基于電子鼻技術(shù)的豬肉脯品質(zhì)判別分析

陳通 祁興普 陳斌 程謙偉 劉萍

摘 要：為實現(xiàn)豬肉脯品質(zhì)的快速判別，采用電子鼻技術(shù)對12 個品牌3 個批次共108 個豬肉脯樣品進行分析檢測，同時依據(jù)GB/T 31406—2015《肉脯》對樣品的蛋白質(zhì)、水分、氯化物、脂肪及總糖含量進行品質(zhì)評判，選取電子鼻響應(yīng)曲線中120～150 s穩(wěn)定數(shù)據(jù)段的平均值作為表征變量，結(jié)合主成分分析和k最近鄰法（k=3）建立豬肉脯品質(zhì)等級的判別模型。結(jié)果表明，所建模型的理論判別準(zhǔn)確率可達89.81%，基于電子鼻技術(shù)的豬肉脯品質(zhì)判別具有一定的可行性。

關(guān)鍵詞：豬肉脯;風(fēng)味指紋;電子鼻;k最近鄰法;品質(zhì)判別

Quality Discrimination of Dried Pork Slices Using Electronic Nose Technology

CHEN Tong1， QI Xingpu2， CHEN Bin3， CHENG Qianwei1， LIU Ping2，*

（1.College of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China;

2.College of Food Science and Technology， Jiangsu Agri-Animal Husbandry Vocational College， Taizhou 225300， China;

3.School of Food and Biological Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China）

Abstract： For rapid identification of the quality of dried pork slices， 108 samples from 12 brands with three batches each were detected by using electronic nose technology. Meanwhile， according to the national standard of China

GB/T 31406?2015， the contents of protein， moisture， chloride， fat and total sugar in these samples were determined for quality evaluation. By selecting the average values in the range of 120–150 s in the electronic nose response curve， where the sensor response was relatively stable， as the characterization variable， a model for discriminating different quality grades of dried pork slices was established by using principal component analysis and k-nearest neighbor method （k = 3）. The results showed that the theoretical discrimination accuracy of the model was 89.81%. Accordingly， electronic nose technology could be applicable for the quality discrimination of dried pork slices.

Keywords： dried pork slices; flavor fingerprints; electronic nose; k-nearest neighbor algorithm; quality discrimination

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210111-006

中圖分類號：TS251.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-8123（2021）02-0031-04

引文格式：

陳通， 祁興普， 陳斌， 等. 基于電子鼻技術(shù)的豬肉脯品質(zhì)判別分析[J]. 肉類研究， 2021， 35（2）： 31-34. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210111-006.? ? http：//www.rlyj.net.cn

CHEN Tong， QI Xingpu， CHEN Bin， et al. Quality discrimination of dried pork slices using electronic nose technology[J]. Meat Research， 2021， 35（2）： 31-34. DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20210111-006.? ? http：//www.rlyj.net.cn

肉脯是我國一種傳統(tǒng)的休閑食品，其憑借營養(yǎng)豐富、美味可口及方便攜帶等特點，深受廣大消費者的喜愛[1]。成品豬肉脯的制作流程一般包括原料肉選取與修整、刨片、腌制、干燥、烘烤、切片、包裝等工序[2]，其中豬肉脯在干燥和烘烤階段伴隨包括美拉德反應(yīng)、脂質(zhì)氧化及Strecker降解等在內(nèi)的一系列化學(xué)反應(yīng)[3-4]，這些反應(yīng)不僅能夠改變豬肉脯內(nèi)部組分與結(jié)構(gòu)[5-6]，而且對豬肉脯產(chǎn)品整體特征風(fēng)味的形成具有至關(guān)重要的作用[7]。因此，肉脯的品質(zhì)屬性與風(fēng)味組成息息相關(guān)，其風(fēng)味成分構(gòu)成可作為表征肉脯品質(zhì)信息的關(guān)鍵標(biāo)志性成分[8]。

