基于頂空氣相色譜-離子遷移譜與電子鼻技術(shù)快速檢測寧夏灘羊肉中摻假鴨肉

張宗國 陳東杰 孟一 華茂圳 張玉華 張長峰

摘 要：為實現(xiàn)摻假寧夏灘羊肉的準(zhǔn)確快速檢測，按照不同比例將鴨肉混入灘羊肉中制備摻假肉?；陧斂諝庀嗌V-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）及電子鼻結(jié)合統(tǒng)計學(xué)方法對摻假肉樣進(jìn)行快速檢測。通過GC-IMS采集摻假肉氣味圖譜，利用主成分分析和相似度差異分析對摻假肉進(jìn)行分析;采用線性判別法分析電子鼻傳感器響應(yīng)值，后采用多元線性回歸建立電子鼻響應(yīng)值與鴨肉摻假比例的定量模型。結(jié)果表明：通過GC-IMS氣味圖譜可直觀看出摻假不同比例鴨肉的灘羊肉中揮發(fā)性有機(jī)物差異，但對于摻假比例相近的樣品區(qū)分度不明顯;采用線性判別分析可很好區(qū)分摻假不同比例鴨肉的灘羊肉;采用多元線性回歸分析，以鴨肉摻假比例及電子鼻傳感器響應(yīng)值進(jìn)行擬合，得到回歸方程決定系數(shù)為R2=0.967 1，擬合度高，實際測定值與預(yù)測值具有較好的相關(guān)性。GC-IMS技術(shù)、電子鼻結(jié)合統(tǒng)計學(xué)方法可以對摻入不同比例鴨肉的灘羊肉進(jìn)行鑒別。

關(guān)鍵詞：頂空氣相色譜-離子遷移譜技術(shù);電子鼻;寧夏灘羊肉;快速檢測;氣味圖譜

Rapid Detection of Ningxia Tan Sheep Meat Adulteration with Duck Meat Using Gas Chromatography-

Ion Mobility Spectrometry and Electronic Nose

ZHANG Zongguo1， CHEN Dongjie1， MENG Yi1， HUA Maozhen2， ZHANG Yuhua1，*， ZHANG Changfeng1

（1.National Engineering Research Center for Agricultural Products Logistics， Shandong Key Laboratory of Storage and Transportation Technology of Agricultural Products， Jinan 250103， China; 2.Centre for Research on Environmental Ecology and Fish Nutrition， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China）

Abstract： In order to realize the accurate and rapid detection of adulterated Ningxia Tan sheep meat， duck meat was mixed in different proportions with mutton to prepare adulterated meat. Then， the adulterated meat samples were detected by gas chromatography-ion mobility spectroscopy （GC-IMS） and electronic nose （E-nose） combined with statistical methods. The odor fingerprint obtained by GC-IMS was analyzed by principal component analysis （PCA） and similarity difference analysis; the electronic nose responses was analyzed by linear discriminant analysis （LDA）， and then a quantitative model between E-nose response values and adulteration ratio was established by multiple linear regression （MLR）. The results showed that the difference in the composition of volatile organic compounds （VOCs） among all adulterated meat samples except those with similar adulteration ratios could be seen directly from the odor fingerprint. LDA allowed a good discrimination among the adulterated meat samples with different adulteration ratios. The presented quantitative model had excellent goodness of fit with determination coefficient R2 of 0.967 1. From this study， we concluded that GC-IMS and electronic nose combined with statistical methods can distinguish mutton adulterated with different proportions of duck meat.

Keywords： headspace gas chromatography-ion mobility spectroscopy; electronic nose; Ningxia Tan sheep meat; rapid detection; odor fingerprints

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20201105-258

中圖分類號：TS207.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-8123（2020）12-0043-06

引文格式：

張宗國， 陳東杰， 孟一， 等. 基于頂空氣相色譜-離子遷移譜與電子鼻技術(shù)快速檢測寧夏灘羊肉中摻假鴨肉[J]. 肉類

研究， 2020， 34（12）： 43-48. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20201105-258.? ? http：//www.rlyj.net.cn

ZHANG Zongguo， CHEN Dongjie， MENG Yi， et al. Rapid detection of Ningxia Tan sheep meat adulteration with duck meat using gas chromatography-ion mobility spectrometry and electronic nose[J]. Meat Research， 2020， 34（12）： 43-48. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20201105-258.? ? http：//www.rlyj.net.cn

