孫欽秀，董福家，陳倩，孔保華

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

應(yīng)用電子鼻技術(shù)檢測(cè)肉與肉制品的風(fēng)味和品質(zhì)

孫欽秀，董福家，陳倩，孔保華*

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

電子鼻是模擬人的味覺(jué)形成過(guò)程來(lái)識(shí)別、分析和檢測(cè)復(fù)雜氣味的儀器，它由多個(gè)性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成。由于具有客觀性強(qiáng)，重現(xiàn)性好，檢測(cè)速度快，無(wú)損傷等特點(diǎn)，電子鼻被廣泛應(yīng)用到肉品科學(xué)的研究中用于評(píng)價(jià)肉與肉制品的風(fēng)味和品質(zhì)。本文主要介紹了電子鼻的組成及工作原理，及其在肉品科學(xué)研究中的應(yīng)用，同時(shí)分析了其在發(fā)展中遇到的問(wèn)題，并對(duì)前景進(jìn)行了展望。

電子鼻；組成及原理；肉品科學(xué)；應(yīng)用

肉制品是人類膳食金字塔中的重要組成部分，可為人類提供豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)肉制品的攝入量及品質(zhì)要求也越來(lái)越高。對(duì)于肉制品品質(zhì)評(píng)定，新鮮度檢測(cè)以及原料污染等問(wèn)題都需要一個(gè)方便快捷、重復(fù)性好的檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)分析檢測(cè)和感官評(píng)價(jià)等是肉制品研究中常用的檢測(cè)方法，但化學(xué)分析檢測(cè)由于設(shè)備較昂貴、檢測(cè)效率低等缺點(diǎn)而不能普及應(yīng)用。而感官評(píng)價(jià)對(duì)品評(píng)人員的要求較高，不僅需要品評(píng)人員具有一定的經(jīng)驗(yàn)，而且在感官評(píng)價(jià)前要進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)，這種方法主觀性強(qiáng)，重復(fù)性差，個(gè)體差異大，沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，容易因嗅覺(jué)疲勞而影響分析結(jié)果［1］。電子鼻是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種分析識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜嗅味和揮發(fā)性成分的儀器［2］，它與普通分析儀器，如色譜儀、質(zhì)譜儀、電泳儀等不同，它檢測(cè)到的不是被測(cè)樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結(jié)果，而是與人和動(dòng)物鼻子的工作原理相似，檢測(cè)到的是目標(biāo)物的總體氣息。電子鼻由于具有評(píng)定方法客觀，重現(xiàn)性好，不易疲勞，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到肉品科學(xué)的研究中［3-4］。

1電子鼻的概述

1.1電子鼻的發(fā)展史

1964年Wilkens和Hatman利用氣味在電極上的氧化-還原反應(yīng)研制出了世界上第一個(gè)“電子鼻”［5］；1965年Buck等人和DarVnieks等人分別利用氣味調(diào)制電導(dǎo)和調(diào)制接觸電位研制出了“電子鼻”；1967年日本Figaro公司率先將金屬氧化物半導(dǎo)體（SnO2）氣體傳感器商品化。1989年，北大西洋公約組織召開(kāi)的一個(gè)以電子鼻為重要內(nèi)容的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議對(duì)電子鼻做了定義：電子鼻是由多個(gè)性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識(shí)別單一和復(fù)雜氣體能力的裝置。隨后，1990年舉行了第一屆電子鼻專題學(xué)術(shù)會(huì)議［6］。此后，電子鼻技術(shù)被人們廣泛研究，為了促進(jìn)電子鼻技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上每年都會(huì)舉辦一次化學(xué)傳感器會(huì)議。

1.2電子鼻的組成

電子鼻是模仿人類對(duì)氣味的識(shí)別機(jī)制而設(shè)計(jì)研制的一種智能電子儀器［7］，它主要由3部分構(gòu)成：（1）頂空進(jìn)樣器，將裝有樣品的密封瓶上方氣體通過(guò)頂空吸入傳感器上；（2）傳感器，氣味作用于傳感器陣列，產(chǎn)生瞬間響應(yīng)，響應(yīng)由強(qiáng)到弱，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；（3）信號(hào)處理系統(tǒng)，就是氣體傳感器陣列所獲得的氣味信息經(jīng)過(guò)的信號(hào)處理系統(tǒng)，即模式識(shí)別系統(tǒng)，它可以預(yù)處理并進(jìn)行特征提取，再利用軟件進(jìn)行系統(tǒng)分析，即可完成對(duì)復(fù)雜氣味的檢測(cè)分析［8］。

