基于電子鼻氣味信息和多元統(tǒng)計(jì)分析的枸杞子產(chǎn)地溯源研究

田曉靜，龍 鳴，王 俊，馬忠仁，韋真博陳士恩，高丹丹，丁 波

(1.西北民族大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058)

枸杞子(LyciumbararumL.)，屬茄科(Solanaceae)枸杞屬(Lycium)，多分枝灌木，其栽培品系的干燥成熟果實(shí)具有增強(qiáng)免疫力、降血壓、降血脂、抗氧化及抗腫瘤等多方面的藥理作用，是常見(jiàn)的藥食同源品種之一[1-3]。目前，枸杞栽培規(guī)模較大的地區(qū)有寧夏、甘肅、青海、新疆和內(nèi)蒙五省[4]。枸杞是西北地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物，尤其是寧夏中寧的支柱產(chǎn)業(yè)[5]。但近年來(lái)市場(chǎng)上頻繁出現(xiàn)以次充好的現(xiàn)象，故而應(yīng)加強(qiáng)品質(zhì)控制與檢測(cè)要求。傳統(tǒng)感官評(píng)價(jià)寧夏枸杞子品質(zhì)的結(jié)果受個(gè)人主觀因素影響，且無(wú)法評(píng)價(jià)內(nèi)部成分含量，使其應(yīng)用受限；理化成分分析[6]和指紋圖譜技術(shù)在枸杞子產(chǎn)地區(qū)分[7-10]、品種鑒別和區(qū)分[11]中得到廣泛應(yīng)用，但存在樣品前處理復(fù)雜、檢測(cè)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，且各成分受外部條件影響而使所測(cè)圖譜的可靠性受到影響[12]；可實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的光譜技術(shù)雖在枸杞子產(chǎn)地溯源[13-21]和品種區(qū)分中得到廣泛應(yīng)用，但為保證樣品均一性和光譜數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，須將樣品粉碎過(guò)篩[21-23]、粉碎[18-19，23]或壓片處理[24]，難以實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。而關(guān)于枸杞產(chǎn)地?zé)o損鑒別的研究?jī)H有陳曉峰等[25]以枸杞圖像特征進(jìn)行產(chǎn)地識(shí)別。因此，對(duì)寧夏枸杞子品質(zhì)實(shí)施快速、無(wú)損的判別與預(yù)測(cè)具有重要的科學(xué)意義。

電子鼻技術(shù)于20世紀(jì)90年代末興起并迅速發(fā)展，它利用氣敏傳感器陣列對(duì)揮發(fā)性氣味物質(zhì)的響應(yīng)來(lái)識(shí)別簡(jiǎn)單和復(fù)雜氣味信息，實(shí)現(xiàn)了氣味的客觀化表達(dá)，使氣味成為可以量化的指標(biāo)，從而輔助專家進(jìn)行系統(tǒng)化與科學(xué)化的氣味監(jiān)測(cè)、鑒別、判斷和分析。以其檢測(cè)快速、結(jié)果客觀、無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理過(guò)程、可分析有毒樣品或成分等優(yōu)勢(shì)，電子鼻技術(shù)已在食品、農(nóng)畜產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、爆炸物檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對(duì)枸杞子揮發(fā)物組成和含量的研究發(fā)現(xiàn)，不同品種、同品種不同產(chǎn)地枸杞子揮發(fā)物在組成和含量上存在明顯差別[26-33]，這為電子鼻檢測(cè)不同品質(zhì)、產(chǎn)地的枸杞子奠定了理論基礎(chǔ)。本研究采用單因素試驗(yàn)研究了頂空體積、樣品質(zhì)量和頂空生成時(shí)間對(duì)電子鼻傳感器響應(yīng)的影響，優(yōu)化電子鼻檢測(cè)枸杞子的條件，探討電子鼻判別枸杞產(chǎn)地的可行性，為枸杞子市場(chǎng)品質(zhì)監(jiān)控提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與前處理方法

試驗(yàn)用的枸杞子樣品購(gòu)自寧夏中寧枸杞市場(chǎng)，來(lái)源于甘肅瓜州、青海柴達(dá)木和寧夏中寧3個(gè)產(chǎn)地。樣品購(gòu)回后，置于-18 ℃冷凍待用。試驗(yàn)前，將枸杞子取出恢復(fù)室溫后進(jìn)行電子鼻檢測(cè)。樣品詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

