廖 敏，陳 玉，沈藝楠，田宴巾，張 天，丁青芝

（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

基于電子鼻的蜂膠真?zhèn)舞b別研究

廖 敏，陳 玉，沈藝楠，田宴巾，張 天，*丁青芝

（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

為建立蜂膠摻假快速檢測(cè)方法，采用電子鼻技術(shù)結(jié)合主成分分析（PCA）對(duì)不同地域的10個(gè)蜂膠樣品和自制的楊樹膠，以及按一定比例摻假的蜂膠進(jìn)行鑒別。從電子鼻數(shù)據(jù)和主成分分析的結(jié)果來(lái)看，純楊樹膠和摻假蜂膠可以較好地與真蜂膠區(qū)分開，不同來(lái)源的蜂膠樣品間也有較明顯的差異，3個(gè)主成分的總貢獻(xiàn)率達(dá)97.492%。結(jié)果表明，該方法有望用于蜂膠的真?zhèn)舞b別和產(chǎn)地溯源分析。

蜂膠；楊樹膠；電子鼻

0 引言

蜂膠是一種昂貴的蜂產(chǎn)品，全世界每年產(chǎn)量?jī)H有不足800 t。蜂膠富含酚類、酯類等多種成分，具有抗菌、消炎、增強(qiáng)免疫力等多種生物活性，因此成為一種重要的醫(yī)藥和功能食品原料。由于蜂膠的市場(chǎng)需求量大，但產(chǎn)量有限，個(gè)別不法商人開始使用樹膠、蜂蠟等摻假，嚴(yán)重?fù)p害了消費(fèi)者的利益，破壞了蜂膠產(chǎn)品在消費(fèi)者心目中的形象。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)蜂膠的化學(xué)成分與品質(zhì)鑒定等進(jìn)行研究，采用HPLC[1-2]，GC[3]，GC-MS[4-5]，紅外光譜[6-8]及紫外光譜[9]等方法對(duì)蜂膠及其制品進(jìn)行分析，以辨別其真?zhèn)巍?/p>

盡管以上方法對(duì)蜂膠真?zhèn)舞b別有一定的積極作用，但是大多數(shù)研究者在分析時(shí)只采用了一種檢測(cè)手段，多從單一角度對(duì)樣品進(jìn)行分析，并且現(xiàn)有這些檢測(cè)方法普遍都存在樣品前處理繁瑣、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、圖譜分析復(fù)雜、檢測(cè)的化學(xué)成分單一等缺點(diǎn)。目前，還沒(méi)有一個(gè)被公認(rèn)的對(duì)蜂膠產(chǎn)品品質(zhì)評(píng)價(jià)和真?zhèn)舞b別的方法可以用于生產(chǎn)實(shí)踐。

電子鼻是利用傳感器陣列，模擬人的嗅覺(jué)器官對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行鑒定，由于其便捷、成本低、客觀等優(yōu)點(diǎn)逐漸被用于食品領(lǐng)域[10-14]。蜂膠的揮發(fā)性成分是蜂膠的主要活性成分之一，也是蜂膠的特征性指標(biāo)，楊樹膠在氣味上和蜂膠有著一定的差異，試驗(yàn)利用電子鼻對(duì)蜂膠的揮發(fā)性組分進(jìn)行分析，利用主成分分析法探索一種蜂膠真?zhèn)舞b定的方法。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

新鮮楊樹嫩葉，隨機(jī)采自江蘇大學(xué)校園內(nèi)3—4月份的加拿大楊樹新葉稍部，為防混入雜物，所有蜂膠樣品均由合作單位蜂場(chǎng)中蜂箱內(nèi)壁小心采集得到。

蜂膠樣品信息見(jiàn)表1。

1.2 儀器及設(shè)備

JS-008型便捷式農(nóng)產(chǎn)品氣味電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)，江蘇大學(xué)自行研制；AE200型電子天平，瑞士梅特勒-托利公司產(chǎn)品；DF-1型集熱式恒溫磁力攪拌器、組織搗碎勻漿機(jī)，江蘇金壇市中大儀器廠產(chǎn)品；電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品的制備

