基于頂空氣相色譜-離子遷移譜與電子鼻技術快速檢測寧夏灘羊肉中摻假鴨肉

張宗國 陳東杰 孟一 華茂圳 張玉華 張長峰

摘 要：為實現摻假寧夏灘羊肉的準確快速檢測，按照不同比例將鴨肉混入灘羊肉中制備摻假肉。基于頂空氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）及電子鼻結合統計學方法對摻假肉樣進行快速檢測。通過GC-IMS采集摻假肉氣味圖譜，利用主成分分析和相似度差異分析對摻假肉進行分析;采用線性判別法分析電子鼻傳感器響應值，后采用多元線性回歸建立電子鼻響應值與鴨肉摻假比例的定量模型。結果表明：通過GC-IMS氣味圖譜可直觀看出摻假不同比例鴨肉的灘羊肉中揮發性有機物差異，但對于摻假比例相近的樣品區分度不明顯;采用線性判別分析可很好區分摻假不同比例鴨肉的灘羊肉;采用多元線性回歸分析，以鴨肉摻假比例及電子鼻傳感器響應值進行擬合，得到回歸方程決定系數為R2=0.967 1，擬合度高，實際測定值與預測值具有較好的相關性。GC-IMS技術、電子鼻結合統計學方法可以對摻入不同比例鴨肉的灘羊肉進行鑒別。

關鍵詞：頂空氣相色譜-離子遷移譜技術;電子鼻;寧夏灘羊肉;快速檢測;氣味圖譜

Rapid Detection of Ningxia Tan Sheep Meat Adulteration with Duck Meat Using Gas Chromatography-

Ion Mobility Spectrometry and Electronic Nose

ZHANG Zongguo1， CHEN Dongjie1， MENG Yi1， HUA Maozhen2， ZHANG Yuhua1，*， ZHANG Changfeng1

（1.National Engineering Research Center for Agricultural Products Logistics， Shandong Key Laboratory of Storage and Transportation Technology of Agricultural Products， Jinan 250103， China; 2.Centre for Research on Environmental Ecology and Fish Nutrition， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China）

Abstract： In order to realize the accurate and rapid detection of adulterated Ningxia Tan sheep meat， duck meat was mixed in different proportions with mutton to prepare adulterated meat. Then， the adulterated meat samples were detected by gas chromatography-ion mobility spectroscopy （GC-IMS） and electronic nose （E-nose） combined with statistical methods. The odor fingerprint obtained by GC-IMS was analyzed by principal component analysis （PCA） and similarity difference analysis; the electronic nose responses was analyzed by linear discriminant analysis （LDA）， and then a quantitative model between E-nose response values and adulteration ratio was established by multiple linear regression （MLR）. The results showed that the difference in the composition of volatile organic compounds （VOCs） among all adulterated meat samples except those with similar adulteration ratios could be seen directly from the odor fingerprint. LDA allowed a good discrimination among the adulterated meat samples with different adulteration ratios. The presented quantitative model had excellent goodness of fit with determination coefficient R2 of 0.967 1. From this study， we concluded that GC-IMS and electronic nose combined with statistical methods can distinguish mutton adulterated with different proportions of duck meat.

Keywords： headspace gas chromatography-ion mobility spectroscopy; electronic nose; Ningxia Tan sheep meat; rapid detection; odor fingerprints

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20201105-258

中圖分類號：TS207.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2020）12-0043-06

引文格式：

張宗國， 陳東杰， 孟一， 等. 基于頂空氣相色譜-離子遷移譜與電子鼻技術快速檢測寧夏灘羊肉中摻假鴨肉[J]. 肉類

研究， 2020， 34（12）： 43-48. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20201105-258.? ? http：//www.rlyj.net.cn

ZHANG Zongguo， CHEN Dongjie， MENG Yi， et al. Rapid detection of Ningxia Tan sheep meat adulteration with duck meat using gas chromatography-ion mobility spectrometry and electronic nose[J]. Meat Research， 2020， 34（12）： 43-48. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20201105-258.? ? http：//www.rlyj.net.cn