寧夏鹽池灘羊肉因風(fēng)味獨特、肉質(zhì)鮮美、無膻味、脂肪含量較低且富含大量礦物質(zhì)元素，受到廣大消費者喜愛和追捧[1-3]，寧夏鹽池灘羊是西北地區(qū)特色畜種，繁殖快且具有較高產(chǎn)肉性能，為當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖戶帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。然而目前消費市場中存在寧夏灘羊肉摻假的現(xiàn)象，如寧夏灘羊肉中摻入一定比例的其他畜禽肉，如雞肉、豬肉、鴨肉等，或直接將其他畜禽肉用羊肉香精處理后充當(dāng)寧夏灘羊肉進(jìn)行銷售。因此，準(zhǔn)確并快速識別寧夏灘羊肉摻假具有重要意義。

鑒別畜產(chǎn)品摻假的常規(guī)方法主要有理化分析法[6-7]、氣相色譜（gas chromatography，GC）法[8-10]、微生物法[11-13]

和液相色譜法[14-16]、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法[17-18]、GC-質(zhì)譜（GC-mass spectrometry，GC-MS）法等。這些常規(guī)檢測方法雖嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)，但費時耗力、操作繁瑣，且結(jié)果具有滯后性;感官評價的結(jié)果受主觀因素影響明顯，準(zhǔn)確性低[19]。近些年，隨著科技不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出較多快速檢測方法，如近紅外光譜法[20-21]、酶聯(lián)免疫吸附法[22-23]、電子鼻法。新型快速檢測方法具有無損、準(zhǔn)確、操作簡便等優(yōu)勢，已在畜產(chǎn)品摻假中得到應(yīng)用。陳迎麗等[24]采用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合歐氏距離法或因子化法建立牛肉中摻入豬肉和雞肉的快速、準(zhǔn)確測定方法。王綪等[25]采用電子鼻和GC-MS法對寧夏小尾寒羊肉中摻假鴨肉進(jìn)行檢測，采用Fisher線性判別分析能區(qū)分不同樣品，線性回歸擬合分析相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.965。

本研究利用GC-離子遷移色譜（GC-ion mobility spectrometry，GC-IMS）技術(shù)結(jié)合電子鼻進(jìn)行檢測，

GC-IMS是一種新興的快速檢測方法，具有靈敏、無需前處理、操作簡單的優(yōu)點[26-28]。孟新濤等[29]采用GC-IMS技術(shù)較好區(qū)分羊肉中不同摻假比例（≤40%）豬肉和雞肉。目前采用GC-IMS技術(shù)檢測寧夏灘羊肉中摻雜的鴨肉相關(guān)研究還很少。

本研究以寧夏灘羊肉為研究對象，按照不同比例將鴨肉摻入灘羊肉中，利用GC-IMS和電子鼻技術(shù)采集摻假肉的氣味圖譜，后分別采用線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）、主成分分析（principal component analysis，PCA）和匹配矩陣對摻假灘羊肉進(jìn)行區(qū)分，并以可視化的形式展示不同比例摻假灘羊肉的特征揮發(fā)性成分，旨在為寧夏灘羊肉及其摻假肉氣味研究及快速判別提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

寧夏灘羊后腿肉和平谷鴨肉購自濟(jì)南某大型購物中心，貯藏于0 ℃冰箱。用組織攪碎機(jī)將灘羊肉和鴨肉分別攪碎后待用。按照不同比例：灘羊肉、鴨肉質(zhì)量比100∶0（CK組）、90∶10（A組）、80∶20（B組）、70∶30（C組）、60∶40（D組）、50∶50（E組）、0∶100（F組），將鴨肉分別加入到灘羊肉中攪拌均勻，放入自封袋中制備成摻假肉。

1.2 儀器與設(shè)備

FOX4000電子鼻 法國阿爾法莫斯公司;MS3 digital渦旋混勻器 德國艾卡設(shè)備有限公司;FlavourSpec1H1-00053 GC-IMS聯(lián)用儀 德國G.A.S.公司;CTC-PAL自動進(jìn)樣裝置 瑞士CTC Analytics AG公司;CLOT毛細(xì)管柱（30 mm×0.25 mm，0.50 μm） 德國CS-Chromatographie Service GmbH公司。

1.3 方法

1.3.1 頂空GC-IMS測定條件及檢測方法

GC-IMS單元參數(shù)：分析時間20 min，色譜柱類型FS-SE-54-CB-1（15 m，ID：0.53 mm），柱溫60 ℃，載氣/漂移氣N2，IMS溫度45 ℃。

自動頂空進(jìn)樣單元參數(shù)：進(jìn)樣體積500 μL，孵育時間10 min，孵育溫度60 ℃，進(jìn)樣針溫度65 ℃，孵化轉(zhuǎn)速500 r/min。

