電子舌分析技術(shù)鑒別核桃油中摻入菜籽油的研究

彭星星，李晉，高海軍 ，毋修遠(yuǎn)，趙勝男，王雅楠

1.河南省食品和鹽業(yè)檢驗(yàn)技術(shù)研究院（鄭州 450000）；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院（鄭州 451460）

核桃油是營(yíng)養(yǎng)豐富的功能性油脂，富含黃酮類物質(zhì)[1-3]，且含有多種不飽和脂肪酸，具有降低膽固醇，防治冠心病、動(dòng)脈粥樣硬化和心肌梗塞[4-5]，抗氧化[6]等功能。

近年來(lái)，核桃油售價(jià)較高，不法商家為謀取利潤(rùn)，會(huì)在核桃油中摻入廉價(jià)食用油，而菜籽油價(jià)格低廉，且其主要脂肪酸組成及含量與核桃油相差不大，因此便有商家向核桃油中摻入菜籽油以謀取利潤(rùn)，這嚴(yán)重侵害消費(fèi)者權(quán)益。食用油的摻假鑒別常采用化學(xué)分析、色譜法、氣質(zhì)聯(lián)用、近紅外光譜法等技術(shù)[7]，如：沈偉健等[8]采用氣相色譜-質(zhì)譜法測(cè)定植物油中8種維生素E的組成及含量對(duì)芝麻油真?zhèn)芜M(jìn)行鑒別；陳國(guó)電[9]采用氣相色譜法對(duì)6種植物油和地溝油的烷酸含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物油與地溝油十二烷酸、十四烷酸和十五烷酸含量存在明顯差異，故可通過(guò)該法對(duì)未知油品的特征性烷酸含量進(jìn)行測(cè)定，從而實(shí)現(xiàn)快速、批量檢測(cè)地溝油目的。但這些方法對(duì)樣品中某一種或幾種成分的定量測(cè)定均存在樣品預(yù)處理復(fù)雜、檢測(cè)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，操作也復(fù)雜，且工作量大、耗時(shí)，還需要專門的試驗(yàn)人員。因此，亟需一種能快速辨別核桃油摻假的檢測(cè)技術(shù)。

電子舌分析技術(shù)是一種利用多傳感陣列為基礎(chǔ)，感知樣品的整體特征響應(yīng)信號(hào)，并對(duì)樣品進(jìn)行模擬識(shí)別和定量定性分析的檢測(cè)技術(shù)，具有快速、操作簡(jiǎn)單、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，在食品行業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10-13]。Apetrei等[14]初步研究表明，電子鼻、電子舌和電子眼均可有效分析橄欖油的苦味；Parra等[15]研究表明，電子舌分析技術(shù)可鑒別紅酒的摻假現(xiàn)象；Cai等[16]分別運(yùn)用電子舌、電子鼻對(duì)高溫大曲中風(fēng)味化合物進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同高溫大曲對(duì)電子舌傳感器與電子鼻的W1S、W1C、W3C以及W5C傳感器的響應(yīng)值差異極其顯著（P＜0.000 1），對(duì)電子鼻其余傳感器響應(yīng)值差異極顯著；巴特爾達(dá)賴等[17]通過(guò)電子舌技術(shù)對(duì)真假2種伊力老陳酒10年進(jìn)行分析，并結(jié)合判別因子分析和軟獨(dú)立建模分析建立真假酒的預(yù)測(cè)模型，電子舌技術(shù)可用于伊力老陳酒10年真假酒的鑒別；惠延波等[18]采用法國(guó)Alpha M.O.S公司生產(chǎn)的電勢(shì)型味覺(jué)電子舌系統(tǒng)對(duì)20種不同品種、不同原料產(chǎn)地的食用植物油進(jìn)行區(qū)分與識(shí)別，并對(duì)傳感器陣列采集的食用植物油響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析（PCA）和判別因子分析（DFA），結(jié)果表明DFA法優(yōu)于PCA法，然而其只是區(qū)分不同品種不同原料產(chǎn)地的食用植物油，未對(duì)植物油摻偽現(xiàn)象進(jìn)行判別。

利用電子舌分析技術(shù)對(duì)核桃油摻假現(xiàn)象進(jìn)行鑒別的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。主成分分析（PCA）是一種眾所周知的多元技術(shù)探索性數(shù)據(jù)分析方法，并被廣泛應(yīng)用于電子舌檢測(cè)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步鑒別分析和監(jiān)測(cè)的目的。線性判別分析（LDA）是對(duì)費(fèi)舍爾的線性鑒別方法的歸納，這種方法使用統(tǒng)計(jì)學(xué)、模式識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，試圖找到兩類物體或事件的特征的一個(gè)線性組合，以能夠特征化或區(qū)分它們。鑒于此，試驗(yàn)采用電子舌方向技術(shù)對(duì)核桃油中摻入菜籽油的現(xiàn)象進(jìn)行快速檢測(cè)，并運(yùn)用PCA和LDA對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)加以分析，以期為核桃油摻假現(xiàn)象的檢測(cè)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

