電子鼻—主成分分析—線性回歸擬合法檢測(cè)江平蝦冷藏過(guò)程中的新鮮度

王曉龍　馬華威　譚日健　路燕　顏鋒　陳軍妃　莫乃靜　黃琪喜

摘 要：利用電子鼻-主成分分析-線性回歸擬合模型（electronic nose-principal component analysis-linear regression fitting model，EN-PCA-LRFM）法對(duì)江平蝦冷藏過(guò)程中的新鮮度進(jìn)行定性和定量分析。對(duì)不同冷藏時(shí)間的江平蝦進(jìn)行EN檢測(cè)，記錄對(duì)應(yīng)揮發(fā)性成分的響應(yīng)值，然后利用PCA和LRFM分別進(jìn)行定性判別和定量分析，構(gòu)建檢測(cè)江平蝦冷藏過(guò)程中新鮮度變化的EN-PCA-LRFM法。結(jié)果表明：電子鼻的S1、S3、S4、S5、S6傳感器對(duì)8 組樣品的響應(yīng)較好，45～49 s內(nèi)的平均響應(yīng)值可作為特征值進(jìn)行分析；PCA能夠?qū)Σ煌洳貢r(shí)間的樣品進(jìn)行明顯區(qū)分，可用于定性分析；LRFM的決定系數(shù)為0.884 1，預(yù)測(cè)值和真實(shí)值呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，表明該模型具有較好的泛化性。基于EN-PCA-LRFM法定性和定量檢測(cè)江平蝦冷藏過(guò)程中的新鮮度是可行的。

關(guān)鍵詞：江平蝦；電子鼻；主成分分析；線性回歸擬合模型；新鮮度

Abstract： The freshness of Jiangping shrimp stored under refrigeration was qualitatively and quantitatively analyzed by electronic nose-principal component analysis-linear regression fitting model （EN-PCA-LRFM）. Jiangping shrimp with different refrigeration times were detected with an electronic nose， the response values to volatile components were collected for qualitative and quantitative analysis by PCA and LREM， respectively. Lastly， an EN-PCA-LRFM method was presented to evaluate the freshness of refrigerated shrimp as a function of storage time. The results showed that sensor S1， S3， S4， S5 and S6 in the electronic nose gave better response to the samples in eight groups， and the mean response values between 45 and 49 s were selected as eigenvalues. PCA allowed complete discrimination of the samples with different refrigeration times and therefore could be used for qualitative analysis. The correlation coefficient of the developed LREM model was 0.884 1， and there was a linear relationship between the predicted and actual values， which showed that this model had good generality. Therefore， this study demonstrated the viability of using the EN-PCA-LRFM method to qualitatively and quantitatively analyze the freshness of Jiangping shrimp.

Key words： Jiangping shrimp； electronic nose； principal component analysis； linear regression fitting model； freshness

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201706008

中圖分類號(hào)：TS254.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-8123（2017）06-0040-05

引文格式：

王曉龍， 馬華威， 譚日健， 等. 電子鼻-主成分分析-線性回歸擬合法檢測(cè)江平蝦冷藏過(guò)程中的新鮮度[J]. 肉類研究， 2017， 31（6）： 40-44. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201706008. http：//www.rlyj.pub

WANG Xiaolong， MA Huawei， TAN Rijian， et al. Rapid detection of the freshness of Jiangping shrimp by electronic nose， principal component analysis and linear regression fitting model[J]. Meat Research， 2017， 31（6）： 40-44. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-201706008. http：//www.rlyj.pub

