殷志康，笪丹丹，趙 迪，李春保

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肉品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 教育部肉品加工與質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省肉類生產(chǎn)與加工質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210095)

我國是世界上最大的油脂消費(fèi)國，食用植物油的質(zhì)量關(guān)系到每個人的身體健康[1]。不法商販?zhǔn)占瘡U棄食用油或劣質(zhì)油以制備食用油的報道屢見不鮮，造成了嚴(yán)重的食品安全問題。餐廚廢棄油脂的主要成分是脂肪酸甘油酯，在被污染的環(huán)境中，餐廚廢棄油脂會發(fā)生酸敗、氧化、分解等一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生有毒或致癌的物質(zhì)[2]。由于回收油脂來源復(fù)雜，且經(jīng)深度精煉后，回收油脂中大部分可以檢測的物質(zhì)可能已經(jīng)被去除，難以找出與合格食用油不同的特征指標(biāo)，導(dǎo)致國家至今未制定關(guān)于餐廚廢棄油脂的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法。目前常用的摻假油脂檢測方法是一些物理或者化學(xué)的方法，如熱分析法、液相色譜法、紅外光譜法、核磁共振法、質(zhì)譜聯(lián)用法或分子生物學(xué)法等[3-8]。

熱分析法可根據(jù)樣品的結(jié)晶溫度、結(jié)晶特性的不同來區(qū)分餐廚廢棄油脂與食用植物油[9]，但在分析過程中受外界的擾動影響較大。高效液相色譜法一般通過檢測泔水油中的陰離子表面活性劑(如十二烷基苯磺酸鈉[10])來鑒別食用植物油中是否摻入了回收泔水油，但若合格食用油中泔水油的摻入量低于10%，則該方法不能有效檢出。紅外光譜法可以根據(jù)不同種類餐廚廢棄油脂的特征吸收峰作為其判別依據(jù)[11]，但一般不單獨(dú)作為判斷和考量的標(biāo)準(zhǔn)。低場核磁共振法可根據(jù)H的弛豫時間的不同從而實(shí)現(xiàn)對食用植物油中餐廚廢棄油脂的檢測[12]，但其對儀器設(shè)備有較高的要求。實(shí)時熒光PCR方法可以區(qū)分植物油中是否摻有動物油脂[8]，但其成本較高且不適用于煎炸老油的鑒別。綜上所述，現(xiàn)有的方法存在前處理復(fù)雜、耗時長、檢測成本高等缺陷，在檢測油品摻假方面具有一定的局限性。

電子鼻，又稱人工嗅覺系統(tǒng)，是一種能夠分析識別復(fù)雜氣味和易揮發(fā)成分的儀器。作為來源于20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的電子仿生技術(shù)，電子鼻由傳感器、信號處理與模式識別3個系統(tǒng)組成[13]。電子鼻檢測的原理是基于氣體傳感器陣列接觸到樣品中揮發(fā)性物質(zhì)后電導(dǎo)率信號的改變，傳感器陣列不只是獲取某一特定揮發(fā)性氣體的信號，而是測定樣品中所有可識別的揮發(fā)性氣體的全部信息，然后在所謂的“指紋”數(shù)據(jù)中對這些信號進(jìn)行比較和識別[14]。使用電子鼻測量的樣品無需預(yù)處理，檢測費(fèi)用低廉，重復(fù)性好，且不對樣品產(chǎn)生任何破壞。目前，電子鼻已應(yīng)用于食用油品質(zhì)和摻假的鑒別研究[15]。胡曉慧等[16]利用氣體傳感器陣列采集油樣氣味特征信息，使用支持向量機(jī)算法對油樣進(jìn)行識別，發(fā)現(xiàn)該方法在一定程度上對食用油和餐廚廢棄油脂的識別是可行的。電子鼻技術(shù)也已被應(yīng)用于新鮮油脂和酸敗油脂的鑒別、食用油氧化程度的判定以及煎炸老油品質(zhì)的鑒定。張麗[17]在研究餐廚廢棄油脂與食用植物油揮發(fā)性物質(zhì)的差異中發(fā)現(xiàn)，醛類是油脂氧化的重要產(chǎn)物之一，而在氧化過程中還伴隨著氮氧化物和醇類物質(zhì)的產(chǎn)生；醛類、醇類、氮氧化物可能是餐廚廢棄油脂與食用植物油的主要差異性揮發(fā)物。

