電子鼻識別大米揮發(fā)性物質(zhì)的應(yīng)用性研究

胡志全 王海洋 劉友明

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070）

大米是我國多數(shù)人的主食，其獨有的香氣更是直接影響人們的食欲。采用傳統(tǒng)的感官評價來鑒別大米的氣味具有很強的主觀性，而且人的感覺器官的靈敏度易受到外界因素的干擾，從而影響評定的準(zhǔn)確度［1］。大米的氣味成分十分復(fù)雜，至今還有未鑒定出的化合物，且大米氣味是許多揮發(fā)成分混合而成，很難通過一種或幾種揮發(fā)物質(zhì)來鑒定［2］。

電子鼻技術(shù)在 食品［3－6］、煙 草［7］、白酒［8］、醫(yī)藥［9］等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。電子鼻具有人工嗅覺分析系統(tǒng)，能對復(fù)雜氣味進(jìn)行檢測和識別［10］。與普通分析儀器相比，電子鼻得到的是被測樣品揮發(fā)物質(zhì)的整體信息，也就是“指紋數(shù)據(jù)”［11］，并不僅僅是單個成分的定性和定量結(jié)果。大米中揮發(fā)性氣味物質(zhì)通常采用GC－MS法來檢測，轉(zhuǎn)基因大米常用的檢測方法有以核酸為基礎(chǔ)的PCR檢驗方法［12］和檢測是否有外源基因表達(dá)蛋白質(zhì)的ELISA法［13］，但這些方法操作繁瑣復(fù)雜且成本較高，而電子鼻具有快速、靈敏及不需要樣品前處理等優(yōu)點［14］。利用電子鼻對不同產(chǎn)地、收獲年份、基因型的大米的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行檢測，從而快速鑒別出不同類型的大米。

1 材料與方法

1.1 材料

所測試材料有 4個基因型：CK、1C、2A、TT51。CK是指Bt抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻培育過程中的受體親本稻明恢63。1C、2A、TT51是指轉(zhuǎn)入不同目的基因的Bt抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻，1C轉(zhuǎn)入的目的基因為cry1C*，2A轉(zhuǎn)入的目的基因為cry2A*，TT51轉(zhuǎn)入的目的基因為cry1A（b）／cry1A（c）。試驗材料由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室提供。

8種大米材料分別為2011年10月收獲大米：孝感產(chǎn)CK、孝感產(chǎn)2A；2009年10月收獲大米：孝感產(chǎn)CK、孝感產(chǎn)1C、孝感產(chǎn)2A、孝感產(chǎn)TT51、隨州產(chǎn)CK、隨州產(chǎn)2A。為便于分析和測試依次編號為a、b、c、d、e、f、g、h。

1.2 儀器與設(shè)備

FOX 4000型電子鼻（有18個金屬氧化氣體傳感器組成，傳感器陣列性能見表1）、HS100自動進(jìn)樣器：法國 Alpha M.O.S.公司；BL－2200H型電子天平：日本島津公司；JLGJ－45型礱谷機：浙江臺州市糧儀廠；JNMT－3型碾米機：浙江臺州市糧儀廠。

表1 電子鼻傳感器陣列性能表

續(xù)表

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

將測試水稻脫殼脫糠加工成精米（碾磨時間80 s），精米精度符合國家一級標(biāo)準(zhǔn)。檢測時，稱取3 g（準(zhǔn)確至0.02 g）樣品放入10 mL進(jìn)樣瓶，壓蓋密封。

1.3.2 樣品分析參數(shù)

電子鼻系統(tǒng)分析參數(shù)及測試大米所需的參考值見表2，每個樣品做4次平行。

表2 電子鼻測試相關(guān)設(shè)置參數(shù)

1.3.3 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析

將電子鼻試驗獲得的數(shù)據(jù)信息用Alpha SOFTV 9.1軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，采用主成分分析法（principal component analysis，PCA）和判別因子分析法（discriminant factor analysis，DFA）分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 大米香氣的傳感響應(yīng)值分析