在蝦類的貯藏和運(yùn)輸過(guò)程中，隨著時(shí)間累積，在微生物的作用下，蛋白質(zhì)、氨基酸及其他含氮物質(zhì)會(huì)被分解為氨[1]、氧化甲胺[2]、吲哚[3]、硫化氫[4]和組胺[5]等揮發(fā)性低級(jí)產(chǎn)物，導(dǎo)致蝦體產(chǎn)生具有腐敗特征的臭味，顯著降低了蝦類產(chǎn)品的新鮮度和市場(chǎng)價(jià)值[6]，造成巨大損失。有研究[6-7]報(bào)道，盡管凍藏運(yùn)輸能使蝦類的保鮮時(shí)間較長(zhǎng)，但在短途貯運(yùn)中，凍藏設(shè)備的要求、費(fèi)用及耗能較高。尤其是在我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高、消費(fèi)者對(duì)水產(chǎn)品的需求量與日俱增的情況下，水產(chǎn)品的短途貯藏運(yùn)輸越來(lái)越受重視，因此，構(gòu)建短途冷藏貯運(yùn)過(guò)程中蝦類等水產(chǎn)品新鮮度的檢測(cè)方法對(duì)減少運(yùn)輸成本和保障經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要[7-8]。

目前，檢測(cè)蝦類新鮮度的方法主要有色譜法[9]、電泳法[10]、光譜法[11]、杯碟法[12]、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法[13]、雙模板分子印跡法[14]和酶聯(lián)免疫吸附劑測(cè)定法[15]等，但這些方法有費(fèi)時(shí)、費(fèi)用較高、靈敏度低或破壞樣品等不足。電子鼻（electronic nose，EN）技術(shù)是一種利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)曲線來(lái)識(shí)別樣品揮發(fā)性成分整體信息的無(wú)損分析技術(shù)[4]，其操作簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確[5-6]。在蝦類養(yǎng)殖和加工產(chǎn)業(yè)中，EN技術(shù)主要集中應(yīng)用于蝦類的產(chǎn)地鑒別、貨架期的判定及蝦類食品的摻假分析等方面[12-13]。同時(shí)EN技術(shù)可以結(jié)合主成分分析（principal component analysis，PCA）法[14]和線性回歸擬合模型（linear regression fitting model，LRFM）對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量分析[15]。

廣西北部灣海域具有獨(dú)特、優(yōu)良的蝦類生活環(huán)境，該區(qū)域內(nèi)南美白對(duì)蝦（Penaeus vannmei）的鮮度和質(zhì)地較其他區(qū)域更好，口味獨(dú)特，被冠以“江平蝦”地理品牌，是廣西北部灣欽州、防城港、北海3 市的重要經(jīng)濟(jì)類水產(chǎn)品。2012年，我國(guó)南美白對(duì)蝦的養(yǎng)殖量占對(duì)蝦養(yǎng)殖總量的75.82%，其中廣西地區(qū)南美白對(duì)蝦的年產(chǎn)量為17.73 萬(wàn)t，位居全國(guó)第二[16]。江平蝦的獨(dú)特口感與其在特殊生長(zhǎng)環(huán)境下自身生成的獨(dú)特成分有關(guān)，然而隨著貯運(yùn)時(shí)間的增加，其自身形成的揮發(fā)性氣味與新鮮樣品和其他蝦類會(huì)有顯著區(qū)別[17]，這為利用EN技術(shù)檢測(cè)、判別其短途冷藏貯運(yùn)過(guò)程中的新鮮度提供了基礎(chǔ)?；陔娮颖?主成分分析-線性回歸擬合模型（electronic nose-principal component analysis-linear regression fitting model，EN-PCA-LRFM）法，定性和定量檢測(cè)不同冷藏時(shí)間江平蝦的新鮮度具有重要的研究意義。本研究以江平蝦為研究對(duì)象，利用江平蝦的電子鼻特征反應(yīng)，結(jié)合PCA和LRFM法對(duì)其新鮮度進(jìn)行快速的定性判別和定量分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮江平蝦購(gòu)于防城港市彩珠水產(chǎn)品市場(chǎng)，運(yùn)送過(guò)程中冷凍保藏。

