基于快速氣相色譜和氣體傳感器陣列的冷凍豬肉儲(chǔ)存期檢測(cè)方法研究

蔣晨豪陳佳琪梅正昊寧景苑易曉梅郜園園惠國華

(浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，林業(yè)感知技術(shù)與智能裝備國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300)

豬肉是中國消費(fèi)量最大的肉品，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高，豬肉的消費(fèi)量也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)[1－2]。豬肉的氣味、色澤、口感、質(zhì)地、微生物等都是其新鮮度判定的重要指標(biāo)。從屠宰之后，在儲(chǔ)存過程中豬肉新鮮度一直處于不斷的變化過程，其影響因素包括環(huán)境、微生物等。在品質(zhì)下降過程中，其含有的蛋白質(zhì)、脂肪、糖類等物質(zhì)分解，產(chǎn)生特定的揮發(fā)性氣體。豬肉新鮮度的下降不但影響了其品質(zhì)因素，還產(chǎn)生了一些對(duì)人體有害的物質(zhì)，這些過程影響到了豬肉的銷售的同時(shí)也給人們帶來了食品安全方面的不穩(wěn)定因素[3]。

常用肉類新鮮度檢驗(yàn)方法有人工感官評(píng)審、理化檢驗(yàn)、微生物檢驗(yàn)等[4]。人工感官評(píng)審法是指感官評(píng)價(jià)員運(yùn)用視覺、嗅覺、觸覺等感覺器官對(duì)豬肉的新鮮度進(jìn)行評(píng)價(jià)，在產(chǎn)品性質(zhì)和生物感覺之間建立對(duì)應(yīng)的相互關(guān)聯(lián)，以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合起來，獲取科學(xué)可靠的樣品人工評(píng)審結(jié)論。該方法缺點(diǎn)在于人工感官在樣品質(zhì)變到一定程度時(shí)才能感覺到，而且如何量化這個(gè)質(zhì)變過程是比較困難的[5]。肉類的理化檢驗(yàn)方法主要有揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)、三甲胺等，這類方法依托國家標(biāo)準(zhǔn)，因此具有較強(qiáng)的權(quán)威性，但這一類方法不足在于其耗時(shí)長、操作繁瑣、不能無損檢驗(yàn)等。微生物檢驗(yàn)方法依據(jù)國標(biāo)測(cè)定微生物計(jì)數(shù)，與理化檢驗(yàn)方法類似，也具有耗時(shí)長、操作復(fù)雜等不足[6]。近年來，研究人員開發(fā)了一些新技術(shù)，光譜法、傳感器法等。光譜法采集肉類樣品的光譜數(shù)據(jù)，然后分析光譜數(shù)據(jù)，建立起光譜數(shù)據(jù)特征與肉類品質(zhì)之間的聯(lián)系，從而確定肉類新鮮度的檢測(cè)模型。傳感器方法主要是采用物理或者化學(xué)傳感器檢測(cè)肉類樣品數(shù)據(jù)，在傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)和肉類品質(zhì)之間建立模型，實(shí)現(xiàn)肉類新鮮度快速檢測(cè)的目標(biāo)。因此現(xiàn)有方法均不適合冷凍豬肉儲(chǔ)存期檢測(cè)的需要，冷凍豬肉需要解凍后才能進(jìn)行后續(xù)的檢測(cè)操作，在解凍過程中由于環(huán)境因素的變化而引起的質(zhì)量下降，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤差[7－8]。

氣體傳感器陣列檢測(cè)方法具有響應(yīng)速度快、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可克服生物感覺判斷中重復(fù)性低的問題[9]。氣體傳感器構(gòu)成的生物嗅覺系統(tǒng)也有了較為快速的發(fā)展[10]。Arroyo等[11]利用電子鼻實(shí)現(xiàn)了葡萄酒品質(zhì)的快速檢測(cè)和分析。Gobbi等[12]采用基于金屬氧化物傳感器的電子鼻，實(shí)現(xiàn)了蔬菜湯中腸桿菌科的快速診斷。Nahid等人[13]采用多氣體傳感器檢測(cè)漿果的成熟程度，取得了較好的區(qū)分度。然而，對(duì)于冷凍食品而言，其溫度較低不利于自身特征性氣體的揮發(fā)，因此其氣體傳感器響應(yīng)較為微弱。但如果把冷凍食品解凍后進(jìn)行檢測(cè)，這個(gè)過程中受溫度、微生物等因素的影響，被測(cè)樣品的質(zhì)量變化自身規(guī)律將被破壞。因此如何找到一種高靈敏度的無損檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)冷凍豬肉的儲(chǔ)存期鑒定，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文采用快速氣相色譜方法分離冷凍豬肉樣品的特異性揮發(fā)氣體，然后采用氣體傳感器陣列檢測(cè)氣相色譜柱富集的氣體，采用非線性模型分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，并建立起冷凍豬肉儲(chǔ)存期檢測(cè)模型。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