1.2 儀器

試驗(yàn)采用德國(guó)Airsense公司的PEN2型便攜式電子鼻進(jìn)行檢測(cè)。該電子鼻系統(tǒng)由10個(gè)金屬氧化物傳感器(表2)、模式識(shí)別系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)3部分組成。在采集枸杞子氣味信息時(shí)，于室溫條件下(20 ℃)，將一定質(zhì)量(5～20 g)恢復(fù)至室溫的枸杞子置于燒杯內(nèi)，并以保鮮膜密閉后靜置一定時(shí)間(15～60 min)，使頂空氣體達(dá)到平衡；在設(shè)定載氣(潔凈空氣，200 mL·min-1)流速條件下，由載氣泵將樣品頂空氣體泵入傳感器室，與傳感器接觸后產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，并由信號(hào)采集系統(tǒng)記錄。每采樣一次，采用潔凈氮?dú)?99.99%)對(duì)進(jìn)樣通道進(jìn)行清洗，以減少對(duì)下一樣品的影響。

表1不同產(chǎn)地枸杞子樣品信息表

Table1Profiles of wolfberry samples

序號(hào)No.樣品名Samples粒度Granularity/(seed·50 g-1)百粒重100 seed weight/g等級(jí)Grade (Granularity)1甘肅瓜州Gansu Guazhou560±99.07±0.39甲級(jí)Grade A (≤580)2青海柴達(dá)木Qinghai Chaidamu306±516.27±0.73特級(jí)Top grade (≤370)3寧夏中寧1 Ningxia Zhongning1392±312.55±0.45甲級(jí)Grade A (≤580)4寧夏中寧2 Ningxia Zhongning2328±215.09±0.78特級(jí)Top grade (≤370)5寧夏中寧3 Ningxia Zhongning3663±47.67±0.30乙級(jí)Grade B (≤900)

表2PEN2電子鼻傳感器陣列及其性能特點(diǎn)

Table2Sensors used and their main applications in PEN2 electronic nose

傳感器序號(hào)Sensor short name傳感器名稱Sensor name性能特點(diǎn)Sensor properties參考物質(zhì)及檢測(cè)限LimitationsS1W1C對(duì)芳香成分靈敏Sensitive to aroma componentsToluene, 10 mg·L-1S2W5S對(duì)氮氧化物很靈敏Very sensitive to nitrogen oxideNO2, 1 mg·L-1S3W3C對(duì)氨水、芳香類(lèi)化合物靈敏Sensitive to ammonia and aromatic compoundsPropane, 1 mg·L-1S4W6S對(duì)氫氣有選擇性Selective to hydrogenH2, 100 μg·L-1S5W5C對(duì)烷烴、芳香類(lèi)化合物及極性小的化合物靈敏Sensitive to alkanes, aromatic compounds and polar compoundsPropane, 1 mg·L-1S6W1S對(duì)甲烷靈敏Sensitive to methaneCH3, 100 mg·L-1S7W1W對(duì)硫化物、含硫有機(jī)化合物靈敏Sensitive to sulfides and sulfur containing organic compoundsH2S, 1 mg·L-1S8W2S對(duì)乙醇及部分芳香族化合物靈敏Sensitive to ethanol and some aromatic compoundsCO, 100 mg·L-1S9W2W對(duì)芳香族化合物、有機(jī)硫化物靈敏Sensitive to aromatic compounds and organic sulfidesH2S, 1 mg·L-1S10W3S對(duì)烷烴靈敏Sensitive to alkanesCH3, 100 mg·L-1

