電子鼻對駝乳中牛乳摻假的快速檢測

吳丹丹，其布勒，斯仁達來，何 靜，吉日木圖,2,

（1.內蒙古農業大學乳品生物技術與工程教育部重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010018；2.內蒙古駱駝研究院，內蒙古巴丹吉林 737300）

駱駝乳富含蛋白質、維生素和礦物質，尤其是B族維生素、維生素C和鐵[1]，具有一定的降血糖作用[2?4]。駝乳具有豐富的營養價值和極高的藥用價值，但其產量卻很少，因此駱駝乳的價格已漲至牛乳的10倍。在中國，已經有一些非法供應商在駝乳中添加其它動物乳以提高駱駝乳的“產量”，并且價格高達90～120元/公斤，欺騙消費者[5?6]。這些乳摻假現象經常發生，導致對人體健康構成重大風險[7]。乳摻假通常涉及稀釋或添加廉價、低質量、危險的產品，以增加乳的體積、掩蓋劣質或替換乳中的天然物質，從而獲得經濟利益。最簡單的情況是加水以增加體積或摻入其他動物乳。如今，有更復雜的欺詐行為，包括添加三聚氰胺以增加乳經水稀釋后的含氮量[8]；其他物質，如甲醛、過氧化氫、次氯酸鈉、重鉻酸鹽和水楊酸被添加以提高產品的保質期[9]；植物油和表面活性劑用于摻假脂肪含量[10?11],以及奶酪乳清和尿素用于增加蛋白質含量[12?13]。以上多種摻假手段更難辨別出乳制品是否摻假。

現如今，人們對駱駝乳需求不斷增加，駱駝乳標簽錯誤的高發率將越來越受到人們的關注。駱駝乳樣品中是否存在摻假和摻假比例的定量檢測方法是迫切需要解決的問題[14]。斯仁達來[15]利用低場核磁共振技術分別對阿拉善雙峰駝和新疆雙峰駝駝乳樣品中摻入牛乳、羊乳、豆漿、尿素、水，進行了檢測。Mabood等[16]采用新的近紅外光譜結合多元分析法對駝乳與羊乳摻假進行了檢測和定量分析。賈茹等[17]使用電子鼻和多元統計學方法結合對羊乳中的蛋白質摻假進行定性分析和定量分析研究。金嫘等[18]采用電子鼻技術檢測羊乳中摻入不同比例牛乳的混合物中揮發性氣味物質的響應值進行有效分析，結果發現對于生乳和巴氏殺菌乳，PCA分析和PLSDA分析均可以較好地區分不同比例羊乳和牛乳的混合物。目前，還尚未報道基于電子鼻檢測駝乳的摻假，因此，開發出對駝乳摻假進行有效鑒別的技術與方法對保障消費者的利益具有重要意義。

本研究圍繞駱駝乳氣味特征，對摻入不同濃度牛乳的駝乳進行電子鼻結合多元統計分析，探索基于電子鼻技術確定駝乳中牛乳摻假的最低檢測限，這將有助于對市場上的乳及乳制品更有效地監管；同時也為其它食品類的摻假檢測提供一種理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮駱駝乳和牛乳 均采自內蒙古自治區阿拉善盟所屬的牧區，駝乳和牛乳采集后迅速放置于4 ℃冰箱保存；電子鼻（PEN3） 德國Arisense公司。

1.2 樣品的制備

駱駝乳平分為9組，按照牛乳濃度分別為0%、0.1%、1%、3%、5%、10%、15%和20%以及100%的梯度進行配制，具體見表1。為了減小誤差，摻假乳樣的制備均為在室溫下現做現配，超聲10 min充分混勻[19]，以確保每個摻假樣品的氣味完全揮發，每組制備20個平行。本研究采用duplex方法，隨機分成實驗集和驗證集[20]。使用這種方法分別將9組摻假乳樣劃分為135個實驗集，45個驗證集。

