侯巧娟，王錫昌，劉 源*，王丹鳳，趙 勇，謝 晶，潘迎捷

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

氣味指紋技術(shù)在肉品品質(zhì)及安全檢測(cè)中的應(yīng)用

侯巧娟，王錫昌，劉 源*，王丹鳳，趙 勇，謝 晶，潘迎捷

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

氣味指紋技術(shù)是借助色譜、質(zhì)譜以及傳感器等技術(shù)手段，結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)揮發(fā)性化合物進(jìn)行分析用以表征樣品信息的技術(shù)。近年來(lái)在食品中的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越活躍，本文簡(jiǎn)要介紹氣味指紋技術(shù)(odor fingerprint technique)，主要包括電子鼻技術(shù)、氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)及其數(shù)據(jù)處理方法，綜述其在肉品品質(zhì)及安全檢測(cè)中的應(yīng)用，具體闡述其在肉品新鮮度、風(fēng)味和微生物檢測(cè)中的應(yīng)用。同時(shí)展望氣味指紋技術(shù)在肉品品質(zhì)及安全檢測(cè)中的存在問(wèn)題及發(fā)展前景，為更好應(yīng)用該技術(shù)對(duì)肉品質(zhì)量安全控制提供參考。

肉品；品質(zhì)安全；氣味指紋；電子鼻；氣質(zhì)聯(lián)用；檢測(cè)

肉品的生產(chǎn)和消費(fèi)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，其品質(zhì)及安全也因此倍受關(guān)注。肉品品質(zhì)主要包括色澤、風(fēng)味和質(zhì)構(gòu)，最常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是新鮮度。而影響肉品安全的因素主要有生物、物理及化學(xué)因素，其中以生物因素的影響最廣泛。生物因素中微生物以其存在廣泛、生長(zhǎng)繁殖快成為影響肉品安全的罪魁禍?zhǔn)譡1]。近年來(lái)肉品安全及品質(zhì)檢測(cè)越來(lái)越受到關(guān)注，肉品本身較為復(fù)雜，一般的感官及理化方法很難準(zhǔn)確定位肉品質(zhì)量。氣味指紋技術(shù)是借助色譜、質(zhì)譜以及傳感器等技術(shù)手段，結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)揮發(fā)性化合物進(jìn)行分析用以表征樣品信息的技術(shù)。目前氣味指紋技術(shù)在

食品工業(yè)[2-4]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[5-7]、醫(yī)療診斷[8]等領(lǐng)域中得到了廣泛的研究與應(yīng)用。有相關(guān)學(xué)者報(bào)道了它在食品品質(zhì)及安全檢測(cè)中的應(yīng)用[9-11]，主要包括肉品、谷物、啤酒等的品質(zhì)及安全。運(yùn)用氣味指紋技術(shù)檢測(cè)肉品，快速、準(zhǔn)確、無(wú)損。近年來(lái)氣味指紋技術(shù)應(yīng)用于肉品的研究也越來(lái)越多。

1 氣味指紋技術(shù)

1.1 儀器分析手段

氣味指紋技術(shù)包括電子鼻技術(shù)、氣相色譜技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)以及氣-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)，本文主要介紹電子鼻和氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)及其數(shù)據(jù)處理方法。

1.1.1 電子鼻

Gardner[12]給電子鼻定義為：電子鼻由凈化系統(tǒng)、自動(dòng)采樣系統(tǒng)、傳感器陣列、信號(hào)處理及模式識(shí)別系統(tǒng)組成，能識(shí)別簡(jiǎn)單和復(fù)雜的氣味信息，其簡(jiǎn)單識(shí)別過(guò)程見(jiàn)圖1。在電子鼻系統(tǒng)中，氣體傳感器陣列是關(guān)鍵因素。電子鼻傳感器主要有金屬氧化物傳感器、導(dǎo)電型聚合物傳感器、石英晶體微天平傳感器、聲表面波傳感器等，各類傳感器的比較見(jiàn)表1[13-14]，金屬氧化物傳感器以其價(jià)格便宜在電子鼻系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛，導(dǎo)電型聚合物傳感器在一般環(huán)境溫度下工作而無(wú)需加熱，因此更容易制造，其電子界面更為直接，從而在便攜式儀器應(yīng)用中有更大優(yōu)勢(shì)。其工作原理是模擬人和動(dòng)物的嗅覺(jué)器官對(duì)氣味進(jìn)行感知、分析、判斷和識(shí)別[15]。1965年，Buck等[16]等利用電導(dǎo)電位原理進(jìn)行了“電子鼻”的研究，1982年，Suzanskia等[17]模仿人的鼻子，通過(guò)揮發(fā)性物質(zhì)的分析提出了“人工鼻”概念，1990年掀起了電子鼻的研究熱潮，且發(fā)展迅速，1995年出現(xiàn)了商品化的電子鼻，以歐洲國(guó)家居多。由于電子鼻的應(yīng)用前景極其廣闊，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也越來(lái)越重視電子鼻的研究[18]。