目前，國外對電子鼻在油脂檢測方面的應(yīng)用研究則主要為食用植物油的質(zhì)量控制、油品的保質(zhì)期預(yù)測、橄欖油和牡丹籽油的摻假檢測等方向[18]。現(xiàn)有文獻(xiàn)已報道采用電子鼻對餐廚廢棄油脂和大豆油、花生油、橄欖油進(jìn)行定性區(qū)分，但未考慮餐廚廢棄油脂摻入正常商品油的情況[16,19-20]。而現(xiàn)實(shí)中廣泛存在將餐廚廢棄油脂摻入正常油中的情況，這種摻假情況則更為隱蔽。

鑒于此，本實(shí)驗(yàn)中，筆者將不同比例餐廚廢棄油脂摻入市售花生油中，利用電子鼻技術(shù)對有關(guān)傳感器的響應(yīng)值進(jìn)行線性擬合分析，并結(jié)合主成分分析法(PCA)和線性判別式分析法(LDA)的信息，建立摻入不同比例餐廚廢棄油脂的花生油的定性鑒別方法，以期為商品食用油中餐廚廢棄油脂摻假的檢測提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料

食用油購自南京市蘇果超市(衛(wèi)崗店)，實(shí)驗(yàn)前密封保存于4 ℃冷庫中，以防止氧化變質(zhì)。2種實(shí)驗(yàn)花生油的信息如表1所示。餐廚廢棄油脂源于上海市楊浦區(qū)廢棄油回收公司(上海市餐廚垃圾集中處置定點(diǎn)公司)。

表1 實(shí)驗(yàn)用油的信息列表

1.2 儀器與設(shè)備

PEN3型電子鼻設(shè)備購自德國Air sense公司，包含10個金屬氧化物傳感器陣列：W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W和W3S，分別對芳香族成分、氮氧化物、氨類、氫氣、烷烴、甲烷、硫化物、乙醇、有機(jī)硫化物和芳香烷烴類物質(zhì)較敏感。

1.3 樣品制備

將5 mL的油樣加入到20 mL的頂空進(jìn)樣瓶中，樣品中花生油(1號油或2號油)混合餐廚廢棄油脂的比例分別為0%、0.5%、1%、2%、5%、10%、20%、50%和100%，以餐廚廢棄油脂的摻入比例由低到高依次標(biāo)注為A、B、C、D、E、F、G、H和I號。

1.4 電子鼻測定方法

取裝入油樣的頂空進(jìn)樣瓶，壓緊瓶蓋，室溫下靜置平衡2 h，待其頂部氣體成分穩(wěn)定后進(jìn)行測量。電子鼻傳感器在每次測量前后都進(jìn)行清洗，以消除漂移。經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)確定了電子鼻參數(shù)，氣體的進(jìn)樣速率為400 mL/min，載氣速率為400 mL/min，清洗時間為100 s，檢測時間為120 s。實(shí)驗(yàn)時頂空進(jìn)樣瓶上方插有2個針頭，一個針頭用于將油樣上方氣體導(dǎo)入電子鼻傳感器，另一個則用于輸入外部空氣以保持氣壓平衡。在相對電導(dǎo)率G/G0穩(wěn)定后，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所有樣本的實(shí)驗(yàn)平行數(shù)為3。其中G0和G分別為傳感器在初始階段和平衡階段的電導(dǎo)率。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用電子鼻系統(tǒng)自帶的Win Muster軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測量，在Win Muster系統(tǒng)中對115 s處數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA)。使用Origin 2016軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像繪制并作線性擬合分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 電子鼻對不同濃度摻假油的響應(yīng)

