电子鼻结合主成分分析法快速鉴别掺假牛肉

许文娟 韩 芳 赵 晗 丁葵英 刘文鹏 田国宁

1.潍坊海关 山东潍坊 261041 2.合肥海关 安徽合肥 230000

近年来，食品安全问题频发，人们对于肉类消费品安全的关注点也从化学药物残留、微生物含量扩展到肉类掺假问题上。“假肉门”问题、国外冰冻多年的“僵尸肉”的曝光，加剧了人们对于肉类品质安全的担忧。肉类掺假不仅涉及经济利益，更严重损害消费者权益和身体健康，尤其向清真肉制品中掺杂猪肉会涉及宗教信仰问题，严重影响社会安定[1,2]。

目前，国内外对于掺假肉鉴定的传统方法主要有二维聚丙烯酰胺凝胶电泳(2D SDS-PAGE)、聚合酶链式反应(PCR)、酶联免疫吸附测定(Elisa)、质谱(MS)[3～6]。SDS-PAGE技术最先被用来鉴定肉类制品的组分，这种方法的缺陷是无法进行痕量分析，检测限也非常高(不同组分肉类含量在5%以上才能被检出)。使用Elisa技术很难一次完成多种肉类产品的鉴定，且成本高。PCR法是目前肉质鉴定的最通用方法，然而其DNA检测试剂盒非常昂贵，前处理繁琐耗时，另外肉类加工过程中DNA易遭破坏，限制了该方法使用。质谱方法进行肉类鉴别，是基于蛋白或多肽进行的特异性检测，需要复杂的前处理，对检测工作者要求较高。以上传统检测方法虽然都可以实现肉类的真实性鉴别，但样品预处理过程复杂、操作耗时、检测成本高、对操作人员技术要求高，无法实现快速、无损、现场检测。

电子鼻是基于目标物的挥发性成分，采用气体传感器建立响应曲线快速识别气味组成的系统。设备无需对检测对象进行预处理，保留其完整性即可得到样品中挥发成分的整体指纹信息。结合统计分析方法，对指纹数据进行分析，建立数据库，即可实现未知物的快速定性和定量检测[7～11]。

本文以混入不同比例猪肉的掺假牛肉为研究对象，研究电子鼻快速检测牛肉中掺杂猪肉的可行性，结合主成分分析(PCA)定性鉴别掺假牛肉，为牛肉掺假快速检测提供技术依据。

1 实验部分

1.1 材料和仪器、设备、工具

1.1.1 材料

试验用牛肉、猪肉样品均购自山东潍坊佳乐家超市，样品采购后分别单独密封，至实验室后立即进行样品制备。

1.1.2 仪器、设备、工具

电子鼻PEN3型，德国Airsense公司；

绞肉机MR9401，摩飞公司；

天平，案板和刀具。

1.2 样品制备

1.2.1 建模集样品

以牛肉为基础，制备掺入不同比例猪肉的假牛肉样品，用于建模。将采购的新鲜牛肉、猪肉样品去除筋膜和大部分脂肪后切小块，按质量比0%、10%、30%、50%、70%、100%将猪肉块掺入牛肉块中，将混合好的猪肉块和牛肉块放入绞肉机运行10s，制备成掺假肉糜。每组掺假比例的样品制备平行样10个，每个样品平行测定3次。

1.2.2 验证集样品

以牛肉为基础，制备掺入不同比例猪肉的假牛肉样品，用于验证鉴别模型的准确性。将采购的新鲜牛肉、猪肉样品去除筋膜和大部分脂肪后切小块，按质量比0%、5%、15%、20%、30%、60%、80%、100%制备8种掺假比例的假牛肉样品，每组样品平行样5个，共制备40个样品作为验证集样品。

1.3 电子鼻采集

取待分析样品10g，置于100mL烧杯中，用三层保鲜膜密封，静置平衡20min后，25℃环境下采用顶空吸气法进行电子鼻检测。打开电子鼻系统，将零气针和进样针通过保鲜膜插入烧杯，设置试验参数：清洗时间60s，传感器归零时间5s，准备时间5s，数据采集时间70s，进样流量200mL/min。每个样品平行测定3次。

1.4 数据分析

采用电子鼻自带WinMuster软件对采集的传感器响应数据进行主成分分析(principal component analysis,PCA)，为提高清晰度，最终图形通过origin绘制。采用Excel对10个传感器的影响规律进行绘图和分析。

2 结果与分析

2.1 掺假牛肉的电子鼻传感器响应规律

对每组掺假样品(9种掺假比例，共9组)，测定10个样品在电子鼻10个传感器阵列的响应情况，对每个传感器的响应，提取其第70s的数据计算平均值，以每组掺假牛肉糜样品在10个传感器的第70s特征值均值进行绘图分析。结果如图1。

图1 不同比例掺假牛肉样品在10个传感器的响应情况

如图1所示，传感器S2、S6、S8和S10对不同掺假肉的响应较强烈，其它传感器的响应信号相对较低，且随样品组成变化不大。传感器S2、S6的响应呈现相同的规律，即随着掺入猪肉的比例升高，传感器信号的均值呈现下降趋势，而S8和S10呈现相反的规律。说明不同掺假比例的牛肉样品，在10个传感器上的响应规律不同，综合其指纹信息，可以将其有效区分。

2.2 主成分分析

提取各比例掺假牛肉建模样品在电子鼻10个传感器阵列的第70s稳态值数据，进行主成分分析，研究该时间点信号对不同掺假牛肉的区分效果，其结果见图2。

(掺猪肉比例：0% ◇10% ■30% □50% △70% 100%)图2 不同掺猪肉比例的掺假牛肉的PCA分析图

主成分分析结果表明，第一主成分的贡献率为59.48%，第二主成分的贡献率为37.25%，两者累积贡献率为96.73%，说明两个主成分能解释大部分数据信息，区分度很好。采用主成分分析方法，可将不同牛肉样品分为3大类：纯牛肉样品(掺假比例0%)、纯猪肉样品(掺假比例100%)和掺假牛肉样品(掺假比例10%～70%)。3大类样品能很好区分，几乎无交叉。对于掺假牛肉样品组，掺假比例接近的样品，其主成分分析中有部分数据有重叠，但重叠情况不影响对掺假情况的定性判别，且不同比例掺假牛肉样品的数据点分布呈现相同规律，即随着第一主成分增加的方向，牛肉样品中掺入猪肉的比例降低。

2.3 验证集样品分析

采用1.2.2中制备的验证集样品，按照本实验1.3方法采集电子鼻数据，与1.2.1中建模集样品一起，提取各样品第70s的特征值，同时进行主成分分析。参照图2，根据验证集样品在主成分分析中的位置，判定其是否掺假。结果表明，经主成分分析，参与验证的40个样品中，有5个为纯牛肉样品，6个为纯猪肉样品，29个为掺假牛肉样品。与验证集样品真实情况(5个纯牛肉，5个纯猪肉，30个掺假牛肉样品)相比，仅有1个样品由掺假牛肉样品判别为猪肉样品，39个样品判断准确，准确率为97.5%。

3 结论

采用电子鼻结合主成分分析法成功实现了纯牛肉、纯猪肉、掺猪肉假牛肉的有效鉴别，2个主成分的累积贡献率为97.36%，很好覆盖了10个电子鼻传感器的信号数据。通过40个验证集样品的验证，该方法建立的模型，判别准确度为97.5%，可实现掺猪肉比例5%～80%的掺假牛肉的鉴别。通过继续完善掺假比例数据，可使模型实用性和准确性更高。