基于電子鼻技術(shù)對(duì)小麥粉及腐竹中吊白塊的快速檢測(cè)研究

劉蘭霞，王慧珺，王新潮，白興斌，寇宗紅，劉阿靜，王 波

（1.白銀市食品檢驗(yàn)檢測(cè)中心，甘肅白銀 730900；2.蘭州海關(guān)技術(shù)中心，甘肅蘭州 730010）

吊白塊俗稱雕白塊（粉），化學(xué)名稱為甲醛次硫酸氫鈉，遇酸性、堿性或者高溫時(shí)分解為甲醛與二氧化硫，甲醛具有防腐作用，二氧化硫具有增白增色效果，常用于工業(yè)漂白劑、還原劑等。因此，近年來(lái)常被不法商販用于腐竹及小麥粉等的加工中，以改善食物的感官性狀，增加食品彈性、漂白、殺菌、延長(zhǎng)食品保質(zhì)期[1-2]。食用添加“吊白塊”后，其分解產(chǎn)生的甲醛通過(guò)消化道被人體吸收，嚴(yán)重時(shí)可引起肺氣腫，肝、腎充血及血管周圍水腫，甚至出現(xiàn)窒息、昏迷及休克等癥狀[3-4]。根據(jù)我國(guó)GB 2760《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》的要求，吊白塊不屬于食品添加劑，（原）國(guó)家質(zhì)檢總局、衛(wèi)生部等部門也多次發(fā)文，明令禁止吊白塊在食品中添加使用。

食品中吊白塊的測(cè)定，目前主要采用間接檢測(cè)的方法[5-7]，即先將甲醛次硫酸氫鈉進(jìn)行降解處理，再測(cè)其甲醛和二氧化硫的含量，換算得出甲醛次硫酸氫鈉的含量，以推斷甲醛次硫酸氫鈉的含量。由于甲醛和二氧化硫在食品中都有一定的本底值，加上衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)及質(zhì)監(jiān)等部門的判定標(biāo)準(zhǔn)也不完全一致，有時(shí)可能出現(xiàn)假陽(yáng)性的報(bào)告，食品中吊白塊的直接檢測(cè)方法研究已受到各方面的關(guān)注和重視。電子鼻技術(shù)模擬了哺乳動(dòng)物的嗅覺(jué)機(jī)理，并克服了單個(gè)傳感器的缺點(diǎn)，對(duì)樣品不需要預(yù)處理、操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展成為食品、飲料及農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制和產(chǎn)品檢測(cè)的一項(xiàng)高新技術(shù)[8-10]。

利用電子鼻技術(shù)測(cè)定了小麥粉及腐竹中吊白塊，基于電子鼻系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，采用定量分析方法建立模型進(jìn)行分析。結(jié)果表明，運(yùn)用電子鼻技術(shù)快速評(píng)價(jià)小麥粉及腐竹中的吊白塊具有一定的可行性，可以很大程度上代替多種檢測(cè)儀器設(shè)備對(duì)小麥粉及腐竹的檢測(cè)，是一種性價(jià)比較高、方便快捷的檢測(cè)方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器、材料與試劑

PEN3 型便攜式電子鼻，德國(guó)AIRSENSE 公司產(chǎn)品；冷凍離心機(jī)、電子天平（0.1 mg），德國(guó)Sartorius 公司產(chǎn)品；移液槍（Thermo Electron）、15 mL 聚乙烯管、50 mL 聚乙烯管。

吊白塊（分析純，純度＞98%，百靈威）、氫氧化鈉（分析純）、丙酮（分析純）、蒸餾水（屈臣氏）。

1.2 樣品信息

小麥粉樣品均采購(gòu)于城市超市和采樣于小麥粉加工廠，腐竹均購(gòu)自超市及菜市場(chǎng)。樣品在4 ℃和常溫下（25 ℃）避光處保存。

1.3 電子鼻傳感器

使用德國(guó)AIRSENSE 公司PEN3 型便攜式電子鼻，該裝置共有10 個(gè)具有不同特征的金屬氧化物傳感器陣列。

傳感器及其對(duì)應(yīng)的香氣類型見(jiàn)表1。

表1 傳感器及其對(duì)應(yīng)的香氣類型

由表1 可知，傳感器對(duì)敏感氣體種類選擇性不唯一，且不同的傳感器可能對(duì)相同敏感氣體種類都具有選擇性。因此，根據(jù)這些傳感器構(gòu)成陣列而獲得一系列多維數(shù)組數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)模式識(shí)別算法之后，可以用來(lái)測(cè)定小麥粉或腐竹中的吊白塊。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 樣品前處理

