。

1.2　实验方法

表1　PEN3电子鼻传感器名称及性能描述Table 1　Sensors used and their main applications in PEN3 electronic nose

1.2.1掺假牛肉卷制备将购买的牛肋条肉与猪肋条肉、鸭胸肉按表2比例混合、进行装模以及在-30 ℃下进行速冻,将速冻后的肉样脱模,用切片机将脱模后的肉样切成直径为110 mm的片状。

1.2.2待检样品前处理将肉片置于模具直径为150 mm的绞肉机中搅碎成肉泥状,每个比例的样品制备5个平行样,将样品密封保存,放置于4 ℃环境中待用。

表2　牛肉卷中掺入猪肋条肉和鸭胸肉的比例(%)Table 2　The ratio chart of sample adulteration(%)

1.2.3电子鼻检测保持室温恒定,从制备好的样品中取5 g置于50 mL统一大小的烧杯中并用保鲜膜密封,顶空集气30 min。打开电子鼻的设置界面,将电子鼻的样品间隔设置为1 s,清洗时间设置为50 s,调零时间设置为10 s,样品准备时间设置为5 s,检测时间设置为50 s,进样速率设置为300 mL/min,载气速率设置为300 mL/min。在第一个样品检测前将电子鼻系统清洗干净,然后用电子鼻对7组不同的样品依次检测50 s,得到电子鼻的十根传感器对生鲜牛肉卷中掺入猪肋条肉及鸭胸肉样品产生的响应值。每组样品做5个平行实验,重复3次。

1.3　数据分析

本实验数据分析采用与PEN3电子鼻相配套的、由德国Airsense公司提供的WinMuster软件,用该软件自带的主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA)功能对实验得到的样品进行数据进行。

2　结果与分析

2.1　样品传感器信号分析

从图1可以看出,在45 s之后电子鼻对肉样的响应值趋于平稳,在对掺假肉进行预实验中,同样发现在45 s后电子鼻对生鲜肉样的响应值趋于平稳,因此,实验可以从45 s后选取分析时间点,本实验选取49 s作为分析时间点。从图1中还可以看出,猪肋条肉与牛肋条肉、鸭胸肉的响应强度值差别较大,尤其是S7、S2、S6、S9和S8号传感器的响应强度差别最大,猪肋条肉明显高于鸭胸肉和牛肋条肉,鸭胸肉高于牛肋条肉,当牛肋条肉中掺入猪肋条肉或鸭胸肉后,S7、S2、S6、S9和S8号传感器的响应强度将会有不同程度的升高,从而为电子鼻检测掺入猪肉及鸭肉的牛肉卷提供可能。

图1　电子鼻对三种生鲜肉挥发成分的响应Fig.1　Response curves of electronic nose to 3 kinds of meat samples

从图2可以看出,雷达图能直观地反映出挥发性物质的响应特征,从三幅雷达图中可以看出,电子鼻的十根传感器对三种生鲜肉样的挥发性物质都有明显响应,同时对三种生鲜肉样的响应强度各不同。其中,S7、S6、S2、S8、S9号传感器对牛肉和鸭肉的响应值较大,尤其是S7、S6、S2响应更为明显,S7、S2号传感器对猪肉的响应值较大。因此,在牛肋条肉中掺入猪肋条肉和鸭胸肉的生鲜牛肉卷中S7、S2和S6号传感器对气味识别起主要作用,且由表1可知,它们的敏感物质为含硫化合物以及萜烯、吡嗪类化合物、氢氧化合物、甲烷,这就为电子鼻对掺假牛肉卷的识别提供了实验的可能。

图2　电子鼻对三种生鲜肉的雷达图 Fig.2　Radar chart of 3 kinds of samples by electronic nose

2.2　PCA分析

对掺假牛肉卷样品测得的数据进行主成分分析(PCA),结果如图3所示。

图3　生鲜牛肉卷中掺入猪肋条肉及鸭胸肉样PCA分析Fig.3　PCA analysis of beef roll mixed with pork and duck

