基于电子鼻无损鉴别掺假蜂蜜

陈 芳，黄玉坤*，苑阳阳，刘 平，车振明，蒋珍菊，田洪芸

(1. 粮油工程与食品安全四川省高校重点实验室，西华大学食品与生物工程学院，四川 成都 610039；2.西华大学理学院，四川 成都 610039； 3.山东省食品药品检验研究院，山东 济南 250101)

蜂蜜具有悠久的食用历史。国标GB14963—2011中明确定义蜂蜜是“蜜蜂采集植物的花蜜、分泌物或蜜露，与自身分泌物混合后，经充分酿造而成的天然甜物质”[1]。然而许多商家在利益的驱使下向蜂蜜中加入果葡糖浆、蔗糖、葡萄糖浆等替代原料，制作掺假蜂蜜并投入市场，严重损害了蜂农及消费者的权益。目前，蜂蜜掺假的鉴定技术主要有近红外光谱技术、碳-4同位素鉴定分析法、差示扫描量热法、色谱分析法、蛋白差异鉴定法、α-淀粉酶检测法等[2-5]。然而由于蜂蜜掺假的方式多种多样，至今没有成熟的检测方法能够方便快捷地检测出蜂蜜是否掺假；因此研究一种高效便捷而又准确可靠的蜂蜜掺假鉴定方法是当下蜂蜜市场亟待解决的问题。

电子鼻以其检测速度快、操作简单、灵敏度高、重现性好等优点，迅速成为食品行业极具开发潜力的检测仪器[6]。在食品掺假的检测方面，电子鼻也颇有成果，如牛奶、芝麻油、山茶油、肉类掺假的检测等[7-8]。本研究采用电子鼻技术尝试对蜂蜜制品的掺假情况进行鉴别分析，并利用PCA和LDA对不同种类的蜂蜜及其掺假制品进行分析识别，探索电子鼻技术快速无损识别掺假蜂蜜的可行性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

掺假样品选择禾甘牌果葡糖浆(规格：2.3 kg)，购自浙江华康药业股份有限公司。

蜂蜜样品信息如表1所示。

表1 蜂蜜样品信息

PEN3便携式电子鼻系统，德国Airsense公司；电子天平(精度0.001 g，型号JA5003B)，上海精科仪器有限公司；HH-S4 数显双列四孔水浴锅，江苏省金怡仪器科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品预处理

样品置于4 ℃的冰箱储存。进行检测前，取一定量结晶态蜂蜜置于烧杯中，用水浴锅在50 ℃温度下熔融蜂蜜晶体获得液态蜂蜜。

向1～10号蜂蜜溶解后的样品中分别添加10%、20%、30%、40%、50%的果葡糖浆配置成5个梯度的掺假样品，每个梯度3个平行样品，共得到150个掺假样品。同时制取1～10号纯蜂蜜样品，每种蜂蜜3个纯样品，共30个纯蜂蜜样品。

1.2.2 电子鼻传感器及其对应的灵敏物质

电子鼻传感器及其对应的灵敏物质如表2所示。

1.2.3 电子鼻最佳检测参数的确定

在电子鼻对蜂蜜进行检测的过程中，电子鼻的检测参数(传感器清洗时间、采集时间)以及蜂蜜的温度可能会对电子鼻的检测精度产生影响，所以首先需要通过预实验确定这些实验条件的最佳参数。

表2 电子鼻传感器及其对应的灵敏物质

1.2.4 检测方法

准确量取5 g待测样品置于顶空瓶中，然后将顶空瓶放置于恒温水浴锅加热至最佳检测温度后用电子鼻进行检测，检测完毕后保存实验结果。

1.2.5 数据处理方法

实验数据处理采用主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA)。通过PCA分析可以将10个传感器作为变量的电子鼻图谱矩阵转换成以主成分1和主成分2作为变量的得分矩阵，LDA分析是有监督模式的线性模式识别算法，能弥补PCA分析法的不足。

2 结果与分析

2.1 电子鼻检测参数的确定

2.1.1 电子鼻传感器采集时间及清洗时间的确定

初步设定电子鼻传感器采集时间为120 s，清洗时间90 s。随机抽取3个蜂蜜样品进行检测，检测结果如图1、图2所示。

图1 电子鼻检测蜂蜜曲线图

结果显示在采集时间为100 s时电子鼻传感器的信号响应值曲线趋于平缓，为保证检测数据的准确性和稳定性，确定实验电子鼻检测参数[9]为：

流速：150 mL/min；样品瓶容量：40 mL；小瓶中的样品量：26 mL；顶空产生时间：600 s；顶空产生温度：30 ℃；延滞时间：300 s；清洗时间：70 s；数据采集时间：110 s。

图2 不同温度下的蜂蜜的PCA分析结果

2.1.2 蜂蜜温度对蜂蜜区分度的影响

为探究蜂蜜温度对电子鼻检测结果产生的影响，利用上文所确定的电子鼻检测参数对不同温度条件(40、50、60 ℃)下的蜂蜜样本进行测定。每种温度测定3个平行，对测定的结果进行PCA分析，结果如图2所示。可以看出电子鼻PCA分析对不同温度蜂蜜的区分度不大。于殿君等[10]通过5个温度梯度下蜂蜜酶值的变化发现，水的温度低于40 ℃时，蜂蜜的酶值没有变化，而超过40 ℃后随着温度的升高而下降，特别是在超过50 ℃后，下降的幅度最大。可以推测，高温会破坏蜂蜜营养物质，影响蜂蜜的营养价值，所以蜂蜜的温度不宜高于60 ℃。我们选择50 ℃作为电子鼻测定蜂蜜时的最佳温度。