分別準(zhǔn)確稱取0.050 g（精確到0.001 g）的吊白塊標(biāo)準(zhǔn)品于100 mL 容量中，加水稀釋并配制成質(zhì)量濃度為0.5 g/L 的標(biāo)準(zhǔn)溶液。將上述溶液按照一定的體積與小麥粉或粉碎后的腐竹（過(guò)60 目）以1∶4（料液比）的比例混合并攪拌均勻。則在制成的新的小麥粉或腐竹中吊白塊的質(zhì)量濃度分別為0.200，0.080，0.025，0.005，0.001 g/kg，同時(shí)采用純水按上述比例制成的小麥粉或腐竹做空白樣品。最大程度地模擬市場(chǎng)上的銷售狀況，試驗(yàn)過(guò)程中未加入其他輔料（如食鹽、淀粉、食用堿等）。

1.4.2 電子鼻檢測(cè)

將添加不同質(zhì)量濃度等級(jí)的小麥粉或腐竹取5 g置于頂空瓶中，密封靜置5 min 后，利用電子鼻對(duì)氣味進(jìn)行信號(hào)采集。電子鼻測(cè)定參數(shù)設(shè)置為測(cè)試樣品間隔5 s，樣品準(zhǔn)備10 s，檢測(cè)時(shí)間60 s，清洗時(shí)間2 min，氣體流量400 mL/min。

為了減小試驗(yàn)過(guò)程中的誤差，所有樣品的制備均為在室溫下現(xiàn)用現(xiàn)配。檢測(cè)時(shí)采用手動(dòng)頂空進(jìn)樣方式，將零氣針頭及電子鼻進(jìn)樣器針頭先后插入樣品瓶蓋的軟膜進(jìn)行采樣，將揮發(fā)性氣體吸到電子鼻的傳感器系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。

電子鼻試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

1.4.3 數(shù)據(jù)分析

研究中電子鼻的電導(dǎo)信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集、處理使用電子鼻配套的WinMuster 軟件，主要方法為負(fù)荷加載分析（Loadings）、線性判別函數(shù)分析（LDA）和主成分分析（PCA）進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.4.4 異常值的處理

對(duì)所檢測(cè)的樣品采用基于最小協(xié)方差估計(jì)的穩(wěn)健馬氏距離異常值檢測(cè)方法檢測(cè)異常值，異常值予以剔除。用相同的方法對(duì)其他組的樣品檢測(cè)。剔除異常值之后再做進(jìn)一步的分析。

1.5 結(jié)果與分析

1.5.1 電子鼻傳感器對(duì)小麥粉及腐竹的信號(hào)響應(yīng)

對(duì)5 組質(zhì)量濃度等級(jí)的小麥粉及腐竹進(jìn)行電子鼻信號(hào)采集，得到相對(duì)電導(dǎo)率值。電子鼻對(duì)小麥粉的檢測(cè)時(shí)間為60 s，樣品剛進(jìn)入電子鼻時(shí)，傳感器的響應(yīng)值突然升高，偏離原有基線，隨著檢測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)，傳感器的響應(yīng)值基本都在40 s 后整體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，試驗(yàn)選取45～49 s 內(nèi)各傳感器的平均響應(yīng)值作為特征值進(jìn)行分析。

電子鼻對(duì)小麥粉的電導(dǎo)信號(hào)雷達(dá)圖和信號(hào)響應(yīng)圖見(jiàn)圖1，電子鼻對(duì)腐竹的電導(dǎo)信號(hào)雷達(dá)圖和信號(hào)響應(yīng)圖見(jiàn)圖2。