（1）楊樹膠。采摘楊樹嫩芽，放入50℃烘箱內(nèi)烘48 h（水分含量約15%），然后用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，過(guò)200目篩，篩下物按1∶2加水煮制后濾去殘?jiān)?，濾液真空干燥后冷凍粉碎，過(guò)200目篩，篩下物密封于樣品袋中，置入-18℃冰箱冷凍貯藏備用。

（2）蜂膠樣品的制備。蜂膠原膠冷凍粉碎，過(guò)200目篩，篩下物密封于樣品袋中，置入-18℃冰箱冷凍貯藏備用。

（3）模擬摻假蜂膠。將河南1號(hào)蜂膠與楊樹膠按照2∶8，3∶7，5∶5，7∶3，8∶2的比例在振蕩器上混合均勻。

1.3.2 電子鼻系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

電子鼻傳感器陣列中的氣敏傳感器是電子鼻系統(tǒng)的重要組成部分，氣敏傳感器也有多種，如電化學(xué)傳感器、金屬氧化半導(dǎo)體傳感器、熱傳感器、電壓傳感器、光學(xué)傳感器等。試驗(yàn)中，電子鼻系統(tǒng)選用日本費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器，共有8個(gè)傳感器，其型號(hào)分別為TGS822TF，TGS880，TGS813，TGS825，TGS822，TGS826，TGS2600，TGS2602。

TGS系列金屬氧化物型半導(dǎo)體特性及應(yīng)用見(jiàn)表2。

表2 TGS系列金屬氧化物型半導(dǎo)體特性及應(yīng)用

這些金屬氧化物傳感器采用SnO2薄膜作為活性材料，為了防止溫度和濕度對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響，在試驗(yàn)的電子鼻系統(tǒng)中還加入了濕度和溫度傳感器。

電子鼻測(cè)試腔的優(yōu)化，傳統(tǒng)的測(cè)試腔采用一邊進(jìn)氣一邊出氣，在測(cè)試中會(huì)因?yàn)闅怏w擴(kuò)散需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致氣體在各傳感器表面分布的不均勻性，會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)性，為了解決這一問(wèn)題，試驗(yàn)對(duì)測(cè)試腔進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的測(cè)試腔，從中間進(jìn)氣、四周出氣，并且傳感器陣列呈圓形對(duì)稱分布。采用獨(dú)立的氣室可以使氣流平均分配到每個(gè)腔體，從而使每個(gè)傳感器響應(yīng)時(shí)間一致，減少了測(cè)試偏差。

1.3.3 采樣系統(tǒng)的選擇

進(jìn)樣方式可以分為開放式直接進(jìn)樣、靜態(tài)頂空進(jìn)樣、動(dòng)態(tài)頂空進(jìn)樣等，每種方式都各有優(yōu)缺點(diǎn)，選取合適的進(jìn)樣方式，能夠明顯提高電子鼻檢測(cè)的質(zhì)量。結(jié)合試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求，選用動(dòng)態(tài)頂空進(jìn)樣的方式，這種進(jìn)樣方式對(duì)固體、液體都適合，并且接近樣本氣體的自然揮發(fā)狀態(tài)，同時(shí)在進(jìn)樣過(guò)程中需要嚴(yán)格控制的環(huán)節(jié)較少，檢測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定可靠。但是，選用此方法需要注意流速，流速過(guò)快時(shí)，待測(cè)氣體還沒(méi)有來(lái)得及和傳感器陣列反應(yīng)就被帶出了測(cè)試腔；流速過(guò)慢，則延長(zhǎng)了測(cè)試時(shí)間。采樣頻率要選用大于系統(tǒng)信號(hào)最高頻率5倍的頻率。

1.3.4 蜂膠樣品前處理?xiàng)l件

以1號(hào)樣品作為試驗(yàn)對(duì)象，分別稱取1，2，4 g的樣品進(jìn)行測(cè)試；加熱溫度分別選取40，50，60℃；加熱時(shí)間分別選取20，30 min。

1.3.5 試驗(yàn)步驟

（1）接通電源，打開檢測(cè)軟件界面，選擇“預(yù)熱模式”，預(yù)熱30 min，直到傳感器的電壓不再變化，即傳感器處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）取50 mL潔凈、干燥的錐形瓶，將一定質(zhì)量樣本放入錐形瓶中，然后用封口膜密封，防止樣本氣體外泄。將裝有蜂膠樣品的錐形瓶在設(shè)定溫度的加熱板加熱一定時(shí)間（詳見(jiàn)1.3.4），使其達(dá)到頂空飽和狀態(tài)。

