陳 芳，黃玉坤*，苑陽(yáng)陽(yáng)，劉 平，車(chē)振明，蔣珍菊，田洪蕓

(1. 糧油工程與食品安全四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西華大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.西華大學(xué)理學(xué)院，四川 成都 610039； 3.山東省食品藥品檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250101)

蜂蜜具有悠久的食用歷史。國(guó)標(biāo)GB14963—2011中明確定義蜂蜜是“蜜蜂采集植物的花蜜、分泌物或蜜露，與自身分泌物混合后，經(jīng)充分釀造而成的天然甜物質(zhì)”[1]。然而許多商家在利益的驅(qū)使下向蜂蜜中加入果葡糖漿、蔗糖、葡萄糖漿等替代原料，制作摻假蜂蜜并投入市場(chǎng)，嚴(yán)重?fù)p害了蜂農(nóng)及消費(fèi)者的權(quán)益。目前，蜂蜜摻假的鑒定技術(shù)主要有近紅外光譜技術(shù)、碳-4同位素鑒定分析法、差示掃描量熱法、色譜分析法、蛋白差異鑒定法、α-淀粉酶檢測(cè)法等[2-5]。然而由于蜂蜜摻假的方式多種多樣，至今沒(méi)有成熟的檢測(cè)方法能夠方便快捷地檢測(cè)出蜂蜜是否摻假；因此研究一種高效便捷而又準(zhǔn)確可靠的蜂蜜摻假鑒定方法是當(dāng)下蜂蜜市場(chǎng)亟待解決的問(wèn)題。

電子鼻以其檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為食品行業(yè)極具開(kāi)發(fā)潛力的檢測(cè)儀器[6]。在食品摻假的檢測(cè)方面，電子鼻也頗有成果，如牛奶、芝麻油、山茶油、肉類摻假的檢測(cè)等[7-8]。本研究采用電子鼻技術(shù)嘗試對(duì)蜂蜜制品的摻假情況進(jìn)行鑒別分析，并利用PCA和LDA對(duì)不同種類的蜂蜜及其摻假制品進(jìn)行分析識(shí)別，探索電子鼻技術(shù)快速無(wú)損識(shí)別摻假蜂蜜的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

摻假樣品選擇禾甘牌果葡糖漿(規(guī)格：2.3 kg)，購(gòu)自浙江華康藥業(yè)股份有限公司。

蜂蜜樣品信息如表1所示。

表1 蜂蜜樣品信息

PEN3便攜式電子鼻系統(tǒng)，德國(guó)Airsense公司；電子天平(精度0.001 g，型號(hào)JA5003B)，上海精科儀器有限公司；HH-S4 數(shù)顯雙列四孔水浴鍋，江蘇省金怡儀器科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品預(yù)處理

樣品置于4 ℃的冰箱儲(chǔ)存。進(jìn)行檢測(cè)前，取一定量結(jié)晶態(tài)蜂蜜置于燒杯中，用水浴鍋在50 ℃溫度下熔融蜂蜜晶體獲得液態(tài)蜂蜜。

向1～10號(hào)蜂蜜溶解后的樣品中分別添加10%、20%、30%、40%、50%的果葡糖漿配置成5個(gè)梯度的摻假樣品，每個(gè)梯度3個(gè)平行樣品，共得到150個(gè)摻假樣品。同時(shí)制取1～10號(hào)純蜂蜜樣品，每種蜂蜜3個(gè)純樣品，共30個(gè)純蜂蜜樣品。

1.2.2 電子鼻傳感器及其對(duì)應(yīng)的靈敏物質(zhì)

電子鼻傳感器及其對(duì)應(yīng)的靈敏物質(zhì)如表2所示。

1.2.3 電子鼻最佳檢測(cè)參數(shù)的確定

在電子鼻對(duì)蜂蜜進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，電子鼻的檢測(cè)參數(shù)(傳感器清洗時(shí)間、采集時(shí)間)以及蜂蜜的溫度可能會(huì)對(duì)電子鼻的檢測(cè)精度產(chǎn)生影響，所以首先需要通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定這些實(shí)驗(yàn)條件的最佳參數(shù)。

表2 電子鼻傳感器及其對(duì)應(yīng)的靈敏物質(zhì)

