廖 敏，陳 玉，沈藝楠，田宴巾，張 天，丁青芝

（江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

基于電子鼻的蜂膠真?zhèn)舞b別研究

廖 敏，陳 玉，沈藝楠，田宴巾，張 天，*丁青芝

（江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

為建立蜂膠摻假快速檢測方法，采用電子鼻技術(shù)結(jié)合主成分分析（PCA）對不同地域的10個蜂膠樣品和自制的楊樹膠，以及按一定比例摻假的蜂膠進行鑒別。從電子鼻數(shù)據(jù)和主成分分析的結(jié)果來看，純楊樹膠和摻假蜂膠可以較好地與真蜂膠區(qū)分開，不同來源的蜂膠樣品間也有較明顯的差異，3個主成分的總貢獻率達97.492%。結(jié)果表明，該方法有望用于蜂膠的真?zhèn)舞b別和產(chǎn)地溯源分析。

蜂膠；楊樹膠；電子鼻

0 引言

蜂膠是一種昂貴的蜂產(chǎn)品，全世界每年產(chǎn)量僅有不足800 t。蜂膠富含酚類、酯類等多種成分，具有抗菌、消炎、增強免疫力等多種生物活性，因此成為一種重要的醫(yī)藥和功能食品原料。由于蜂膠的市場需求量大，但產(chǎn)量有限，個別不法商人開始使用樹膠、蜂蠟等摻假，嚴重損害了消費者的利益，破壞了蜂膠產(chǎn)品在消費者心目中的形象。國內(nèi)外諸多學者對蜂膠的化學成分與品質(zhì)鑒定等進行研究，采用HPLC[1-2]，GC[3]，GC-MS[4-5]，紅外光譜[6-8]及紫外光譜[9]等方法對蜂膠及其制品進行分析，以辨別其真?zhèn)巍?/p>

盡管以上方法對蜂膠真?zhèn)舞b別有一定的積極作用，但是大多數(shù)研究者在分析時只采用了一種檢測手段，多從單一角度對樣品進行分析，并且現(xiàn)有這些檢測方法普遍都存在樣品前處理繁瑣、檢測時間長、圖譜分析復(fù)雜、檢測的化學成分單一等缺點。目前，還沒有一個被公認的對蜂膠產(chǎn)品品質(zhì)評價和真?zhèn)舞b別的方法可以用于生產(chǎn)實踐。

電子鼻是利用傳感器陣列，模擬人的嗅覺器官對產(chǎn)品品質(zhì)進行鑒定，由于其便捷、成本低、客觀等優(yōu)點逐漸被用于食品領(lǐng)域[10-14]。蜂膠的揮發(fā)性成分是蜂膠的主要活性成分之一，也是蜂膠的特征性指標，楊樹膠在氣味上和蜂膠有著一定的差異，試驗利用電子鼻對蜂膠的揮發(fā)性組分進行分析，利用主成分分析法探索一種蜂膠真?zhèn)舞b定的方法。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

新鮮楊樹嫩葉，隨機采自江蘇大學校園內(nèi)3—4月份的加拿大楊樹新葉稍部，為防混入雜物，所有蜂膠樣品均由合作單位蜂場中蜂箱內(nèi)壁小心采集得到。

蜂膠樣品信息見表1。

1.2 儀器及設(shè)備

JS-008型便捷式農(nóng)產(chǎn)品氣味電子鼻檢測系統(tǒng)，江蘇大學自行研制；AE200型電子天平，瑞士梅特勒-托利公司產(chǎn)品；DF-1型集熱式恒溫磁力攪拌器、組織搗碎勻漿機，江蘇金壇市中大儀器廠產(chǎn)品；電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品的制備

（1）楊樹膠。采摘楊樹嫩芽，放入50℃烘箱內(nèi)烘48 h（水分含量約15%），然后用粉碎機進行粉碎，過200目篩，篩下物按1∶2加水煮制后濾去殘渣，濾液真空干燥后冷凍粉碎，過200目篩，篩下物密封于樣品袋中，置入-18℃冰箱冷凍貯藏備用。

（2）蜂膠樣品的制備。蜂膠原膠冷凍粉碎，過200目篩，篩下物密封于樣品袋中，置入-18℃冰箱冷凍貯藏備用。

（3）模擬摻假蜂膠。將河南1號蜂膠與楊樹膠按照2∶8，3∶7，5∶5，7∶3，8∶2的比例在振蕩器上混合均勻。

1.3.2 電子鼻系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

電子鼻傳感器陣列中的氣敏傳感器是電子鼻系統(tǒng)的重要組成部分，氣敏傳感器也有多種，如電化學傳感器、金屬氧化半導(dǎo)體傳感器、熱傳感器、電壓傳感器、光學傳感器等。試驗中，電子鼻系統(tǒng)選用日本費加羅公司生產(chǎn)的金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器，共有8個傳感器，其型號分別為TGS822TF，TGS880，TGS813，TGS825，TGS822，TGS826，TGS2600，TGS2602。

