基于電子舌感應(yīng)技術(shù)的肉類硝鹽組分可行性研究

潘 岳

(長沙商貿(mào)旅游職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410116)

目前，國內(nèi)外有很多肉類公司都使用亞硝酸鹽作為肉類著色劑，添加的目的是提供紅色著色并抑制微生物生長[1,2]。然而，使用高于某一標(biāo)準(zhǔn)(>150 mg/kg)的亞硝酸鹽將導(dǎo)致大量殘留的NO—進(jìn)一步和蛋白質(zhì)代謝物仲胺的次級產(chǎn)物形成亞硝胺，是致癌因子。在肉類加工中使用著色劑一直是一個有爭議的問題，需要在它的安全問題與它對肉制品的外觀、風(fēng)味和穩(wěn)定性方面的應(yīng)用中權(quán)衡[3]。常用的硝鹽定量分析方法有重氮偶合比色法、催化動力學(xué)法、氧化還原比色法和透析法等[4-6]，但這些方法的檢測時間都較長。

電子舌的原理是將來自特定的、非特定的和重疊的傳感器的信號與模式識別相結(jié)合，對樣品進(jìn)行模擬識別和定量定性分析[7]。電子舌技術(shù)在肉制品新鮮度評價、品質(zhì)評價中已有廣泛應(yīng)用，但對于定量測定肉類硝鹽組分卻鮮有報道[8-10]。本文以豬肉為對象，應(yīng)用多頻大幅脈沖電子舌，采用偏最小二乘法 (PLS)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立預(yù)測模型，為電子舌在肉類硝鹽組分測定中的可行性提供了試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

豬肉(豬后腿肉)、羊肉(羊后腿肉)：購自長沙市菜市場。

1.2 材料處理

將豬肉和羊肉絞碎，加水勻漿(料液比1∶5，勻漿5 min)并加入適量的硝酸鈉(NaNO3)、亞硝酸鈉(NaNO2)、氯化鈉(NaCl)，使勻漿液中鹽濃度達(dá)到以下4個水平：極低等(0)、低等(100 mg/kg NaNO3和NaNO2；1%NaCl)、中等(200 mg/kg NaNO3和NaNO2；2%NaCl)和高等(300 mg/kg NaNO3和NaNO2；3% NaCl)。在測定含量之前冷藏1 d使鹽和勻漿液充分滲透。2/3的樣本隨機(jī)選擇作為訓(xùn)練集，其他1/3的樣本作為構(gòu)建回歸模型的預(yù)測集用于驗證模型性能，校正集和預(yù)測集樣品分配見表1。

表1 豬肉、羊肉校正集和預(yù)測集樣品分配Table 1 Sample distribution of pork and mutton correction set and prediction set

1.3 測量原理、設(shè)備和程序

電子舌片裝置由8個工作電極(即Au，Pt，Ir，Rh，Ag，Cu，Ni和Co)組成，其純度為99.9%，直徑為1 mm，安裝在自制的不銹鋼圓筒內(nèi)，與電子舌系統(tǒng)的主體和參考電極同時使用。以鉑柱電極為輔助電極，Ag/AgCl 作為參比電極，通過使用電子設(shè)備執(zhí)行脈沖的產(chǎn)生和當(dāng)前數(shù)據(jù)的記錄。系統(tǒng)可以生成最多32個脈沖的序列，正向最大多頻大幅脈沖電位1.0 V，負(fù)向多頻大幅脈沖電位-1.0 V，遞減脈沖幅度0.2 V。使用的相關(guān)頻率在1 kHz～1 MHz的范圍內(nèi)。檢測每個樣品傳感器共采集2 min。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理時，采用第120 s所得的穩(wěn)定數(shù)據(jù)作為輸出值進(jìn)行分析。每次測量后，從樣品中取出針電極并用蒸餾水和丙酮清洗[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

提取電流采集信號的頂點(diǎn)和拐點(diǎn)值作為檢測樣品的變量。使用多變量數(shù)據(jù)分析處理從實驗收集的所有數(shù)據(jù)，特別是PLS[12]。 PLS的主要目標(biāo)是通過同時分解一組成分(潛在變量)中的矩陣或向量來預(yù)測X中的Y，這些成分盡可能地解釋X和Y的協(xié)方差[13]。通過使用校準(zhǔn)集(標(biāo)準(zhǔn))和收集數(shù)據(jù)分別創(chuàng)建預(yù)測模型，所有數(shù)據(jù)管理均使用SPSS19軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬肉硝鹽組分電子舌檢測

以電子舌傳感器響應(yīng)值為樣本的測量數(shù)據(jù)，以豬肉中NaNO3、NaNO2、NaCl濃度為擬合目標(biāo)值進(jìn)行擬合，PLS預(yù)測模型結(jié)果見圖1。

圖1 豬肉NaNO3、NaNO2、NaCl的PLS預(yù)測圖Fig.1 PLS prediction charts of NaNO3, NaNO2 and NaCl in pork