1.3 試驗(yàn)方法

受頂空體積、樣品質(zhì)量和頂空生成時(shí)間等因素的影響，造成的頂空揮發(fā)物濃度差異直接影響傳感器響應(yīng)信號(hào)。采用表3中因素水平設(shè)計(jì)，研究頂空體積、樣品質(zhì)量和頂空生成時(shí)間對(duì)電子鼻各傳感器響應(yīng)信號(hào)的影響。在單因素優(yōu)化試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，采用電子鼻檢測(cè)不同產(chǎn)地枸杞子氣味信息，并采用多元統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行定性判別和產(chǎn)地的定量預(yù)測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用單因素方差分析(one-way-analysis of variance，one-way-ANOVA)研究各因素對(duì)傳感器響應(yīng)的影響，結(jié)合典則判別分析(canonical discriminant analysis，CDA)確定較佳檢測(cè)參數(shù)。采用主成分分析(principle component analysis，PCA)和典則判別分析對(duì)不同產(chǎn)地枸杞子進(jìn)行定性判別；采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)枸杞子的產(chǎn)地進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。方差分析、PCA和CDA分析均由SAS V8完成，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成，結(jié)果由Origin8.0軟件完成繪圖。

表3單因素試驗(yàn)因素水平表

Table3Different levels of each factor

因素Factor水平Level1234頂空體積150200250500Headspace volume/mL樣品質(zhì)量Sample weight/g5101520頂空生成時(shí)間15304560Headspace-generated time/min

2 結(jié)果與分析

2.1 較佳檢測(cè)條件確定

采用單因素試驗(yàn)，研究樣品質(zhì)量、頂空生成時(shí)間、頂空體積對(duì)電子鼻各傳感器響應(yīng)信號(hào)的影響。提取各傳感器第70秒的響應(yīng)值，采用SAS V8軟件進(jìn)行單因素方差分析，觀察上述3因素對(duì)電子鼻各傳感器響應(yīng)信號(hào)的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。采用典則判別分析分別對(duì)3因素不同水平樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以數(shù)據(jù)點(diǎn)集聚性和對(duì)不同組樣品的區(qū)分效果為依據(jù)，確定較佳檢測(cè)參數(shù)。

2.1.1 樣品質(zhì)量的影響

取樣品頂空體積500 mL、頂空生成時(shí)間30 min和載氣流速300 mL·min-1，研究樣品質(zhì)量(5、10、15和20 g)對(duì)電子鼻傳感器響應(yīng)信號(hào)的影響。方差分析和典則判別分析結(jié)果分別見(jiàn)表4和圖1-a。方差分析結(jié)果(表4)表明，樣品質(zhì)量對(duì)傳感器S7響應(yīng)影響顯著(P<0.05)，對(duì)其余9個(gè)傳感器響應(yīng)影響極顯著(P<0.01)；典則判別分析結(jié)果中第一成分占81.58%，第二成分占12.31%，總貢獻(xiàn)率為93.89%，能較好地反映原始數(shù)據(jù)信息。圖1-a中，不同樣品質(zhì)量數(shù)據(jù)點(diǎn)彼此有重疊，但規(guī)律性分布明顯，即沿第一成分減小的方向，樣品質(zhì)量逐漸增大。從數(shù)據(jù)點(diǎn)的聚集性來(lái)看，選擇20 g作為較佳樣品質(zhì)量。

表4單因素方差分析

Table4Results of ANOVA

因素 FactorsS1S2S3S4S5S6S7S8S9S10頂空體積F63.8613.6568.386.872.0462.637.6349.0410.937.57Headspace volumeSig.<0.0001<0.0001<0.00010.0004<0.0001<0.00010.0001<0.0001<0.00010.0001樣品質(zhì)量F27.9316.3721.588.5424.3413.512.920.3632.658.85Sample weightSig.<0.0001<0.0001<0.0001<0.0001<0.0001<0.00010.0405<0.0001<0.0001<0.0001頂空生成時(shí)間F19.382.6218.094.6218.0731.430.3225.322.701.78Headspace-generated timeSig.<0.00010.0571<0.00010.0051<0.0001<0.00010.8120<0.00010.05150.1576

