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        基于嗅覺(jué)可視化技術(shù)的豬肉新鮮度檢測(cè)

        2013-07-06 07:23:00趙杰文黃曉瑋鄒小波石吉勇
        關(guān)鍵詞:新鮮度嗅覺(jué)變質(zhì)

        趙杰文, 黃曉瑋, 鄒小波, 黃 林, 石吉勇

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

        中國(guó)是豬肉生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó),隨著人民生活水平的提高,對(duì)豬肉品質(zhì)的要求也越來(lái)越高,因而快速無(wú)損地檢測(cè)豬肉變質(zhì)情況顯得尤為重要.豬肉變質(zhì)的一個(gè)主要原因是優(yōu)勢(shì)腐敗菌利用豬肉中的蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行自身代謝,產(chǎn)生代謝產(chǎn)物如硫化物、胺類等,變質(zhì)過(guò)程中伴隨著豬肉氣味和pH值的變化.因此,可以通過(guò)微生物計(jì)數(shù)來(lái)判斷豬肉的新鮮度,目前常用的方法仍是GC/MS、HPLC、微生物培養(yǎng)等方法,這些方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)豬肉的品質(zhì),但檢測(cè)成本高,動(dòng)用的儀器昂貴且耗時(shí)耗力,檢測(cè)周期長(zhǎng),不能做到新鮮度的及時(shí)判斷[1-8].因此,尋找一種簡(jiǎn)便快速,并且在人工嗅覺(jué)及味覺(jué)尚不能感知豬肉開(kāi)始變質(zhì)的初期就能做出判斷的新檢測(cè)手段,對(duì)保證肉類食品安全有重要的意義[9-10].

        嗅覺(jué)可視化技術(shù)是一種氣體成像的新技術(shù),屬人工嗅覺(jué)模擬技術(shù)的一個(gè)新分支.嗅覺(jué)可視化技術(shù)利用氣敏化合物(金屬卟啉、原卟啉和pH指示劑)做顯色劑,與受測(cè)物質(zhì)揮發(fā)性氣體進(jìn)行顯色反應(yīng),通過(guò)顯色劑的顯色狀況,判斷氣體的濃度變化.嗅覺(jué)可視化技術(shù)有以下特點(diǎn):1)將嗅覺(jué)信息轉(zhuǎn)化為視覺(jué)(圖像)信息,使氣味“看得見(jiàn)”,相對(duì)于傳統(tǒng)的電子鼻技術(shù),嗅覺(jué)成像更加直觀、生動(dòng)[11-17];2)氣味的圖像信息可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為數(shù)值信息,有利于數(shù)學(xué)建模、量化分析及信息的通訊傳遞;3)大大縮短了檢測(cè)時(shí)間,降低了檢測(cè)成本.本研究以豬肉為研究對(duì)象,用卟啉和pH指示劑制作可視化傳感器陣列,通過(guò)特定顏色圖像的數(shù)值化表達(dá),檢測(cè)-16℃冷凍、4℃冷藏和20℃室溫3種不同貯藏溫度下,3種優(yōu)勢(shì)致腐菌梭狀芽孢桿菌、熱死環(huán)絲菌、假單胞菌對(duì)豬肉新鮮度的影響.

        1 材料與方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

        實(shí)驗(yàn)中使用的豬肉為屠宰1~2 h后的新鮮豬里脊肉,購(gòu)于菜市場(chǎng).梭狀芽孢桿菌、熱死環(huán)絲菌及假單胞菌屬菌種為實(shí)驗(yàn)室分離鑒定后保存的菌種;滅菌后的生理鹽水、PCA培養(yǎng)基(plate count agar).

        主要設(shè)備包括:YM50型壓力蒸汽滅菌鍋,上海三申醫(yī)療器械有限公司;SW-CJ-2FD型雙人單面凈化工作臺(tái),蘇州凈化設(shè)備有限公司;JNOEC XS-212-202型生物顯微鏡,四川賽普瑞斯儀器有限公司;LRH-150型生化培養(yǎng)箱,上海一恒科技有限公司.