為更好觀察和分析電子鼻18個傳感器對8種大米揮發(fā)性氣味物質(zhì)的變化，根據(jù)18個傳感器的響應(yīng)值大小及差異，繪制雷達(dá)圖和柱狀圖（圖1）。由圖1可以看出，18個傳感器對大米香氣物質(zhì)的響應(yīng)值不同，其中，傳感器LY2／gCT和LY2／LG的響應(yīng)值（0～0.2）較低，其他16個傳感器的響應(yīng)值均較合適，在0.2～0.8之間。此外，8種大米的雷達(dá)圖譜具有相似的變化趨勢和形狀，說明幾種大米揮發(fā)性物質(zhì)有相似之處，但也存在明顯的差異，主要集中在LY型傳感器上。通過電子鼻識別不同收獲年份、不同產(chǎn)地和不同基因型大米揮發(fā)性氣味的差異，從整體來把握大米香氣的指紋圖譜，且每個傳感器都具有較好的穩(wěn)定性（變異系數(shù)小于5%），因此，F(xiàn)OX 4000型電子鼻系統(tǒng)對大米氣味進(jìn)行分析是可行的。

圖1 大米香氣傳感器響應(yīng)值的雷達(dá)圖和柱狀圖

2.2 收獲年份、產(chǎn)地、基因型對大米香氣影響的主成分分析（PCA）

主成分分析PCA是在對樣品特性一無所知的前提下，通過對原始數(shù)據(jù)向量進(jìn)行線性變換，從而在一定的視角來尋找樣品間的差異的一種算法。該算法不丟失任何樣品信息，僅僅通過改變坐標(biāo)軸來達(dá)到區(qū)分樣品的目的［17－18］。

對8種大米樣品的響應(yīng)值信號數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，建立前2個主成分的二維判別圖，如圖2所示。由圖2可以看出，每個樣品做4次平行，且4個數(shù)據(jù)點分布較為集中，說明數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性較好。主成分1（PC1）和主成分 2（PC2）的方差貢獻(xiàn)率分別為99.262%、0.277%，累計方差貢獻(xiàn)率為99.539%，大于85%，說明PC1和PC2已經(jīng)包含很大的信息量，能夠反映樣品的整體信息。并且，由于主成分2（PC2）的方差貢獻(xiàn)率僅有0.277%，所以，主要通過橫坐標(biāo)主成分1（PC1）來區(qū)分開8個樣品。

圖2 大米香氣的主成分分析圖

表3 大米香氣主成分的區(qū)別指數(shù)

區(qū)分指數(shù)（discrimination index，DI）是電子鼻數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件提供的樣品區(qū)分程度的表征值，DI在80～100之間表明區(qū)分有效，該值越大，區(qū)分效果越好，圖2中的DI值為83，表明區(qū)分有效。以圖2中“十”字交叉的虛線為分界線，所有樣品被豎直虛線明顯分為2大組群。豎直虛線的右邊是2011年10月收獲的大米 a、b，左邊是2009年10月收獲的大米 c、d、e、f、g、h，因此，可以說明電子鼻可以很好地區(qū)分不同年份的大米樣品。進(jìn)行電子鼻檢測試驗的時間是一樣的，而大米樣品的收獲年份卻不同，即不同儲藏時間的大米能被電子鼻顯著區(qū)分開。

由圖2和表3可知，大米樣品a和b的數(shù)據(jù)點分布于各自的區(qū)域，沒有重疊，并且區(qū)別指數(shù)為92.01%，說明是同一產(chǎn)地不同基因型大米的香氣是不同的，電子鼻可以準(zhǔn)確的區(qū)分出a和b大米氣味的差異。

