針對(duì)鳊魚新鮮度的氣敏傳感器篩選與陣列構(gòu)建

黃星奕，顧菲菲

( 江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

魚肉不僅味道鮮美，且營養(yǎng)價(jià)值極高。其蛋白質(zhì)含量為豬肉的兩倍，屬于優(yōu)質(zhì)蛋白，人體吸收率高。然而由于富含高蛋白，魚肉又是極易腐敗的一種物質(zhì)，誤食會(huì)引發(fā)中毒甚至死亡，嚴(yán)重危害消費(fèi)者健康。因此，尋求快速、準(zhǔn)確、客觀的魚新鮮度檢測方法十分必要。目前魚的新鮮度檢測方法主要有感官評(píng)定、理化指標(biāo)、微生物法和現(xiàn)代儀器技術(shù)［1］。感官評(píng)價(jià)法由專門的測評(píng)人員根據(jù)魚的體表色澤、組織形態(tài)、組織彈性及散發(fā)的氣味等來評(píng)價(jià)魚的新鮮度［2］，它能快速獲得魚的新鮮度信息，但易受測評(píng)人員身體及心理的影響，結(jié)果缺乏客觀性［3］。實(shí)驗(yàn)室常用的化學(xué)方法和微生物法有三甲胺(TMA)［4］、揮發(fā)性鹽基氮(TVBN)、細(xì)菌總數(shù)［1］等，這些方法結(jié)果準(zhǔn)確，但操作耗時(shí)耗力，不能達(dá)到快速的要求。對(duì)于微生物檢測方法而言，需要提高靈敏度和特異性［5］?，F(xiàn)代儀器法包括氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)［6］、電子鼻［7-10］等。GC-MS 結(jié)果精確，能獲得氣味成分信息，但操作時(shí)間長，設(shè)備昂貴;電子鼻可準(zhǔn)確快速獲取樣本氣味的整體信息，操作簡單，成本低。目前已經(jīng)商業(yè)化的電子鼻被廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)產(chǎn)品、食品氣味的檢測中，但其傳感器針對(duì)性不強(qiáng)，因而在魚新鮮度檢測中沒有顯著優(yōu)勢?；谏鲜銮闆r，本課題專門針對(duì)魚類檢測的需要，開展氣敏傳感器篩選及傳感器陣列構(gòu)建的研究。以期在此傳感器陣列基礎(chǔ)上自主研發(fā)出響應(yīng)快、精度高，專用于魚新鮮度評(píng)價(jià)的電子鼻系統(tǒng)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用鳊魚樣本(parabramis pekinensis) 為分兩個(gè)批次購自當(dāng)?shù)厮a(chǎn)市場的鮮活鳊魚，大小相近，重量為(400 ±50)g，于冰箱內(nèi)恒溫4℃貯藏。

手動(dòng)頂空固相微萃取(SPME) 進(jìn)樣器美國Supelco 公司;50/30μm 羧乙基-聚二乙烯基苯DVB/CAR/PDMS 萃取纖維頭、PDMS/DVB 聚二甲基硅氧烷/二乙烯苯萃取頭美國Supelco 公司;Agilent 6890-5973 氣質(zhì)聯(lián)用儀 美國Agilent 公司;PC-420磁力恒溫?cái)嚢杵?美國Corning 公司;氣敏傳感器日本Figaro 公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 GC-MS 樣本準(zhǔn)備 稱取鳊魚肉4g，用組織勻漿機(jī)勻漿后放入15mL 萃取瓶中。將2cm-50/30μm CAR/PDMS/DVB 萃取頭插入到樣本瓶的頂空部分，推出纖維頭，于60℃吸附40min，置于氣相色譜儀進(jìn)樣口250℃解吸5min，用于GC-MS 分析檢測。

電子鼻樣本:將整條魚放入樣本室用于電子鼻無損檢測。每天測量8 個(gè)樣本，連續(xù)檢測4d。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)條件 色譜條件:DB WAX 彈性毛細(xì)管柱60m×0.25mm ×0.25μm;程序升溫:柱初溫40℃保持4min，以5℃/min 的速率升溫至90℃，再以10℃/min的速率升溫至230℃，保持10min。進(jìn)樣口溫度為250℃，載氣為氦氣，以0.8mL/min 的恒定流速流動(dòng)，不分流進(jìn)樣，接口溫度為250℃。