圖1 典則判別分析結(jié)果Fig.1 Results of CDA

2.1.2 頂空生成時(shí)間的影響

取樣品20 g、樣品頂空體積500 mL和載氣流速300 mL·min-1，研究頂空生成時(shí)間(15、30、45和60 min)對(duì)電子鼻傳感器響應(yīng)的影響。方差分析和典則判別分析結(jié)果分別見(jiàn)表4和圖1-b。方差分析結(jié)果(表4)表明，頂空生成時(shí)間對(duì)傳感器S2、S7、S9和S10影響不顯著(P>0.05)，對(duì)其余6個(gè)傳感器響應(yīng)影響極顯著(P<0.01)。典則判別分析結(jié)果中第一成分占67.75%，第二成分占12.91%，總貢獻(xiàn)率為80.66%，基本能反映原始數(shù)據(jù)信息。圖1-b中，不同頂空生成時(shí)間的數(shù)據(jù)點(diǎn)中，從區(qū)分效果上看，15 min的數(shù)據(jù)能與另3組數(shù)據(jù)很好地區(qū)分；從數(shù)據(jù)點(diǎn)的聚集性來(lái)看，30 min數(shù)據(jù)點(diǎn)較為集中，且僅有個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)與60 min數(shù)據(jù)有重疊。故選擇30 min作為較佳的樣品頂空生成時(shí)間。

2.1.3 頂空體積的影響

取樣品20 g、頂空生成時(shí)間30 min和載氣流速300 mL·min-1，研究頂空體積(150、200、250和500 mL)對(duì)電子鼻傳感器響應(yīng)信號(hào)的影響。方差分析和典則判別分析結(jié)果分別見(jiàn)表4和圖1-c。方差分析結(jié)果(表4)表明，頂空體積對(duì)各傳感器響應(yīng)均有極顯著影響(P<0.01)；典則判別分析結(jié)果中第一成分占73.07%，第二成分占21.66%，總貢獻(xiàn)率為94.73%，能較好地反映原始數(shù)據(jù)信息。圖1-c中，不同頂空體積樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)較為分散；從區(qū)分度上看，150 mL和200 mL數(shù)據(jù)點(diǎn)彼此重疊，且與250 mL數(shù)據(jù)點(diǎn)有部分重疊，500 mL數(shù)據(jù)點(diǎn)僅與250 mL數(shù)據(jù)有個(gè)別重疊。采用500 mL頂空體積采樣時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)聚集性較佳，選擇頂空體積500 mL為較佳頂空體積。

2.2 傳感器特征響應(yīng)曲線

在2.1節(jié)優(yōu)化的電子鼻檢測(cè)條件下，對(duì)3個(gè)不同產(chǎn)地5種枸杞子進(jìn)行檢測(cè)。圖2給出了電子鼻傳感器對(duì)3個(gè)產(chǎn)地枸杞子的特征響應(yīng)曲線。如圖2所示，橫坐標(biāo)為檢測(cè)時(shí)間，縱坐標(biāo)為傳感器響應(yīng)信號(hào)值。檢測(cè)初期，傳感器對(duì)枸杞子樣品中的揮發(fā)物迅速響應(yīng)，之后逐漸趨于平衡；3種不同產(chǎn)地枸杞子(瓜州、青海和中寧)達(dá)到平衡的時(shí)間略有不同，青海枸杞子的響應(yīng)信號(hào)30 s時(shí)基本趨于平衡，瓜州枸杞子的響應(yīng)信號(hào)約于40 s時(shí)平衡；中寧枸杞子的響應(yīng)信號(hào)最晚達(dá)到平衡(60 s左右)；對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，不同產(chǎn)地枸杞子的響應(yīng)信號(hào)有所不同，瓜州>青海>中寧，尤其是傳感器S2、S9，其次為S1、S3、S5，這為基于電子鼻信號(hào)的枸杞產(chǎn)地區(qū)分奠定基礎(chǔ)。本研究均選取第70秒穩(wěn)態(tài)值作為特征值進(jìn)行分析。

