基于電子鼻無損鑒別摻假蜂蜜

陳 芳，黃玉坤*，苑陽陽，劉 平，車振明，蔣珍菊，田洪蕓

(1. 糧油工程與食品安全四川省高校重點實驗室，西華大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.西華大學(xué)理學(xué)院，四川 成都 610039； 3.山東省食品藥品檢驗研究院，山東 濟南 250101)

蜂蜜具有悠久的食用歷史。國標(biāo)GB14963—2011中明確定義蜂蜜是“蜜蜂采集植物的花蜜、分泌物或蜜露，與自身分泌物混合后，經(jīng)充分釀造而成的天然甜物質(zhì)”[1]。然而許多商家在利益的驅(qū)使下向蜂蜜中加入果葡糖漿、蔗糖、葡萄糖漿等替代原料，制作摻假蜂蜜并投入市場，嚴(yán)重?fù)p害了蜂農(nóng)及消費者的權(quán)益。目前，蜂蜜摻假的鑒定技術(shù)主要有近紅外光譜技術(shù)、碳-4同位素鑒定分析法、差示掃描量熱法、色譜分析法、蛋白差異鑒定法、α-淀粉酶檢測法等[2-5]。然而由于蜂蜜摻假的方式多種多樣，至今沒有成熟的檢測方法能夠方便快捷地檢測出蜂蜜是否摻假；因此研究一種高效便捷而又準(zhǔn)確可靠的蜂蜜摻假鑒定方法是當(dāng)下蜂蜜市場亟待解決的問題。

電子鼻以其檢測速度快、操作簡單、靈敏度高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點，迅速成為食品行業(yè)極具開發(fā)潛力的檢測儀器[6]。在食品摻假的檢測方面，電子鼻也頗有成果，如牛奶、芝麻油、山茶油、肉類摻假的檢測等[7-8]。本研究采用電子鼻技術(shù)嘗試對蜂蜜制品的摻假情況進(jìn)行鑒別分析，并利用PCA和LDA對不同種類的蜂蜜及其摻假制品進(jìn)行分析識別，探索電子鼻技術(shù)快速無損識別摻假蜂蜜的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

摻假樣品選擇禾甘牌果葡糖漿(規(guī)格：2.3 kg)，購自浙江華康藥業(yè)股份有限公司。

蜂蜜樣品信息如表1所示。

表1 蜂蜜樣品信息

PEN3便攜式電子鼻系統(tǒng)，德國Airsense公司；電子天平(精度0.001 g，型號JA5003B)，上海精科儀器有限公司；HH-S4 數(shù)顯雙列四孔水浴鍋，江蘇省金怡儀器科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品預(yù)處理

樣品置于4 ℃的冰箱儲存。進(jìn)行檢測前，取一定量結(jié)晶態(tài)蜂蜜置于燒杯中，用水浴鍋在50 ℃溫度下熔融蜂蜜晶體獲得液態(tài)蜂蜜。

向1～10號蜂蜜溶解后的樣品中分別添加10%、20%、30%、40%、50%的果葡糖漿配置成5個梯度的摻假樣品，每個梯度3個平行樣品，共得到150個摻假樣品。同時制取1～10號純蜂蜜樣品，每種蜂蜜3個純樣品，共30個純蜂蜜樣品。

1.2.2 電子鼻傳感器及其對應(yīng)的靈敏物質(zhì)

電子鼻傳感器及其對應(yīng)的靈敏物質(zhì)如表2所示。

1.2.3 電子鼻最佳檢測參數(shù)的確定

在電子鼻對蜂蜜進(jìn)行檢測的過程中，電子鼻的檢測參數(shù)(傳感器清洗時間、采集時間)以及蜂蜜的溫度可能會對電子鼻的檢測精度產(chǎn)生影響，所以首先需要通過預(yù)實驗確定這些實驗條件的最佳參數(shù)。

表2 電子鼻傳感器及其對應(yīng)的靈敏物質(zhì)

1.2.4 檢測方法

準(zhǔn)確量取5 g待測樣品置于頂空瓶中，然后將頂空瓶放置于恒溫水浴鍋加熱至最佳檢測溫度后用電子鼻進(jìn)行檢測，檢測完畢后保存實驗結(jié)果。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理方法