1.2 儀器與設(shè)備

PEN3電子鼻（配備10 個(gè)金屬氧化物傳感器陣列） 德國(guó)Airsense公司。電子鼻傳感器性能及參數(shù)描述：S1傳感器，主要檢測(cè)芳香族化合物，參照物質(zhì)為甲苯，參考量為1×10-5；S2傳感器，主要檢測(cè)氮氧化合物，參照物質(zhì)為NO2，參考量為1×10-6；S3傳感器，主要檢測(cè)氨氣以及芳香族化合物，參照物質(zhì)為苯，參考量為1×10-5；

S4傳感器，主要檢測(cè)氫氣，參照物質(zhì)為H2，參考量為1×10-4；S5傳感器，主要檢測(cè)烷烴類化合物、芳香族化合物以及弱極性化合物，參照物質(zhì)為丙烷，參考量為1×10-6；S6傳感器，響應(yīng)物質(zhì)范圍廣，對(duì)環(huán)境中的甲烷敏感，參照物質(zhì)為CH4，參考量為1×10-4；S7傳感器，對(duì)無(wú)機(jī)硫化物、很多含硫有機(jī)物以及萜烯類、吡嗪類化合物敏感，參照物質(zhì)為H2S，參考量為1×10-6；S8傳感器，響應(yīng)物質(zhì)范圍廣，主要檢測(cè)乙醇以及部分芳香族化合物，參照物質(zhì)為CO，參考量為1×10-4；S9傳感器，主要檢測(cè)芳香族化合物以及含硫有機(jī)化合物，參照物質(zhì)為H2S，參考量為1×10-6；S10傳感器，主要檢測(cè)濃度較高的物質(zhì)，對(duì)甲烷選擇性較強(qiáng)，參照物質(zhì)為CH4，參考量為1×10-4。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

將新鮮江平蝦樣品分為8 組，每組500 mg，去殼，取肉磨碎，分別置于冰箱冷藏（0 ℃）靜置0、1、2、3、4、5、5.5、6 d后進(jìn)行電子鼻檢測(cè)，靜置0 d的樣品為對(duì)照組。

1.3.2 電子鼻檢測(cè)

稱取10 mg待測(cè)樣品，移入潔凈玻璃杯中，加入100 mL蒸餾水?dāng)嚢杈鶆颉Ｃ拷M樣品設(shè)置21 個(gè)平行，為了減少誤差，每組樣品測(cè)定前在室溫下進(jìn)行處理。將處理后的樣品放入密閉容器中，40 ℃恒溫水浴加熱10 min后頂空進(jìn)樣測(cè)定。

電子鼻測(cè)定參數(shù)：樣品準(zhǔn)備時(shí)間5 s；傳感器清洗時(shí)間300 s；傳感器歸零時(shí)間10 s；進(jìn)樣量400 mL/min；分析采樣時(shí)間60 s；特征值提取時(shí)間55 s。完成1 次檢測(cè)后，系統(tǒng)進(jìn)行清零和標(biāo)準(zhǔn)化，然后進(jìn)行第2 次頂空采樣。取1～55 s的信號(hào)進(jìn)行分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)分析10 個(gè)不同選擇性傳感器的輸出信號(hào)值

（G/G0），每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3 次。采用Matlab R2010a軟件中的穩(wěn)健馬氏距離異常值檢測(cè)方法檢測(cè)和剔除異常值[18-19]，然后采用Origin 7.0軟件內(nèi)置的PCA程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 江平蝦肉的電子鼻傳感器信號(hào)分析