新鮮豬肉樣品由浙江青蓮公司提供，屠宰后迅速運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室，分割成4 cm×8 cm×2.5 cm規(guī)格用保鮮膜包裹，放置于冰箱中－18℃冷凍保存。

1.2 揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)檢驗(yàn)

分別于第1、3、5、7、9、11、13、15、17天實(shí)驗(yàn)測(cè)量樣品的TVB-N數(shù)據(jù)。將豬肉放到攪碎機(jī)進(jìn)行粉碎，用電子天平稱取攪碎的肉5 g，置于微量凱氏定氮器的大試管中，分別加入氧化鎂和大約100 mL水，加熱并持續(xù)振搖，然后用錐形瓶接收隨水蒸氣蒸出來的含氮的揮發(fā)性氣體，在錐形瓶中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為百分之二的硼酸和兩滴現(xiàn)配的0.1%甲基紅和0.5%溴甲酚綠體積比為1∶1的混合液，然后將吸收液用0.1 mol/L的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，終點(diǎn)至藍(lán)紫色。每天平行實(shí)驗(yàn)三次，在此之前還要做試劑空白試驗(yàn)。揮發(fā)性鹽基氮的計(jì)算公式為:

式中:X為樣品中揮發(fā)性鹽基氮的含量，單位為(mg/100 g)；V1為樣品檢驗(yàn)所需鹽酸溶液體積，單位:毫升；V2為空白樣品檢驗(yàn)所需鹽酸溶液體積，單位:毫升；c為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度，單位為(mol/L)；14為1 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液1毫升相當(dāng)?shù)暮量藬?shù)；m為樣品的質(zhì)量，單位為(g)。

1.3 快速氣相色譜

采用具有微米級(jí)孔徑的微孔石英柱，在孔柱中修飾有可分離氣體組分的涂覆相，形成集束毛細(xì)管分離柱。在石英柱外部固定金屬層，在金屬兩極間形成可控的恒電勢(shì)，同時(shí)檢測(cè)電勢(shì)驅(qū)動(dòng)下的電流信號(hào)，用于調(diào)整集束毛細(xì)管的溫控。冷凍豬肉樣品的頂空氣體被氦氣載氣帶入氣相色譜系統(tǒng)一般進(jìn)行分離操作，氣相色譜系統(tǒng)包含氣路控制器，用來吸附氣體的由多孔聚合物材料組成的吸附單元，和金屬毛細(xì)管柱等部件。利用六通閥來切換氣路系統(tǒng)的模式切換，在檢測(cè)模式下(1，2)、(3，4)、(5，6)分別接通，快速加熱吸附管進(jìn)行脫附。在分析模式下(2，3)、(4，5)、(1，6)分別接通，通過真空泵把氣體吸入吸附管進(jìn)行富集。起始，六通閥工作在檢測(cè)模式，控制吸附管加熱達(dá)到180℃以保障氣樣全部進(jìn)入毛細(xì)管柱，實(shí)現(xiàn)減小分離誤差的目的。六通閥150℃，毛細(xì)管柱45℃。采樣80 s后進(jìn)入分析模式，吸附管加熱至250℃，毛細(xì)柱以10℃/s的速度升溫至180℃將吸附單元脫附，利用氦氣吹掃，洗脫的物質(zhì)送入毛細(xì)管柱以便進(jìn)行分離，然后送至多氣體傳感器陣列進(jìn)行檢測(cè)。分別檢測(cè)存放1 d、1.5 d、2 d、2.5 d、3 d、3.5 d、4 d、4.5 d、5 d、5.5 d、7 d、9 d、11 d、13 d、15 d、17 d樣品的系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