實驗數(shù)據(jù)處理采用主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)。通過PCA分析可以將10個傳感器作為變量的電子鼻圖譜矩陣轉(zhuǎn)換成以主成分1和主成分2作為變量的得分矩陣，LDA分析是有監(jiān)督模式的線性模式識別算法，能彌補PCA分析法的不足。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻檢測參數(shù)的確定

2.1.1 電子鼻傳感器采集時間及清洗時間的確定

初步設(shè)定電子鼻傳感器采集時間為120 s，清洗時間90 s。隨機抽取3個蜂蜜樣品進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 電子鼻檢測蜂蜜曲線圖

結(jié)果顯示在采集時間為100 s時電子鼻傳感器的信號響應(yīng)值曲線趨于平緩，為保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，確定實驗電子鼻檢測參數(shù)[9]為：

流速：150 mL/min；樣品瓶容量：40 mL；小瓶中的樣品量：26 mL；頂空產(chǎn)生時間：600 s；頂空產(chǎn)生溫度：30 ℃；延滯時間：300 s；清洗時間：70 s；數(shù)據(jù)采集時間：110 s。

圖2 不同溫度下的蜂蜜的PCA分析結(jié)果

2.1.2 蜂蜜溫度對蜂蜜區(qū)分度的影響

為探究蜂蜜溫度對電子鼻檢測結(jié)果產(chǎn)生的影響，利用上文所確定的電子鼻檢測參數(shù)對不同溫度條件(40、50、60 ℃)下的蜂蜜樣本進(jìn)行測定。每種溫度測定3個平行，對測定的結(jié)果進(jìn)行PCA分析，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯鲭娮颖荘CA分析對不同溫度蜂蜜的區(qū)分度不大。于殿君等[10]通過5個溫度梯度下蜂蜜酶值的變化發(fā)現(xiàn)，水的溫度低于40 ℃時，蜂蜜的酶值沒有變化，而超過40 ℃后隨著溫度的升高而下降，特別是在超過50 ℃后，下降的幅度最大?？梢酝茰y，高溫會破壞蜂蜜營養(yǎng)物質(zhì)，影響蜂蜜的營養(yǎng)價值，所以蜂蜜的溫度不宜高于60 ℃。我們選擇50 ℃作為電子鼻測定蜂蜜時的最佳溫度。

2.1.3 純蜂蜜與果葡萄糖漿之間氣味差異性分析

將不同品種的蜂蜜的純樣品與果葡糖漿的電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)來判定純蜂蜜與果葡糖漿之間氣味是否存在差異。分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同蜜源的蜂蜜與果葡糖漿的PCA圖(a)和LDA圖(b)

圖3(a)是用PCA方法分析不同蜜源的蜂蜜與果葡糖漿的關(guān)系圖?？芍?，PCA分析能夠很好地表現(xiàn)出純蜂蜜與果葡糖漿之間的差異性。圖3(b)是不同品種純蜂蜜與果葡糖漿的LDA分析圖，可以看出通過LDA分析也可以區(qū)分各個品種的純蜂蜜和果葡糖漿，且比PCA分析的區(qū)分度更高；因此，利用電子鼻可以分辨出不同品種純蜂蜜與果葡糖漿之間氣味的差異，為利用電子鼻進(jìn)行蜂蜜摻假的定性鑒別提供了理論依據(jù)。

2.2 摻假蜂蜜香氣數(shù)據(jù)的PCA分析

對電子鼻采集到的蜂蜜摻假樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析，試探究電子鼻通過辨別蜂蜜香氣來判別蜂蜜是否摻假的可能性。以荊條蜜1號和荊條蜜9號摻入不同比例果葡糖漿的摻假樣品為例給出PCA分析結(jié)果(如圖4所示)。