1.3電子鼻的工作原理

電子鼻工作原理是模擬人的嗅覺(jué)形成過(guò)程。人的嗅覺(jué)系統(tǒng)由嗅覺(jué)細(xì)胞、嗅覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等組成，而電子鼻的工作系統(tǒng)主要包括氣敏傳感器陣列、信號(hào)處理系統(tǒng)和模式識(shí)別系統(tǒng)［9］。氣敏傳感器陣列如同人的嗅覺(jué)細(xì)胞，將多個(gè)具有不同選擇性氣敏傳感器組成陣列，利用其對(duì)多種氣體交叉敏感性，將不同氣味分子在其表面產(chǎn)生作用轉(zhuǎn)化為可測(cè)物理信號(hào)組。信號(hào)處理系統(tǒng)如同人的嗅覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)［10］，信號(hào)預(yù)處理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取后，信號(hào)進(jìn)入模式識(shí)別單元接受進(jìn)一步處理從而得出混合氣體組成成分和濃度；模式識(shí)別系統(tǒng)就像人的大腦可以對(duì)處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行判斷，它需要建立在數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，傳入氣體組分經(jīng)信號(hào)分析后與存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中該種氣體圖案進(jìn)行比較鑒定后，就能快速進(jìn)行系統(tǒng)化、科學(xué)化氣味監(jiān)測(cè)、鑒別、判斷和分析。

2電子鼻在肉品品質(zhì)檢測(cè)研究中的應(yīng)用

肉品品質(zhì)評(píng)價(jià)中，氣味是最直觀的一個(gè)指標(biāo)。由于電子鼻具有和常規(guī)分析儀器所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在肉品品質(zhì)檢測(cè)中發(fā)揮了很大的作用。電子鼻可對(duì)肉品中揮發(fā)性成分進(jìn)行采集、檢測(cè)和分析，完成相應(yīng)的分析判斷。在肉類工業(yè)中，電子鼻是檢驗(yàn)肉品新鮮程度的快捷手段。此外，作為一種新型的無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)，電子鼻可以對(duì)肉品品質(zhì)進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)在線的連續(xù)檢驗(yàn)，預(yù)測(cè)肉品貨架期以及對(duì)肉品的摻雜摻偽行為的檢測(cè)。

2.1肉品新鮮度評(píng)定

肉品含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為微生物的滋生提供了優(yōu)良的條件，因此微生物污染導(dǎo)致肉品的腐敗變質(zhì)，也是肉品品質(zhì)劣變的一個(gè)主要原因。電子鼻作為一種快速的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原料肉及肉制品新鮮程度的快速、準(zhǔn)確的測(cè)定，從而保證肉品的質(zhì)量。

目前，電子鼻在新鮮度檢測(cè)方面的應(yīng)用主要集中在對(duì)原料肉的檢測(cè)，肉品新鮮度的常規(guī)檢測(cè)主要包括理化指標(biāo)及微生物指標(biāo)的測(cè)定，將電子鼻在該方面的應(yīng)用與這些指標(biāo)結(jié)合，通過(guò)比較電子鼻所處理得到的數(shù)據(jù)與這些指標(biāo)的相關(guān)性來(lái)評(píng)價(jià)電子鼻在檢測(cè)新鮮度的可行性。電子鼻在牛肉和豬肉的新鮮度檢測(cè)中應(yīng)用較多，Winquit等［11］最早采用了電子鼻檢測(cè)牛肉和豬肉在4℃冷藏時(shí)的新鮮度，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處理電子鼻采集的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明電子鼻可預(yù)測(cè)牛肉和豬肉糜的儲(chǔ)藏時(shí)間。隨后，石志標(biāo)等［12］建立了檢測(cè)牛肉新鮮度的電子鼻系統(tǒng)，并應(yīng)用該電子鼻系統(tǒng)對(duì)不同新鮮度的牛肉進(jìn)行了鑒別試驗(yàn)，識(shí)別率高達(dá)99.25%，該研究表明電子鼻檢測(cè)牛肉新鮮度是可行的。此外，王丹鳳等［13］利用電子鼻檢測(cè)了豬肉在不同溫度下貯藏其揮發(fā)性成分的變化，并結(jié)合細(xì)菌總數(shù)檢測(cè)，采用主成分分析可區(qū)分不同貯藏時(shí)間的豬肉樣品，試驗(yàn)表明電子鼻結(jié)果與細(xì)菌總數(shù)之間具有較好相關(guān)性，通過(guò)電子鼻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)豬肉中有害微生物的檢測(cè)。Wang等［14］也通過(guò)電子鼻檢測(cè)了冷卻豬肉在4℃條件下儲(chǔ)存10 d內(nèi)菌落總數(shù)變化規(guī)律，從而判斷肉的新鮮度，利用主成分分析方法分析電子鼻結(jié)果，并將其與細(xì)菌平板計(jì)數(shù)結(jié)果比較，結(jié)果表明兩者具有較好的相關(guān)性，證實(shí)了電子鼻快速檢測(cè)豬肉中菌落數(shù)的可行性。