2.3 定性識(shí)別不同產(chǎn)地枸杞子

在上述較佳檢測(cè)條件(樣品質(zhì)量20 g、頂空體積500 mL、頂空生成時(shí)間30 min及載氣流速300 mL·min-1)，對(duì)瓜州、青海和中寧3個(gè)產(chǎn)地的枸杞子進(jìn)行電子鼻檢測(cè)。提取電子鼻傳感器第70秒響應(yīng)數(shù)據(jù)，采用SAS軟件進(jìn)行主成分分析和典則判別分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3-a給出了PCA分析結(jié)果，第一主成分為64.63%，第二主成分為20.39%，第三主成分為9.62%，共解釋了原始變量94.64%的信息。主成分分析可以將3個(gè)產(chǎn)地的枸杞子區(qū)分開(kāi)，其中青海枸杞子居于最右側(cè)，瓜州枸杞居于中間，3個(gè)不同等級(jí)的中寧枸杞子居于圖中最左側(cè)，不同等級(jí)中寧枸杞數(shù)據(jù)點(diǎn)有較多重疊。圖3-b給出了CDA分析結(jié)果，圖中第一成分和第三成分共解釋了原始變量92.36%的信息，對(duì)3個(gè)產(chǎn)地枸杞子的區(qū)分效果更好，且數(shù)據(jù)點(diǎn)的集聚性和類(lèi)間距更大，中寧枸杞1基本能與中寧枸杞2、中寧枸杞3區(qū)分開(kāi)，而中寧枸杞2、中寧枸杞3之間重疊較多。結(jié)合CDA分析，電子鼻可實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)地枸杞子的快速鑒別，而對(duì)3種不同等級(jí)中寧枸杞的區(qū)分效果有待進(jìn)一步提高。

2.4 定量預(yù)測(cè)枸杞子產(chǎn)地

為實(shí)現(xiàn)枸杞子產(chǎn)地的定量分析，以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立定量預(yù)測(cè)模型。設(shè)定寧夏枸杞子的真實(shí)值為1，青海枸杞子的真實(shí)值為2，瓜州枸杞子的真實(shí)值為3。設(shè)定品種預(yù)測(cè)結(jié)果偏差在±0.1以內(nèi)，為品種區(qū)分的界限，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，僅有1個(gè)未知樣品超出偏差范圍，得到對(duì)未知樣本預(yù)測(cè)的正確識(shí)別率為96%。

圖2 不同產(chǎn)地枸杞子的電子鼻特征響應(yīng)信號(hào)Fig.2 Response curves of electronic nose for wolfberry with different geographical origin

圖3 不同產(chǎn)地枸杞子的電子鼻PCA和CDA判別結(jié)果Fig.3 PCA and CDA plots of wolfberry with different geographical origin based on E-nose responses

表5BPNN對(duì)25個(gè)未知產(chǎn)地樣品的預(yù)測(cè)結(jié)果

Table5Prediction results of 25 unknown wolfberry samples by BPNN model

預(yù)測(cè)樣Unknown wolfberry samples真實(shí)值True value預(yù)測(cè)值Predicted value預(yù)測(cè)樣Unknown wolfberry samples真實(shí)值True value預(yù)測(cè)值Predicted value111.00221411.0024211.00291511.0049311.01431621.9784411.00041721.9142511.00111821.9199611.00041921.9336711.00292021.9430811.00222132.6786911.02762232.92621011.00422332.99041111.00062432.98931211.00082532.98921311.0043

真實(shí)值中：1表示寧夏中寧枸杞子；2表示青海柴達(dá)木枸杞子；3表示甘肅瓜州枸杞子。

In the true value， 1 represented the wolfberry from Zhongning Ningxia; 2 represented the wolfberry from Chaidamu Qinghai; 3 represented the wolfberry from Guazhou Gansu.

3 結(jié)論

采用基于金屬氧化物傳感器陣列的電子鼻測(cè)定不同產(chǎn)地枸杞子，樣品無(wú)需前處理，操作簡(jiǎn)單；頂空體積、樣品質(zhì)量和頂空生成時(shí)間3個(gè)因素對(duì)大部分傳感器響應(yīng)的影響極顯著，1個(gè)傳感器影響顯著，4個(gè)傳感器影響不顯著；方差分析結(jié)合典則判別分析結(jié)果獲得載氣流速為300 mL·min-1時(shí)的較佳檢測(cè)條件為樣品質(zhì)量20 g、頂空體積500 mL和頂空生成時(shí)間30 min。對(duì)3個(gè)產(chǎn)地的枸杞子電子鼻響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值進(jìn)行PCA和CDA分析發(fā)現(xiàn)3種產(chǎn)地枸杞子樣品點(diǎn)彼此區(qū)分，中寧枸杞3批次產(chǎn)品數(shù)據(jù)的彼此重疊，采用BPNN建立的預(yù)測(cè)模型能有效預(yù)測(cè)不同產(chǎn)地枸杞子。電子鼻在無(wú)損檢測(cè)枸杞子的研究中具有可行性，為監(jiān)控市售枸杞子品質(zhì)提供了新的研究思路和有效的監(jiān)控方法。