圖4 荊條蜜1號(a)、荊條蜜9號(b)中摻入不同比例果葡糖漿的摻假樣品的PCA分析圖

圖4(a)是在荊條蜜1號中摻入不同比例的果葡糖漿所制成的摻假樣品的PCA圖，主成分1的方差貢獻(xiàn)率為79.45%，主成分2的方差貢獻(xiàn)率為19.63%。兩個主成分的累計方差貢獻(xiàn)率為99.08%，大于80%[11]。說明通過PCA分析可以將10個傳感器作為變量的電子鼻圖譜矩陣轉(zhuǎn)換成以主成分1和主成分2作為變量的得分矩陣，并且保留了電子鼻的蜂蜜香氣圖譜里99.08%的信息[12]。但是由PCA分析結(jié)果可以看出，大部分樣品不同摻假比例的蜂蜜無法明顯區(qū)分開來，摻假蜂蜜PCA得分沒有明顯的變化規(guī)律，即摻假蜂蜜在主成分方向上的分布排列與其摻假比例的相關(guān)性并不顯著[13]。從圖4(b)發(fā)酵狀態(tài)蜂蜜的主成分分析圖可以看出純蜂蜜和摻假蜂蜜無法明顯區(qū)分開來，摻假蜂蜜PCA得分也無明顯的變化規(guī)律[14]。說明發(fā)酵狀態(tài)蜂蜜的電子鼻傳感器信號值在通過PCA分析后既不能進(jìn)行定性鑒別也無法分辨摻假比例。

綜上，由于電子鼻結(jié)合PCA分析中各個比例摻假蜂蜜的數(shù)據(jù)間差異并不明顯，還需進(jìn)行LDA分析。

2.3 摻假蜂蜜復(fù)合香氣的LDA分析

嘗試用LDA分析法對電子鼻采集到的蜂蜜摻假樣品進(jìn)行分析，探究通過電子鼻判別摻假蜂蜜的可能性[15]。部分樣品線性判別分析的結(jié)果如圖5所示。

從圖中看出，不同樣品的分析數(shù)據(jù)點分布于各自區(qū)域，沒有重疊，表明電子氣味指紋分析技術(shù)能夠準(zhǔn)確識別出不同比例果葡糖漿的摻假樣品的特征氣味，并能對其進(jìn)行良好區(qū)分。同個樣品之間的分布也很集中，表明本實驗所用電子鼻分析檢測的結(jié)果重現(xiàn)性結(jié)果良好。這說明電子鼻結(jié)合LDA分析的方法對于正常蜂蜜摻假定性判別效果良好，并且能夠?qū)Ψ涿蹞郊龠M(jìn)行半定量分析，對于在實際中判別蜂蜜摻假具有很大的參考價值[16]。

3 結(jié)論

本研究針對市場上不同品種的主流蜂蜜使用果葡糖漿進(jìn)行不同比例的摻假，利用電子鼻采集其信號，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析和LDA分析，探究電子鼻技術(shù)快速識別摻假蜂蜜的可行性。

研究結(jié)果表明，基于主成分分析(PCA)對摻假蜂蜜的電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠完成蜂蜜摻假的定性鑒別，而無法對發(fā)酵蜂蜜摻假進(jìn)行定性鑒別。這可能由于酵母菌將蜂蜜中的葡萄糖、果糖轉(zhuǎn)化成乙醇、醛類、酯類和酮類等物質(zhì)，而乙醇的氣味影響了蜂蜜本身的氣味，導(dǎo)致電子鼻無法分辨出發(fā)酵狀態(tài)的純蜂蜜與其摻假樣品的區(qū)別[17]。LDA分析法是有監(jiān)督模式的線性模式識別算法，能在充分保存現(xiàn)有信息的前提下縮小同類組群數(shù)據(jù)間的差異，擴大不同類組群數(shù)據(jù)間的差異，從而彌補PCA分析法的不足[18]?；贚DA分析對摻假蜂蜜的電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不僅能夠完成蜂蜜摻假的定性鑒別，同時對不同摻假比例的摻假樣品也有較高的區(qū)分度。

綜上，電子鼻結(jié)合主成分分析和線性判別分析對于蜂蜜摻假的定性鑒別有較高的參考價值，同時也能為蜂蜜市場提供一種便捷的蜂蜜半定量分析的方法。

圖5 荊條蜜1號(a)、荊條蜜5號(b)、棗花蜜7號(c)、荊條蜜9號(d)摻入不同比例果葡糖漿的摻假樣品的LDA分析圖