此外，電子鼻在雞肉、魚(yú)肉和其他混合原料肉的新鮮度檢測(cè)中也有應(yīng)用。Arnold等［15］通過(guò)電子鼻分析了雞肉加工過(guò)程中微生物種類和數(shù)量的變化，并與傳統(tǒng)的平板計(jì)數(shù)方法做了比較，結(jié)果表明電子鼻可以很好的檢測(cè)雞肉中微生物的變化。趙夢(mèng)醒等［16］利用電子鼻檢測(cè)鱸魚(yú)新鮮度，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析、線性判別分析和負(fù)荷加載分析，并結(jié)合感官評(píng)價(jià)、揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）和菌落總數(shù)等指標(biāo)，建立一種基于電子鼻技術(shù)判別鱸魚(yú)新鮮度的方法，結(jié)果表明，電子鼻分析結(jié)果與感官、TVB-N和菌落總數(shù)結(jié)果基本一致，因此，電子鼻可以用來(lái)區(qū)分不同新鮮度的鱸魚(yú)且其對(duì)魚(yú)鰓的區(qū)分效果優(yōu)于魚(yú)肉。Vestergaard等［17］利用MGD-1型電子鼻檢測(cè)了披薩餡在儲(chǔ)藏過(guò)程中新鮮程度的變化，采用主成分分析和偏最小二乘回歸法對(duì)傳感器響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，并將結(jié)果與感官評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果表明電子鼻可以檢測(cè)披薩餡在儲(chǔ)存過(guò)程中發(fā)生的風(fēng)味變化。

2.2肉品分級(jí)

由于原料、成分等不同可導(dǎo)致同一種產(chǎn)品其品質(zhì)也良莠不齊，因此對(duì)肉品進(jìn)行分級(jí)很重要。在肉品分級(jí)中，香氣是一項(xiàng)重要的評(píng)定指標(biāo)，電子鼻可以很好完成對(duì)香氣的區(qū)分，其可作為肉品品質(zhì)分級(jí)的一種新方法。

對(duì)于原料肉的分級(jí)，電子鼻主要應(yīng)用于牛肉和豬肉的分級(jí)。Bourrounet等［18］利用電子鼻對(duì)牛肉進(jìn)行等級(jí)評(píng)定分析，他們將不同貯藏時(shí)間的牛肉分為不同的等級(jí)，利用電子鼻對(duì)不同貯藏時(shí)間牛肉的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，并采用主成分分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。結(jié)果表明，電子鼻的檢測(cè)結(jié)果與按貯藏時(shí)間的分級(jí)結(jié)果相一致，即可以利用電子鼻實(shí)現(xiàn)對(duì)肉品的分級(jí)。Rajamaki等［19］利用電子鼻對(duì)不同品質(zhì)的氣調(diào)保鮮包裝豬肉進(jìn)行了檢測(cè)，采用主成分分析、局部最小方差和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，他還將電子鼻實(shí)驗(yàn)結(jié)果與微生物檢測(cè)、感官評(píng)價(jià)和氣相色譜的檢測(cè)結(jié)果相比較，結(jié)果表明電子鼻檢測(cè)的結(jié)果靈敏度更高、結(jié)果更可靠。此外，電子鼻還可以應(yīng)用于肉制品的分級(jí)檢測(cè)，姚璐等［20］利用電子鼻技術(shù)對(duì)3種不同等級(jí)的金華火腿進(jìn)行了檢測(cè)，并利用線性判別式分析、主成分分析和偏最小二乘回歸法等多元統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，結(jié)果表明電子鼻能夠很好地區(qū)分不同等級(jí)的金華火腿，該研究為金華火腿的分級(jí)檢測(cè)提供了新方法。

