應用電子鼻技術檢測肉與肉制品的風味和品質

孫欽秀，董福家，陳倩，孔保華

（東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

應用電子鼻技術檢測肉與肉制品的風味和品質

孫欽秀，董福家，陳倩，孔保華*

（東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

電子鼻是模擬人的味覺形成過程來識別、分析和檢測復雜氣味的儀器，它由多個性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當的模式分類方法組成。由于具有客觀性強，重現性好，檢測速度快，無損傷等特點，電子鼻被廣泛應用到肉品科學的研究中用于評價肉與肉制品的風味和品質。本文主要介紹了電子鼻的組成及工作原理，及其在肉品科學研究中的應用，同時分析了其在發展中遇到的問題，并對前景進行了展望。

電子鼻；組成及原理；肉品科學；應用

肉制品是人類膳食金字塔中的重要組成部分，可為人類提供豐富的蛋白質、脂肪、碳水化合物等營養物質。隨著人們生活水平的提高，人們對肉制品的攝入量及品質要求也越來越高。對于肉制品品質評定，新鮮度檢測以及原料污染等問題都需要一個方便快捷、重復性好的檢測方法。實驗室的化學分析檢測和感官評價等是肉制品研究中常用的檢測方法，但化學分析檢測由于設備較昂貴、檢測效率低等缺點而不能普及應用。而感官評價對品評人員的要求較高，不僅需要品評人員具有一定的經驗，而且在感官評價前要進行相應的培訓，這種方法主觀性強，重復性差，個體差異大，沒有統一標準，容易因嗅覺疲勞而影響分析結果［1］。電子鼻是近年來發展起來的一種分析識別和檢測復雜嗅味和揮發性成分的儀器［2］，它與普通分析儀器，如色譜儀、質譜儀、電泳儀等不同，它檢測到的不是被測樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結果，而是與人和動物鼻子的工作原理相似，檢測到的是目標物的總體氣息。電子鼻由于具有評定方法客觀，重現性好，不易疲勞，操作簡單，檢測速度快等特點而被廣泛應用到肉品科學的研究中［3-4］。

1電子鼻的概述

1.1電子鼻的發展史

1964年Wilkens和Hatman利用氣味在電極上的氧化-還原反應研制出了世界上第一個“電子鼻”［5］；1965年Buck等人和DarVnieks等人分別利用氣味調制電導和調制接觸電位研制出了“電子鼻”；1967年日本Figaro公司率先將金屬氧化物半導體（SnO2）氣體傳感器商品化。1989年，北大西洋公約組織召開的一個以電子鼻為重要內容的國際學術會議對電子鼻做了定義：電子鼻是由多個性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當的模式分類方法組成的具有識別單一和復雜氣體能力的裝置。隨后，1990年舉行了第一屆電子鼻專題學術會議［6］。此后，電子鼻技術被人們廣泛研究，為了促進電子鼻技術的發展，國際上每年都會舉辦一次化學傳感器會議。

1.2電子鼻的組成

電子鼻是模仿人類對氣味的識別機制而設計研制的一種智能電子儀器［7］，它主要由3部分構成：（1）頂空進樣器，將裝有樣品的密封瓶上方氣體通過頂空吸入傳感器上；（2）傳感器，氣味作用于傳感器陣列，產生瞬間響應，響應由強到弱，最后達到穩定狀態；（3）信號處理系統，就是氣體傳感器陣列所獲得的氣味信息經過的信號處理系統，即模式識別系統，它可以預處理并進行特征提取，再利用軟件進行系統分析，即可完成對復雜氣味的檢測分析［8］。