圖1 電子鼻對(duì)小麥粉的電導(dǎo)信號(hào)雷達(dá)圖和信號(hào)響應(yīng)圖

圖2 電子鼻對(duì)腐竹的電導(dǎo)信號(hào)雷達(dá)圖和信號(hào)響應(yīng)圖

由圖1 可知，小麥粉對(duì)于傳感器S6、S7 和S9響應(yīng)最為靈敏，傳感器S2 和S10 響應(yīng)相對(duì)不顯著，而傳感器S3、S4 和S5 在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中幾乎保持平穩(wěn)狀態(tài)。由圖2 可知，傳感器S7、S9 和S2 響應(yīng)最為靈敏，傳感器S4、S5 和S10 幾乎維持在平穩(wěn)狀態(tài)。由此可見(jiàn)，腐竹因與小麥粉的性質(zhì)相差較大，10 個(gè)傳感器的響應(yīng)也有很大不同。

1.5.2 小麥粉及腐竹的Loadings 法分析

在Loadings 負(fù)荷加載分析方法中，通過(guò)10 個(gè)不同傳感器對(duì)于在主成分1 和主成分2 上貢獻(xiàn)率的大小來(lái)分析，從而歸屬樣品中揮發(fā)性成分的類別[11-12]。一般情況下，10 個(gè)不同傳感器的電導(dǎo)響應(yīng)值的正偏離或負(fù)偏離的距離直接決定著對(duì)樣品揮發(fā)性成分的識(shí)別能力，正或負(fù)的距離越大，說(shuō)明其識(shí)別能力越強(qiáng)，反之亦然。經(jīng)小麥粉和腐竹Loadings 圖的分析，通過(guò)10 個(gè)傳感器正偏離和負(fù)偏離的距離大小，能夠判斷出小麥粉及腐竹相對(duì)應(yīng)的靈敏度較高的傳感器。

小麥粉樣品的Loading 分析圖見(jiàn)圖3，腐竹樣品的Loading 分析圖見(jiàn)圖4。

圖3 小麥粉樣品的Loading 分析圖

圖4 腐竹樣品的Loading 分析圖

由圖3 可知，W5S、W2W 和W1W 在主成分1的識(shí)別上特征顯示明顯，而W1S 和W2S 在主成分2的識(shí)別上具有明顯特征顯示，W1C 和W3S 這2 個(gè)傳感器的電導(dǎo)響應(yīng)值識(shí)別趨近于零，幾乎沒(méi)有顯示。由上分析的結(jié)果與電導(dǎo)信號(hào)雷達(dá)圖和信號(hào)響應(yīng)曲線（圖1）結(jié)果相互印證，可確定上述傳感器是區(qū)分小麥粉樣品特征的關(guān)鍵傳感器。由圖4 可知，主成分1和主成分2 貢獻(xiàn)率總和為99.27 %，可以充分反映被測(cè)樣品電導(dǎo)信號(hào)響應(yīng)值的特征。

對(duì)于腐竹樣品，傳感器W1W、W5S 和W2W 對(duì)主成分1 的識(shí)別特征顯示明顯，而W1S 和W2S 對(duì)主成分2 的識(shí)別具有明顯特征顯示，W1C 和W5C 這2 個(gè)傳感器的電導(dǎo)響應(yīng)值識(shí)別趨近于零。由圖4 可知，主成分1 和主成分2 貢獻(xiàn)率總和為98.74%，能夠充分反映被測(cè)腐竹樣品電導(dǎo)信號(hào)響應(yīng)值的特征。

1.5.3 電子鼻傳感器對(duì)吊白塊的信號(hào)響應(yīng)

電子鼻對(duì)吊白塊的雷達(dá)圖和信號(hào)響應(yīng)圖見(jiàn)圖5。

由圖5 可知，吊白塊對(duì)于傳感器S6、S7、S8 和S9 響應(yīng)最為靈敏，傳感器S2、S3 和S10 響應(yīng)相對(duì)不顯著，而傳感器S4 和S5 在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中幾乎保持平穩(wěn)狀態(tài)。對(duì)于吊白塊而言，10 個(gè)傳感器的響應(yīng)與小麥粉完全不同，特別是傳感器S8 和S6。