        1.2 豬肉樣本的制備

        1.2.1 優(yōu)勢(shì)腐敗菌菌液的制備

        利用微生物分離的方法獲得寄附于豬肉上的三種優(yōu)勢(shì)致腐菌:梭狀芽孢桿菌、熱死環(huán)絲菌、假單胞菌,采用平板劃線法將菌株置于20~24℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后,得到三種優(yōu)勢(shì)腐敗菌苔.將三種菌苔分別接種于500 mL的液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)18 h,將三種菌液均稀釋至濃度為104CFU/mL備用.

        1.2.2 染菌肉塊的制備

        將豬里脊肉分割成360小塊,每塊10 g左右,并將小塊豬肉進(jìn)行表面滅菌.經(jīng)培養(yǎng)計(jì)數(shù),每塊豬肉的細(xì)菌總數(shù)均小于102CFU/g,證明滅菌效果良好[18].滅菌后的360塊豬肉,分為3組,每組120塊,并將3組樣品分別放置在3種菌液中浸泡15 s后瀝干.

        1.3 致腐菌計(jì)數(shù)

        對(duì)本實(shí)驗(yàn)不同溫度下貯藏不同時(shí)間、染有不同菌種的豬肉樣本采用相同的致腐菌計(jì)數(shù)方法:在超凈臺(tái)中將豬肉樣本剪碎放入含有10 mL滅菌生理鹽水的滅菌乳缽內(nèi),經(jīng)充分研磨制成均勻稀釋液.用無(wú)菌微量移液器吸取0.10 mL樣品勻液,沿管壁緩慢注入盛有10 mL稀釋液的無(wú)菌試管中(注意吸管或吸頭尖端不要觸及稀釋液面),使其混合均勻,制成1:100的樣品勻液.根據(jù)對(duì)樣品污染狀況的估計(jì),選擇2個(gè)適宜稀釋度的樣品勻液,在顯微鏡下進(jìn)行計(jì)數(shù).

        1.4 嗅覺(jué)可視化技術(shù)

        1.4.1 氣敏傳感器陣列的制作

        為了減少環(huán)境濕度對(duì)傳感器精度的影響,因此選擇具有良好疏水性的C2反相硅膠板作為傳感器載體,其微小的孔徑可以幫助吸附氣體分子加快檢測(cè)速度.利用毛細(xì)管點(diǎn)樣法將4種卟啉氣敏材料和9種pH指示劑氣敏材料固定在傳感器載體上,制成由13個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)組成的可視化傳感器陣列,如圖1[19].

        1.4.2 嗅覺(jué)可視化技術(shù)檢測(cè)

        圖1 可視化傳感器陣列Fig.1 Visualization sensor array

        實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)貯藏溫度:-16,4,20℃,檢測(cè)豬肉在這3種貯藏條件下的變質(zhì)情況.貯藏在-16℃條件下的樣本,每72 h檢測(cè)一次,跟蹤檢測(cè)216 h;貯藏在4℃條件下的樣本,每48 h檢測(cè)一次,跟蹤檢測(cè)144 h;貯藏在20℃條件下的樣本,每8 h檢測(cè)一次,跟蹤檢測(cè)24 h,所有試驗(yàn)每次都進(jìn)行5個(gè)平行實(shí)驗(yàn).

        檢測(cè)過(guò)程如下,首先用氮?dú)夥謩e清洗樣品室和氣體反應(yīng)室,用掃描儀獲取傳感器陣列反應(yīng)前的圖像;將檢測(cè)對(duì)象(豬肉樣本)擱置在樣品室中密封集氣;豬肉的揮發(fā)氣體以惰性氣體(氮?dú)?為載氣進(jìn)入反應(yīng)室,與傳感器上顯色材料結(jié)合后發(fā)生顏色變化;對(duì)不同的豬肉樣本經(jīng)不同貯藏時(shí)間后產(chǎn)生的揮發(fā)性氣味,可視化傳感器陣列顯示特定的顏色圖像與其對(duì)應(yīng),該圖像可通過(guò)掃描儀掃描獲得;測(cè)試一次更換一個(gè)傳感器陣列.