頂空GC-IMS檢測方法：取3.0 g樣品，放入20 mL頂空進(jìn)樣瓶中，60 ℃孵化20 min，經(jīng)頂空進(jìn)樣用FlavourSpec?風(fēng)味分析儀進(jìn)行測試，軟件內(nèi)置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫可對物質(zhì)進(jìn)行定性分析并可給出樣品中揮發(fā)性有機(jī)物的差異譜圖。

1.3.2 電子鼻檢測

電子鼻測定參數(shù)：采集時間120 s，數(shù)據(jù)采集周期1.0 s，數(shù)據(jù)采集延遲600 s，流速150 mL/min，進(jìn)樣量1 000 μL，注射速率1 000 μL/s，孵化期480 s，孵化溫度40 ℃，清洗時間120 s，注射器溫度50 ℃，填充速率500 μL/s。

采用LDA對樣品進(jìn)行分析，去除樣品中差異較大的個體。FOX4000電子鼻由18 個傳感器組成，各傳感器響應(yīng)特性見表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;運用PCA、LDA對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，Origin pro 2016軟件進(jìn)行繪圖，二維可視化軟件為LAV 2.0（G.A.S. Inc.）。

2 結(jié)果與分析

2.1 頂空GC-IMS技術(shù)分析結(jié)果

2.1.1 頂空GC-IMS圖譜

由圖1可知，純?yōu)┭蛉庵袚]發(fā)性物質(zhì)少于純鴨肉，隨著鴨肉摻入量增多，樣品中揮發(fā)性物質(zhì)也在增加。

由圖2可知，根據(jù)各組間差異，將7 組肉樣的揮發(fā)性有機(jī)物圖譜大致劃分成A、B、C、D、E 5 個不同區(qū)域，更易于區(qū)分各組間差異。純?yōu)┭蛉夂图凐喨馑瑩]發(fā)性物質(zhì)中既有共同揮發(fā)性物質(zhì)，又有自身特異性物質(zhì)，且純鴨肉所含揮發(fā)性物質(zhì)種類明顯多于純?yōu)┭蛉狻?/p>

C區(qū)域為純?yōu)┭蛉夂图凐喨饩械囊掖?、丙酮?-丙醇及2-丁酮等揮發(fā)性物質(zhì)，A區(qū)域為純?yōu)┭蛉馓赜袚]發(fā)性物質(zhì)，如苯甲醛、3-甲硫基丙醛、癸醛等，D區(qū)域為純鴨肉特有揮發(fā)性物質(zhì)，如丁醛、E-2-辛烯醛、E-2-庚烯醛等。

在純?yōu)┭蛉庵?，E區(qū)域的揮發(fā)性物質(zhì)，如苯甲醛、甲硫基丙醛、癸醛、2-戊酮、乙偶姻等，伴隨著摻入鴨肉比例的增加，含量逐漸降低;B區(qū)域的物質(zhì)在純鴨肉中含量較高，純?yōu)┭蛉庵泻亢苌?，而隨著摻入鴨肉比例的增加，其含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，這些成分主要為壬醛、辛醛、庚醛、己醛、丁醛、E-2-辛烯醛、E-2-庚烯醛、乙醛、3-辛醇、1-辛烯-3-醇、1-己醇、1-戊醇、1-丁醇、2-丙醇、2-庚酮、環(huán)己酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、乙酸丙酯、乙酸乙酯及2-戊基呋喃等。

2.1.2? 摻假寧夏灘羊肉的相似度分析

PCA是通過降維方式將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)換成少數(shù)幾項具有代表性的綜合指標(biāo)的一種多元統(tǒng)計分析方法[30]。由圖3可知，純?yōu)┭蛉夂图凐喨鈽悠凡町愶@著，A、B組有重疊部分，C、D組距離相近，說明2 組摻假比例相近，區(qū)分不明顯。A～E組樣品處于純?yōu)┭蛉馀c純鴨肉之間，隨著鴨肉摻入比例的增加，各組樣品逐漸從接近灘羊肉變?yōu)橄蚣凐喨饪繑n。

圖4為摻假肉樣匹配矩陣圖，采用圓心面積大小及顏色深淺表示2 組樣品間相似程度，圓心面積越大，顏色越深，表示2 組越相似;反之，圓心面積越小，顏色越淺，表示2 組相似度較低，差異明顯。由圖4可知，CK組與F組

