基于電子舌的不同儲(chǔ)藏期紅魚粉區(qū)分與新鮮度評(píng)價(jià)

■ 王 莉 牛群峰 趙紅月 惠延波

（1.河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450007；2.河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，河南鄭州450007）

我國(guó)作為飼料生產(chǎn)大國(guó)，越來越多的魚粉需要進(jìn)口。但在魚粉儲(chǔ)藏過程中，由于原料魚的品質(zhì)和儲(chǔ)藏方法等因素影響，魚粉品質(zhì)會(huì)隨之發(fā)生變化，這將直接使魚粉營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低、同時(shí)影響動(dòng)物的消化與免疫能力。因此魚粉新鮮度是魚粉質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中的重要分支，對(duì)魚粉新鮮度檢測(cè)一直是飼料工業(yè)研究的重要內(nèi)容之一。目前對(duì)魚粉品質(zhì)評(píng)價(jià)主要為常規(guī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的檢測(cè)，對(duì)魚粉新鮮度的新型檢測(cè)方法仍在研究中。評(píng)價(jià)魚粉新鮮度的重要指標(biāo)主要為揮發(fā)性鹽基氮、組胺、酸價(jià)與過氧化值含量等。

電子舌[1-5]是一種利用選擇性、非特異性的金屬電極陣列感測(cè)樣品的整體特征響應(yīng)信號(hào)，通過模式識(shí)別或合適的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，對(duì)樣品進(jìn)行定性定量分析的新型現(xiàn)代化分析儀器。電子舌技術(shù)研究近些年得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、藥品工業(yè)等方面。將電子舌技術(shù)應(yīng)用于不同魚粉新鮮度品質(zhì)的評(píng)價(jià)，為飼料行業(yè)魚粉新鮮度客觀無損檢測(cè)提供一種新的方便有效方法。

1 電子舌檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

電子舌檢測(cè)系統(tǒng)主要包括電子舌激勵(lì)采集模塊、電子舌分析識(shí)別模塊和顯示模塊。其中，電子舌激勵(lì)采集模塊用于采集魚粉溶液響應(yīng)電流信號(hào)；電子舌分析識(shí)別模塊用于識(shí)別不同新鮮度的魚粉和檢測(cè)魚粉新鮮度評(píng)價(jià)指標(biāo)含量；顯示模塊用于顯示分析結(jié)果。圖1為電子舌檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電子舌檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子舌檢測(cè)系統(tǒng)包含的主要功能模塊見圖2。電子舌激勵(lì)采集模塊包括：多傳感器陣列單元、激勵(lì)電勢(shì)信號(hào)產(chǎn)生單元、信號(hào)調(diào)理單元和響應(yīng)電流信號(hào)采集單元。其中，多傳感器陣列單元用于感知待測(cè)魚粉溶液的整體特征；激勵(lì)電勢(shì)信號(hào)產(chǎn)生單元用于產(chǎn)生待測(cè)魚粉溶液所需的循環(huán)伏安掃描電勢(shì)；信號(hào)調(diào)理單元用于對(duì)響應(yīng)電流信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號(hào)；響應(yīng)電流信號(hào)采集單元負(fù)責(zé)采集待測(cè)魚粉溶液電子舌響應(yīng)的電壓信號(hào)。系統(tǒng)由多傳感器陣列、電路板、NI機(jī)箱等硬件和基于LabVIEW8.6虛擬儀器平臺(tái)開發(fā)的激勵(lì)電勢(shì)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、傳感器優(yōu)化、分析處理、顯示等軟件組成。多傳感器陣列采用金屬電極：工作電極、參比電極和輔助電極。工作電極為2 mm鉑、金、銀、鈀、鈦、鎢盤電極組合，參比電極為6 mm Ag/AgCl電極，輔助電極為1×5 mm鉑柱電極。