表1 不同比例摻假樣品的制備Table 1 Preparation of adulterated samples with different ratios

1.3 電子鼻數據采集

取10 mL樣品置于離心管中，并用封口膜進行密封，檢測時采用手動頂空進樣方式，零氣針和電子鼻進樣針同時插入密封的離心管中進行采樣，并將揮發性氣體吸入電子鼻的傳感器系統中進行檢測，電子鼻試驗參數見表2。

表2 電子鼻試驗參數Table 2 Electronic nose test parameters

1.4 數據處理

電子鼻10個傳感器的響應值采用Excel進行處理；多元統計分析采用SIMCA 14.1軟件（Umetrics，瑞典）進行主成分分析（principal components analysis，PCA）、偏最小二乘法判別分析（partial least squares discrimination analysis，PLS-DA）。

2 結果與分析

2.1 電子鼻對未摻假駝乳的響應

以未摻假駝乳樣品為例，電子鼻的10個傳感器的響應值如圖1所示。G/G0代表對樣品揮發性成分的響應強度。從圖1中可以看出，105～109 s時間段內呈穩定狀態，因此平均值作為輸出值進行分析。W5S號傳感器信號最強，響應物質范圍廣且靈敏度高，主要檢測氮氧化合物；接下來是W2W傳感器響應值，主要檢測芳香族化合物；通過電子鼻響應值可以較好地篩選出電子鼻10個傳感器對樣品的貢獻率。

圖1 電子鼻10個傳感器對駝乳的響應曲線Fig.1 Response curve of 10 sensors of electronic nose to camel milk

2.2 電子鼻對不同比例摻假駝乳響應的多元統計分析

電子鼻對駝乳不同濃度摻假，C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8（0%、0.1%、1%、3%、5%、10%、15%、20%以及100%）的響應值差異如圖2所示。首先對135個實驗集數據進行主成分分析（PCA）。主成分分析是將多個指標轉換為少數幾個綜合指標的統計方法，即數據降維的一種方法[21]。如圖2A所示，第一主成分（PC1）為69.2%，第二主成分（PC2）為15.9%，前2個主成分代表了樣本中85.1%的信息，前2個主成分大于85%，可以綜合反映電子鼻數據，可進行下一步分析。C0（駝乳組）與C1（0.1%牛乳組）接近，較難辨別。但其他不同濃度摻假組在PCA得分圖上的區分較為明顯，C2（1%牛乳組）與C0、C1可以較好地區分開。上述結果表明，采用電子鼻檢測駝乳中摻入牛乳的最低檢測限為1%，并且可以客觀地反映不同的摻假濃度。因此，即使電子鼻是模擬人體嗅覺而制成，但是分析所識別的摻假濃度比人體嗅覺更精確。

為了探討是否可以使用電子鼻檢測來判別不同濃度的摻假駝乳，以電子鼻10個傳感器響應值為X變量，以不同摻假濃度分組（0%、0.1%、1%、3%、5%、10%、15%、20%以及100%）為Y變量做偏最小二乘判別分析（PLS-DA）。偏最小二乘判別分析是一種模式識別的監督方法，通常比PCA分析可獲得更好的分類結果[22]。如圖2B所示，不同濃度摻假的聚類結果類似于主成分分析的結果（R2X=0.842，R2Y=0.628，Q2=0.618）。R2X、R2Y、Q2為偏最小二乘法建立模型的相關系數，模型中R2X和R2Y越接近于1，說明模型的預測性能越好[23]；Q2大于0.5，表明模型具有良好的預測能力[24]。在PLS-DA模型中過度擬合是一個普遍出現的問題[25]，為了進一步驗證PLS-DA模型的可靠性，執行了置換檢驗以驗證模型（圖2C）。對建立模型時的Y矩陣的變量100次置換檢驗，得到隨機的不同相應Q2值作為衡量模型的過擬合標準[26?27]，得出R2=0.00242，Q2=?0.116，Q2負值表明模型穩定可靠，未出現過擬合現象[28]。因此對不同濃度摻假駝乳的判別是有效的。

