電子鼻結合主成分分析法快速鑒別摻假牛肉

許文娟 韓 芳 趙 晗 丁葵英 劉文鵬 田國寧

1.濰坊海關 山東濰坊 261041 2.合肥海關 安徽合肥 230000

近年來，食品安全問題頻發，人們對于肉類消費品安全的關注點也從化學藥物殘留、微生物含量擴展到肉類摻假問題上。“假肉門”問題、國外冰凍多年的“僵尸肉”的曝光，加劇了人們對于肉類品質安全的擔憂。肉類摻假不僅涉及經濟利益，更嚴重損害消費者權益和身體健康，尤其向清真肉制品中摻雜豬肉會涉及宗教信仰問題，嚴重影響社會安定[1,2]。

目前，國內外對于摻假肉鑒定的傳統方法主要有二維聚丙烯酰胺凝膠電泳(2D SDS-PAGE)、聚合酶鏈式反應(PCR)、酶聯免疫吸附測定(Elisa)、質譜(MS)[3～6]。SDS-PAGE技術最先被用來鑒定肉類制品的組分，這種方法的缺陷是無法進行痕量分析，檢測限也非常高(不同組分肉類含量在5%以上才能被檢出)。使用Elisa技術很難一次完成多種肉類產品的鑒定，且成本高。PCR法是目前肉質鑒定的最通用方法，然而其DNA檢測試劑盒非常昂貴，前處理繁瑣耗時，另外肉類加工過程中DNA易遭破壞，限制了該方法使用。質譜方法進行肉類鑒別，是基于蛋白或多肽進行的特異性檢測，需要復雜的前處理，對檢測工作者要求較高。以上傳統檢測方法雖然都可以實現肉類的真實性鑒別，但樣品預處理過程復雜、操作耗時、檢測成本高、對操作人員技術要求高，無法實現快速、無損、現場檢測。

電子鼻是基于目標物的揮發性成分，采用氣體傳感器建立響應曲線快速識別氣味組成的系統。設備無需對檢測對象進行預處理，保留其完整性即可得到樣品中揮發成分的整體指紋信息。結合統計分析方法，對指紋數據進行分析，建立數據庫，即可實現未知物的快速定性和定量檢測[7～11]。

本文以混入不同比例豬肉的摻假牛肉為研究對象，研究電子鼻快速檢測牛肉中摻雜豬肉的可行性，結合主成分分析(PCA)定性鑒別摻假牛肉，為牛肉摻假快速檢測提供技術依據。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器、設備、工具

1.1.1 材料

試驗用牛肉、豬肉樣品均購自山東濰坊佳樂家超市，樣品采購后分別單獨密封，至實驗室后立即進行樣品制備。

1.1.2 儀器、設備、工具

電子鼻PEN3型，德國Airsense公司；

絞肉機MR9401，摩飛公司；

天平，案板和刀具。

1.2 樣品制備

1.2.1 建模集樣品

以牛肉為基礎，制備摻入不同比例豬肉的假牛肉樣品，用于建模。將采購的新鮮牛肉、豬肉樣品去除筋膜和大部分脂肪后切小塊，按質量比0%、10%、30%、50%、70%、100%將豬肉塊摻入牛肉塊中，將混合好的豬肉塊和牛肉塊放入絞肉機運行10s，制備成摻假肉糜。每組摻假比例的樣品制備平行樣10個，每個樣品平行測定3次。

1.2.2 驗證集樣品

以牛肉為基礎，制備摻入不同比例豬肉的假牛肉樣品，用于驗證鑒別模型的準確性。將采購的新鮮牛肉、豬肉樣品去除筋膜和大部分脂肪后切小塊，按質量比0%、5%、15%、20%、30%、60%、80%、100%制備8種摻假比例的假牛肉樣品，每組樣品平行樣5個，共制備40個樣品作為驗證集樣品。