1.2.4 檢測(cè)方法

準(zhǔn)確量取5 g待測(cè)樣品置于頂空瓶中，然后將頂空瓶放置于恒溫水浴鍋加熱至最佳檢測(cè)溫度后用電子鼻進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完畢后保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)。通過(guò)PCA分析可以將10個(gè)傳感器作為變量的電子鼻圖譜矩陣轉(zhuǎn)換成以主成分1和主成分2作為變量的得分矩陣，LDA分析是有監(jiān)督模式的線性模式識(shí)別算法，能彌補(bǔ)PCA分析法的不足。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻檢測(cè)參數(shù)的確定

2.1.1 電子鼻傳感器采集時(shí)間及清洗時(shí)間的確定

初步設(shè)定電子鼻傳感器采集時(shí)間為120 s，清洗時(shí)間90 s。隨機(jī)抽取3個(gè)蜂蜜樣品進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 電子鼻檢測(cè)蜂蜜曲線圖

結(jié)果顯示在采集時(shí)間為100 s時(shí)電子鼻傳感器的信號(hào)響應(yīng)值曲線趨于平緩，為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，確定實(shí)驗(yàn)電子鼻檢測(cè)參數(shù)[9]為：

流速：150 mL/min；樣品瓶容量：40 mL；小瓶中的樣品量：26 mL；頂空產(chǎn)生時(shí)間：600 s；頂空產(chǎn)生溫度：30 ℃；延滯時(shí)間：300 s；清洗時(shí)間：70 s；數(shù)據(jù)采集時(shí)間：110 s。

圖2 不同溫度下的蜂蜜的PCA分析結(jié)果

2.1.2 蜂蜜溫度對(duì)蜂蜜區(qū)分度的影響

為探究蜂蜜溫度對(duì)電子鼻檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響，利用上文所確定的電子鼻檢測(cè)參數(shù)對(duì)不同溫度條件(40、50、60 ℃)下的蜂蜜樣本進(jìn)行測(cè)定。每種溫度測(cè)定3個(gè)平行，對(duì)測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行PCA分析，結(jié)果如圖2所示。可以看出電子鼻PCA分析對(duì)不同溫度蜂蜜的區(qū)分度不大。于殿君等[10]通過(guò)5個(gè)溫度梯度下蜂蜜酶值的變化發(fā)現(xiàn)，水的溫度低于40 ℃時(shí)，蜂蜜的酶值沒(méi)有變化，而超過(guò)40 ℃后隨著溫度的升高而下降，特別是在超過(guò)50 ℃后，下降的幅度最大。可以推測(cè)，高溫會(huì)破壞蜂蜜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，影響蜂蜜的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，所以蜂蜜的溫度不宜高于60 ℃。我們選擇50 ℃作為電子鼻測(cè)定蜂蜜時(shí)的最佳溫度。

2.1.3 純蜂蜜與果葡萄糖漿之間氣味差異性分析

將不同品種的蜂蜜的純樣品與果葡糖漿的電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)來(lái)判定純蜂蜜與果葡糖漿之間氣味是否存在差異。分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同蜜源的蜂蜜與果葡糖漿的PCA圖(a)和LDA圖(b)

圖3(a)是用PCA方法分析不同蜜源的蜂蜜與果葡糖漿的關(guān)系圖。可知，PCA分析能夠很好地表現(xiàn)出純蜂蜜與果葡糖漿之間的差異性。圖3(b)是不同品種純蜂蜜與果葡糖漿的LDA分析圖，可以看出通過(guò)LDA分析也可以區(qū)分各個(gè)品種的純蜂蜜和果葡糖漿，且比PCA分析的區(qū)分度更高；因此，利用電子鼻可以分辨出不同品種純蜂蜜與果葡糖漿之間氣味的差異，為利用電子鼻進(jìn)行蜂蜜摻假的定性鑒別提供了理論依據(jù)。

2.2 摻假蜂蜜香氣數(shù)據(jù)的PCA分析

對(duì)電子鼻采集到的蜂蜜摻假樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析，試探究電子鼻通過(guò)辨別蜂蜜香氣來(lái)判別蜂蜜是否摻假的可能性。以荊條蜜1號(hào)和荊條蜜9號(hào)摻入不同比例果葡糖漿的摻假樣品為例給出PCA分析結(jié)果(如圖4所示)。

