趙彩芳,許利群,朱燕琳,陳友吾,朱湯軍
(1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院,浙江 杭州 310023;2.浙江省森林食品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310023;3.浙江省林業(yè)科技推廣中心,浙江 杭州 310020;4.浙江省蒼南縣林業(yè)技術(shù)推廣站,浙江 蒼南 325800)
玫瑰是薔薇科薔薇屬落葉叢生灌木,起源亞洲,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高,國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)玫瑰需求迅速增加,對(duì)玫瑰香氣也提出更高的要求[1]。其花香味是影響玫瑰花質(zhì)量的重要因素之一。目前鮮切花行業(yè)中,花香質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要是由訓(xùn)練有素、經(jīng)驗(yàn)豐富的專家來(lái)完成,但人工鑒定受主觀因素影響較大,結(jié)果可能存在一定的偏差 。因此,尋求一種切實(shí)可行的方法對(duì)其進(jìn)行輔助顯得尤為必要[2]。氣味指紋分析技術(shù)(俗稱電子鼻技術(shù))是近年發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù),該技術(shù)借鑒了儀器分析原理和人感官評(píng)價(jià)的機(jī)理,采用氣敏型傳感器陣列模擬人的嗅覺(jué)器官采集樣品的氣味指紋信息,再用模式識(shí)別系統(tǒng)模擬人腦對(duì)傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和模式識(shí)別,得出有關(guān)樣品氣味綜合的判斷[3~4]。電子鼻可以敏感地識(shí)別氣味指紋信息,目前其在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用[5~7]。與氣相色譜、質(zhì)譜等技術(shù)相比,電子鼻更加簡(jiǎn)單快捷[8]。本文利用電子鼻對(duì)不同品種及不同貯藏期的玫瑰花進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行主成分分析、判別因子分析和統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制分析,為不同品種及貯藏期的玫瑰區(qū)分提供了一種新的方法。
試驗(yàn)材料均采摘自浙江長(zhǎng)興的浙江省林業(yè)科學(xué)院玫瑰種植基地內(nèi),品種如表1所示。
表1 玫瑰花品種及種源地分組情況Table1 Varieties and provenances of Rose
Prometheus質(zhì)感聯(lián)用氣味指紋儀(法國(guó)AlphaMOS公司),配有HS100型自動(dòng)進(jìn)樣器、空氣壓縮機(jī)、空氣凈化器、AlphasoflV9.1智能分析軟件;BS-200S型電子天平(感量0.001g,北京賽多利斯天平有限公司)。
1.3.1 不同玫瑰品種試驗(yàn) 選用從種植基地內(nèi)采摘的不同玫瑰品種直接測(cè)試。
1.3.2 玫瑰貯藏試驗(yàn) 選用西安引種大馬士革玫瑰花為試驗(yàn)品種,采摘的玫瑰花為盛花期,將玫瑰花采收后分別用35 mm×85 mmPV自封袋封裝,放入4℃冷藏箱中保存。并每天取樣測(cè)量,時(shí)間跨度為7 d。
1.3.3 樣品準(zhǔn)備和檢測(cè)參數(shù) 采摘的玫瑰花為盛花期,稱取0.500 g鮮花,裝人10 mL樣品瓶,加蓋密封,利用電子鼻進(jìn)行檢測(cè),每種樣品檢測(cè)6次。所使用電子鼻的傳感器均為金屬氧化物傳感器,共6個(gè)傳感器,各傳感器名稱與性能描述如表2所示。試驗(yàn)試樣所得電子鼻的原始響應(yīng)信號(hào)如圖1所示,橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)采集時(shí)間(s),縱坐標(biāo)響應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于各傳感器的相對(duì)電阻變化率[(R0-R)/R0]。R0為t= 0時(shí)的電阻值即基線電阻,R為隨時(shí)間變化的響應(yīng)電阻值。