2.1.3 纯蜂蜜与果葡萄糖浆之间气味差异性分析

将不同品种的蜂蜜的纯样品与果葡糖浆的电子鼻数据进行主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA)来判定纯蜂蜜与果葡糖浆之间气味是否存在差异。分析结果如图3所示。

图3 不同蜜源的蜂蜜与果葡糖浆的PCA图(a)和LDA图(b)

图3(a)是用PCA方法分析不同蜜源的蜂蜜与果葡糖浆的关系图。可知，PCA分析能够很好地表现出纯蜂蜜与果葡糖浆之间的差异性。图3(b)是不同品种纯蜂蜜与果葡糖浆的LDA分析图，可以看出通过LDA分析也可以区分各个品种的纯蜂蜜和果葡糖浆，且比PCA分析的区分度更高；因此，利用电子鼻可以分辨出不同品种纯蜂蜜与果葡糖浆之间气味的差异，为利用电子鼻进行蜂蜜掺假的定性鉴别提供了理论依据。

2.2 掺假蜂蜜香气数据的PCA分析

对电子鼻采集到的蜂蜜掺假样品的数据进行PCA分析，试探究电子鼻通过辨别蜂蜜香气来判别蜂蜜是否掺假的可能性。以荆条蜜1号和荆条蜜9号掺入不同比例果葡糖浆的掺假样品为例给出PCA分析结果(如图4所示)。

图4 荆条蜜1号(a)、荆条蜜9号(b)中掺入不同比例果葡糖浆的掺假样品的PCA分析图

图4(a)是在荆条蜜1号中掺入不同比例的果葡糖浆所制成的掺假样品的PCA图，主成分1的方差贡献率为79.45%，主成分2的方差贡献率为19.63%。两个主成分的累计方差贡献率为99.08%，大于80%[11]。说明通过PCA分析可以将10个传感器作为变量的电子鼻图谱矩阵转换成以主成分1和主成分2作为变量的得分矩阵，并且保留了电子鼻的蜂蜜香气图谱里99.08%的信息[12]。但是由PCA分析结果可以看出，大部分样品不同掺假比例的蜂蜜无法明显区分开来，掺假蜂蜜PCA得分没有明显的变化规律，即掺假蜂蜜在主成分方向上的分布排列与其掺假比例的相关性并不显著[13]。从图4(b)发酵状态蜂蜜的主成分分析图可以看出纯蜂蜜和掺假蜂蜜无法明显区分开来，掺假蜂蜜PCA得分也无明显的变化规律[14]。说明发酵状态蜂蜜的电子鼻传感器信号值在通过PCA分析后既不能进行定性鉴别也无法分辨掺假比例。

综上，由于电子鼻结合PCA分析中各个比例掺假蜂蜜的数据间差异并不明显，还需进行LDA分析。

2.3 掺假蜂蜜复合香气的LDA分析

尝试用LDA分析法对电子鼻采集到的蜂蜜掺假样品进行分析，探究通过电子鼻判别掺假蜂蜜的可能性[15]。部分样品线性判别分析的结果如图5所示。

从图中看出，不同样品的分析数据点分布于各自区域，没有重叠，表明电子气味指纹分析技术能够准确识别出不同比例果葡糖浆的掺假样品的特征气味，并能对其进行良好区分。同个样品之间的分布也很集中，表明本实验所用电子鼻分析检测的结果重现性结果良好。这说明电子鼻结合LDA分析的方法对于正常蜂蜜掺假定性判别效果良好，并且能够对蜂蜜掺假进行半定量分析，对于在实际中判别蜂蜜掺假具有很大的参考价值[16]。

3 结论

本研究针对市场上不同品种的主流蜂蜜使用果葡糖浆进行不同比例的掺假，利用电子鼻采集其信号，对采集数据进行PCA分析和LDA分析，探究电子鼻技术快速识别掺假蜂蜜的可行性。

研究结果表明，基于主成分分析(PCA)对掺假蜂蜜的电子鼻数据进行分析，能够完成蜂蜜掺假的定性鉴别，而无法对发酵蜂蜜掺假进行定性鉴别。这可能由于酵母菌将蜂蜜中的葡萄糖、果糖转化成乙醇、醛类、酯类和酮类等物质，而乙醇的气味影响了蜂蜜本身的气味，导致电子鼻无法分辨出发酵状态的纯蜂蜜与其掺假样品的区别[17]。LDA分析法是有监督模式的线性模式识别算法，能在充分保存现有信息的前提下缩小同类组群数据间的差异，扩大不同类组群数据间的差异，从而弥补PCA分析法的不足[18]。基于LDA分析对掺假蜂蜜的电子鼻数据进行分析，不仅能够完成蜂蜜掺假的定性鉴别，同时对不同掺假比例的掺假样品也有较高的区分度。

综上，电子鼻结合主成分分析和线性判别分析对于蜂蜜掺假的定性鉴别有较高的参考价值，同时也能为蜂蜜市场提供一种便捷的蜂蜜半定量分析的方法。

图5 荆条蜜1号(a)、荆条蜜5号(b)、枣花蜜7号(c)、荆条蜜9号(d)掺入不同比例果葡糖浆的掺假样品的LDA分析图