寧夏鹽池灘羊肉因風味獨特、肉質鮮美、無膻味、脂肪含量較低且富含大量礦物質元素，受到廣大消費者喜愛和追捧[1-3]，寧夏鹽池灘羊是西北地區特色畜種，繁殖快且具有較高產肉性能，為當地養殖戶帶來較高的經濟效益[4-5]。然而目前消費市場中存在寧夏灘羊肉摻假的現象，如寧夏灘羊肉中摻入一定比例的其他畜禽肉，如雞肉、豬肉、鴨肉等，或直接將其他畜禽肉用羊肉香精處理后充當寧夏灘羊肉進行銷售。因此，準確并快速識別寧夏灘羊肉摻假具有重要意義。

鑒別畜產品摻假的常規方法主要有理化分析法[6-7]、氣相色譜（gas chromatography，GC）法[8-10]、微生物法[11-13]

和液相色譜法[14-16]、聚合酶鏈式反應法[17-18]、GC-質譜（GC-mass spectrometry，GC-MS）法等。這些常規檢測方法雖嚴謹科學，但費時耗力、操作繁瑣，且結果具有滯后性;感官評價的結果受主觀因素影響明顯，準確性低[19]。近些年，隨著科技不斷發展，涌現出較多快速檢測方法，如近紅外光譜法[20-21]、酶聯免疫吸附法[22-23]、電子鼻法。新型快速檢測方法具有無損、準確、操作簡便等優勢，已在畜產品摻假中得到應用。陳迎麗等[24]采用近紅外光譜技術結合歐氏距離法或因子化法建立牛肉中摻入豬肉和雞肉的快速、準確測定方法。王綪等[25]采用電子鼻和GC-MS法對寧夏小尾寒羊肉中摻假鴨肉進行檢測，采用Fisher線性判別分析能區分不同樣品，線性回歸擬合分析相關系數高達0.965。

本研究利用GC-離子遷移色譜（GC-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技術結合電子鼻進行檢測，

GC-IMS是一種新興的快速檢測方法，具有靈敏、無需前處理、操作簡單的優點[26-28]。孟新濤等[29]采用GC-IMS技術較好區分羊肉中不同摻假比例（≤40%）豬肉和雞肉。目前采用GC-IMS技術檢測寧夏灘羊肉中摻雜的鴨肉相關研究還很少。

本研究以寧夏灘羊肉為研究對象，按照不同比例將鴨肉摻入灘羊肉中，利用GC-IMS和電子鼻技術采集摻假肉的氣味圖譜，后分別采用線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）、主成分分析（principal component analysis，PCA）和匹配矩陣對摻假灘羊肉進行區分，并以可視化的形式展示不同比例摻假灘羊肉的特征揮發性成分，旨在為寧夏灘羊肉及其摻假肉氣味研究及快速判別提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料

寧夏灘羊后腿肉和平谷鴨肉購自濟南某大型購物中心，貯藏于0 ℃冰箱。用組織攪碎機將灘羊肉和鴨肉分別攪碎后待用。按照不同比例：灘羊肉、鴨肉質量比100∶0（CK組）、90∶10（A組）、80∶20（B組）、70∶30（C組）、60∶40（D組）、50∶50（E組）、0∶100（F組），將鴨肉分別加入到灘羊肉中攪拌均勻，放入自封袋中制備成摻假肉。

1.2 儀器與設備

FOX4000電子鼻 法國阿爾法莫斯公司;MS3 digital渦旋混勻器 德國艾卡設備有限公司;FlavourSpec1H1-00053 GC-IMS聯用儀 德國G.A.S.公司;CTC-PAL自動進樣裝置 瑞士CTC Analytics AG公司;CLOT毛細管柱（30 mm×0.25 mm，0.50 μm） 德國CS-Chromatographie Service GmbH公司。