（3）選擇“工作模式”，點(diǎn)擊初始化并設(shè)置參數(shù)，其中采樣頻率為5 Hz，氣體流量為1.2 L/min，溫度為25℃，然后打開采樣氣泵。

（4）點(diǎn)擊“采集”按鈕，同時(shí)將測(cè)試頭放入裝有蜂膠樣品的錐形瓶中，采樣時(shí)間為1 min。

（5）采集完成之后，點(diǎn)擊“停止”按鈕，同時(shí)保存采樣數(shù)據(jù)，將測(cè)試頭從錐形瓶中取出，置于潔凈干燥的空氣中，關(guān)閉采樣氣泵并打開還原氣泵，氣體流量為5 L/min，用潔凈的空氣還原傳感器陣列，使其電壓達(dá)到初始狀態(tài)。

（6）重復(fù)步驟（2） ～（5），依次完成所有蜂膠樣品的測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

蜂膠樣品前處理?xiàng)l件優(yōu)化的結(jié)果顯示，當(dāng)樣品量為1 g時(shí)幾乎沒(méi)有響應(yīng)值，2 g和4 g的響應(yīng)值差別不是很大；加熱時(shí)間20 min和30 min的響應(yīng)值差別也不是很明顯。這是因?yàn)橐话闱闆r下，響應(yīng)值隨加熱溫度的升高而增加，但是加熱溫度太高對(duì)探頭有一定的影響，綜合分析后選取的試驗(yàn)條件為稱取2 g的蜂膠樣品裝入50 mL錐形瓶中，并用保鮮膜密封，60℃水浴加熱20 min。

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

樣品原始圖譜見(jiàn)圖1。

圖1 樣品原始圖譜

由圖1可知，1#傳感器和8#傳感器對(duì)蜂膠的氣味不是很敏感，沒(méi)有響應(yīng)值；在做了3次平行試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)5#傳感器不穩(wěn)定。因此，在以后的數(shù)據(jù)處理中不考慮1#，5#，8#這3個(gè)傳感器的結(jié)果。

由于傳感器的反應(yīng)室中環(huán)境因素對(duì)SnO2氣敏傳感器有較大影響，所以必須進(jìn)行去基準(zhǔn)處理，計(jì)算機(jī)得到的測(cè)試值是環(huán)境的響應(yīng)值與蜂膠響應(yīng)值之和，為了去除環(huán)境因素對(duì)傳感器的影響，用公式（1）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。

Yij=Xij-Xi0（i=1，2，…，8；j=1，2，…，N）.（1）式中：Yij——第i個(gè)傳感器第j個(gè)采樣點(diǎn)采集去基準(zhǔn)后所得的響應(yīng)值；Xij——第i個(gè)傳感器第j個(gè)采樣點(diǎn)試驗(yàn)測(cè)試值；Xi0——第i個(gè)傳感器對(duì)環(huán)境的響應(yīng)值。

傳感器預(yù)處理結(jié)果見(jiàn)圖2，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的特征值見(jiàn)表3，蜂膠樣品、楊樹膠及摻假蜂膠的雷達(dá)見(jiàn)圖3。

圖2 傳感器預(yù)處理結(jié)果

表3 每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的特征值

圖3 蜂膠樣品、楊樹膠及摻假蜂膠的雷達(dá)

經(jīng)過(guò)比較決定，從曲線中分別提取30，40采樣點(diǎn)的值來(lái)表征傳感器的反應(yīng)速度，另外再加上最大值、穩(wěn)定值、平均值，這樣每個(gè)樣本通過(guò)5個(gè)傳感器可得到5×5=25個(gè)特征值。選取每個(gè)傳感器的最大響應(yīng)值，畫出所有樣品5個(gè)傳感器的響應(yīng)疊加雷達(dá)圖。由圖3可以看出，楊樹膠與蜂膠之間以及不同種蜂膠之間的響應(yīng)值都有較大的不同，所以可以根據(jù)傳感器的響應(yīng)差異進(jìn)行區(qū)分。