當(dāng)前，相關(guān)研究人員基于風(fēng)味物質(zhì)組成對肉脯的品質(zhì)研究進行了諸多報道。Tian Xing等[9]分別使用電子舌技術(shù)與氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)分析不同鹽含量對干腌豬肉風(fēng)味的影響，結(jié)果表明，鹽含量為3%和5%時干腌豬肉的揮發(fā)性有機化合物（volatile organic compounds，VOCs）

峰面積和味覺指數(shù)最高;Chen Mingjie等[10]借助氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)研究豬肉脯樣品在不同加工階段的風(fēng)味物質(zhì)組成，并采用統(tǒng)計學(xué)方法對不同階段豬肉脯風(fēng)味物質(zhì)的種類與含量進行統(tǒng)計分析，成功實現(xiàn)了不同加工階段豬肉脯樣品的區(qū)分;姚芳等[11]使用頂空氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對肉脯加工過程中的風(fēng)味物質(zhì)進行檢測，并對各加工階段樣品特征風(fēng)味物質(zhì)的種類與含量差異進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，加工工藝對肉脯風(fēng)味的形成具有重要影響;陳美鏈[12]分析微波干燥技術(shù)對豬肉脯風(fēng)味品質(zhì)的影響，借助優(yōu)化后的微波干燥條件獲得了色、香俱佳的烏龍茶風(fēng)味肉脯;同時，也有大量

研究[13-16]對肉脯的加工工藝進行設(shè)計與優(yōu)化，分別制備了具有特殊風(fēng)味的豬肉脯。上述研究表明，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者的研究重點在于肉脯加工工藝設(shè)計與優(yōu)化，而對成品肉脯品質(zhì)屬性與其風(fēng)味成分之間的關(guān)系卻鮮有報道。另外，當(dāng)前部分食品企業(yè)仍然存在采用感官評定方法篩查肉脯品質(zhì)的現(xiàn)象[17]，其主要原因在于相關(guān)分析儀器存在價格高昂、操作繁雜、耗時長及運行環(huán)境苛刻等缺點[18-19]。

因此，開發(fā)一種簡便、快速、高效的肉脯品質(zhì)快速判別方法，實現(xiàn)肉脯品質(zhì)一致性監(jiān)測很有必要。

電子鼻技術(shù)[20-21]是一種模仿生物嗅覺原理而設(shè)計的機器嗅覺分析方法，其通過一系列化學(xué)傳感器陣列實現(xiàn)復(fù)雜氣味的檢測和辨別，并采用模式識別算法解析復(fù)雜氣味的化學(xué)屬性與含量。電子鼻技術(shù)因其快速、靈敏、無損的優(yōu)點，在食品風(fēng)味分析[22-23]、品質(zhì)判別[24]、摻假檢測[25]及品種鑒別[23]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而對成品肉脯品質(zhì)屬性判別方面研究較少。本研究基于電子鼻技術(shù)研究成品豬肉脯的風(fēng)味成分差異，并結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法實現(xiàn)豬肉脯品質(zhì)的快速判別，以期為該技術(shù)應(yīng)用于豬肉脯加工過程控制提供理論依據(jù)，也為相關(guān)肉制品企業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)提供新的監(jiān)控方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

采用線上（網(wǎng)店購買）和線下（當(dāng)?shù)爻校? 種方式購買江蘇靖江地區(qū)生產(chǎn)的豬肉脯，累計共12 個品牌，對應(yīng)品牌分別使用1～12編號進行標(biāo)記，所有樣品均為原味豬肉脯。為保證實驗的可靠性，每種樣品選擇3 個批次，每個批次選取3 個豬肉脯作為實驗樣本，最終獲得的樣本數(shù)量為108 個。

硫酸銅、硫酸鉀、濃硫酸、硼酸、氫氧化鈉、95%乙醇、石油醚、亞鐵氰化鉀、乙酸鋅、硝酸銀、冰乙酸、硝酸、丙酮、苯酚、蔗糖、淀粉酶、碘、碘化鉀（均為分析純） 國藥集團化學(xué)試劑（上海）有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