核桃油（冷榨法，無(wú)任何添加劑，陜西海源生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司）；菜籽油（購(gòu)自超市）。試驗(yàn)前需對(duì)2種油脂進(jìn)行密封貯藏，防止其氧化變質(zhì)。

無(wú)水乙醇（分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司）。

1.2 主要儀器與設(shè)備

A-ASTREE型電子舌系統(tǒng)（法國(guó)Alpha1MOS公司）。電子舌包括酸、咸、甜、苦和鮮5個(gè)基本味覺(jué)，含有7個(gè)具有交叉選擇性功能的傳感器，包括ZZ傳感器、JE傳感器、BB傳感器、CA傳感器、GA傳感器、HA傳感器和JB傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)樣品中不同的化學(xué)信息會(huì)有不同的電信號(hào)響應(yīng)。

采用電子舌系統(tǒng)采集樣品信息前，需用體積分?jǐn)?shù)20%的酒精對(duì)傳感器進(jìn)行嚴(yán)格的清洗。電子舌使用前要采用標(biāo)配溶液進(jìn)行校準(zhǔn)、診斷、自檢等傳感器活化，設(shè)置電子舌工作參數(shù)，以確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 摻假樣品的制備

分別向核桃油中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0，10%，20%，30%，40%和50%的菜籽油，用磁力攪拌器攪勻，裝瓶備用。

1.3.2 樣品前處理方法

將20 mL制備的摻假樣品加入100 mL 20%乙醇溶液中，超聲振蕩1 h，靜置過(guò)夜，隔天取振蕩液體的下層水相有機(jī)溶液進(jìn)行密封保存，待測(cè)。

1.3.3 電子舌測(cè)定方法

將待測(cè)樣品溶液用電子舌專用燒杯盛裝，室溫條件下對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，待測(cè)樣品和清洗液采用交替的方式進(jìn)行檢測(cè)，電子舌在檢測(cè)過(guò)程中傳感器響應(yīng)值會(huì)有一定程度上的波動(dòng)，因此每個(gè)樣品重復(fù)檢測(cè)8次，樣品采集時(shí)間設(shè)置為120 s，清洗時(shí)間設(shè)置為20 s，1 s采樣1次，取120 s時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 18.0軟件對(duì)核桃油摻假現(xiàn)象進(jìn)行PCA和LDA分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子舌對(duì)不同植物油的響應(yīng)分析

核桃油和菜籽油的電子舌傳感器響應(yīng)信號(hào)圖如圖1所示。結(jié)果表明，不同傳感器對(duì)2種油脂的響應(yīng)曲線有所不同。前25 s內(nèi)，GA傳感器的響應(yīng)值迅速上升后漸趨于平緩；CA傳感器的響應(yīng)值無(wú)明顯變化，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)；BB傳感器的響應(yīng)值在緩慢下降后逐漸無(wú)明顯變化，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)；JE、ZZ和HA傳感器的響應(yīng)值先緩慢下降后緩慢上升。25～120 s內(nèi)，圖1（a）中JB傳感器的響應(yīng)值緩慢上升，而圖1（b）中JB傳感器的響應(yīng)值緩慢下降。綜上可知，這7個(gè)電子舌傳感器的響應(yīng)值在25～120 s內(nèi)均漸漸處于穩(wěn)定，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此，在試驗(yàn)中提取第120秒時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行核桃油鑒別分析。

圖1 核桃油和菜籽油的電子舌傳感器響應(yīng)信號(hào)圖

比較圖1（a）和圖1（b）可以發(fā)現(xiàn)，核桃油和菜籽油的傳感器響應(yīng)值存在很大不同，如：核桃油中對(duì)酸相對(duì)敏感的JB傳感器響應(yīng)值從1 670 mV左右上升至1 777 mV左右，而菜籽油中JB傳感器響應(yīng)值從1 883 mV左右下降至1 829 mV左右；核桃油中對(duì)酸和甜比較敏感的ZZ傳感器響應(yīng)值從2 308 mV左右下降至2 200左右后，又緩慢上升至2 388 mV左右，而菜籽油中ZZ傳感器響應(yīng)值從2 438 mV左右下降至2 328 mV左右后，又緩慢上升至2 386 mV左右。