2.3生產(chǎn)線上連續(xù)檢測(cè)

目前常用的在線檢測(cè)方法多為定時(shí)、定點(diǎn)檢測(cè)，但是這些檢測(cè)方法破壞性大，時(shí)效性差，且耗費(fèi)大量人力物力。而電子鼻檢測(cè)具有方便、快捷，檢測(cè)無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，為肉制品生產(chǎn)加工中進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)提供了新思路。目前電子鼻在生產(chǎn)線上的連續(xù)檢測(cè)應(yīng)用較少，Hansen等［21］利用由6個(gè)金屬氧化物傳感器組成傳感器陣列的電子鼻在線檢測(cè)了肉糜加工過(guò)程中氣味的變化，采用偏最小二乘回歸法和主成分分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，并將結(jié)果與氣譜-質(zhì)譜聯(lián)用檢測(cè)結(jié)果相比較，研究表明電子鼻可以對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

2.4肉品貨架期預(yù)測(cè)

肉品在貯藏、運(yùn)輸和銷售等過(guò)程中，由于酶、微生物和外界環(huán)境等因素，會(huì)使肉品發(fā)生腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生不良風(fēng)味，致使產(chǎn)品品質(zhì)下降，貨架期縮短。隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品的揮發(fā)性成分也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致其氣味與新鮮制品有明顯區(qū)別。基于此，我們可以利用電子鼻技術(shù)結(jié)合理化指標(biāo)建立產(chǎn)品貨架期預(yù)測(cè)模型。

肖紅等［22］利用電子鼻分析了豬肉在不同貯藏溫度與貯藏時(shí)間下的揮發(fā)性成分變化，利用主成分分析與貨架期分析的方法，預(yù)測(cè)豬肉在0、7、10℃和20℃溫度下貯藏的貨架期。將電子鼻分析獲得的豬肉氣味數(shù)據(jù)與TVB-N相結(jié)合，建立豬肉貨架期的預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，基于電子鼻分析獲得的豬肉氣味變化與TVB-N變化具有較好的一致性，不同貯藏溫度條件下豬肉的菌落總數(shù)值與TVB-N值均隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且均符合一級(jí)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型（R2>0.9），將上述兩種貨架期分析方法相結(jié)合并利用動(dòng)力學(xué)模型建立了豬肉貨架期的預(yù)測(cè)模型。此外，佟懿等［23］還利用電子鼻對(duì)帶魚(yú)在不同貯藏溫度和時(shí)間下的揮發(fā)性氣味變化進(jìn)行了分析，并與TVB-N建立聯(lián)系，同時(shí)對(duì)貨架期進(jìn)行了預(yù)測(cè)，建立了帶魚(yú)在0℃～10℃溫度條件下的貨架期預(yù)測(cè)模型。

2.5肉品摻雜摻假檢測(cè)

在肉品加工生產(chǎn)中，常有一些不法企業(yè)為了謀取利益，以低品質(zhì)的產(chǎn)品冒充高品質(zhì)的產(chǎn)品，或者將低品質(zhì)產(chǎn)品添加高品質(zhì)產(chǎn)品中，影響產(chǎn)品質(zhì)量，擾亂肉品市場(chǎng)。由于不同原料肉對(duì)肉品最終風(fēng)味影響較大，我們可以通過(guò)檢測(cè)肉品氣味的差別，判斷肉品是否摻有其他成分。但目前國(guó)內(nèi)外肉品摻假的快速檢測(cè)報(bào)道還比較少。Santos等［24］利用電子鼻技術(shù)對(duì)利比亞火腿中已確定的70多種風(fēng)味物質(zhì)中的一些特征物質(zhì)進(jìn)行了分析，并采用主成分分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分析數(shù)據(jù)，結(jié)果表明電子鼻可以區(qū)分伊比利亞火腿的原料肉種類和成熟時(shí)間，從而檢測(cè)出不合格和假產(chǎn)品。Nurjuliana等［25］利用電子鼻檢測(cè)清真產(chǎn)品中是否摻有豬肉，試驗(yàn)中檢測(cè)了豬肉、牛肉、羊肉、雞肉為原料的香腸，從中挑出摻有豬肉的香腸，并將其檢測(cè)結(jié)果與氣相色譜檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明電子鼻可以檢測(cè)出摻有豬肉的香腸。