20 mL頂空氣相瓶（含螺紋磁性蓋） 浙江哈邁科技有限公司;PEN3便攜式電子鼻（配備W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3S傳感器陣列） 德國Airsense公司。

1.3 方法

1.3.1 理化指標(biāo)檢測

依據(jù)GB/T 31406—2015《肉脯》中的5 個指標(biāo)（即蛋白質(zhì)、脂肪、水分、氯化物及總糖含量）對所采集的豬肉脯樣品進行品質(zhì)評判，蛋白質(zhì)、脂肪、水分、氯化物及總糖含量分別采用GB/T 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》、GB/T 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》、GB/T 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》、

GB 5009.44—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中氯化物的測定》及GB/T 9695.31—2008《肉制品 總糖含量測定》中的方法進行測定。

1.3.2 電子鼻檢測條件

稱取1 g豬肉脯樣本置于20 mL頂空氣相瓶中，使用雙層保鮮膜密封后在室溫下靜置1 h后，借助經(jīng)活性炭過濾后的空氣將樣本頂空氣體吹掃進入電子鼻系統(tǒng)中進行檢測，檢測時間150 s。測量前檢測系統(tǒng)提前預(yù)熱0.5 h，每個樣本完成測定后，使用過濾后的空氣清洗電子鼻傳感器陣列，持續(xù)時間220 s，使每個傳感器的響應(yīng)值

（G/G0）（G為傳感器接觸到樣品氣體后的電導(dǎo)率，G0為傳感器經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)活性炭過濾氣體清洗后的電導(dǎo)率）回到基線水平。電子鼻傳感器陣列中10 個傳感器性能的描述如表1所示[26]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 9.0和MATLAB R2019b軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬肉脯理化指標(biāo)分析

由表2可知：12 個品牌豬肉脯水分含量均在20 g/100 g以下，符合豬肉脯產(chǎn)品質(zhì)量要求;氯化物含量小于5 g/100 g，符合生產(chǎn)要求;蛋白質(zhì)含量差異較大，最小值僅為22.47 g/100 g，依據(jù)GB/T 31406—2015對肉脯蛋白質(zhì)含量的要求（≥28 g/100 g），所測豬肉脯中有約一半產(chǎn)品未達標(biāo)，只有3號樣本達到特級標(biāo)準(zhǔn);所有豬肉脯樣本脂肪含量均小于20 g/100 g，符合產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);另外，豬肉脯樣本總糖含量均值為31.92 g/100 g，部分豬肉脯總糖含量甚至低于30 g/100 g（特級），均符合GB/T 31406—2015要求的最高限定值（≤35 g/100 g）。依據(jù)GB/T 31406—2015理化指標(biāo)要求結(jié)合豬肉脯樣品的實際理化指標(biāo)值，可將樣品劃分為表1中對應(yīng)的等級，7號樣品蛋白質(zhì)含量平均值雖然高于28 g/100 g，但對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，且部分樣本的蛋白質(zhì)含量低于28 g/100 g，故將7號樣本劃分為不合格品。本研究采集的12 個品牌豬肉脯樣本中有6 個品牌不合格，不合格率較高。

2.2 豬肉脯電子鼻風(fēng)味分析

以第1批次的樣品為例，電子鼻檢測豬肉脯的風(fēng)味信號響應(yīng)曲線如圖1所示，電子鼻設(shè)備中各傳感器信號在120 s后基本趨向于穩(wěn)定，截取電子鼻信號響應(yīng)時間曲線中120～150 s時間段的平均值作為電子鼻的最終表征值，然后使用10 個電子鼻傳感器陣列信號作響應(yīng)雷達圖。