1.3電子鼻的工作原理

電子鼻工作原理是模擬人的嗅覺形成過程。人的嗅覺系統由嗅覺細胞、嗅覺神經網絡等組成，而電子鼻的工作系統主要包括氣敏傳感器陣列、信號處理系統和模式識別系統［9］。氣敏傳感器陣列如同人的嗅覺細胞，將多個具有不同選擇性氣敏傳感器組成陣列，利用其對多種氣體交叉敏感性，將不同氣味分子在其表面產生作用轉化為可測物理信號組。信號處理系統如同人的嗅覺神經系統［10］，信號預處理單元對信號進行特征提取后，信號進入模式識別單元接受進一步處理從而得出混合氣體組成成分和濃度；模式識別系統就像人的大腦可以對處理過的信號進行判斷，它需要建立在數據庫基礎上，傳入氣體組分經信號分析后與存儲于數據庫中該種氣體圖案進行比較鑒定后，就能快速進行系統化、科學化氣味監測、鑒別、判斷和分析。

2電子鼻在肉品品質檢測研究中的應用

肉品品質評價中，氣味是最直觀的一個指標。由于電子鼻具有和常規分析儀器所無法比擬的優點，因此在肉品品質檢測中發揮了很大的作用。電子鼻可對肉品中揮發性成分進行采集、檢測和分析，完成相應的分析判斷。在肉類工業中，電子鼻是檢驗肉品新鮮程度的快捷手段。此外，作為一種新型的無損傷檢測技術，電子鼻可以對肉品品質進行分級，實現在線的連續檢驗，預測肉品貨架期以及對肉品的摻雜摻偽行為的檢測。

2.1肉品新鮮度評定

肉品含有豐富的蛋白質、脂肪等營養物質，為微生物的滋生提供了優良的條件，因此微生物污染導致肉品的腐敗變質，也是肉品品質劣變的一個主要原因。電子鼻作為一種快速的無損檢測技術可以實現對原料肉及肉制品新鮮程度的快速、準確的測定，從而保證肉品的質量。

目前，電子鼻在新鮮度檢測方面的應用主要集中在對原料肉的檢測，肉品新鮮度的常規檢測主要包括理化指標及微生物指標的測定，將電子鼻在該方面的應用與這些指標結合，通過比較電子鼻所處理得到的數據與這些指標的相關性來評價電子鼻在檢測新鮮度的可行性。電子鼻在牛肉和豬肉的新鮮度檢測中應用較多，Winquit等［11］最早采用了電子鼻檢測牛肉和豬肉在4℃冷藏時的新鮮度，并利用神經網絡系統處理電子鼻采集的數據，結果表明電子鼻可預測牛肉和豬肉糜的儲藏時間。隨后，石志標等［12］建立了檢測牛肉新鮮度的電子鼻系統，并應用該電子鼻系統對不同新鮮度的牛肉進行了鑒別試驗，識別率高達99.25%，該研究表明電子鼻檢測牛肉新鮮度是可行的。此外，王丹鳳等［13］利用電子鼻檢測了豬肉在不同溫度下貯藏其揮發性成分的變化，并結合細菌總數檢測，采用主成分分析可區分不同貯藏時間的豬肉樣品，試驗表明電子鼻結果與細菌總數之間具有較好相關性，通過電子鼻技術可實現豬肉中有害微生物的檢測。Wang等［14］也通過電子鼻檢測了冷卻豬肉在4℃條件下儲存10 d內菌落總數變化規律，從而判斷肉的新鮮度，利用主成分分析方法分析電子鼻結果，并將其與細菌平板計數結果比較，結果表明兩者具有較好的相關性，證實了電子鼻快速檢測豬肉中菌落數的可行性。