1.5.4 吊白塊的Loadings 法分析

吊白塊的Loading 分析圖見(jiàn)圖6。

圖6 吊白塊的Loading 分析圖

由圖6 可知，傳感器W1W 和W2W 對(duì)吊白塊的主成分1 的識(shí)別特征顯示明顯，而W1S 和W2S 對(duì)主成分2 的識(shí)別具有明顯特征顯示，W3S、W6S、W3C、W1C 和W5C 這5 個(gè)傳感器的電導(dǎo)響應(yīng)值識(shí)別趨近于零。

由圖6 可知，吊白塊的Loading圖中主成分1 和主成分2 貢獻(xiàn)率總和為96.09%；由于吊白塊的化學(xué)名稱為次硫酸氫鈉甲醛，分子式為NaHSO2·CH2O·2H2O，分解后成為甲醛、二氧化硫和硫化氫，對(duì)應(yīng)10 個(gè)傳感器的特性發(fā)現(xiàn)，W1S 傳感器對(duì)硫化物靈敏，W2S傳感器對(duì)醇類、醛酮類靈敏；W2W 對(duì)芳香成分、有機(jī)硫化物靈敏，通過(guò)對(duì)照?qǐng)D5 和表1，主成分1 中的W2W 傳感器和主成分2 中的W1S 傳感器對(duì)吊白塊有著強(qiáng)烈的特征性，與其吊白塊的化學(xué)組成相對(duì)應(yīng)，結(jié)果顯示電子鼻中的10 個(gè)傳感器可以充分反映被測(cè)吊白塊電導(dǎo)信號(hào)響應(yīng)值的特征。

1.6 摻入不同比例吊白塊的PCA 和LDA 方法分析

1.6.1 小麥粉中添加不同比例吊白塊的PCA 和LDA方法分析

電子鼻對(duì)小麥粉中摻入不同比例吊白塊的PCA方法分析見(jiàn)圖7。

圖7 電子鼻對(duì)小麥粉中摻入不同比例吊白塊的PCA 方法分析

在PCA 和LDA 分析圖中，主成分1 和主成分2的總貢獻(xiàn)率都達(dá)到了98%以上，說(shuō)明電子鼻信息能夠反映樣品的原始數(shù)據(jù)的特征向量指標(biāo)信息[13]。將6 種不同用量（A-F）的吊白塊摻入小麥粉中，小麥粉樣品和摻入不同比例的吊白塊的電子鼻信號(hào)響應(yīng)值數(shù)據(jù)點(diǎn)在PCA 分析圖（圖7）中分布較遠(yuǎn)，區(qū)分明顯。在PCA 分析中，摻入的吊白塊用量越高，電子鼻的信號(hào)響應(yīng)距離小麥粉空白樣品的距離越遠(yuǎn)。從圖中可以看出隨著吊白塊用量的增加，A 和F 逐步遠(yuǎn)離小麥粉樣品，且具有一定的線性特征。由此得出，利用PCA 方法可以區(qū)分用量為0.001 g/kg 的吊白塊。

在LDA 分析圖（圖1-8）中小麥粉樣品同樣可以明顯地將摻入不同用量吊白塊的樣品區(qū)分開(kāi)來(lái)，但是A、B 和C 距離小麥粉較近，且就橫坐標(biāo)（主成分1）而言，LDA 的坐標(biāo)軸較PCA 更小，區(qū)分度不及LCA 分析方法。通過(guò)上述比較可見(jiàn)，對(duì)小麥粉中摻入不同用量吊白塊的分析，PCA 分析方法優(yōu)于LDA 分析方法。