由于肉類中NaCl的添加會影響NaNO3和NaNO2，含量的測定，故本實驗還另外測定了NaCl含量。3個模型的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 豬肉NaNO3、NaNO2、NaCl 的PLS預(yù)測模型參數(shù)Table 2 PLS prediction model parameters of NaNO3，NaNO2，NaCl in pork

p1為校正集中真實值與預(yù)測值之間的相關(guān)系數(shù)，p2為截距，r2為相關(guān)指數(shù)[14]。NaNO3、NaNO2、NaCl的擬合效果良好，回歸方程分別為y=0.9432x-0.0031，y=0.9315x-0.0011和y=0.9192x+0.2032。

由回歸方程和表2 參數(shù)可知，PLS預(yù)測模型對豬肉NaNO3具有最高的相關(guān)性，其次為NaNO2，最低的是NaCl。但是在這三者之中，NaCl模型的r2最高，也就是說其最穩(wěn)定，可能是其較大添加量決定的。說明即使在NaCl大量存在的情況下，少量的硝酸鹽和亞硝酸鹽的預(yù)測模型也能很好地發(fā)揮作用。

分別以不同濃度NaNO3、NaNO2、NaCl的豬肉樣品對模型進(jìn)行驗證，結(jié)果見表3。

表3 豬肉NaNO3、NaNO2、NaCl 的預(yù)測值、實測值和相對誤差 Table 3 Predicted values, measured values and relative error of NaNO3,NaNO2 and NaCl in pork

由表3可知，豬肉NaNO3、NaNO2、NaCl 的預(yù)測值、實測值和相對誤差。數(shù)據(jù)顯示，各鹽組分的PLS預(yù)測模型預(yù)測效果較好，在2.08%～12.24%之間，均在低濃度下誤差較大，高濃度下誤差較小，這符合模型特征[15]。由表3還可知，相對誤差總體NaNO3

2.2 羊肉硝鹽組分電子舌檢測

以電子舌傳感器響應(yīng)值為樣本的測量數(shù)據(jù)，以羊肉中NaNO3、NaNO2、NaCl濃度為擬合目標(biāo)值進(jìn)行擬合，PLS預(yù)測模型結(jié)果見圖2。3個模型的相關(guān)參數(shù)見表4。

圖2 羊肉NaNO3、NaNO2、NaCl的PLS預(yù)測圖Fig.2 PLS prediction charts of NaNO3, NaNO2 and NaCl in mutton

表4 羊肉NaNO3、NaNO2、NaCl 的PLS預(yù)測模型參數(shù)Table 4 PLS prediction model parameters of NaNO3, NaNO2 and NaCl in mutton

NaNO3、NaNO2、NaCl的擬合效果良好，回歸方程分別為y=0.9831x+0.0034，y=0.9676x+0.0024和y=0.9302x+0.2279。

由回歸方程和表4 參數(shù)可知，PLS預(yù)測模型對羊肉NaNO3具有最高的相關(guān)性，其次為NaNO2，最低的是NaCl。但是在這三者之中，NaCl模型的r2最高，也就是說其最穩(wěn)定，可能是其較大添加量決定的。說明即使在NaCl大量存在的情況下，少量的硝酸鹽和亞硝酸鹽的預(yù)測模型也能很好地發(fā)揮作用。結(jié)果與豬肉中NaNO3、NaNO2、NaCl的PLS預(yù)測模型一致，但相關(guān)性更強(qiáng)，也更穩(wěn)定，可能是由于羊肉組分中干擾成分較少，例如脂肪含量、膽固醇含量較豬肉少得多。

分別以不同濃度NaNO3、NaNO2、NaCl羊肉樣品對模型進(jìn)行驗證，結(jié)果見表5。

表5 羊肉NaNO3、NaNO2、NaCl 的預(yù)測值、實測值和相對誤差 Table 5 Predicted values, measured values and relative error of NaNO3,NaNO2 and NaCl in mutton

由表5可知，羊肉NaNO3、NaNO2、NaCl的預(yù)測值、實測值和相對誤差。數(shù)據(jù)顯示，各鹽組分的PLS預(yù)測模型預(yù)測效果很好，在0.02%～15.81%之間，均在低濃度下誤差較大，高濃度下誤差較小，這符合模型特征。由表5還可知，相對誤差總體呈現(xiàn)NaNO3

3 結(jié)論

本文提出了一種基于電子舌技術(shù)測量豬肉、羊肉中硝酸鹽、亞硝酸鹽和氯化物含量的方法。電子舌片由8種金屬電極組成，用于檢測和測定陰離子硝酸根、亞硝酸根和氯離子的濃度水平，采用PLS對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并建立了預(yù)測模型。本研究表明，可以通過測量簡單但合適的一組金屬電極的電化學(xué)響應(yīng)來檢測真實復(fù)雜豬肉、羊肉樣品中的硝酸鹽、亞硝酸鹽和氯化物含量。結(jié)果表明電子舌傳感器PLS模型具有較好的預(yù)測能力和精確度，羊肉的PLS預(yù)測模型效果優(yōu)于豬肉；3種鹽分的預(yù)測效果優(yōu)劣順序為：硝酸鹽>亞硝酸鹽>氯化物；高濃度優(yōu)于低濃度?；陔娮由嗉夹g(shù)的肉類硝鹽組分檢測方法簡單、快速、成本低，是一種具有較強(qiáng)市場競爭力的檢測手段。