此外，電子鼻在雞肉、魚肉和其他混合原料肉的新鮮度檢測中也有應用。Arnold等［15］通過電子鼻分析了雞肉加工過程中微生物種類和數量的變化，并與傳統的平板計數方法做了比較，結果表明電子鼻可以很好的檢測雞肉中微生物的變化。趙夢醒等［16］利用電子鼻檢測鱸魚新鮮度，通過對數據進行主成分分析、線性判別分析和負荷加載分析，并結合感官評價、揮發性鹽基氮（TVB-N）和菌落總數等指標，建立一種基于電子鼻技術判別鱸魚新鮮度的方法，結果表明，電子鼻分析結果與感官、TVB-N和菌落總數結果基本一致，因此，電子鼻可以用來區分不同新鮮度的鱸魚且其對魚鰓的區分效果優于魚肉。Vestergaard等［17］利用MGD-1型電子鼻檢測了披薩餡在儲藏過程中新鮮程度的變化，采用主成分分析和偏最小二乘回歸法對傳感器響應信號進行分析處理，并將結果與感官評價結果進行了相關性分析，結果表明電子鼻可以檢測披薩餡在儲存過程中發生的風味變化。

2.2肉品分級

由于原料、成分等不同可導致同一種產品其品質也良莠不齊，因此對肉品進行分級很重要。在肉品分級中，香氣是一項重要的評定指標，電子鼻可以很好完成對香氣的區分，其可作為肉品品質分級的一種新方法。

對于原料肉的分級，電子鼻主要應用于牛肉和豬肉的分級。Bourrounet等［18］利用電子鼻對牛肉進行等級評定分析，他們將不同貯藏時間的牛肉分為不同的等級，利用電子鼻對不同貯藏時間牛肉的揮發性成分進行分析，并采用主成分分析和人工神經網絡方法對數據進行處理。結果表明，電子鼻的檢測結果與按貯藏時間的分級結果相一致，即可以利用電子鼻實現對肉品的分級。Rajamaki等［19］利用電子鼻對不同品質的氣調保鮮包裝豬肉進行了檢測，采用主成分分析、局部最小方差和人工神經網絡分析方法分析檢測數據，他還將電子鼻實驗結果與微生物檢測、感官評價和氣相色譜的檢測結果相比較，結果表明電子鼻檢測的結果靈敏度更高、結果更可靠。此外，電子鼻還可以應用于肉制品的分級檢測，姚璐等［20］利用電子鼻技術對3種不同等級的金華火腿進行了檢測，并利用線性判別式分析、主成分分析和偏最小二乘回歸法等多元統計方法進行了數據處理，結果表明電子鼻能夠很好地區分不同等級的金華火腿，該研究為金華火腿的分級檢測提供了新方法。

2.3生產線上連續檢測

目前常用的在線檢測方法多為定時、定點檢測，但是這些檢測方法破壞性大，時效性差，且耗費大量人力物力。而電子鼻檢測具有方便、快捷，檢測無損傷等優點，為肉制品生產加工中進行實時檢測提供了新思路。目前電子鼻在生產線上的連續檢測應用較少，Hansen等［21］利用由6個金屬氧化物傳感器組成傳感器陣列的電子鼻在線檢測了肉糜加工過程中氣味的變化，采用偏最小二乘回歸法和主成分分析對數據進行了分析處理，并將結果與氣譜-質譜聯用檢測結果相比較，研究表明電子鼻可以對產品的質量進行較好的預測和評價。

2.4肉品貨架期預測

肉品在貯藏、運輸和銷售等過程中，由于酶、微生物和外界環境等因素，會使肉品發生腐敗變質，產生不良風味，致使產品品質下降，貨架期縮短。隨著貯藏時間的延長，產品的揮發性成分也會發生變化，導致其氣味與新鮮制品有明顯區別。基于此，我們可以利用電子鼻技術結合理化指標建立產品貨架期預測模型。

肖紅等［22］利用電子鼻分析了豬肉在不同貯藏溫度與貯藏時間下的揮發性成分變化，利用主成分分析與貨架期分析的方法，預測豬肉在0、7、10℃和20℃溫度下貯藏的貨架期。將電子鼻分析獲得的豬肉氣味數據與TVB-N相結合，建立豬肉貨架期的預測模型。結果表明，基于電子鼻分析獲得的豬肉氣味變化與TVB-N變化具有較好的一致性，不同貯藏溫度條件下豬肉的菌落總數值與TVB-N值均隨著貯藏時間的延長而呈現上升趨勢，且均符合一級化學動力學模型（R2>0.9），將上述兩種貨架期分析方法相結合并利用動力學模型建立了豬肉貨架期的預測模型。此外，佟懿等［23］還利用電子鼻對帶魚在不同貯藏溫度和時間下的揮發性氣味變化進行了分析，并與TVB-N建立聯系，同時對貨架期進行了預測，建立了帶魚在0℃～10℃溫度條件下的貨架期預測模型。