圖1 電子鼻系統(tǒng)簡(jiǎn)明示意圖Fig.1 Schematic diagram of an electronic nose system

1.1.2 氣-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)

氣-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)是利用氣相色譜的高效分離能力和質(zhì)譜的鑒定能力對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定的分析技術(shù)，其工作原理是將樣品打入氣相色譜儀進(jìn)樣口，在載氣攜帶下經(jīng)過(guò)色譜柱，由于化合物的分配系數(shù)不同而先后流出色譜柱，接著進(jìn)入質(zhì)譜儀的離子化裝置，根據(jù)離子的質(zhì)荷比不同而對(duì)樣品進(jìn)行分離和檢測(cè)[19]。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

化學(xué)計(jì)量學(xué)(chemometrics)是一門新興的學(xué)科，是數(shù)學(xué)、化學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)解析、化學(xué)分類的決策及預(yù)報(bào)方面有著重要的作用[20]。氣味指紋技術(shù)所用的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法包括主成分分析(principal component analysis，PCA)，主要作用是對(duì)特征向量進(jìn)行降維處理，提取有代表性的盡可能少的變量，同時(shí)又能較全面地反映原有信息。判別因子分析(discriminant factor analysis，DFA)，目的是為了使同組間的差異盡量縮小，不同組間的差異盡可能擴(kuò)大，進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)分度。最小線性回歸分析(partial least square，PLS)，目的是建立一個(gè)可以用來(lái)預(yù)測(cè)未知樣本的定量信息曲線。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析(artificial neural network，ANN)具有強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)能力，較強(qiáng)的自適應(yīng)性、自組織性和容納性及對(duì)非線性關(guān)系的良好模擬功能，可以準(zhǔn)確地建立模型。

2 氣味指紋技術(shù)在肉品品質(zhì)及安全檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 肉品新鮮度檢測(cè)

傳統(tǒng)新鮮度的儀器評(píng)定方法耗時(shí)長(zhǎng)、前處理復(fù)雜，感官分析結(jié)果包含人為因素，氣味指紋技術(shù)可以較準(zhǔn)確的判斷肉品新鮮度[21]，且樣品前處理簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短，結(jié)果客觀真實(shí)?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)， Musatov等[22]用金屬氧化物微傳感器陣列評(píng)價(jià)肉品的新鮮度，選取4℃和20℃兩個(gè)條件，用LDA評(píng)價(jià)新鮮度的變化，3～4個(gè)循環(huán)去驗(yàn)證，準(zhǔn)確率較高。孫鐘雷[23]和柴春祥等[24]采用傳感器對(duì)豬肉新鮮度進(jìn)行識(shí)別，柴春祥等[24]用電子鼻檢測(cè)了5、15、25℃ 3種貯藏方式不同時(shí)間的豬肉樣品新鮮度的變化，孫鐘雷[23]采用不同的傳感器進(jìn)行檢測(cè)，研究表明乙醇類、硫化氫類、氨氣類和鹵烴類的傳感器可以更好的反映豬肉新鮮度的變化，識(shí)別率可以達(dá)到95%。在此基礎(chǔ)上，顧賽麒等[25-26]采用含有18根金屬氧化物傳感器的電子鼻結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用綜合評(píng)價(jià)冷卻豬肉的新鮮度變化，將豬肉在4℃和20℃儲(chǔ)藏一周，建立了預(yù)測(cè)貨架期模型，4、20℃條件下冷卻肉貨架期分別為120h和12h，為建立冷卻豬肉新鮮度的快速檢測(cè)提供了理論指導(dǎo)。Zhang等[27]、滕炯華等[28]、Panigrahi等[29]采用不同的傳感器對(duì)牛肉新鮮度進(jìn)行檢測(cè)，與傳統(tǒng)方法相比較，可以縮短檢測(cè)時(shí)間，樣品前處理簡(jiǎn)單，Panigrahi等[29]發(fā)現(xiàn)5類氣體傳感器可以很好的識(shí)別新鮮度。該技術(shù)可以用于家畜肉的新鮮度檢測(cè)，可以考慮開(kāi)發(fā)針對(duì)性強(qiáng)、價(jià)格便宜的便攜式電子鼻。傳統(tǒng)魚(yú)肉的新鮮度評(píng)價(jià)通過(guò)測(cè)定胺的變化來(lái)測(cè)定，這些方法在實(shí)際檢測(cè)中很不方便[30]。有很多學(xué)者嘗試用氣味指紋技術(shù)檢測(cè)魚(yú)肉新鮮度的變化，近年來(lái)更是推起了一個(gè)熱潮。Schweizer-Berberich等[31]用氣體傳感器研究魚(yú)肉新鮮度的變化，O,Connell[32]采用傳感器陣列及PCA法對(duì)阿根鱘魚(yú)的新鮮度進(jìn)行分析，El Barbri等[33]利用電子鼻對(duì)4℃時(shí)沙丁魚(yú)肉的新鮮度進(jìn)行測(cè)定，采用PCA分析和支持向量機(jī)(SVM)進(jìn)行分析，PCA可以較好地區(qū)分不同貯藏天數(shù)的魚(yú)肉，分組準(zhǔn)確，SVM模型識(shí)別效果較好。氣味指紋技術(shù)已廣泛應(yīng)用于肉品行業(yè)中，它可以快速、準(zhǔn)確地評(píng)定肉品的新鮮度從而保證肉品的品質(zhì)。