3電子鼻技術(shù)發(fā)展中存在的問(wèn)題

由于電子鼻技術(shù)具有檢測(cè)簡(jiǎn)單、快捷、所需樣品量少、成本低、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)而得到持續(xù)快速的發(fā)展。然而，電子鼻技術(shù)還處于發(fā)展階段，與生物嗅覺(jué)還有很大的差距。受敏感膜材料、制造工藝、數(shù)據(jù)處理方法等方面的限制，電子鼻的應(yīng)用范圍還不是很廣?？傊娮颖羌夹g(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，雖然已有很多的研究，但仍舊存在很多問(wèn)題，如傳感器陣列專屬性及穩(wěn)定性差，易受濕度、溫度、振動(dòng)等環(huán)境因素的影響；傳感器易于過(guò)載或“中毒”，與干擾氣體發(fā)生反應(yīng)，影響檢測(cè)結(jié)果。此外，有關(guān)傳感器與樣品風(fēng)味物質(zhì)作用機(jī)制研究較少，這也直接影響傳感器的適用范圍。

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和人類對(duì)嗅覺(jué)過(guò)程的深入了解，生物芯片和生物信息學(xué)的發(fā)展，生物計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，生物與仿生材料研究的進(jìn)步，微細(xì)加工技術(shù)的提高和納米技術(shù)的應(yīng)用，電子鼻的功能將日益增強(qiáng)，越來(lái)越多的取代生產(chǎn)和生活中人類鼻子的作用，獲得更廣泛的應(yīng)用。電子鼻的體積也逐漸趨于微型，從“臺(tái)式”到“便攜式”，再到“手持式”；電子鼻的成本也在不斷降低，價(jià)格也已經(jīng)從最初的十多萬(wàn)美元到現(xiàn)在的幾萬(wàn)美元。估計(jì)不久的將來(lái)，電子鼻會(huì)像計(jì)算機(jī)一樣，成為普通家庭的日用儀器。如用作家庭醫(yī)療診斷工具，家庭肉、奶、蛋等食品新鮮度的檢測(cè)，以及環(huán)境衛(wèi)生檢測(cè)儀等。

電子鼻未來(lái)的研究主要內(nèi)容應(yīng)包括：優(yōu)化傳感器陣列，根據(jù)所測(cè)樣品的物化屬性，針對(duì)性地研發(fā)特異性強(qiáng)、靈敏度高的傳感器材料，解決傳感器專屬穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)；根據(jù)分析目的選擇合適、簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)處理方法；建立更好的特征值提取方法和模式識(shí)別方法來(lái)模擬人的思維過(guò)程；結(jié)合新技術(shù)，如微電技術(shù)、生物學(xué)技術(shù)、材料學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)電子鼻的發(fā)展及在肉品科學(xué)中的應(yīng)用。

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Application of Electronic Nose Technique Detect the Flavor and Quality of Meat and Meat Products

SUN Qin-xiu，DONG Fu-jia，CHEN Qian，KONG Bao-hua*
（College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，Heilongjiang，China）

The electronic nose was an apparatus that simulates human olfaction to analyze，recognize and examine complex gas，which characterized by its multi-functional gas sensors and suitable pattern recognition systems.Due to its objectiveness，repetitiveness，quickness and non-destructiveness，electronic nose technique has been widely used in meat science to evaluate the flavor and quality of meat and meat products.In this paper，the composition and basic principle of electronic nose was introduced briefly，its applications in meat science were reviewed，and finally，the issues of this technique were analyzed，and the development in further meat research was prospected.

electronic nose；composition and principle；meat science；application

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.12.032

2015-01-28

國(guó)家自然科學(xué)基金（31271897）；黑龍江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（GC13B212）

孫欽秀（1989—），女，碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。

孔保華（1963—），女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：畜產(chǎn)品加工。