不同響應(yīng)值說(shuō)明電子舌傳感器對(duì)不同種類植物油存在不同響應(yīng)，摻入菜籽油的核桃油可能會(huì)改變其對(duì)電子舌的響應(yīng)值，其響應(yīng)值與純核桃油響應(yīng)值存在差異。采用電子舌技術(shù)樣品前處理過(guò)程簡(jiǎn)單，且可在3 min內(nèi)檢測(cè)1個(gè)樣品，相對(duì)于傳統(tǒng)的理化檢測(cè)和色譜技術(shù)來(lái)說(shuō)大幅縮短檢測(cè)時(shí)間，因此，電子舌技術(shù)可作為一種快速檢測(cè)技術(shù)對(duì)核桃油中摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的菜籽油進(jìn)行鑒別。

2.2 核桃油中摻入菜籽油的PCA分析

核桃油中摻入菜籽油的PCA分析圖如圖2所示。結(jié)果表明，第1主成分（PC1）的貢獻(xiàn)率為49.843%，第2主成分（PC2）的貢獻(xiàn)率為20.811%，2個(gè)主成分的總貢獻(xiàn)率達(dá)到70.654%（＞70%），表明所提取的信息能夠反映原始數(shù)據(jù)的大部分信息。純核桃油和其他摻假樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較遠(yuǎn)，區(qū)分明顯，但是摻入菜籽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～50%的摻假樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較接近，各區(qū)域重疊嚴(yán)重，難以區(qū)分。這說(shuō)明電子舌技術(shù)結(jié)合PCA分析方法可將摻假核桃油與純核桃油區(qū)分開(kāi)來(lái)，但是無(wú)法對(duì)核桃油中摻入菜籽油的現(xiàn)象進(jìn)行定量分析。

圖2 核桃油中摻入菜籽油的PCA分析圖

2.3 核桃油中摻入菜籽油的LDA分析

核桃油中摻入菜籽油的LDA分析圖如圖3所示。結(jié)果表明，純核桃油和其他摻假樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較遠(yuǎn)，菜籽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～50%的摻假樣品之間也區(qū)分明顯。核桃油中摻入菜籽油的含量不同，分布也不同，且分布位置隨著菜籽油含量的增多呈現(xiàn)逆時(shí)針的變化，這表明不同摻假樣品在菜籽油摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)即能區(qū)分開(kāi)來(lái)，且能通過(guò)摻假樣品在LDA分析圖中的位置判斷出摻入菜籽油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這表明電子舌技術(shù)結(jié)合LDA分析方法既能對(duì)核桃油中摻入菜籽油的現(xiàn)象進(jìn)行定性分析，也可對(duì)其進(jìn)行定量分析。

圖3 核桃油中摻入菜籽油的LDA分析圖

綜上可知，對(duì)于核桃油中摻入菜籽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～50%的摻假樣品，電子舌技術(shù)結(jié)合PCA法可對(duì)其摻假現(xiàn)象進(jìn)行定性分析，LDA法除對(duì)其進(jìn)行定性分析外還可對(duì)核桃油中摻入菜籽油的現(xiàn)象進(jìn)行定量分析，可鑒別出摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以上的菜籽油。電子舌技術(shù)結(jié)合PCA和LDA方法可作為一種快速簡(jiǎn)便鑒別核桃油中摻入菜籽油的檢測(cè)技術(shù)。

3 結(jié)論

電子舌系統(tǒng)7種傳感器對(duì)核桃油和菜籽油有不同響應(yīng)，摻入菜籽油的核桃油可能會(huì)改變其對(duì)電子舌的響應(yīng)值，其響應(yīng)值與純核桃油響應(yīng)值存在差異。下一步可對(duì)7種傳感器的選擇與剔除等優(yōu)化方法進(jìn)行深層次的研究與探討。

對(duì)于核桃油中摻入菜籽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～50%的摻假樣品，電子舌技術(shù)結(jié)合PCA法可對(duì)其摻假現(xiàn)象進(jìn)行定性分析，LDA法除對(duì)其進(jìn)行定性分析外還可對(duì)核桃油中摻入菜籽油的現(xiàn)象進(jìn)行定量分析，可鑒別出摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以上的菜籽油，因此電子舌技術(shù)結(jié)合LDA法較PCA法更能有效鑒別核桃油中摻入菜籽油的現(xiàn)象。

由于試驗(yàn)中對(duì)摻假油樣進(jìn)行萃取，這在一定程度上降低或丟失原有樣品中的部分信息，但采集樣品還是能夠表征樣品的信息，與傳統(tǒng)的理化方法和色譜法相比，電子舌技術(shù)可對(duì)樣品進(jìn)行快速檢測(cè)，且前處理方法簡(jiǎn)單，因此，電子舌技術(shù)可作為鑒別核桃油摻假現(xiàn)象的一種快速檢測(cè)方法。