表1 幾種電子鼻常用的傳感器及比較[13-14]Table 1 Several common electronic nose sensors

2.2 肉品風(fēng)味檢測(cè)

肉品的風(fēng)味是指肉品在入口前后，人的味覺(jué)器官、嗅覺(jué)器官和觸覺(jué)器官對(duì)其產(chǎn)生的綜合感覺(jué)，是衡量肉品品質(zhì)的最重要指標(biāo)之一。Rajamaki等[34]采用電子鼻測(cè)定了氣調(diào)包裝家禽肉的揮發(fā)性風(fēng)味，Boothe等[35]利用電子鼻研究了雞肉在儲(chǔ)藏過(guò)程中揮發(fā)性風(fēng)味的變化，Vainionpaa[36]用化學(xué)傳感器分析了雞肉的風(fēng)味，對(duì)其產(chǎn)生的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)做整體評(píng)估，并與感官結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，電子鼻用于揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)成分的鑒定不加入人為的因素，檢測(cè)靈敏度較高。Carrapiso等[37]用氣相色譜嗅覺(jué)儀分析了伊比利亞火腿的風(fēng)味物質(zhì)，已經(jīng)確定的多達(dá)70種，并對(duì)其中一些特殊的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的含量進(jìn)行定量，依此判斷伊比利亞火腿原料肉的種類，鑒別不合格產(chǎn)品，可以以此為基礎(chǔ)，從中找出產(chǎn)生良好風(fēng)味的物質(zhì)，來(lái)改變伊比利亞火腿的風(fēng)味，生產(chǎn)出人們更樂(lè)意接受的產(chǎn)品。很多學(xué)者研究了與水產(chǎn)品品質(zhì)變化有關(guān)的揮發(fā)性物質(zhì)，Sarnoski等[38]通過(guò)SPME-GC-MS分析了與蟹肉化學(xué)腐敗有關(guān)的風(fēng)味物質(zhì)，得出與腐敗最相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)有三甲胺、氨水及吲哚。通過(guò)定量分析，在腐敗的整個(gè)過(guò)程中，吲哚含量的變化與傳統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果一致，可以通過(guò)氣味物質(zhì)的變化來(lái)預(yù)測(cè)品質(zhì)的變化。El Barbri等[39]聯(lián)合SPME-GC-MS及電子鼻技術(shù)評(píng)價(jià)冷藏條件下沙丁魚(yú)肉的風(fēng)味物質(zhì)變化，前者確定了10種指示性的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，通過(guò)對(duì)電子鼻提取到風(fēng)味物質(zhì)的特征值進(jìn)行PCA分析，可將風(fēng)味物質(zhì)分成3組，表征新鮮的、次新鮮的及腐敗的。用DFA及ANN建立了分組準(zhǔn)確性模型，其中ANN的識(shí)別率較高，可以達(dá)到96.88%，說(shuō)明運(yùn)用氣味物質(zhì)的變化，可以準(zhǔn)確的反應(yīng)品質(zhì)的變化。