電子舌分析識(shí)別模塊主要包括魚粉區(qū)分識(shí)別單元和魚粉新鮮度評(píng)價(jià)指標(biāo)含量檢測(cè)單元。魚粉區(qū)分識(shí)別單元采用主成分分析法定性區(qū)分識(shí)別不同新鮮度的魚粉樣本；魚粉新鮮度評(píng)價(jià)指標(biāo)含量檢測(cè)單元用于建立電子舌響應(yīng)電流信號(hào)與評(píng)價(jià)指標(biāo)含量的預(yù)測(cè)模型，采用所建立的預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到響應(yīng)電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的魚粉新鮮度評(píng)價(jià)指標(biāo)含量。本文采用魚粉中所含揮發(fā)性鹽基氮含量作為魚粉新鮮度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖2 電子舌檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能模塊

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)原料

取進(jìn)口秘魯蒸汽干燥紅魚粉均勻放置于溫度30℃、濕度60%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中儲(chǔ)藏，每天監(jiān)測(cè)溫度和濕度。每隔7 d取出2份試樣，一份用于電子舌系統(tǒng)檢測(cè)，一份用于化學(xué)方法分析，對(duì)試樣的鹽基氮含量進(jìn)行檢測(cè)并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期35 d。

2.2 主要儀器

電子舌檢測(cè)系統(tǒng)；5-12型箱式電阻爐；T6紫外可見分光光度計(jì)；AR2140電子分析天平；101A-1B電熱鼓風(fēng)干燥箱；DL-1型萬用電爐；WS-A1型溫濕度表；YC-D205加濕器。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 電子舌檢測(cè)方法

稱取5 g標(biāo)準(zhǔn)新鮮度紅魚粉試樣置于錐形瓶中，加入30 ml蒸餾水，震蕩并浸泡30 min后用濾紙過濾，蒸餾水稀釋至50 ml（V總）備用。移取30 ml濾液用于電子舌系統(tǒng)的檢測(cè)。將電子舌的多傳感器陣列置于魚粉濾液之中，檢測(cè)裝置開始工作。首先采集待測(cè)魚粉溶液在循環(huán)伏安掃描電勢(shì)激勵(lì)下、在不同工作電極下產(chǎn)生的響應(yīng)電流信號(hào)，然后對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行分析、處理和識(shí)別，得到不同新鮮度的魚粉區(qū)分識(shí)別圖和魚粉新鮮度評(píng)價(jià)指標(biāo)含量，并輸出顯示。

循環(huán)伏安法的參數(shù)設(shè)置：初始電位Ei=-2 V；低電位為E=-2 V；高電位為E=+2 V；終止電位為Ef=-2 V；掃描速率為100 mV/s；數(shù)據(jù)采樣頻率為100 Hz。電子舌對(duì)編號(hào)為A1～A6的不同新鮮度紅魚粉樣本進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)編號(hào)的魚粉樣本重復(fù)測(cè)取5次，共進(jìn)行30次電子舌實(shí)驗(yàn)。每一個(gè)魚粉樣本的電子舌信息由6種金屬工作電極的電流響應(yīng)來表征。編號(hào)為A1的魚粉樣本的伏安響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 魚粉樣本的伏安響應(yīng)曲線

2.3.2 揮發(fā)性鹽基氮含量的化學(xué)測(cè)量

揮發(fā)性鹽基氮[6-7]含量測(cè)定：從50 ml紅魚粉濾液(V總)移取5 ml(V分)濾液置于蒸餾反應(yīng)室，加入5 ml氧化鎂懸浮液后迅速蓋塞。將20 ml 2%硼酸吸收液置于錐形瓶中，滴加2～3滴混合指示劑，將蒸餾器冷凝管伸入錐形瓶液面以下。通蒸汽蒸餾至硼酸吸收液顏色不再變化，用pH試紙?jiān)诶淠芸跈z測(cè)為酸性則停止。對(duì)吸收液用0.01 mol/l鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定，滴定至藍(lán)綠色轉(zhuǎn)為灰紅色半分鐘內(nèi)無顏色變化即為滴定終點(diǎn)。揮發(fā)性鹽基氮含量的計(jì)算公式：X=（V1-V2）×C×14×100/m×（V分/V總）。式中：X為揮發(fā)性鹽基氮含量（mg/100 g），V1為消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)液體積（ml），C為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)液濃度（mol/l），V2為空白消耗鹽酸體積（ml），m為試樣質(zhì)量（g）。2.3.3 電子舌數(shù)據(jù)分析處理方法