質(zhì)譜條件:電離方式為電子轟擊模式(EI)，電離電壓70eV，離子源溫度200℃，掃描質(zhì)量范圍33～450amu。

電子鼻檢測條件:集氣時(shí)間4min，檢測時(shí)間3min，恒溫20℃。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 GC-MS 數(shù)據(jù):采用HP 化學(xué)工作站軟件對(duì)照NIST 庫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，成分由庫譜鑒定，并結(jié)合揮發(fā)性氣體成分的保留時(shí)間、正反匹配度指數(shù)和可能性來進(jìn)行定性研究。本研究顯示的是正反匹配指數(shù)大于800(最大值1000)且可能性高于70%以上的鑒定結(jié)果。采用面積歸一化法相對(duì)定量。

電子鼻數(shù)據(jù):提取12 個(gè)傳感器的響應(yīng)平衡值，對(duì)特征提取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析和判別分析。

2 檢測與分析

2.1 GC-MS 檢測與分析

樣本在冰箱內(nèi)4℃恒溫貯藏12d，每天的檢測分析結(jié)果如表1。共檢測出47 種物質(zhì)，主要為醇類(15種)、醛酮類(10 種)、醚(2 種)、酯(1 種)、烴類(3種)、苯(4 種)、酚(1 種)、酸類(3 種)物質(zhì)，后期還檢測出了含硫物質(zhì)各2 種，含氮物質(zhì)及其他物質(zhì)5 種。

從表1 可看出，鳊魚樣本從新鮮到腐敗，整個(gè)貯藏過程中，全程都出現(xiàn)的物質(zhì)有:C4～C9 醇類(1-己醇、1-壬醇、1-戊醇(后期減少)、1-辛醇、3-甲基-1-丁醇)、己醛、壬醛、1-辛烯、十七烷、甲氧基-苯基-肟、萘。中期出現(xiàn)的物質(zhì)有:1-丁醇、棕櫚醛、冠醚、1，2，3，4-四甲基苯。后期出現(xiàn)的物質(zhì)有:1-丙醇、乙醇、庚醇、苯乙醇、丙酮、3，5，5-三甲基-2 -己烯、含S 物質(zhì)、含N 物質(zhì)。

分析樣本從新鮮到腐敗過程中始終存在的十幾種物質(zhì)，大致分為C5～C9 醇、醛、酮、烴類以及其他物質(zhì)。其中己醛、1-辛醇是魚肉特有的魚腥味成分［11］;壬醛具有蠔味，壬醛的產(chǎn)生可能是由于脂肪的氧化作用［12］;魚體中萘的存在是由于環(huán)境污染而產(chǎn)生的污染物，對(duì)魚品質(zhì)有較大的影響［12］。甲氧基-苯基-肟在沈麗［11］的研究結(jié)果中也有出現(xiàn)，說明不是偶然。1-己醇、3-辛酮也是魚的揮發(fā)性物質(zhì)中必然出現(xiàn)的成分［11］。

分析后期出現(xiàn)的物質(zhì)可看出，含氮(三甲胺)、含硫物質(zhì)含量明顯升高。含氮物質(zhì)的產(chǎn)生是由于在微生物的分解代謝中，氨基酸經(jīng)脫羧作用產(chǎn)生胺，三甲胺(TMA)是魚腐敗中產(chǎn)生的典型胺［13］。含硫化合物是烤肉制品中重要的呈香物質(zhì)，來源于氨基酸和還原糖之間的Maillard 反應(yīng)、氨基酸及硫胺素的熱解反應(yīng)。其含量雖不高，但香氣閾值低，對(duì)魚肉香味的產(chǎn)生有重要影響［6］。

2.2 傳感器篩選與陣列構(gòu)建

氣敏傳感器是電子鼻系統(tǒng)的心臟，傳感器選取的恰當(dāng)與否將直接影響到樣本檢測結(jié)果的好壞。目前市場上常用的傳感器類型有:金屬氧化物型(MOS)、導(dǎo)電聚合物型(CP)、石英晶體微平衡型(QCM)、聲表面波型(SAW)等［14］。MOS 型因其價(jià)格便宜、適用范圍廣、技術(shù)成熟，是應(yīng)用最多的一種傳感器。