2.3 肉品微生物檢測(cè)

當(dāng)前食品安全問(wèn)題成為一個(gè)世界性的問(wèn)題，微生物危害是導(dǎo)致食品安全問(wèn)題的最主要因素。肉品營(yíng)養(yǎng)豐富，可作為微生物生長(zhǎng)的良好培養(yǎng)基，因此易受微生物污染，從而引起腐敗變質(zhì)。其次級(jí)代謝產(chǎn)物會(huì)產(chǎn)生特定的揮發(fā)性氣味物質(zhì)，基于這點(diǎn)可利用氣味指紋技術(shù)來(lái)檢測(cè)畜禽肉中的微生物。El Barbri等[40]利用電子鼻分析了4℃條件下牛肉和羊肉的變質(zhì)情況，連續(xù)測(cè)定15d，建立了電子鼻輸出的響應(yīng)值信號(hào)與細(xì)菌總數(shù)之間的擬合曲線，以電子鼻響應(yīng)信號(hào)為輸入值，可以預(yù)測(cè)細(xì)菌的數(shù)量。Horvath等[41]利用電子鼻分析了不同溫度下豬肉排骨的細(xì)菌數(shù)量，王丹鳳等[42]用電子鼻分析了4℃和20℃豬肉中總的微生物數(shù)量，通過(guò)PCA分析可以很好的區(qū)分不同肉樣，用PLS擬合菌落總數(shù)與電子鼻信號(hào)的曲線，4℃相關(guān)系數(shù)為0.9003，20℃為0.9940。胡惠平等[43]利用電子鼻和SPME-GC-MS對(duì)3株從豬肉中分離的假單胞菌進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示電子鼻能明顯區(qū)分3株假單胞菌。Balasubramanian等[44]用電子鼻檢測(cè)了20℃回接鼠傷寒沙門氏菌后的牛肉的氣味變化，預(yù)測(cè)污染牛肉中的鼠傷寒沙門氏菌數(shù)量，分別用DFA和PCA建立預(yù)測(cè)模型。利用DFA構(gòu)建的模型的預(yù)測(cè)能力較PCA模型好，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.91，以后可以嘗試用ANN或SVM建立模型，效果可能會(huì)更好。瑞典Blixt等[45]選用傳感器陣列定量分析了真空包裝牛肉隨時(shí)間延長(zhǎng)腐敗微生物數(shù)量的變化，對(duì)微生物腐敗變質(zhì)的預(yù)測(cè)與感官評(píng)定結(jié)果相近，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94。氣味指紋在水產(chǎn)品微生物中的研究較少，國(guó)內(nèi)胡惠平等[46]采用電子鼻對(duì)蝦中分離的副溶血性弧菌進(jìn)行檢測(cè)，用PCA可以很好的區(qū)分空白與菌株。究其研究少的原因可能是水產(chǎn)品對(duì)新鮮度的要求較高，在前期酶的降解作用比微生物的作用明顯，且水產(chǎn)品本身的氣味變化較大，可能會(huì)影響對(duì)微生物揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的檢測(cè)，需要扣除本底影響。

3 氣味指紋技術(shù)在檢測(cè)肉品品質(zhì)及安全中存在的問(wèn)題和發(fā)展前景

3.1 存在問(wèn)題

氣味指紋用于肉品的可辨別新鮮程度分析，區(qū)分好與壞的風(fēng)味，并對(duì)微生物進(jìn)行定性及定量分析，但肉品本身基質(zhì)較復(fù)雜，產(chǎn)生的氣味物質(zhì)較豐富，可能會(huì)影響到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，氣味指紋技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中，也受到儀器靈敏度、模式識(shí)別及數(shù)據(jù)處理等技術(shù)方面的影響，與人們的期望還有一定的距離。雖然這些因素直接或間接地影響了氣味指紋技術(shù)的應(yīng)用，但隨著信息技術(shù)的發(fā)展、高靈敏度生物材料的研制、生物計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)、納米技術(shù)的應(yīng)用，氣味指紋將愈來(lái)愈多地在人們生產(chǎn)和生活過(guò)程中發(fā)揮作用，取得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