由圖2可知，12 個品牌豬肉脯樣本的信號響應(yīng)基本相似，其中傳感器W1S、W1W、W5S響應(yīng)最為敏感，對應(yīng)響應(yīng)值均大于5 倍初始值（G0），響應(yīng)較微弱的傳感器有W1C、W3C、W5C。依據(jù)電子鼻傳感器陣列中10 個傳感器性能的描述（表1）可知，豬肉脯VOCs組分中含有芳香族化合物、硫化物、烷烴和一些弱極性化合物;W2S的響應(yīng)值（G/G0）大于2，表明VOCs中含有醇、醛及醚等物質(zhì)。由于電子鼻的響應(yīng)信號無法直觀獲得VOCs組分的空間分布信息，因此，需要借助模式識別方法進行進一步分析。

2.3 豬肉脯品質(zhì)判別

主成分分析（principal component analysis，PCA）是通過正交變換對一系列可能相關(guān)的變量值進行線性變換，從而投影為一系列線性不相關(guān)變量的值，這些不相關(guān)變量稱為主成分變量，常用于特征提取和數(shù)據(jù)降維，便于觀察樣品在空間的分布情況。將12 個品牌共108 個豬肉脯樣本的電子鼻響應(yīng)特征值作為表征變量，由于歸為合格等級的僅有8號品牌，特級僅有3號品牌，其余樣品屬于優(yōu)級或不合格產(chǎn)品，為便于分析將樣本劃分為合格品與不合格品，即合格品為品牌編號3、4、8、10、11、12的樣品，其余品牌均為不合格樣品。

選取樣本電子鼻響應(yīng)曲線中120～150 s時間段內(nèi)穩(wěn)定數(shù)據(jù)的平均值作為傳感器響應(yīng)值，最終每個樣本品質(zhì)屬性由10 個特征值（即10 個傳感器響應(yīng)值）表征，所有樣本形成108×10的二維矩陣，采用k最近鄰算法進一步分析，數(shù)據(jù)經(jīng)PCA處理后取前2 個主成分得分作為變量參與建模，對應(yīng)的貢獻率分別為74.57%、20.01%（累積貢獻率為94.58%），表明前2 個主成分能夠表征大部分的原始數(shù)據(jù)信息。由于獲得的樣本數(shù)量較少，故不將樣本劃分為校正集和預(yù)測集，而是將全部樣品用于建立判別模型[27]，以此驗證基于電子鼻技術(shù)判別豬肉脯品質(zhì)的可行性。采用k最近鄰算法對PCA處理后的得分矩陣建立模型（k=3），以便觀察不同品質(zhì)豬肉脯樣品的歸屬分布。由圖3可知：大部分合格樣品均歸屬于同一個聚集區(qū)域，僅有4號品牌的1 個批次樣品遠(yuǎn)離歸屬邊界（圖中箭頭標(biāo)記處）;不合格樣品分布區(qū)域較為廣泛，原因可能是不同豬肉脯使用的原料和生產(chǎn)工藝差異引起VOCs組分不同[4，25];合格樣品集中有6 個樣品被誤判，而不合格樣品集中則有5 個樣品被誤判，最終k最近鄰判別方法分類的理論準(zhǔn)確率達89.81%，由此可知，基于電子鼻技術(shù)的豬肉脯品質(zhì)判別具有一定的可行性，后期需增加獨立樣品數(shù)量，用以驗證模型的實用型。

3 結(jié) 論

采用電子鼻技術(shù)對不同品質(zhì)豬肉脯的VOCs成分進行分析檢測，輔以理化指標(biāo)分析豬肉脯樣品的品質(zhì)屬性，并建立基于風(fēng)味指紋圖譜的豬肉脯品質(zhì)判別模型。結(jié)果表明，超過半數(shù)品牌豬肉脯樣品的質(zhì)量指標(biāo)不符合國標(biāo)要求，所用電子鼻系統(tǒng)檢測出豬肉脯的主要風(fēng)味成分為芳香族化合物、硫化物、烷烴及弱極性化合物，依據(jù)傳感器陣列的表征值結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法建立的理論判別模型準(zhǔn)確率達89.81%，表明該方法具有一定的應(yīng)用前景，可為豬肉脯等相關(guān)肉制品品質(zhì)的快速判別提供一種新思路。

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