TGS系列金屬氧化物型半導(dǎo)體特性及應(yīng)用見表2。

表2 TGS系列金屬氧化物型半導(dǎo)體特性及應(yīng)用

這些金屬氧化物傳感器采用SnO2薄膜作為活性材料，為了防止溫度和濕度對試驗產(chǎn)生影響，在試驗的電子鼻系統(tǒng)中還加入了濕度和溫度傳感器。

電子鼻測試腔的優(yōu)化，傳統(tǒng)的測試腔采用一邊進氣一邊出氣，在測試中會因為氣體擴散需要一定的時間，導(dǎo)致氣體在各傳感器表面分布的不均勻性，會影響到測試結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)性，為了解決這一問題，試驗對測試腔進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的測試腔，從中間進氣、四周出氣，并且傳感器陣列呈圓形對稱分布。采用獨立的氣室可以使氣流平均分配到每個腔體，從而使每個傳感器響應(yīng)時間一致，減少了測試偏差。

1.3.3 采樣系統(tǒng)的選擇

進樣方式可以分為開放式直接進樣、靜態(tài)頂空進樣、動態(tài)頂空進樣等，每種方式都各有優(yōu)缺點，選取合適的進樣方式，能夠明顯提高電子鼻檢測的質(zhì)量。結(jié)合試驗的設(shè)計要求，選用動態(tài)頂空進樣的方式，這種進樣方式對固體、液體都適合，并且接近樣本氣體的自然揮發(fā)狀態(tài)，同時在進樣過程中需要嚴格控制的環(huán)節(jié)較少，檢測的試驗數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定可靠。但是，選用此方法需要注意流速，流速過快時，待測氣體還沒有來得及和傳感器陣列反應(yīng)就被帶出了測試腔；流速過慢，則延長了測試時間。采樣頻率要選用大于系統(tǒng)信號最高頻率5倍的頻率。

1.3.4 蜂膠樣品前處理條件

以1號樣品作為試驗對象，分別稱取1，2，4 g的樣品進行測試；加熱溫度分別選取40，50，60℃；加熱時間分別選取20，30 min。

1.3.5 試驗步驟

（1）接通電源，打開檢測軟件界面，選擇“預(yù)熱模式”，預(yù)熱30 min，直到傳感器的電壓不再變化，即傳感器處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）取50 mL潔凈、干燥的錐形瓶，將一定質(zhì)量樣本放入錐形瓶中，然后用封口膜密封，防止樣本氣體外泄。將裝有蜂膠樣品的錐形瓶在設(shè)定溫度的加熱板加熱一定時間（詳見1.3.4），使其達到頂空飽和狀態(tài)。

（3）選擇“工作模式”，點擊初始化并設(shè)置參數(shù)，其中采樣頻率為5 Hz，氣體流量為1.2 L/min，溫度為25℃，然后打開采樣氣泵。

（4）點擊“采集”按鈕，同時將測試頭放入裝有蜂膠樣品的錐形瓶中，采樣時間為1 min。

（5）采集完成之后，點擊“停止”按鈕，同時保存采樣數(shù)據(jù)，將測試頭從錐形瓶中取出，置于潔凈干燥的空氣中，關(guān)閉采樣氣泵并打開還原氣泵，氣體流量為5 L/min，用潔凈的空氣還原傳感器陣列，使其電壓達到初始狀態(tài)。

（6）重復(fù)步驟（2） ～（5），依次完成所有蜂膠樣品的測定。

2 結(jié)果與討論

蜂膠樣品前處理條件優(yōu)化的結(jié)果顯示，當樣品量為1 g時幾乎沒有響應(yīng)值，2 g和4 g的響應(yīng)值差別不是很大；加熱時間20 min和30 min的響應(yīng)值差別也不是很明顯。這是因為一般情況下，響應(yīng)值隨加熱溫度的升高而增加，但是加熱溫度太高對探頭有一定的影響，綜合分析后選取的試驗條件為稱取2 g的蜂膠樣品裝入50 mL錐形瓶中，并用保鮮膜密封，60℃水浴加熱20 min。

2.1 試驗數(shù)據(jù)預(yù)處理

樣品原始圖譜見圖1。

圖1 樣品原始圖譜

由圖1可知，1#傳感器和8#傳感器對蜂膠的氣味不是很敏感，沒有響應(yīng)值；在做了3次平行試驗中，發(fā)現(xiàn)5#傳感器不穩(wěn)定。因此，在以后的數(shù)據(jù)處理中不考慮1#，5#，8#這3個傳感器的結(jié)果。

由于傳感器的反應(yīng)室中環(huán)境因素對SnO2氣敏傳感器有較大影響，所以必須進行去基準處理，計算機得到的測試值是環(huán)境的響應(yīng)值與蜂膠響應(yīng)值之和，為了去除環(huán)境因素對傳感器的影響，用公式（1）對數(shù)據(jù)進行去噪處理。

Yij=Xij-Xi0（i=1，2，…，8；j=1，2，…，N）.（1）式中：Yij——第i個傳感器第j個采樣點采集去基準后所得的響應(yīng)值；Xij——第i個傳感器第j個采樣點試驗測試值；Xi0——第i個傳感器對環(huán)境的響應(yīng)值。