3.2 發(fā)展前景

氣味指紋技術(shù)是一種操作簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的無(wú)損分析技術(shù)，且樣品前處理簡(jiǎn)單，不需要有機(jī)溶劑萃取，不污染環(huán)境，對(duì)操作人員無(wú)害。應(yīng)用氣味指紋技術(shù)在食品中的分析，現(xiàn)已應(yīng)用到了很多食品領(lǐng)域。

3.2.1 無(wú)損化

用氣味指紋檢測(cè)樣品，樣品預(yù)處理時(shí)通常會(huì)采取切碎的方式，會(huì)造成一定的損失，El Barbri等[47]用電子鼻結(jié)合GC-MS檢測(cè)沙丁魚(yú)品質(zhì)變化時(shí)，采用自己設(shè)計(jì)的裝置，將整尾沙丁魚(yú)都放在測(cè)量裝置內(nèi)，可以更大獲取揮發(fā)性物質(zhì)，準(zhǔn)確率較高，且更接近于實(shí)際，無(wú)損將成為一個(gè)發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2.2 精準(zhǔn)化

肉品是一個(gè)很復(fù)雜的基質(zhì)，其品質(zhì)和安全的變化也較為復(fù)雜，易受多種因素的影響，單一的檢測(cè)方法無(wú)法滿足要求，需要多種檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，氣味指紋結(jié)合其他的檢測(cè)技術(shù)，多技術(shù)融合共同控制品質(zhì)的變化，將成為一個(gè)發(fā)展方向。

3.2.3 小型便攜、智能化

目前的電子鼻和GC-MS體積龐大，價(jià)格昂貴，只能擺在實(shí)驗(yàn)室里，無(wú)法實(shí)時(shí)、在線檢測(cè)。開(kāi)發(fā)便攜式、小型化、針對(duì)性的儀器將成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)，張苗等[48]設(shè)計(jì)了集傳感器陣列信號(hào)驅(qū)動(dòng)、調(diào)理功能于一體的硬件電路，結(jié)合便攜式設(shè)備的信息采集識(shí)別軟件，對(duì)5種不同品牌的香煙做鑒別。電子鼻將逐漸趨于微型化，從“臺(tái)式”到“便攜式”，到“手持式”，成本也將大幅度降低，估計(jì)不久的將來(lái)會(huì)像計(jì)算機(jī)一樣，能被普通家庭接受及消費(fèi)。例如用作家庭醫(yī)療診斷工具、牛奶和肉類新鮮度測(cè)試儀等。相信隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)氣味過(guò)程的深入了解，氣味指紋技術(shù)的功能必將日益增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷擴(kuò)大，逐步走向方便化、實(shí)用化。

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A Review on Application of Odor Fingerprint Technology in Detection of Meat Quality and Safety

HOU Qiao-juan，WANG Xi-chang，LIU Yuan*，WANG Dan-feng，ZHAO Yong，XIE Jing，PAN Ying-jie
(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

Odor fingerprint technology is defined as a technology to analyze the volatile compounds by sensors, chromatography and mass spectrometry combined with multivariate statistical analysis for characterizing sample information. This technology is widely studied and applied in foods. In this paper, odor fingerprint technology is briefly introduced, which includes electronic nose, gas chromatography-mass spectrometry and data analysis. Meanwhile, application of odor fingerprint technology in the detection of meat quality and safety is reviewed. Moreover, its application in meat freshness test, flavor test, and microbial detection are also summarized. Furthermore, current problems and developmental perspectives of this technology in the detection of meat quality and safety are also discussed, which will provide theoretical references for quality and safety control of meat products.

meat；quality and safety；odor fingerprint technology；electronic nose；gas chromatography-mass spectrometry；detection

TS207.3

A

1002-6630(2011)07-0327-05

2010-08-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30901125)；國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2008AA100804)；上海市科委重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(07dz19508)；上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J50704)

侯巧娟(1985—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称窢I(yíng)養(yǎng)與安全。E-mail：hqj.123456@163.com

*通信作者：劉源(1979—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)槭称窢I(yíng)養(yǎng)與品質(zhì)評(píng)價(jià)。E-mail：yliu@shou.edu.cn