        1.4.3 傳感器陣列的特征提取

        傳感器陣列中每個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)圖像用R,G,B3個(gè)顏色分量表達(dá),可采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來(lái)量化、識(shí)別這種變化.由掃描儀獲得的圖像首先采用中值濾波濾去噪聲,用閾值分割法將顏色反應(yīng)點(diǎn)的圖像從背景中分割出來(lái),查找傳感器陣列中每個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)的中心,取每個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)中心周圍約100個(gè)像素的R,G,B均值作為傳感器的表征值,這樣可有效去除邊緣效應(yīng)的不利影響.將顏色反應(yīng)點(diǎn)反應(yīng)前后R,G,B值差的絕對(duì)值(ΔR=|Ra-Rb|,ΔG=|Ga-Gb|,ΔB=|Ba-Bb|,下標(biāo)a表示反應(yīng)后,下標(biāo)b表示反應(yīng)前)作為顏色反應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào).

        2 結(jié)果與討論

        2.1 致腐菌的生長(zhǎng)情況

        當(dāng)寄附于豬肉上的菌落總數(shù)超過(guò)107CFU/g就認(rèn)為肉開(kāi)始變質(zhì)[20].在-16℃的情況下微生物生長(zhǎng)緩慢,各種菌的數(shù)量均比較低,細(xì)菌總數(shù)在第216 h時(shí)達(dá)到107CFU/g,如圖2,3種菌的生長(zhǎng)速率在0.700~0.820左右,其中假單胞菌生長(zhǎng)速率最高;在4℃的情況下,細(xì)菌總數(shù)在第144 h時(shí)達(dá)到107CFU/g,三種菌的生長(zhǎng)速率差距不大,在1.071~1.101左右,其中假單胞菌和熱死環(huán)絲菌生長(zhǎng)速率均較高;在20℃的情況下細(xì)菌的生長(zhǎng)速率明顯加快,細(xì)菌總數(shù)在第16 h時(shí)即達(dá)到107CFU/g,三種菌的生長(zhǎng)速率差距也較大,在1.415~1.661左右,其中假單胞菌生長(zhǎng)速率最高.圖2(a)、(b)、(c)分別為貯藏在 -16,4,20℃條件下各染菌組菌數(shù)的變化.

        圖2 豬肉中3種致腐菌菌數(shù)變化情況Fig.2 Bacteria count changes of three spoilage bacterias

        如果把寄附于豬肉中的菌落數(shù)1×107CFU/g作為評(píng)判豬肉開(kāi)始變質(zhì)的臨界值,可以認(rèn)為豬肉在-16℃,4℃和20℃條件下分別貯藏216 h,144 h和16 h后已經(jīng)開(kāi)始變質(zhì),此時(shí)人工嗅覺(jué)尚不能覺(jué)察出變化,用嗅覺(jué)可視化技術(shù)卻可將這種變化情況直觀地表示出來(lái).同時(shí)可以看出在3種貯藏溫度下,假單胞菌的致腐能力最強(qiáng).

        2.2 嗅覺(jué)可視化檢測(cè)結(jié)果

        由于論文篇幅限制,以下重點(diǎn)分析20℃條件下的嗅覺(jué)可視化技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果.

        圖3、圖4、圖5是嗅覺(jué)可視化傳感器檢測(cè)豬肉20℃貯藏條件下產(chǎn)生的揮發(fā)氣味在0~24 h時(shí)間段中的幾幅特征圖像,每幅圖的反應(yīng)變化都有所不同.這是由于不同的菌產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體的百分含量有一定的差異,并且隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng),豬肉頂空揮發(fā)性氣體成分的種類和濃度不斷變化引起的.

        對(duì)于不同組的樣本而言,氣敏傳感器陣列的特征響應(yīng)值是不同的,同一組樣本,在不同的貯藏階段氣敏傳感器陣列的特征響應(yīng)值也是不同的,并且隨著時(shí)間的推移,豬肉變質(zhì)程度的加深,特征點(diǎn)的亮度不斷加深,即傳感器陣列上特征點(diǎn)顏色變化程度不斷加深.