1.3 方法

1.3.1 頂空GC-IMS測定條件及檢測方法

GC-IMS單元參數：分析時間20 min，色譜柱類型FS-SE-54-CB-1（15 m，ID：0.53 mm），柱溫60 ℃，載氣/漂移氣N2，IMS溫度45 ℃。

自動頂空進樣單元參數：進樣體積500 μL，孵育時間10 min，孵育溫度60 ℃，進樣針溫度65 ℃，孵化轉速500 r/min。

頂空GC-IMS檢測方法：取3.0 g樣品，放入20 mL頂空進樣瓶中，60 ℃孵化20 min，經頂空進樣用FlavourSpec?風味分析儀進行測試，軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫可對物質進行定性分析并可給出樣品中揮發性有機物的差異譜圖。

1.3.2 電子鼻檢測

電子鼻測定參數：采集時間120 s，數據采集周期1.0 s，數據采集延遲600 s，流速150 mL/min，進樣量1 000 μL，注射速率1 000 μL/s，孵化期480 s，孵化溫度40 ℃，清洗時間120 s，注射器溫度50 ℃，填充速率500 μL/s。

采用LDA對樣品進行分析，去除樣品中差異較大的個體。FOX4000電子鼻由18 個傳感器組成，各傳感器響應特性見表1。

1.4 數據處理

采用SPSS 23.0軟件進行數據分析;運用PCA、LDA對數據進行處理，Origin pro 2016軟件進行繪圖，二維可視化軟件為LAV 2.0（G.A.S. Inc.）。

2 結果與分析

2.1 頂空GC-IMS技術分析結果

2.1.1 頂空GC-IMS圖譜

由圖1可知，純灘羊肉中揮發性物質少于純鴨肉，隨著鴨肉摻入量增多，樣品中揮發性物質也在增加。

由圖2可知，根據各組間差異，將7 組肉樣的揮發性有機物圖譜大致劃分成A、B、C、D、E 5 個不同區域，更易于區分各組間差異。純灘羊肉和純鴨肉所含揮發性物質中既有共同揮發性物質，又有自身特異性物質，且純鴨肉所含揮發性物質種類明顯多于純灘羊肉。

C區域為純灘羊肉和純鴨肉均含有的乙醇、丙酮、2-丙醇及2-丁酮等揮發性物質，A區域為純灘羊肉特有揮發性物質，如苯甲醛、3-甲硫基丙醛、癸醛等，D區域為純鴨肉特有揮發性物質，如丁醛、E-2-辛烯醛、E-2-庚烯醛等。

在純灘羊肉中，E區域的揮發性物質，如苯甲醛、甲硫基丙醛、癸醛、2-戊酮、乙偶姻等，伴隨著摻入鴨肉比例的增加，含量逐漸降低;B區域的物質在純鴨肉中含量較高，純灘羊肉中含量很少，而隨著摻入鴨肉比例的增加，其含量呈現逐漸增加的趨勢，這些成分主要為壬醛、辛醛、庚醛、己醛、丁醛、E-2-辛烯醛、E-2-庚烯醛、乙醛、3-辛醇、1-辛烯-3-醇、1-己醇、1-戊醇、1-丁醇、2-丙醇、2-庚酮、環己酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、乙酸丙酯、乙酸乙酯及2-戊基呋喃等。

2.1.2? 摻假寧夏灘羊肉的相似度分析

PCA是通過降維方式將多個指標轉換成少數幾項具有代表性的綜合指標的一種多元統計分析方法[30]。由圖3可知，純灘羊肉和純鴨肉樣品差異顯著，A、B組有重疊部分，C、D組距離相近，說明2 組摻假比例相近，區分不明顯。A～E組樣品處于純灘羊肉與純鴨肉之間，隨著鴨肉摻入比例的增加，各組樣品逐漸從接近灘羊肉變為向純鴨肉靠攏。

圖4為摻假肉樣匹配矩陣圖，采用圓心面積大小及顏色深淺表示2 組樣品間相似程度，圓心面積越大，顏色越深，表示2 組越相似;反之，圓心面積越小，顏色越淺，表示2 組相似度較低，差異明顯。由圖4可知，CK組與F組