本研究選用Figaro 公司的TGS 系列傳感器。TGS 氣敏傳感器的敏感材料為金屬氧化物，典型材料是氧化錫(SnO2)。其反應(yīng)原理是:傳感器自帶的加熱電路將SnO2晶體在空氣中加熱到一定溫度，此時(shí)空氣中的氧氣以負(fù)價(jià)形態(tài)(O-)吸附在SnO2晶粒表面。在SnO2顆粒的晶界處，由于氧氣吸附電子，使得正電荷充斥在空間電荷層，形成高的表面電勢，阻礙載流子自由運(yùn)動(dòng)，從而形成電阻。當(dāng)還原性氣體如CO 通過傳感器時(shí)，與晶粒表面的O-發(fā)生反應(yīng)，O-量減少，相應(yīng)地，正電荷量減少。此時(shí)晶界處表面電勢降低，載流子自由運(yùn)動(dòng)，電阻減小。反應(yīng)過程主要反應(yīng)式見式(1)、式(2)。

表1 的分析結(jié)果顯示，鳊魚樣本在貯藏過程中從新鮮到腐敗的主要揮發(fā)性物質(zhì)為醇、醛酮類、烴、苯、酸，還有少許的鹵素物質(zhì)。在貯藏后期還有含氮含硫物質(zhì)生成。據(jù)此，選取針對(duì)性的傳感器組成陣列，型號(hào)為 TGS825 (硫化氫)、TGS832 (鹵烴)、TGS831(鹵烴)、TGS822(有機(jī)溶劑)、TGS813(烴類)、TGS816(烴類)、TGS880(乙醇)、TGS826(氨)、TGS2610(烴類)、TGS2611(甲烷)、TGS2600(室內(nèi)污染物，CO2)、TGS2620(有機(jī)溶劑，乙醇)。在對(duì)針對(duì)魚氣味的傳感器的篩選中，并沒有專門用于檢測羰基類化合物的傳感器，但傳感器的廣譜響應(yīng)特性可以很好地彌補(bǔ)這一不足。

表1 鳊魚樣本貯藏過程中揮發(fā)性物質(zhì)SPME-GC-MS 分析結(jié)果Table 1 SPME-GC-MS analysis results of parabramis pekinensis as the storing time prolonging

續(xù)表

12 個(gè)傳感器對(duì)樣本的響應(yīng)曲線如圖1。響應(yīng)過程中，傳感器的響應(yīng)值先緩慢增長，后快速上升，最后又趨于平緩，直至平衡。由于1#、2#的響應(yīng)值很大，而10#、11#傳感器的響應(yīng)值很小，在圖中表現(xiàn)出來的就是10#、11#的響應(yīng)曲線幾乎水平，但其變化是確實(shí)存在的(以10#傳感器為例，響應(yīng)變化值/初始值=38%)。以8#傳感器TGS826 為例，傳感器對(duì)樣本在不同貯藏期的響應(yīng)情況差異明顯，見圖2。

圖1 傳感器對(duì)樣本的響應(yīng)情況Fig.1 Sensors responses of one sample

12 個(gè)傳感器對(duì)同一樣本不同貯藏期的響應(yīng)情況如圖3。從圖3 可看出，12 個(gè)傳感器對(duì)不同天數(shù)的魚樣本響應(yīng)值均不同，11#傳感器TGS2600(苯類)響應(yīng)值雖小，但變化明顯。除1#傳感器TGS825(含硫物質(zhì))響應(yīng)值穩(wěn)定上升外，其余傳感器并沒有規(guī)律的變化，這是由于魚樣本在貯藏過程中有的物質(zhì)含量增加(如含氮含硫物質(zhì))而有的物質(zhì)含量減少(如1-戊醇)，因而傳感器不一定出現(xiàn)規(guī)律的上升趨勢。但是綜合12 個(gè)傳感器的響應(yīng)信號(hào)，是可以對(duì)不同貯藏期的魚樣本進(jìn)行區(qū)分的。

2.3 電子鼻檢測鳊魚新鮮度

圖2 樣本在不同貯藏期的響應(yīng)情況Fig.2 Sensor responses of one sample stored at different time

圖3 同一樣本不同天數(shù)的傳感器響應(yīng)情況Fig.3 Sensors response values of one sample stored at different time

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所篩選的傳感器檢測魚新鮮度的可行性，采用基于所篩選的傳感器陣列研發(fā)的電子鼻系統(tǒng)對(duì)4℃恒溫貯藏的鳊魚樣本進(jìn)行檢測。按貯藏天數(shù)4d 將鳊魚樣本分為四個(gè)新鮮度等級(jí)(每天為一個(gè)新鮮度等級(jí))，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)和Fisher 判別分析(FDA)。