图3中的横、纵坐标分别表示的是第一和第二主成分的贡献率,贡献率越大,表示该主成分越能反映原有多指标的信息[13],总贡献率超过70%～85%,则说明该方法有效[14]。从图3可以看出,生鲜掺假肉的总贡献率为97.73%>70%,说明该方法有效,且能较好的反映原有多指标的信息。从图3中还可以看出,纯牛肉与纯猪肉相距最远,与纯鸭肉相距较近,且随着牛肉含量的减少,掺假猪肉、鸭肉的牛肉样品的分布逐渐远离纯牛肉,且靠近纯猪肉。牛肉含量为80%和60%的掺假样品相距较近,但是也能明显分开。掺假猪肉、鸭肉的牛肉卷样品在图中随着掺假比例的不同,分别聚集在不同区域,且能够明显区分开。因此,生鲜牛肉卷中掺入猪肋条肉及鸭胸肉样的主成分能较好的反映原有多指标的信息,电子鼻能将不同掺假肉的样品很好地区分开。

2.3　LDA分析

对掺假牛肉卷样品测得的数据进行线性判别分析(LDA),结果如图4所示。

图4　生鲜牛肉卷中掺入猪肋条肉及鸭胸肉样LDA分析Fig.4　LDA analysis of beef roll mixed with pork and duck

从图4可以看出,生鲜牛肉卷中掺入猪肋条肉及鸭胸肉样的第一、第二主成分贡献率分别为87.70%、9.17%,它们总的贡献率为96.87%>70%,说明该方法有效。纯牛肉和纯猪肉很好的分布在了图的两边,不同比例的掺假肉样分布在它们之间。除牛肉含量为40%和60%的掺假肉样在第一主成分中部分重叠外,其他不同比例的掺假肉样在第一、第二主成分中均没有重叠,区分明显。在图4中,同一比例的掺假肉样聚集在同一区域,不同比例的掺假肉样能各自分布在不同区域。说明生鲜牛肉卷中以大于10%的比例掺入猪肋条肉和鸭胸肉,在电子鼻的LDA分析中能都很好地被区分开。

3　讨论与结论

电子鼻的响应曲线图和雷达图能反映出牛肋条肉、猪肋条肉以及鸭胸肉肉样中挥发性物质的信息,其中2号、6号和7号传感器对牛肋条肉、猪肋条肉以及鸭胸肉响应强度最大,其他传感器响应强度较平稳,说明肉类的挥发性物质主要是氢氧化物、甲烷、含硫化合物以及萜烯、吡嗪类化合物。实验证明猪肋条肉的2号、6号和7号传感器的响应强度均明显高于牛肋条肉和鸭胸肉的,鸭胸肉的2号、6号和7号传感器的响应强度略高于牛肋条肉的,所以,掺入猪肉和鸭肉的牛肉的响应强度会发生变化。因此,电子鼻能识别3种不同肉样。这与张申[2]所得到2号和7号传感器响应强度最大,6号传感器的响应强度较为明显的结论相似,说明本实验所得到的结果具有可靠性。

在PCA图中,主成分能够较好的反映原有多指标的信息,牛肉卷样品随着猪肉、鸭肉掺入比例的不同,在图中分别聚集在不同区域,说明电子鼻能够将不同样品明显的区分开来。在LDA图中,虽然部分肉样在第一主成分上有重叠,但是在第二主成分上能区分开,总体上呈现出规律性变化。这就说明电子鼻能够将掺入猪肉、鸭肉的牛肉卷肉样很好地区分开,这与贾洪锋等[15-16]实验得出通过PCA分析,电子鼻能有效的区分牛肉与猪肉、牛肉与鸭肉的结论相吻合,由此可见电子鼻检测掺假牛肉卷具有很高的可信性。

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