差異明顯，說明純?yōu)┭蛉馀c純鴨肉所含揮發(fā)性物質(zhì)差異明顯。A、B、C、D、E組與CK、F組差異明顯，但相鄰2 組，如A和B組、C和D組差異不明顯，區(qū)分度不高，說明頂空GC-IMS技術(shù)對于灘羊肉中摻假比例接近的鴨肉區(qū)分度不高，其原因可能為灘羊肉及鴨肉中含有某些揮發(fā)性成分含量較高，而頂空GC-IMS儀器的靈敏度較高，致使頂空GC-IMS無法區(qū)分相近比例摻假的樣品。

2.2 電子鼻分析結(jié)果

采集18 個傳感器在120 s內(nèi)響應(yīng)強(qiáng)度的變化，響應(yīng)強(qiáng)度大小反映此待測樣品中某些揮發(fā)性物質(zhì)在傳感器中的響應(yīng)情況。以摻假50%鴨肉的灘羊肉為例繪制傳感器響應(yīng)圖。由圖5可知，18 個傳感器響應(yīng)強(qiáng)度在120 s內(nèi)變化明顯。

圖6為18 個傳感器響應(yīng)強(qiáng)度最大值的直方圖，傳感器T30/1、P10/1、P10/2、PA/2、P30/1、P10/1、P40/2、P40/1的響應(yīng)強(qiáng)度最大值明顯高于其他幾組傳感器，而傳感器LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/GH、LY2/gCTL、LY2/gCT的響應(yīng)強(qiáng)度最大值較小。

采用PCA法對18 個傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行特征值提取，由表2可知，經(jīng)PCA分析后得出前5 個主成分的累計貢獻(xiàn)率，已經(jīng)達(dá)到99.96%，故選擇前5 個主成分作為特征子集對樣品進(jìn)行定性分析。在提取的前5 個主成分中，主成分1和主成分2累計貢獻(xiàn)率91.85%，說明這2 個主成分基本可以代表18 個電子鼻傳感器檢測出的樣品所有基本特征信息。

采用LDA對得到的特征值進(jìn)行分析，由圖7可知，除D、E組樣品分布區(qū)域很接近外，其他樣品可以被區(qū)分開。隨著鴨肉摻假比例的增加，各樣品分布區(qū)域在第1主成分方向上與CK組樣品距離越來越遠(yuǎn)，呈現(xiàn)規(guī)律性分布，因此電子鼻能夠更好地區(qū)分摻假不同比例鴨肉的灘羊肉，這與王綪等[25]對寧夏小尾寒羊肉中鴨肉摻假的快速檢測結(jié)果一致。

2.3 多元線性回歸擬合分析

以鴨肉摻假比例為因變量，以2.2節(jié)采用PCA從18 個電子鼻傳感器響應(yīng)值中提取的2 個主成分的特征值為自變量，隨機(jī)選取70 個樣品（7×10）作為建模集，28 個樣品（7×4）為驗證集，建立相應(yīng)回歸方程為y=0.374 1-0.051 0x1-0.046 0x2，該回歸模型的決定系數(shù)R2=0.967 1，表明回歸擬合度高，說明灘羊肉摻假鴨肉樣品實際測定值與預(yù)測值擬合良好，建立的回歸模型預(yù)測可靠程度較高。

3 結(jié) 論

采用GC-IMS及電子鼻測定灘羊肉中摻假的鴨肉，無需復(fù)雜的前處理，直接加入樣品，頂空進(jìn)樣后可快速檢測肉樣中的揮發(fā)性有機(jī)組分，通過儀器配備的軟件可得到樣品的GC-IMS譜圖、揮發(fā)性有機(jī)物的圖譜、PCA結(jié)果等。采用PCA及相似度分析發(fā)現(xiàn)：純鴨肉與純?yōu)┭蛉鈽悠凡町愶@著，隨著鴨肉摻入比例的增加，摻假組逐漸由接近灘羊肉向鴨肉靠攏，但GC-IMS技術(shù)對于鴨肉摻入比例相近的組別區(qū)分度不明顯。對采集的電子鼻數(shù)據(jù)首先采用PCA進(jìn)行降維，提取5 個主成分，其中主成分1和主成分2累積貢獻(xiàn)率91.85%;后采用LDA進(jìn)行分類，可較好區(qū)分摻假樣品。采用多元線性回歸分析，以鴨肉摻假比例及電子鼻傳感器響應(yīng)值進(jìn)行擬合，得到回歸方程決定系數(shù)為R2=0.967 1，擬合度高，實際測定值與預(yù)測值具有較好的相關(guān)性。本研究結(jié)果為寧夏灘羊肉真?zhèn)舞b別快速檢測及其品質(zhì)控制提供了新的研究思路和有效的手段。

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