電子鼻對(duì)小麥粉中摻入不同用量吊白塊的LDA方法分析見(jiàn)圖8。

圖8 電子鼻對(duì)小麥粉中摻入不同用量吊白塊的LDA 方法分析

1.6.2 腐竹中添加不同用量吊白塊的PCA 和LDA方法分析

電子鼻對(duì)腐竹中摻入不同用量吊白塊的PCA 方法分析見(jiàn)圖9，電子鼻對(duì)腐竹中摻入不同用量吊白塊的LDA 方法分析見(jiàn)圖10。

圖9 電子鼻對(duì)腐竹中摻入不同比例吊白塊的PCA 方法分析

圖10 電子鼻對(duì)腐竹中摻入不同比例吊白塊的LDA方法分析

由圖9 和圖10 可知，在PCA 和LDA 分析圖中，腐竹中添加不同用量吊白塊的主成分1 和主成分2的總貢獻(xiàn)率都達(dá)到了97%以上，說(shuō)明電子鼻信息能夠反映樣品的原始數(shù)據(jù)的特征向量指標(biāo)信息。

將用量分別為0.001 g/kg（A）、0.002 g/kg（B）、0.005 g/kg（C）、0.025 g/kg（D）、0.080 g/kg（E）和0.200 g/kg（F）的吊白塊摻入粉碎后（過(guò)60 目篩）的腐竹中，腐竹樣品和摻入不同用量的吊白塊的電子鼻信號(hào)響應(yīng)值數(shù)據(jù)點(diǎn)在PCA 分析圖中區(qū)分明顯。在PCA 分析中，摻入的吊白塊用量越多，電子鼻的信號(hào)響應(yīng)距離腐竹空白樣品的距離越遠(yuǎn)，且具有一定的線性特征。值得注意的是，當(dāng)用量為0.001 g/kg的吊白塊（A）和0.002 g/kg 的吊白塊（B）及用量為0.025 g/kg 的吊白塊（D）和0.080 g/kg 的吊白塊（E）時(shí)，其間的距離較近，可能會(huì)影響定量的準(zhǔn)確性，但對(duì)于摻偽鑒別而言，其準(zhǔn)確性基本不受影響。

在LDA 分析圖（圖10）中，腐竹樣品同樣可以明顯地將摻入不同用量吊白塊的樣品區(qū)分開(kāi)來(lái)，A，B，C 和D，E，F(xiàn) 成為相對(duì)獨(dú)立的2 個(gè)部分，對(duì)于定量的準(zhǔn)確性，PCA 更有優(yōu)勢(shì)；此外，以橫坐標(biāo)（主成分1）為參照，A，B 和C 距離腐竹較近，區(qū)分度也不及LCA 分析方法。通過(guò)上述比較可知，對(duì)腐竹中摻入不同用量吊白塊的分析，PCA 分析方法優(yōu)于LDA 分析方法。

1.7 實(shí)際樣品測(cè)定

利用上述試驗(yàn)條件對(duì)市面上所售小麥粉及腐竹樣品進(jìn)行了檢測(cè)，除添加后的樣品有檢出外，其余小麥粉樣品均未檢出（吊白塊用量均＜0.10 mg/kg），與電子鼻篩查后的結(jié)果一致，說(shuō)明使用電子鼻檢測(cè)小麥粉及腐竹樣品中的吊白塊的方法可行。

2 結(jié)論

通過(guò)電子鼻傳感器技術(shù)對(duì)市售小麥粉及腐竹等樣品摻入不同用量吊白塊進(jìn)行分析鑒別，經(jīng)PCA 以及LDA 分析可知，PCA 及LDA 分析法均可以有效對(duì)摻入吊白塊的小麥粉及腐竹等樣品進(jìn)行檢測(cè)，但是PCA 在定量方面的準(zhǔn)確性優(yōu)于LDA 分析方法。同時(shí)，采用離子色譜法對(duì)吊白塊進(jìn)行檢測(cè)，并與電子鼻鑒別的準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果可知電子鼻由于對(duì)樣品不需要進(jìn)行任何預(yù)處理，和色譜法相比較，可以實(shí)現(xiàn)快速有效檢測(cè)。因此，電子鼻技術(shù)可以作為一種快速簡(jiǎn)便的檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用到小麥粉及腐竹等樣品摻入吊白塊的檢測(cè)中。