表2 傳感器性能Table2 Performance of sensors
圖1 玫瑰花電子鼻信號(hào)原始圖Figure1 Typical response curves of sensors to rose
電子鼻操作參數(shù)如下,載氣:純氮,流速:150 mL/min,進(jìn)樣體積750 μL;數(shù)據(jù)采集時(shí)間90 s;延滯時(shí)間:1 080 s。
1.3.4 數(shù)據(jù)分析方法 采用 AlphasofiV12.3分析軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行判別分析,分別采用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)、判別因子分析(Discriminant Factor Analysis,DFA)和統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制分析(Statistical Quality Control,SQC)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
圖2為利用PCA方法對(duì)不同品種玫瑰花樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的3D圖,圖中坐標(biāo)分別為第1主成分、第2主成分、第3主成分,3個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為99.8%,包含了樣品中絕大部分信息,因此使用前3個(gè)主成分作PCA圖。由圖3顯示本地玫瑰、甘肅引種玫瑰、山東平陰引種玫瑰、西安引種玫瑰PCA圖區(qū)別很大,可以明顯區(qū)分出不同引種地域的玫瑰。由山東平陰引種6個(gè)品種玫瑰PCA分析圖重疊嚴(yán)重,通過(guò)AlphasofiV12.3分析軟件中的品控模塊處理,將6個(gè)品種玫瑰歸入統(tǒng)一品控區(qū)。這可能是因?yàn)橛缮綎|引種的不同品種玫瑰中商品名較多,它們可能共享類似的父母親本,因此花香信息相近。而甘肅的苦水玫瑰、西安的大馬士革玫瑰分別是當(dāng)?shù)刂髟云贩N,植物性狀純正。而本地保加利亞玫瑰亦有多年的純化栽培。因此苦水玫瑰、大馬士革玫瑰、保加利亞玫瑰可以通過(guò)電子鼻加以區(qū)分,而山東6品種玫瑰間區(qū)分度不高,但作為整體可以與本地保加利亞玫瑰、大馬士革西安、甘肅苦水玫瑰明顯區(qū)分。因此利用電子鼻,結(jié)合模式識(shí)別不同品種玫瑰花是非常有效的方法。也可以通過(guò)電子鼻來(lái)區(qū)分不同種源來(lái)源地的玫瑰花。
圖2 不同地區(qū)玫瑰花PCA 3D圖Figure2 3-dimensioned PCA of different provenances
圖3 不同地區(qū)玫瑰花PCA圖 Figure3 PCA of different provenances
圖4 為利用PCA方法對(duì)不同貯藏期玫瑰樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的3D圖,圖中坐標(biāo)分別為第一主成分、第二主成分、第三主成分,三個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為 99.6%,包含了樣品中絕大部分信息,因此使用前三個(gè)主成分作PCA圖。圖5為貯藏期間玫瑰花香味指紋圖譜的PCA主成分分析圖。從圖中可知,玫瑰花貯藏期間第一天至第四天玫瑰花香味變化較大,其相互間PCA區(qū)別明顯。從第5天至第7天,三天間玫瑰花香味的電子鼻圖譜重疊,通過(guò)AlphasofiV12.3分析軟件中的品控模塊處理,將這三天玫瑰花香味歸入統(tǒng)一品控區(qū)。說(shuō)明其變化不明顯,但其與前四天玫瑰花香味區(qū)別明顯。通過(guò)取出后玫瑰花外部表征證明,4天后的玫瑰花已開始衰敗。而進(jìn)入衰敗期的玫瑰花,其香味的電子鼻指紋圖譜區(qū)別不大。因此電子鼻可以有效地識(shí)別玫瑰花的新鮮度。
圖4 貯藏期大馬士革玫瑰花香變化3D圖(PCA圖)Figure4 3-dimensioned PCA of R.damascus at different storage stages
圖5 貯藏期大馬士革玫瑰花香變化(PCA圖) Figure5 PCA of R.damascus at different storage stages