1.4 多氣體傳感器系統(tǒng)

根據(jù)Sun等人的研究結(jié)果[14]，在對(duì)樣品揮發(fā)氣體成分分析的基礎(chǔ)上，選用了針對(duì)樣品特征揮發(fā)性氣體的8個(gè)氣體傳感器構(gòu)成檢測(cè)陣列，傳感器型號(hào)如表1所示。豬肉樣品從冰箱中取出后在空氣中放置15 min，以平衡樣品的溫度。然后稱取樣品25 g置于潔凈干燥的燒杯中并用封口膜密封，把處理好的樣品進(jìn)行檢測(cè)。

表1 氣體傳感器陣列

在檢測(cè)工作開展之前，打開測(cè)量系統(tǒng)并穩(wěn)定50 min，等到每個(gè)傳感器信號(hào)均恢復(fù)至基線左右，用探針將樣品頂空氣體吸入傳感器氣腔，使樣品頂空氣體流向各個(gè)氣體傳感器而產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)由USB接口送至計(jì)算機(jī)保存。每個(gè)樣品測(cè)量45 s，然后利用潔凈空氣清洗傳感器，使其響應(yīng)恢復(fù)至基線，等待下一次測(cè)量。檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

傳感器陣列檢測(cè)數(shù)據(jù)采用非線性信號(hào)分析模型進(jìn)行解析。采用具有周期屬性的布朗質(zhì)點(diǎn)在特定勢(shì)阱中的運(yùn)動(dòng)來建立模型[15]:

式中:Am是周期分量幅度；f0頻率；τ是初相位；s是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡；t是時(shí)間；V(s)是標(biāo)準(zhǔn)兩勢(shì)阱，如式(3)所示，p、q為實(shí)參數(shù)，δ為調(diào)整系數(shù)；η(t)為外源性激勵(lì)隨機(jī)噪聲，其自相關(guān)函數(shù)E[η(t)η(0)]＝δ(t)，強(qiáng)度系數(shù)是bk，δ(t)為單位沖擊函數(shù)。

該模型采用信號(hào)/噪聲比參量去表征模型的輸出信號(hào)，信號(hào)/噪聲比(SN)的定義是:

信號(hào)/信噪比

式中:ω為信號(hào)頻率參數(shù)，Ω代表角頻率參數(shù)，S(ω)代表信號(hào)頻譜密度，SN(Ω)代表噪聲強(qiáng)度函數(shù)。在本研究中，傳感器陣列檢測(cè)數(shù)據(jù)SA(t)與Am×sin(2πf0t＋τ)融合代入模型，式(3)改寫為:

本研究中，參數(shù)Am為4.5、f0＝1 Hz、τ＝0，并使得噪聲強(qiáng)度bk取值范圍為[0，800]，令n＝1，并使m在[1，8.5]之內(nèi)進(jìn)行步進(jìn)為0.1的變化，同時(shí)記錄系統(tǒng)輸出SN，當(dāng)輸出SN曲線產(chǎn)生特征峰時(shí)，即可以確定m＝4.8，此時(shí)為最優(yōu)參數(shù)。計(jì)算傳感器陣列SN極大值的平均值作為校準(zhǔn)閾值，本研究要求必須滿足8個(gè)傳感器數(shù)據(jù)信噪比極大值中至少5個(gè)大于校準(zhǔn)閾值，滿足該條件，系統(tǒng)輸出SN結(jié)果。

2 結(jié)果和分析

2.1 TVB-N檢驗(yàn)結(jié)果

圖2為樣品的TVB-N檢測(cè)結(jié)果，該指標(biāo)表征的是肉類在酶、微生物的作用下，在存儲(chǔ)過程中，肉中的蛋白質(zhì)分解生成氨、胺類等含氮代謝物。這些物質(zhì)揮發(fā)性強(qiáng)，因此該類物質(zhì)濃度越高，代表肉中的氨基酸分解的越劇烈，肉的質(zhì)量下降的越厲害。從圖中可以觀察出，TVB-N指標(biāo)呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，在第1天約為12 mg/100 g，此后檢驗(yàn)結(jié)果持續(xù)上升，而在第17天其值約為13.5 mg/100 g，都不超過國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于TVB-N指標(biāo)的上限。檢驗(yàn)結(jié)果表明，樣品在冷凍儲(chǔ)藏條件下質(zhì)量發(fā)生了細(xì)微變化，但是指標(biāo)都符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 TVB-N檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 多傳感器系統(tǒng)檢測(cè)響應(yīng)