圖1中的曲線反映了10 個(gè)傳感器對(duì)氣味的敏感程度。輸出信號(hào)G/G0越偏離1表明響應(yīng)氣體濃度越大，而G/G0接近或等于1表示響應(yīng)氣體濃度低于檢測(cè)限或者沒(méi)有響應(yīng)氣體[13]。由圖1可知，不同傳感器對(duì)對(duì)照組樣品揮發(fā)性成分的響應(yīng)不同。檢測(cè)開(kāi)始時(shí)，S1、S3、S4、S5、S6傳感器的響應(yīng)值迅速偏離1，而S2、S7、S8、S9、S10傳感器偏離1較緩慢，且19 s以后響應(yīng)值基本在1左右波動(dòng)。通過(guò)對(duì)所有樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)S1、S3、S4、S5、S6傳感器對(duì)江平蝦隨時(shí)間累積產(chǎn)生的氣味變化較為敏感，主要是因?yàn)檫@5 個(gè)傳感器分別對(duì)芳香族化合物、氨氣、氫氣、烷烴類化合物、甲烷等物質(zhì)敏感，而蝦類豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸及其他含氮物質(zhì)隨時(shí)間累積不斷分解，生成氨、氧化甲胺、吲哚、硫化氫、組胺等揮發(fā)性成分，因此電子鼻能較好地反映不同冷藏時(shí)間江平蝦新鮮度變化的整體信息。同時(shí)，從采集時(shí)間上看，這5 個(gè)傳感器的輸出信號(hào)均從45 s開(kāi)始趨于平穩(wěn)，并在49 s后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此選取45～49 s內(nèi)的平均響應(yīng)值作為特征值進(jìn)行分析。

2.2 貯藏0 d江平蝦電子鼻信號(hào)的異常值檢測(cè)

異常值能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生非正常結(jié)果，甚至導(dǎo)致分析錯(cuò)誤，因此必須采用可靠、安全的方法對(duì)異常值進(jìn)行檢測(cè)和處理?；谧钚f(xié)方差行列式（minimum covariance determinant，MCD）估計(jì)的穩(wěn)健馬氏距離異常值檢測(cè)方法可以正確識(shí)別和消除多個(gè)異常值的掩蓋作用[19]。

由圖3可知，本研究中對(duì)照組樣品的21 個(gè)原始數(shù)據(jù)中共檢出3 個(gè)異常值，即7、12、18號(hào)樣品的檢測(cè)數(shù)據(jù)，將這些異常值剔除。用同樣方法分別對(duì)另外7 組樣品的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行MCD估計(jì)，剔除異常值。本研究共得到168 個(gè)原始數(shù)據(jù)，經(jīng)基于MCD估計(jì)的穩(wěn)健馬氏距離異常值檢測(cè)方法識(shí)別和剔除異常值后，共有144 組數(shù)據(jù)可用于下一步分析。

2.3 江平蝦肉的主成分分析

對(duì)剔除異常值后獲得的數(shù)據(jù)做PCA，結(jié)果以橫坐標(biāo)（PC1）代表第1主成分貢獻(xiàn)率、縱坐標(biāo)（PC2）代表第2主成分貢獻(xiàn)率的二維散點(diǎn)圖表示。PCA以貢獻(xiàn)率評(píng)價(jià)信息的多寡，貢獻(xiàn)率越大說(shuō)明其主要成分的代表性越強(qiáng)[20]。

由圖4可知，第1主成分的貢獻(xiàn)率為86.54%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為12.52%，二者之和為99.06%，符合總貢獻(xiàn)率超過(guò)85%的要求，PCA方法可用[19]，同時(shí)表明這2 個(gè)主成分能夠很好地代表被測(cè)樣品的主要信息特征。樣品數(shù)據(jù)分布區(qū)域距離較遠(yuǎn)且無(wú)重疊，說(shuō)明PCA能夠?qū)Σ煌洳貢r(shí)間的樣品進(jìn)行區(qū)分，且區(qū)分度明顯。隨著冷藏時(shí)間的延長(zhǎng)，每個(gè)樣品組內(nèi)的數(shù)據(jù)比較集中，各樣品組數(shù)據(jù)之間的距離增大，且呈規(guī)律性，說(shuō)明電子鼻能夠很好地區(qū)分不同冷藏時(shí)間江平蝦肉的揮發(fā)性氣體。

2.4 江平蝦肉新鮮度的定量分析

采用LRFM進(jìn)行定量分析，以決定系數(shù)衡量回歸方程的預(yù)測(cè)可靠程度或回歸直線的擬合度，該模型的決定系數(shù)為0.895 0，表明此回歸方程估測(cè)的可靠程度高，基于自變量個(gè)數(shù)的影響，將決定系數(shù)調(diào)整為0.884 1。以樣品的傳感器輸出信號(hào)值（G/G0）為橫坐標(biāo)（X）、預(yù)測(cè)新鮮度為縱坐標(biāo)（Y）建立的回歸方程為：