圖4 荊條蜜1號(hào)(a)、荊條蜜9號(hào)(b)中摻入不同比例果葡糖漿的摻假樣品的PCA分析圖

圖4(a)是在荊條蜜1號(hào)中摻入不同比例的果葡糖漿所制成的摻假樣品的PCA圖，主成分1的方差貢獻(xiàn)率為79.45%，主成分2的方差貢獻(xiàn)率為19.63%。兩個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為99.08%，大于80%[11]。說(shuō)明通過(guò)PCA分析可以將10個(gè)傳感器作為變量的電子鼻圖譜矩陣轉(zhuǎn)換成以主成分1和主成分2作為變量的得分矩陣，并且保留了電子鼻的蜂蜜香氣圖譜里99.08%的信息[12]。但是由PCA分析結(jié)果可以看出，大部分樣品不同摻假比例的蜂蜜無(wú)法明顯區(qū)分開(kāi)來(lái)，摻假蜂蜜PCA得分沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，即摻假蜂蜜在主成分方向上的分布排列與其摻假比例的相關(guān)性并不顯著[13]。從圖4(b)發(fā)酵狀態(tài)蜂蜜的主成分分析圖可以看出純蜂蜜和摻假蜂蜜無(wú)法明顯區(qū)分開(kāi)來(lái)，摻假蜂蜜PCA得分也無(wú)明顯的變化規(guī)律[14]。說(shuō)明發(fā)酵狀態(tài)蜂蜜的電子鼻傳感器信號(hào)值在通過(guò)PCA分析后既不能進(jìn)行定性鑒別也無(wú)法分辨摻假比例。

綜上，由于電子鼻結(jié)合PCA分析中各個(gè)比例摻假蜂蜜的數(shù)據(jù)間差異并不明顯，還需進(jìn)行LDA分析。

2.3 摻假蜂蜜復(fù)合香氣的LDA分析

嘗試用LDA分析法對(duì)電子鼻采集到的蜂蜜摻假樣品進(jìn)行分析，探究通過(guò)電子鼻判別摻假蜂蜜的可能性[15]。部分樣品線性判別分析的結(jié)果如圖5所示。

從圖中看出，不同樣品的分析數(shù)據(jù)點(diǎn)分布于各自區(qū)域，沒(méi)有重疊，表明電子氣味指紋分析技術(shù)能夠準(zhǔn)確識(shí)別出不同比例果葡糖漿的摻假樣品的特征氣味，并能對(duì)其進(jìn)行良好區(qū)分。同個(gè)樣品之間的分布也很集中，表明本實(shí)驗(yàn)所用電子鼻分析檢測(cè)的結(jié)果重現(xiàn)性結(jié)果良好。這說(shuō)明電子鼻結(jié)合LDA分析的方法對(duì)于正常蜂蜜摻假定性判別效果良好，并且能夠?qū)Ψ涿蹞郊龠M(jìn)行半定量分析，對(duì)于在實(shí)際中判別蜂蜜摻假具有很大的參考價(jià)值[16]。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)市場(chǎng)上不同品種的主流蜂蜜使用果葡糖漿進(jìn)行不同比例的摻假，利用電子鼻采集其信號(hào)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析和LDA分析，探究電子鼻技術(shù)快速識(shí)別摻假蜂蜜的可行性。

研究結(jié)果表明，基于主成分分析(PCA)對(duì)摻假蜂蜜的電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠完成蜂蜜摻假的定性鑒別，而無(wú)法對(duì)發(fā)酵蜂蜜摻假進(jìn)行定性鑒別。這可能由于酵母菌將蜂蜜中的葡萄糖、果糖轉(zhuǎn)化成乙醇、醛類、酯類和酮類等物質(zhì)，而乙醇的氣味影響了蜂蜜本身的氣味，導(dǎo)致電子鼻無(wú)法分辨出發(fā)酵狀態(tài)的純蜂蜜與其摻假樣品的區(qū)別[17]。LDA分析法是有監(jiān)督模式的線性模式識(shí)別算法，能在充分保存現(xiàn)有信息的前提下縮小同類組群數(shù)據(jù)間的差異，擴(kuò)大不同類組群數(shù)據(jù)間的差異，從而彌補(bǔ)PCA分析法的不足[18]。基于LDA分析對(duì)摻假蜂蜜的電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不僅能夠完成蜂蜜摻假的定性鑒別，同時(shí)對(duì)不同摻假比例的摻假樣品也有較高的區(qū)分度。

綜上，電子鼻結(jié)合主成分分析和線性判別分析對(duì)于蜂蜜摻假的定性鑒別有較高的參考價(jià)值，同時(shí)也能為蜂蜜市場(chǎng)提供一種便捷的蜂蜜半定量分析的方法。

圖5 荊條蜜1號(hào)(a)、荊條蜜5號(hào)(b)、棗花蜜7號(hào)(c)、荊條蜜9號(hào)(d)摻入不同比例果葡糖漿的摻假樣品的LDA分析圖