傳感器陣列響應(yīng)信號(hào)如圖3，x軸為檢測(cè)時(shí)間，y軸為傳感器的檢測(cè)信號(hào)。在初始時(shí)刻各傳感器的輸出信號(hào)為零，隨著樣品氣體的吸入，各傳感器的輸出信號(hào)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，樣品揮發(fā)氣體中的特定成分與對(duì)應(yīng)的傳感器結(jié)合后產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。響應(yīng)信號(hào)通過通信線纜被采集至計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)。傳感器sen01和sen04的響應(yīng)最大，處于第一梯隊(duì)。傳感器sen07、sen05和sen06處于第二梯隊(duì)，sen03、sen8和sen02處于第三梯隊(duì)。傳感器響應(yīng)信號(hào)的多樣性，為樣品檢測(cè)提供了豐富的感知信息特征，有利于檢測(cè)精準(zhǔn)度的提升。

圖3 傳感器陣列響應(yīng)

2.3 豬肉存儲(chǔ)期檢測(cè)模型

圖4(a)為被測(cè)樣品的氣體傳感器陣列檢測(cè)輸出信號(hào)，先是快速上升，到達(dá)峰值之后下降，形成了一個(gè)谷信號(hào)之后逐漸上升，并趨于穩(wěn)定化。這個(gè)過程反映了冷凍豬肉樣品檢測(cè)過程中的物理動(dòng)力學(xué)過程，冷凍豬肉樣品的頂空氣體被預(yù)熱后進(jìn)入快速氣相色譜系統(tǒng)，然后被富集后送入氣體傳感器陣列檢測(cè)氣室。但是豬肉樣品的氣體揮發(fā)量是一定的，隨著不斷的抽取，氣相色譜系統(tǒng)中的富集氣體含量下降，因此傳感器陣列響應(yīng)先增大然后下降，最后緩慢上升并趨向于穩(wěn)定。圖4(a)說明，所構(gòu)建的快速氣相色譜串聯(lián)多傳感器陣列檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，給出的響應(yīng)信號(hào)也符合本研究所聚焦的目標(biāo)。

圖4(a)中，位于橫坐標(biāo)100左右的峰雖然可以作為一個(gè)特征，但是不同樣品的峰值之間區(qū)分度較低，不適合做定量分析。因此，我們選取區(qū)分度更大的傳感器陣列谷值作為定量分析特征值，經(jīng)過非線性線性擬合之后用于構(gòu)建樣品儲(chǔ)存期預(yù)測(cè)模型，如圖4(b)和式(6)所示。

圖4 豬肉儲(chǔ)存期檢測(cè)模型:

本研究另外選取一批樣品，隨機(jī)選取20個(gè)進(jìn)行驗(yàn)證，獲取傳感器陣列檢測(cè)數(shù)據(jù)并計(jì)算系統(tǒng)輸出特征值，將得到的響應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(6)，將公式計(jì)算出的數(shù)值與真實(shí)值比較，如表2所示，其中的18個(gè)樣本預(yù)測(cè)正確，2個(gè)預(yù)測(cè)偏差較大，說明具有較好的正確率。

表2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

本文采用快速氣相色譜方法分離冷凍豬肉樣品的特異性揮發(fā)氣體，克服了低溫冷凍樣品揮發(fā)氣體特征成分含量低的難題，然后采用氣體傳感器陣列檢測(cè)氣相色譜柱富集的氣體，并采用非線性模型分析檢測(cè)數(shù)據(jù)并獲取特征值，將不同儲(chǔ)存時(shí)間的樣品的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征值經(jīng)過非線性擬合建立冷凍豬肉儲(chǔ)存期檢測(cè)模型(R2＝0.972)。為了驗(yàn)證所構(gòu)建模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文研究的方法具有較好的預(yù)測(cè)正確率。本文所研究的檢測(cè)方法具有檢測(cè)快速、操作簡(jiǎn)便、成本低等優(yōu)勢(shì)，有較好的應(yīng)用前景。