由表3可知豎直虛線左邊的6個大米樣品（c～h），區(qū)別指數(shù)較小的有：c與d為75.37%，c與g為20.61%，d與g為68.98%，e與h為15.76%，因此，6個大米樣品（c～h）被明顯的分成3個組群：第1組群樣品 f，第 2組群樣品 c、d、g，第 3組群樣品 e、h。由此可以看出，同一產(chǎn)地不同基因型的大米可以被電子鼻很好的區(qū)分開，而同一基因型不同產(chǎn)地的大米樣品不能被電子鼻明顯區(qū)分開，不同產(chǎn)地大米不能被區(qū)分的原因可能是大米的主要揮發(fā)性物質(zhì)比較相近，從以前氣質(zhì)的分析知，大米的主要揮發(fā)性物質(zhì)為己醛、壬醛、戊醛、己醇和戊醇等［19］，雖然上述主要化合物含量存在差異，但表現(xiàn)出來的整體特性可能相似，也可能是電子鼻對不同產(chǎn)地大米的差異不敏感，傳感器無法識別這種微弱差異。相比于產(chǎn)地，基因型的差異對大米香氣的影響更大，電子鼻可以用來區(qū)分不同基因型大米的香氣。

2.3 收獲年份、產(chǎn)地、基因型對大米香氣影響的判別因子分析（DFA）

判別因子分析是在有先驗知識的前提下，對原始數(shù)據(jù)向量進(jìn)行線性變換，使得各類樣品能夠更好地區(qū)分［20］。在主成分分析的基礎(chǔ)上通過對樣品采集數(shù)據(jù)進(jìn)一步做判別因子分析，由圖3知大米樣品明顯被分成兩組，a和 b同組，c、d、e、f、g、h為一組，這兩組產(chǎn)生差異的原因主要是收獲的年份不同。稻米生長環(huán)境和時間的變化可導(dǎo)致稻米基本組成包括水分含量、蛋白質(zhì)、脂肪等含量不同［21］，而且稻米儲藏環(huán)境（濕度、溫度、氧氣等）會導(dǎo)致自身代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物如醇、醛、酮類和儲糧害蟲自身代謝釋放的特殊氣味物質(zhì)的不同，造成大米揮發(fā)性物質(zhì)的差異［22］。

由表4大米樣品判別因子分析知，a和b間的氣味距離為0.26，明顯小于和其他大米的氣味距離，樣品c和a、b的氣味距離為0.53和0.79，明顯大于和其他樣品間的氣味距離，氣味距離是兩個樣品相似程度的描述，距離數(shù)據(jù)越小說明同組樣品間相似程度越高，距離越大說明不同組樣品間的差異程度越高。同組樣品間c與g的距離僅為0.02，而與h的距離卻為0.25，這從氣味距離的定量角度也說明基因型對大米香氣物質(zhì)的形成影響要大于產(chǎn)地的影響。

圖3 大米樣品的判別因子分析圖

表4 大米樣品判別因子分析的氣味距離

3 結(jié)論

3.1 FOX 4000型電子鼻系統(tǒng)18個金屬氧化物氣體傳感器對不同的氣體響應(yīng)程度不同，響應(yīng)值大部分在0.2～0.8間，且變異系數(shù)小于5%，可以將其用于大米揮發(fā)性氣味物質(zhì)的識別。

3.2 大米香氣的主成分分析可以有效區(qū)分不同收獲年份和不同基因型的大米，對同一基因型CK和2A的孝感產(chǎn)大米和隨州產(chǎn)大米不能明顯區(qū)分。將電子鼻應(yīng)用于鑒別大米新陳和基因型是可行的。

3.3 大米香氣的判別因子分析表明，收獲年份、基因型和產(chǎn)地對大米香氣物質(zhì)形成有一定程度影響，不同收獲年份的大米之間的氣味距離明顯大于不同基因型和不同產(chǎn)地的大米，大米氣味指紋圖譜差異性的出現(xiàn)主要是由于稻米后期儲藏條件引起的，基因型影響次之。

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