圖2 實驗集不同濃度摻假駝乳電子鼻響應值的PCA得分圖（A）、PLS-DA得分圖（B）和置換檢驗圖（C）Fig.2 PCA score chart (A), PLS-DA score chart (B) and displacement test chart (C) of the response value of the electronic nose of adulterated camel milk in experimental set

2.3 篩選對摻假駝乳識別的關鍵傳感器

電子鼻的每個傳感器對多種物質都有交互的嗅覺敏感性，但是敏感性不同。為了進一步探討電子鼻傳感器對摻假濃度分組的貢獻，篩選出影響摻假駝乳識別的關鍵傳感器，采用上述PLS-DA模型進行因子載荷分析。因子載荷圖是可以反應每個變量在得分圖上的貢獻[29]，如圖3所示，電子鼻傳感器中對摻假駝乳識別影響較大的可能是W5S傳感器，其結合的載荷系數w×c值為0.51，10個傳感器中W5S載荷系數w×c為最大。因此，推測為W5S傳感器對摻假駝乳特征的揮發性物質靈敏度較高，貢獻為最大；其次是W2W傳感器，w×c值為0.47。進一步采用投影重要的變量VIP值（variable important for the projection，VIP）篩選關鍵傳感器的差異，如圖4所示。結果表明，VIP值大于1.0的變量包括W5S和W2W，其中以W5S的VIP值為最高，從上述結果可知W5S傳感器是識別不同濃度摻假奶樣的關鍵因子。

圖3 PLS-DA因子載荷圖Fig.3 Loading plot of PLS-DA model

圖4 實驗集不同濃度摻假駝乳的電子鼻綜合響應PLS-DA的VIP圖Fig.4 VIP plot of the comprehensive response PLS-DA of the electronic nose with different concentrations of adulterated camel milk

2.4 電子鼻用于檢測不同濃度摻假駝乳的進一步驗證

收集45個樣品作為驗證集，再對上述實驗集的結果進行驗證鑒別，如圖5所示，C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8（0%、0.1%、1%、3%、5%、10%、15%、20%以及100%）不同摻假濃度樣品在電子鼻響應值的PCA得分圖如圖5A所示，PC1=65%，PC2=16.7%。PLS-DA模型R2X=0.81，R2Y=0.659，Q2=0.641，表明PLS-DA模型在驗證集樣本中具有較好的預測能力（圖5B）。驗證集的100個隨機置換測試的結果表明：R2=0.0533，Q2=?0.2127，說明模型尚未存在過擬合（圖5C）。因子載荷圖顯示W5S傳感器載荷系數w×c最大，進而得出識別不同濃度摻假組貢獻率最大的關鍵因子為W5S傳感器（圖5D）。驗證集的多元統計分析結果與實驗集得出的結論一致，又一次證明了電子鼻可用于不同濃度摻假氣味特征的快速檢測和識別，這為廣大消費者及各乳品企業提供了良好的依據。

圖5 驗證集不同濃度摻假駝乳電子鼻響應值的PCA得分圖（A）、PLS-DA得分圖（B）、置換檢驗圖（C）和PLS-DA因子載荷圖（D）Fig.5 PCA score chart (A), PLS-DA score chart (B),displacement test chart (C) and PLS-DA factor loading chart (D) of the response value of the electronic nose of adulterated camel milk in the validation set

3 結論

根據駱駝乳的獨特氣味，開展電子鼻對摻假駝乳進行了研究。結果表明，利用電子鼻的10個傳感器結合多元統計學方法分析，可實現對摻假駝乳的客觀、有效判別；電子鼻中的W5S傳感器是判別駝乳中牛乳摻假的關鍵因子。基于主成分分析和偏最小二乘判別分析最終確定駝乳中牛乳摻假的最低檢測限為1%。因此，這項研究為基于電子鼻對駱駝乳獨特氣味特征的識別提供了一種快速，準確的方法。這將有助于對市場上的乳及乳制品更有效地監管；同時也為其它食品類的摻假檢測提供一種參考價值。