PCA 是對(duì)原有多變量信息進(jìn)行線性變換，在盡可能多地保持原有信息的前提下，建立盡可能少的新變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。采用PCA 對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，結(jié)果如圖4。前三個(gè)主成分貢獻(xiàn)率為95.6%，因此采用這三個(gè)主成分表征所有變量信息。從圖4 可看出，不同新鮮度等級(jí)的鳊魚樣本區(qū)別明顯。

FDA 是通過投影，將多維空間降到一維空間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知類別的樣本進(jìn)行分類的一種分類方法。對(duì)鳊魚樣本進(jìn)行FDA 分析。在每個(gè)貯藏期取3/4 樣本作為訓(xùn)練集建立判別式，根據(jù)所建立的判別式和距離分析對(duì)剩余樣本進(jìn)行預(yù)測。識(shí)別結(jié)果見表2。樣本預(yù)測時(shí)，第2d 的第一個(gè)樣本被誤判到第1d。訓(xùn)練集和預(yù)測集的識(shí)別率分別為100%和87.5%。

圖4 鳊魚主成分分析結(jié)果Fig.4 PCA result of samples

表2 FDA 訓(xùn)練集、預(yù)測集識(shí)別率Table 2 Recognition rate of training set and predicting set

3 結(jié)論

本研究針對(duì)魚新鮮度的評(píng)價(jià)開展專用傳感器的篩選及傳感器陣列的構(gòu)建工作。采用GC-MS 對(duì)不同貯藏期的魚的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行檢測與分析，根據(jù)檢測與分析的結(jié)果對(duì)傳感器進(jìn)行篩選，從而構(gòu)建了一組針對(duì)魚新鮮度的傳感器陣列。采用基于該陣列的電子鼻系統(tǒng)檢測不同貯藏期的鳊魚樣本。FDA 訓(xùn)練集和預(yù)測集的識(shí)別率分別達(dá)100%和87.5%。說明該傳感器的篩選方法是切實(shí)可行的，據(jù)此所構(gòu)建的傳感器陣列與電子鼻系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確、客觀地用于魚新鮮度的判別。

［1］侯瑞鋒，黃嵐.肉品新鮮度檢測方法［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2005(5) :76-80.

［2］Jensen B，Undeland I.Methods to evaluate fish freshness in research and industry ［J］.Trends in Food Science and Technology，1997(8) :258-265.

［3］董彩文.魚肉新鮮度測定方法研究進(jìn)展［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2004，30(4) :99-103.

［4］Ocano-Higuera V M，Aeda-Martinez A N，Marquez-Rios E，et al.Freshness assessment of ray fish stored in ice by biochemical，chemical and physical methods［J］.Food Chemistry，2011，125:49-54.

［5］勵(lì)建榮，李婷婷，李學(xué)鵬.水產(chǎn)品鮮度品質(zhì)評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展［J］.北京工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，28(6) :1-8.

［6］王霞，黃鍵，侯云丹.電子鼻結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析黃鰭金槍魚肉的揮發(fā)性成分［J］.食品科學(xué)，2012，33(12) :268-272.

［7］ Schweizer - Berberich P M，Vaihinger S，Gopel W.Characterization of food freshness with sensor arrays［J］.Sensors and Actuators B，1994，18(1-3) :282-290.

［8］Barbri N E，Amari A，Vinaixa M，et al.Building of a metal oxide gas sensor-based electronic nose to assess the freshness of sardines under cold storage［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2007，128(1) :235-244.

［9］張軍，李小昱，王為.基于虛擬儀器的淡水魚鮮度電子鼻測量系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(3) :110-113.

［10］張軍，李小昱，王為.電子鼻檢測鰱魚新鮮度的實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(4) :129-142.

［11］沈麗，張麗君，許柏球.固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法測定鯽魚體中揮發(fā)性物質(zhì)［J］.食品工業(yè)科技，2011，32(6) :161-163.

［12］趙慶喜，薛長湖，徐杰，等.微波蒸餾-固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜-嗅覺檢測器聯(lián)用分析鳙魚魚肉中的揮發(fā)性成分［J］.色譜，2007，25(2) :267-271.

［13］周益奇，王子健.鯉魚體中魚腥味物質(zhì)的提取和鑒定［J］.分析化學(xué)，2006，34:165-167.

［14］張覃軼.電子鼻: 傳感器陣列、系統(tǒng)及應(yīng)用研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2005:11-12.