傳感器預(yù)處理結(jié)果見圖2，每個傳感器對應(yīng)的特征值見表3，蜂膠樣品、楊樹膠及摻假蜂膠的雷達見圖3。

圖2 傳感器預(yù)處理結(jié)果

表3 每個傳感器對應(yīng)的特征值

圖3 蜂膠樣品、楊樹膠及摻假蜂膠的雷達

經(jīng)過比較決定，從曲線中分別提取30，40采樣點的值來表征傳感器的反應(yīng)速度，另外再加上最大值、穩(wěn)定值、平均值，這樣每個樣本通過5個傳感器可得到5×5=25個特征值。選取每個傳感器的最大響應(yīng)值，畫出所有樣品5個傳感器的響應(yīng)疊加雷達圖。由圖3可以看出，楊樹膠與蜂膠之間以及不同種蜂膠之間的響應(yīng)值都有較大的不同，所以可以根據(jù)傳感器的響應(yīng)差異進行區(qū)分。

2.2 測試樣本特征值的主成分分析

主成分分析旨在將高維的數(shù)據(jù)通過降維的思想轉(zhuǎn)變?yōu)榈途S，低維數(shù)據(jù)更有助于直觀的觀察和處理數(shù)據(jù)。因此，對25個特征參數(shù)選用主成分分析法進行分析，表3中列出了其中的6個蜂膠樣品和楊樹膠的特征值，對其進行降維處理。利用SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行錄入處理。

主成分分析結(jié)果見表4。

表4 主成分分析結(jié)果

從分析的結(jié)果可以看出，第1主成分、第2主成分和第3主成分的方差貢獻率分別為74.714%，12.775%，10.272%，累積貢獻率為97.761%。貢獻率越大，說明主成分越具有代表性，當總貢獻率超過70%～85%，則此方法可以使用。

樣品信息主成分散點見圖4。

圖4 樣品信息主成分散點

借助SPSS繪制散點圖對各樣品得到的3個主成分表示出來。從散點圖可以看出，楊樹膠和摻假蜂膠可以明顯地與蜂膠區(qū)分開，但是1號、2號、7號以及5號蜂膠樣品與其他蜂膠的相距較遠，說明不同來源蜂膠因為其膠源植物的差異成分上存在差異。由電子鼻檢測蜂膠的圖譜可以看出，2#傳感器對蜂膠中揮發(fā)性成分的靈敏度較高，并且2#傳感器對乙醇等溶劑有較高靈敏度。從電子鼻響應(yīng)圖中可以發(fā)現(xiàn)，1號、2號和7號蜂膠的2#傳感器最大響應(yīng)值明顯小于其他蜂膠樣品，并且與楊樹膠比較相近。

3 結(jié)論

（1）通過電子鼻采集了10個蜂膠樣品、5個模擬摻假蜂膠樣品和楊樹膠樣品的信息。從傳感器響應(yīng)信息雷達圖可以看出，不同產(chǎn)地蜂膠樣品間、蜂膠與模擬摻假樣和楊樹膠間存在明顯差異，表明電子鼻有望成為一種有效的蜂膠真?zhèn)舞b別、產(chǎn)地溯源的方法。

（2）通過對數(shù)據(jù)降維，進行主成分分析結(jié)果同樣表明，3個主成分總貢獻率達97.492%，同樣表明了電子鼻方法的有效性。

（3）試驗選取的樣本數(shù)量較少，如果方法要進入實用化，需要在采集更多樣本的基礎(chǔ)上進行分析方法的標準化，篩選更適用于蜂膠的傳感器類型。

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Identify the Authenticity of Propolis Based on Electronic Nose

LIAO Min，CHEN Yu，SHEN Yi'nan，TIAN Yanjin，ZHENG Tian，*DING Qingzhi
（School of Food and Bioengineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

To establish a method for rapid detection of propolis adulteration，10 different regions propolis samples and homemade poplar gum and adulterate propolis according to a certain proportion arestudied by electronic nose technology combined with principal component analysis（PCA） .The results show that pure poplar gum and adulteration of propolis can be separated from ture propolis.There are obvious differences between the propolis samples from various sources，the accumulative ratio of contribution of the three principal components reached 97.492%.Indicates that this method is expected to be used for the identification of propolis adulteration and the origin of propolis.

propolis；poplar tree glue；electronic nose

TS207.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.01.022

1671-9646（2017）01a-0077-04

2016-11-14

江蘇省博士后基金（1302013A）；江蘇大學高級人才啟動基金（10JDG031）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目（PAPD2012）；江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201410299025Z）；江蘇大學大學生科研立項（14A004，14A017，14A050，14A051，13A062，13A110）；江蘇大學大學生創(chuàng)新計劃（201310299041W，201310299045W，201310299046W）。

廖 敏（1994— ），女，在讀本科，研究方向為食品農(nóng)產(chǎn)品快速無損檢測技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用。

*通訊作者：丁青芝（1975— ），女，博士，副教授，研究方向為酒類催陳、物理場在食品加工中的應(yīng)用及生物活性成分的提取利用。