Y=-0.069-3.622X1+0.363X2-5.412X3+1.451X4-1.131X5-2.452X6+0.787X7+2.565X8+0.109X9-0.237X10。

由圖5可知，冷藏6 d的樣品預(yù)測(cè)值小于真實(shí)值，冷藏4、5、5.5 d的樣品預(yù)測(cè)值大于真實(shí)值，而其他冷藏時(shí)間樣品的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值比較接近，說(shuō)明在一定冷藏時(shí)間內(nèi)電子鼻可以較好地預(yù)測(cè)江平蝦肉新鮮度的變化。電子鼻對(duì)貯藏0、1、2 d樣品的預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值最為接近，說(shuō)明電子鼻能靈敏地反映冷藏時(shí)間在2 d內(nèi)的江平蝦肉的新鮮度變化，即電子鼻檢測(cè)江平蝦新鮮度變化的冷藏時(shí)間可以精確到2 d。

3 結(jié) 論

本研究采用電子鼻對(duì)江平蝦樣品的響應(yīng)值進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用基于MCD估計(jì)的穩(wěn)健馬氏距離異常值檢測(cè)方法識(shí)別和剔除原始數(shù)據(jù)中的異常值，并對(duì)剔除異常值后的數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析，并通過(guò)LRFM進(jìn)行定量分析。結(jié)論如下：

1）電子鼻的10 個(gè)傳感器對(duì)江平蝦隨冷藏時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生的不同種類揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)不同，其中，傳感器S1、S3、S4、S5、S6對(duì)8 組樣品的響應(yīng)較好，可以把45～49 s內(nèi)的平均響應(yīng)值作為特征值進(jìn)行分析。因此，用電子鼻檢測(cè)不同冷藏時(shí)間江平蝦的新鮮度變化也將是電子鼻在蝦類貯運(yùn)應(yīng)用中的拓展。

2）異常值的存在影響所建立模型的性能，利用基于MCD估計(jì)的穩(wěn)健馬氏距離異常值檢測(cè)方法正確識(shí)別和剔除了168 個(gè)原始數(shù)據(jù)中的異常值，獲得144 個(gè)數(shù)據(jù)。

3）PCA定性分析中第1主成分和第2主成分的貢獻(xiàn)率之和為99.06%，符合通常要求的總貢獻(xiàn)率（超過(guò)85%），無(wú)論從整體上還是從分析特點(diǎn)上來(lái)看，PCA能夠?qū)Σ煌洳貢r(shí)間的樣品進(jìn)行區(qū)分，且區(qū)分度明顯，表明其可以用于不同冷藏時(shí)間江平蝦新鮮度變化的定性分析。

4）利用LRFM進(jìn)行定量分析，考慮到自變量個(gè)數(shù)和模型可靠性的因素，將模型的決定系數(shù)調(diào)整為0.884 1，分析結(jié)果表明，該模型對(duì)電子鼻檢測(cè)江平蝦新鮮度變化的冷藏時(shí)間可以精確到2 d，從而驗(yàn)證了EN-PCA方法快速定性判別和定量分析不同冷藏時(shí)間江平蝦新鮮度變化的可行性。

5）LRFM存在的主要問(wèn)題是樣本比較單一，該模型應(yīng)用于不同冷藏時(shí)間江平蝦的新鮮度變化分析時(shí)還需開(kāi)展深入的研究。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該考慮到建立模型的樣本數(shù)量應(yīng)該大大超過(guò)實(shí)驗(yàn)的樣本數(shù)量、對(duì)不同季節(jié)、不同大小的樣品應(yīng)分別建立對(duì)應(yīng)的LRFM，以降低模型的復(fù)雜程度和預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)。

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