DFA是一種用來(lái)構(gòu)建模型并識(shí)別未知試樣的算法。DFA通過(guò)數(shù)學(xué)變換,能夠使同類組群數(shù)據(jù)間的差異盡可能縮小,使不同類組群數(shù)據(jù)間的差異盡可能的擴(kuò)大,以建立數(shù)據(jù)識(shí)別模型。DFA與PCA的區(qū)別是,DFA根據(jù)已知信息,將采集到的樣品信息重新組織,從而使分析結(jié)果盡可能的與已知信息一致。由圖6中可知,通過(guò)DFA分析后,以大馬士革玫瑰花品平行檢測(cè) 12次數(shù)據(jù)間的差異明顯小于 PCA,構(gòu)成了更緊密獨(dú)立組群。同時(shí),不同玫瑰花樣品數(shù)據(jù)間的差異也明顯擴(kuò)大,其差別表現(xiàn)在信息權(quán)重上達(dá)90%。因此非大馬士革玫瑰花樣品的氣味信息通過(guò)電子鼻可以與大馬士革玫瑰花樣品完全區(qū)分。
圖7為傳感器對(duì)大馬士革玫瑰花香敏感度,由圖7可知P10、P40/1、P40/2對(duì)花香敏感具有較強(qiáng)判別作用。
圖7 不同傳感器對(duì)大馬士革玫瑰花香敏感度 Figure7 Measurements of different sensors to R.damascus
為了能更好地觀察和分析電子鼻的6個(gè)金屬氧化物傳感器對(duì)玫瑰花氣味的變化,又進(jìn)行了樣品的電子鼻傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)的指紋圖分析,指紋圖是把6個(gè)傳感器按照間隔60度均勻排列在圓周上,將每個(gè)傳感器的最大響應(yīng)值取出并標(biāo)識(shí),形成指紋圖(圖8)。
統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制分析(SQC)的數(shù)學(xué)解釋是在考慮樣本的差異性基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算參考樣本得出接受區(qū)域和拒絕區(qū)域。未知樣本被映射到圖表中,得出結(jié)論: 接受/拒絕。通過(guò)計(jì)算樣本的均值、標(biāo)準(zhǔn)差得出單一的嗅覺(jué)值。對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)而言,它在氣味單元內(nèi)的距離表明了氣味的差異。以大馬士革玫瑰花為標(biāo)準(zhǔn)(圖9)做SQC數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),從圖9可知,非大馬士革玫瑰花,全部落在可接受區(qū)域之外,說(shuō)明電子鼻比較靈敏,完全可以作為品質(zhì)控制工具應(yīng)用。
圖8 大馬士革玫瑰花香指紋圖譜Figure8 Fingerprint of flavor of R.damascus
圖9 以大馬士革玫瑰花為標(biāo)準(zhǔn)做統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制分析Figure9 SQC analysis using R.Damascus as the control
通過(guò)電子鼻對(duì)4個(gè)不同種源地區(qū)共9種玫瑰花樣品花香的分析發(fā)現(xiàn),不同種源地間存在明顯差異。采用PCA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,PCA區(qū)分效果明顯,對(duì)于品種純正的玫瑰花利用電子鼻,結(jié)合模式識(shí)別是非常有效的區(qū)分方法,因此可以利用電子鼻識(shí)別來(lái)區(qū)分不同玫瑰花品種,該方法對(duì)于人工鑒定玫瑰花品種具有較好的參考價(jià)值。
通過(guò)電子鼻對(duì)大馬士革玫瑰花貯藏期間花香成分的分析發(fā)現(xiàn),貯藏前四天存在明顯差異。而后三天間差異不大。說(shuō)明電子鼻,結(jié)合模式識(shí)別方法是鑒別玫瑰花新鮮度的有效手段。
以大馬士革玫瑰花氣味作為質(zhì)量上乘的鑒別標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果顯示,電子鼻檢測(cè)技術(shù)能非常靈敏的檢測(cè)到不同品種玫瑰花氣味差異。因此,電子鼻可以用于進(jìn)行玫瑰花品種質(zhì)量控制。
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