2.2 測(cè)試樣本特征值的主成分分析

主成分分析旨在將高維的數(shù)據(jù)通過(guò)降維的思想轉(zhuǎn)變?yōu)榈途S，低維數(shù)據(jù)更有助于直觀的觀察和處理數(shù)據(jù)。因此，對(duì)25個(gè)特征參數(shù)選用主成分分析法進(jìn)行分析，表3中列出了其中的6個(gè)蜂膠樣品和楊樹膠的特征值，對(duì)其進(jìn)行降維處理。利用SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入處理。

主成分分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 主成分分析結(jié)果

從分析的結(jié)果可以看出，第1主成分、第2主成分和第3主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為74.714%，12.775%，10.272%，累積貢獻(xiàn)率為97.761%。貢獻(xiàn)率越大，說(shuō)明主成分越具有代表性，當(dāng)總貢獻(xiàn)率超過(guò)70%～85%，則此方法可以使用。

樣品信息主成分散點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖4 樣品信息主成分散點(diǎn)

借助SPSS繪制散點(diǎn)圖對(duì)各樣品得到的3個(gè)主成分表示出來(lái)。從散點(diǎn)圖可以看出，楊樹膠和摻假蜂膠可以明顯地與蜂膠區(qū)分開，但是1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)以及5號(hào)蜂膠樣品與其他蜂膠的相距較遠(yuǎn)，說(shuō)明不同來(lái)源蜂膠因?yàn)槠淠z源植物的差異成分上存在差異。由電子鼻檢測(cè)蜂膠的圖譜可以看出，2#傳感器對(duì)蜂膠中揮發(fā)性成分的靈敏度較高，并且2#傳感器對(duì)乙醇等溶劑有較高靈敏度。從電子鼻響應(yīng)圖中可以發(fā)現(xiàn)，1號(hào)、2號(hào)和7號(hào)蜂膠的2#傳感器最大響應(yīng)值明顯小于其他蜂膠樣品，并且與楊樹膠比較相近。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)電子鼻采集了10個(gè)蜂膠樣品、5個(gè)模擬摻假蜂膠樣品和楊樹膠樣品的信息。從傳感器響應(yīng)信息雷達(dá)圖可以看出，不同產(chǎn)地蜂膠樣品間、蜂膠與模擬摻假樣和楊樹膠間存在明顯差異，表明電子鼻有望成為一種有效的蜂膠真?zhèn)舞b別、產(chǎn)地溯源的方法。

（2）通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)降維，進(jìn)行主成分分析結(jié)果同樣表明，3個(gè)主成分總貢獻(xiàn)率達(dá)97.492%，同樣表明了電子鼻方法的有效性。

（3）試驗(yàn)選取的樣本數(shù)量較少，如果方法要進(jìn)入實(shí)用化，需要在采集更多樣本的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析方法的標(biāo)準(zhǔn)化，篩選更適用于蜂膠的傳感器類型。

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Identify the Authenticity of Propolis Based on Electronic Nose

LIAO Min，CHEN Yu，SHEN Yi'nan，TIAN Yanjin，ZHENG Tian，*DING Qingzhi
（School of Food and Bioengineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

To establish a method for rapid detection of propolis adulteration，10 different regions propolis samples and homemade poplar gum and adulterate propolis according to a certain proportion arestudied by electronic nose technology combined with principal component analysis（PCA） .The results show that pure poplar gum and adulteration of propolis can be separated from ture propolis.There are obvious differences between the propolis samples from various sources，the accumulative ratio of contribution of the three principal components reached 97.492%.Indicates that this method is expected to be used for the identification of propolis adulteration and the origin of propolis.

propolis；poplar tree glue；electronic nose

TS207.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.01.022

1671-9646（2017）01a-0077-04

2016-11-14

江蘇省博士后基金（1302013A）；江蘇大學(xué)高級(jí)人才啟動(dòng)基金（10JDG031）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD2012）；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410299025Z）；江蘇大學(xué)大學(xué)生科研立項(xiàng)（14A004，14A017，14A050，14A051，13A062，13A110）；江蘇大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃（201310299041W，201310299045W，201310299046W）。

廖 敏（1994— ），女，在讀本科，研究方向?yàn)槭称忿r(nóng)產(chǎn)品快速無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用。

*通訊作者：丁青芝（1975— ），女，博士，副教授，研究方向?yàn)榫祁惔哧悺⑽锢韴?chǎng)在食品加工中的應(yīng)用及生物活性成分的提取利用。