主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）是一種降維處理方法，能夠把原有多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合指標(biāo)的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。用較少的幾個(gè)綜合指標(biāo)代替原來的變量指標(biāo)，而且這些較少的綜合指標(biāo)技能盡量多地反映原來較多變量指標(biāo)所反映的信息，同時(shí)它們之間又是彼此獨(dú)立的。本文采用主成分分析方法定性識(shí)別不同新鮮度的魚粉樣本。通常取主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85%～95%的特征值所對(duì)應(yīng)的主成分來表征樣品信息。

魚粉樣本電子舌響應(yīng)電流信號(hào)均存在一定的噪聲干擾、毛刺，在對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)分析之前需進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，得到高信噪比的數(shù)據(jù)信號(hào)。采用主成分分析算法前需對(duì)魚粉樣本數(shù)據(jù)矩陣做標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 魚粉樣本揮發(fā)性鹽基氮的含量分析（見圖4）

圖4 不同新鮮度魚粉揮發(fā)性鹽基氮含量

從圖4可以看出，魚粉中的揮發(fā)性鹽基氮含量隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加而增加，在儲(chǔ)藏初期不斷增加，后期略有下降。從儲(chǔ)藏開始的97.32 mg/100 g增加到儲(chǔ)藏21 d的124.37 mg/100 g，到儲(chǔ)藏28 d的118.48 mg/100 g。揮發(fā)性鹽基氮含量作為魚粉中微生物分解產(chǎn)生的揮發(fā)性氨和胺類物質(zhì)，它的增加可作為魚粉品質(zhì)降低的重要指標(biāo)。因此，隨著魚粉儲(chǔ)藏時(shí)間的增加，實(shí)驗(yàn)中的魚粉品質(zhì)隨之慢慢下降，雖然揮發(fā)性鹽基氮含量值在儲(chǔ)藏后期出現(xiàn)較少降低，可能是隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增長(zhǎng)鹽基氮有少量分解揮發(fā)的緣故。

3.2 電子舌系統(tǒng)對(duì)紅魚粉區(qū)分與新鮮度評(píng)價(jià)

3.2.1 紅魚粉新鮮度定性區(qū)分

電子舌系統(tǒng)對(duì)0～35 d編號(hào)為A1～A6魚粉整體品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)行不同儲(chǔ)藏期紅魚粉區(qū)分與新鮮度評(píng)價(jià)。六種不同金屬工作電極（Pt、W、Ag、Pd、Ti、Au）對(duì)同一種魚粉的電流響應(yīng)反映了魚粉樣本的整體信息，因此可以采用六種工作電極的電流響應(yīng)來表征一種魚粉樣本。每一種魚粉樣本作為一個(gè)觀測(cè)，魚粉樣本的電流響應(yīng)為樣本數(shù)據(jù)值，構(gòu)造編號(hào)為A1～A6魚粉樣本的數(shù)據(jù)矩陣。采用主成分分析算法對(duì)魚粉樣本數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行分析處理，由于前兩個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到85%以上，能夠充分表征魚粉的樣本信息。因此選擇前兩個(gè)主成分對(duì)不同儲(chǔ)存時(shí)間即不同新鮮度的魚粉樣本進(jìn)行分類識(shí)別。此外，魚粉樣本數(shù)據(jù)中在測(cè)量過程存在個(gè)別樣本奇異性，在數(shù)據(jù)處理過程中要對(duì)奇異的個(gè)別樣本測(cè)量值選擇合適的數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行剔除。魚粉的電子舌響應(yīng)數(shù)據(jù)主成分分析數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖5所示。圖中每個(gè)點(diǎn)代表測(cè)取的合格數(shù)據(jù)，每個(gè)區(qū)域代表同一樣品的樣品內(nèi)差異，區(qū)域之間代表不同樣品之間的整體差異。