1.3 電子鼻采集

取待分析樣品10g，置于100mL燒杯中，用三層保鮮膜密封，靜置平衡20min后，25℃環境下采用頂空吸氣法進行電子鼻檢測。打開電子鼻系統，將零氣針和進樣針通過保鮮膜插入燒杯，設置試驗參數：清洗時間60s，傳感器歸零時間5s，準備時間5s，數據采集時間70s，進樣流量200mL/min。每個樣品平行測定3次。

1.4 數據分析

采用電子鼻自帶WinMuster軟件對采集的傳感器響應數據進行主成分分析(principal component analysis,PCA)，為提高清晰度，最終圖形通過origin繪制。采用Excel對10個傳感器的影響規律進行繪圖和分析。

2 結果與分析

2.1 摻假牛肉的電子鼻傳感器響應規律

對每組摻假樣品(9種摻假比例，共9組)，測定10個樣品在電子鼻10個傳感器陣列的響應情況，對每個傳感器的響應，提取其第70s的數據計算平均值，以每組摻假牛肉糜樣品在10個傳感器的第70s特征值均值進行繪圖分析。結果如圖1。

圖1 不同比例摻假牛肉樣品在10個傳感器的響應情況

如圖1所示，傳感器S2、S6、S8和S10對不同摻假肉的響應較強烈，其它傳感器的響應信號相對較低，且隨樣品組成變化不大。傳感器S2、S6的響應呈現相同的規律，即隨著摻入豬肉的比例升高，傳感器信號的均值呈現下降趨勢，而S8和S10呈現相反的規律。說明不同摻假比例的牛肉樣品，在10個傳感器上的響應規律不同，綜合其指紋信息，可以將其有效區分。

2.2 主成分分析

提取各比例摻假牛肉建模樣品在電子鼻10個傳感器陣列的第70s穩態值數據，進行主成分分析，研究該時間點信號對不同摻假牛肉的區分效果，其結果見圖2。

(摻豬肉比例：0% ◇10% ■30% □50% △70% 100%)圖2 不同摻豬肉比例的摻假牛肉的PCA分析圖

主成分分析結果表明，第一主成分的貢獻率為59.48%，第二主成分的貢獻率為37.25%，兩者累積貢獻率為96.73%，說明兩個主成分能解釋大部分數據信息，區分度很好。采用主成分分析方法，可將不同牛肉樣品分為3大類：純牛肉樣品(摻假比例0%)、純豬肉樣品(摻假比例100%)和摻假牛肉樣品(摻假比例10%～70%)。3大類樣品能很好區分，幾乎無交叉。對于摻假牛肉樣品組，摻假比例接近的樣品，其主成分分析中有部分數據有重疊，但重疊情況不影響對摻假情況的定性判別，且不同比例摻假牛肉樣品的數據點分布呈現相同規律，即隨著第一主成分增加的方向，牛肉樣品中摻入豬肉的比例降低。

2.3 驗證集樣品分析

采用1.2.2中制備的驗證集樣品，按照本實驗1.3方法采集電子鼻數據，與1.2.1中建模集樣品一起，提取各樣品第70s的特征值，同時進行主成分分析。參照圖2，根據驗證集樣品在主成分分析中的位置，判定其是否摻假。結果表明，經主成分分析，參與驗證的40個樣品中，有5個為純牛肉樣品，6個為純豬肉樣品，29個為摻假牛肉樣品。與驗證集樣品真實情況(5個純牛肉，5個純豬肉，30個摻假牛肉樣品)相比，僅有1個樣品由摻假牛肉樣品判別為豬肉樣品，39個樣品判斷準確，準確率為97.5%。

3 結論

采用電子鼻結合主成分分析法成功實現了純牛肉、純豬肉、摻豬肉假牛肉的有效鑒別，2個主成分的累積貢獻率為97.36%，很好覆蓋了10個電子鼻傳感器的信號數據。通過40個驗證集樣品的驗證，該方法建立的模型，判別準確度為97.5%，可實現摻豬肉比例5%～80%的摻假牛肉的鑒別。通過繼續完善摻假比例數據，可使模型實用性和準確性更高。