        通過(guò)圖3至圖5,可以看出傳感器陣列上13個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)的顏色變化較為直觀地反映了豬肉的新鮮度變化,但尚缺少具體的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn).

        圖3 20℃染有梭狀芽孢桿菌豬肉樣本0~24 h特征圖像Fig.3 Feature images of Clostridium group sample under 20℃during 8~24 h

        圖4 20℃染有熱死環(huán)絲菌豬肉樣本8~24 h特征圖像Fig.4 Feature images of Brochothix thermosphacta group sample under 20℃during 8~24 h

        圖5 20℃染有假單胞菌豬肉樣本8~24 h特征圖像Fig.5 Feature images of Pseudomonas group sample under 20℃during 8~24 h

        隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)、豬肉腐敗程度加深,每一個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)的亮度也在增強(qiáng),也就是說(shuō)豬肉新鮮度越低ΔR,ΔG,ΔB響應(yīng)值越高,因此可以通過(guò)傳感器陣列上13個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)的ΔR,ΔG,ΔB響應(yīng)值的總和來(lái)判斷豬肉的新鮮度.表1和表2分別為20℃條件下貯藏16 h和24 h后各組豬肉樣本的菌落數(shù)和顏色反應(yīng)點(diǎn)的ΔR,ΔG,ΔB的總和.對(duì)于同一組樣本,隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng),ΔR,ΔG,ΔB的總和也在增加.對(duì)照2.1致腐菌生長(zhǎng)情況,20℃條件下貯藏16 h時(shí)所有豬肉樣本的菌落數(shù)達(dá)到107CFU/g以上,可以把該條件下傳感器陣列上13個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)的ΔR,ΔG,ΔB之和的最小值532(表1)定為豬肉開(kāi)始變質(zhì)的臨界點(diǎn).同樣可以得出,貯藏在-16℃條件下豬肉開(kāi)始變質(zhì)的臨界點(diǎn)為543;貯藏在4℃條件下豬肉開(kāi)始變質(zhì)的臨界點(diǎn)為772,受篇幅所限不再展開(kāi)來(lái)介紹.

        表1 20℃ 16 h時(shí)13個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)的 ΔR,ΔG,ΔB 之和Tab.1 Change of RGB of pH indicator during 16 h under 20℃

        表2 20℃ 24 h時(shí)13個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)的 ΔR,ΔG,ΔB 之和Tab.2 Change of RGB of pH indicator during 24 h under 20℃

        3 結(jié) 論

        本文根據(jù)微生物計(jì)數(shù)法分析寄附于豬肉上的微生物菌數(shù)及豬肉的變質(zhì)情況作為背景知識(shí),將4種卟啉類化合物以及9種pH指示劑制成可視化傳感器陣列,與-16℃,4℃和20℃三種不同貯藏溫度下,染有三種優(yōu)勢(shì)致腐菌的豬肉所產(chǎn)生揮發(fā)氣體發(fā)生反應(yīng),當(dāng)寄附于豬肉上的菌落總數(shù)達(dá)到臨界值,豬肉開(kāi)始變質(zhì)時(shí),與其對(duì)應(yīng)的特定顏色圖像(由13個(gè)顏色反應(yīng)點(diǎn)組成)的ΔR+ΔG+ΔB值可作為豬肉開(kāi)始變質(zhì)的臨界判斷值,ΔR+ΔG+ΔB值越大,豬肉新鮮度越低.研究結(jié)果表明,嗅覺(jué)可視化技術(shù)可直接跟蹤豬肉變質(zhì)過(guò)程中揮發(fā)性氣味的變化,并可實(shí)現(xiàn)數(shù)字表達(dá),與常用的檢測(cè)豬肉新鮮度的方法相比,更直觀、簡(jiǎn)便、快速,是一種具有較高應(yīng)用前景的食品安全檢測(cè)技術(shù).

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