差異明顯，說明純灘羊肉與純鴨肉所含揮發性物質差異明顯。A、B、C、D、E組與CK、F組差異明顯，但相鄰2 組，如A和B組、C和D組差異不明顯，區分度不高，說明頂空GC-IMS技術對于灘羊肉中摻假比例接近的鴨肉區分度不高，其原因可能為灘羊肉及鴨肉中含有某些揮發性成分含量較高，而頂空GC-IMS儀器的靈敏度較高，致使頂空GC-IMS無法區分相近比例摻假的樣品。

2.2 電子鼻分析結果

采集18 個傳感器在120 s內響應強度的變化，響應強度大小反映此待測樣品中某些揮發性物質在傳感器中的響應情況。以摻假50%鴨肉的灘羊肉為例繪制傳感器響應圖。由圖5可知，18 個傳感器響應強度在120 s內變化明顯。

圖6為18 個傳感器響應強度最大值的直方圖，傳感器T30/1、P10/1、P10/2、PA/2、P30/1、P10/1、P40/2、P40/1的響應強度最大值明顯高于其他幾組傳感器，而傳感器LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/GH、LY2/gCTL、LY2/gCT的響應強度最大值較小。

采用PCA法對18 個傳感器的響應強度進行特征值提取，由表2可知，經PCA分析后得出前5 個主成分的累計貢獻率，已經達到99.96%，故選擇前5 個主成分作為特征子集對樣品進行定性分析。在提取的前5 個主成分中，主成分1和主成分2累計貢獻率91.85%，說明這2 個主成分基本可以代表18 個電子鼻傳感器檢測出的樣品所有基本特征信息。

采用LDA對得到的特征值進行分析，由圖7可知，除D、E組樣品分布區域很接近外，其他樣品可以被區分開。隨著鴨肉摻假比例的增加，各樣品分布區域在第1主成分方向上與CK組樣品距離越來越遠，呈現規律性分布，因此電子鼻能夠更好地區分摻假不同比例鴨肉的灘羊肉，這與王綪等[25]對寧夏小尾寒羊肉中鴨肉摻假的快速檢測結果一致。

2.3 多元線性回歸擬合分析

以鴨肉摻假比例為因變量，以2.2節采用PCA從18 個電子鼻傳感器響應值中提取的2 個主成分的特征值為自變量，隨機選取70 個樣品（7×10）作為建模集，28 個樣品（7×4）為驗證集，建立相應回歸方程為y=0.374 1-0.051 0x1-0.046 0x2，該回歸模型的決定系數R2=0.967 1，表明回歸擬合度高，說明灘羊肉摻假鴨肉樣品實際測定值與預測值擬合良好，建立的回歸模型預測可靠程度較高。

3 結 論

采用GC-IMS及電子鼻測定灘羊肉中摻假的鴨肉，無需復雜的前處理，直接加入樣品，頂空進樣后可快速檢測肉樣中的揮發性有機組分，通過儀器配備的軟件可得到樣品的GC-IMS譜圖、揮發性有機物的圖譜、PCA結果等。采用PCA及相似度分析發現：純鴨肉與純灘羊肉樣品差異顯著，隨著鴨肉摻入比例的增加，摻假組逐漸由接近灘羊肉向鴨肉靠攏，但GC-IMS技術對于鴨肉摻入比例相近的組別區分度不明顯。對采集的電子鼻數據首先采用PCA進行降維，提取5 個主成分，其中主成分1和主成分2累積貢獻率91.85%;后采用LDA進行分類，可較好區分摻假樣品。采用多元線性回歸分析，以鴨肉摻假比例及電子鼻傳感器響應值進行擬合，得到回歸方程決定系數為R2=0.967 1，擬合度高，實際測定值與預測值具有較好的相關性。本研究結果為寧夏灘羊肉真偽鑒別快速檢測及其品質控制提供了新的研究思路和有效的手段。

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