2.5肉品摻雜摻假檢測

在肉品加工生產中，常有一些不法企業為了謀取利益，以低品質的產品冒充高品質的產品，或者將低品質產品添加高品質產品中，影響產品質量，擾亂肉品市場。由于不同原料肉對肉品最終風味影響較大，我們可以通過檢測肉品氣味的差別，判斷肉品是否摻有其他成分。但目前國內外肉品摻假的快速檢測報道還比較少。Santos等［24］利用電子鼻技術對利比亞火腿中已確定的70多種風味物質中的一些特征物質進行了分析，并采用主成分分析和人工神經網絡方法分析數據，結果表明電子鼻可以區分伊比利亞火腿的原料肉種類和成熟時間，從而檢測出不合格和假產品。Nurjuliana等［25］利用電子鼻檢測清真產品中是否摻有豬肉，試驗中檢測了豬肉、牛肉、羊肉、雞肉為原料的香腸，從中挑出摻有豬肉的香腸，并將其檢測結果與氣相色譜檢測結果進行了比較，結果表明電子鼻可以檢測出摻有豬肉的香腸。

3電子鼻技術發展中存在的問題

由于電子鼻技術具有檢測簡單、快捷、所需樣品量少、成本低、重復性好等優點而得到持續快速的發展。然而，電子鼻技術還處于發展階段，與生物嗅覺還有很大的差距。受敏感膜材料、制造工藝、數據處理方法等方面的限制，電子鼻的應用范圍還不是很廣。總之，電子鼻技術目前還處于實驗室階段，雖然已有很多的研究，但仍舊存在很多問題，如傳感器陣列專屬性及穩定性差，易受濕度、溫度、振動等環境因素的影響；傳感器易于過載或“中毒”，與干擾氣體發生反應，影響檢測結果。此外，有關傳感器與樣品風味物質作用機制研究較少，這也直接影響傳感器的適用范圍。

隨著傳感器技術的發展和人類對嗅覺過程的深入了解，生物芯片和生物信息學的發展，生物計算機的出現，生物與仿生材料研究的進步，微細加工技術的提高和納米技術的應用，電子鼻的功能將日益增強，越來越多的取代生產和生活中人類鼻子的作用，獲得更廣泛的應用。電子鼻的體積也逐漸趨于微型，從“臺式”到“便攜式”，再到“手持式”；電子鼻的成本也在不斷降低，價格也已經從最初的十多萬美元到現在的幾萬美元。估計不久的將來，電子鼻會像計算機一樣，成為普通家庭的日用儀器。如用作家庭醫療診斷工具，家庭肉、奶、蛋等食品新鮮度的檢測，以及環境衛生檢測儀等。

電子鼻未來的研究主要內容應包括：優化傳感器陣列，根據所測樣品的物化屬性，針對性地研發特異性強、靈敏度高的傳感器材料，解決傳感器專屬穩定性差的缺點；根據分析目的選擇合適、簡便的數據處理方法；建立更好的特征值提取方法和模式識別方法來模擬人的思維過程；結合新技術，如微電技術、生物學技術、材料學和計算機技術等技術的發展，推進電子鼻的發展及在肉品科學中的應用。

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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

國家自然科學基金（31271897）；黑龍江省科技計劃項目（GC13B212）

孫欽秀（1989—），女，碩士，研究方向：農產品加工與貯藏。

孔保華（1963—），女，教授，博士生導師，研究方向：畜產品加工。