圖5 魚粉樣本的主成分分析結(jié)果

從圖5中可以看出，①電子舌系統(tǒng)能夠?qū)?～35 d編號(hào)為A1～A6的6種不同儲(chǔ)藏期的魚粉樣本很好地區(qū)分開。不同儲(chǔ)藏期的紅魚粉具有不同的分布區(qū)域，魚粉樣本的主成分得分圖能夠展示不同儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)魚粉新鮮度的影響，區(qū)分效果顯著。②結(jié)合不同儲(chǔ)藏時(shí)間魚粉樣本揮發(fā)性鹽基氮的含量變化規(guī)律，除前14 d區(qū)分較弱外，不同儲(chǔ)藏期魚粉樣本沿著主成分得分圖縱軸依次排列，能夠清楚展示不同儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)魚粉新鮮度影響，表明電子舌系統(tǒng)能夠作為魚粉新鮮度評(píng)價(jià)和魚粉品質(zhì)控制的定性分析方法。

3.2.2 紅魚粉鹽基氮含量定量預(yù)測(cè)模型

從以上分析結(jié)果可以看出，電子舌系統(tǒng)能夠很好地分類識(shí)別出不同新鮮度的魚粉樣本，而且魚粉樣本揮發(fā)性鹽基氮TVB-N含量與電子舌響應(yīng)具有相關(guān)性，本文建立所述電子舌響應(yīng)電流信號(hào)與評(píng)價(jià)指標(biāo)含量的預(yù)測(cè)模型，采用所建立的預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到所述響應(yīng)電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)含量——鹽基氮含量。由于主成分分析數(shù)據(jù)維數(shù)較多，先對(duì)魚粉的電子舌響應(yīng)電流信號(hào)值進(jìn)行降維處理，數(shù)據(jù)通過主成分分析降維，把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，而盡量不改變指標(biāo)體系對(duì)因變量的解釋程度。經(jīng)過處理，PCA將原始數(shù)據(jù)壓縮至5個(gè)主成分分量，即PC1-PC5，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到87.285%。以這5個(gè)主成分分量為自變量，魚粉的TVB-N的含量為因變量，應(yīng)用主成分回歸建立預(yù)測(cè)模型。

主成分回歸（PCR）的預(yù)測(cè)模型為：

TVB-N含量的主成分回歸的預(yù)測(cè)值和其實(shí)測(cè)值線性擬合的相關(guān)系數(shù)為：R=0.819 5。由式（1）可根據(jù)5個(gè)主成分分量值預(yù)測(cè)出魚粉的TVB-N的含量，實(shí)現(xiàn)表征魚粉新鮮度指標(biāo)的定量分析。

4 結(jié)論

電子舌是利用液體傳感器陣列的響應(yīng)信號(hào)結(jié)合模式識(shí)別方法來識(shí)別待測(cè)物的智能仿生系統(tǒng)，是人類味覺的延續(xù)。本文設(shè)計(jì)一種電子舌系統(tǒng)對(duì)不同新鮮度的紅魚粉樣本進(jìn)行伏安檢測(cè)，并采用主成分分析、主成分回歸預(yù)測(cè)模型進(jìn)行分類識(shí)別和分析評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)建的電子舌測(cè)試系統(tǒng)能夠應(yīng)用于不同新鮮度的紅魚粉樣本的定性定量分析檢測(cè)中，為不同新鮮度魚粉快速無損檢測(cè)評(píng)價(jià)提供了新的檢測(cè)方法和應(yīng)用方向。