當(dāng)電子鼻的傳感器接觸到揮發(fā)性氣體時，其電導(dǎo)率G發(fā)生變化，導(dǎo)致G與初始電導(dǎo)率G0的比值(相對電導(dǎo)率)也隨之改變。樣品中某一揮發(fā)性氣體的濃度越大，對應(yīng)傳感器的G/G0的變化就越大。如果樣品中某種揮發(fā)性氣體的濃度低于傳感器的檢測限，則相應(yīng)的G/G0值為1。電子鼻傳感器對摻入不同濃度餐廚廢棄油脂的假花生油的響應(yīng)曲線如圖1所示，圖中每一條曲線都代表一個傳感器的G/G0隨時間變化的情況。所有樣品的傳感器響應(yīng)值曲線均有一個快速上升而后逐漸下降的過程，大約60 s后曲線趨于平緩，約100 s后即可達(dá)到穩(wěn)定，因此后續(xù)的PCA和LDA分析中取第115 s處的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。

從圖1可以看出，純花生油與餐廚廢棄油脂的響應(yīng)存在不同程度的差別。其中，W1W、W2W和W5S這3個傳感器對純花生油樣品具有較大峰值和平衡響應(yīng)值，而這3個傳感器對純餐廚廢棄油脂樣品的響應(yīng)則表現(xiàn)為峰值響應(yīng)低、平衡信號值小。趙澤偉等[15]采用PEN3型電子鼻分析了薏苡仁油氧化過程，發(fā)現(xiàn)傳感器對油脂中氧化前后的氮氧化物、氫氧化合物、甲烷、硫化物和芳香成分敏感。李靖等[21]利用PEN3型電子鼻系統(tǒng)分析研究了大豆色拉油煎炸過程中揮發(fā)性成分的變化特征時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)長時間煎炸的大豆油中開始出現(xiàn)H2S類物質(zhì)，而氨氧化物、芳香苯類、乙醇等揮發(fā)性成分的含量均有一定程度的升高。姜巖等[20]在研究花生油煎炸前后揮發(fā)性氣味成分變化的實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)，煎炸廢花生油產(chǎn)生的氨氧化物、氨類、烷烴、硫化物以及醇類物質(zhì)是其氣味變化的主要原因。李小鳳等[22]對市售植物油與餐廚廢棄油脂中的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)芳香類與醚類物質(zhì)可以作為區(qū)分植物油中是否有含有餐廚廢棄油脂的依據(jù)。通過電子鼻判別同一類香氣成分之間的差異，可以更好地把握香氣成分的整體信息。在本實(shí)驗(yàn)中，W1W、W2W和W5S這3個傳感器對純花生油和餐廚廢棄油脂的響應(yīng)具有明顯差別，其對應(yīng)的敏感類物質(zhì)為硫化物和氮氧化物，這與趙澤偉等[15]和姜巖等[20]的研究結(jié)果相類似。

圖1 電子鼻傳感器對摻入不同比例餐廚廢棄油脂的假花生油(1號商品油)的傳感器響應(yīng)曲線

為更好地觀察傳感器的響應(yīng)值隨著花生油中餐廚廢棄油脂摻假比例變化的趨勢，對W1W、W2W和W5S這3個傳感器的響應(yīng)曲線進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)果如圖2(a～c)所示。由圖2(a)～(c)可知，隨著摻假比例的上升，W1W、W2W和W5S傳感器響應(yīng)值的峰值信號逐漸下降，峰值出現(xiàn)時間滯后。此外，在所有摻假油樣的響應(yīng)值曲線圖中，只有W2S和W1S傳感器出現(xiàn)了響應(yīng)信號值低于1的情況。圖2(d～e)為W2S和W1S傳感器的響應(yīng)曲線圖，由圖2(d)～(e)可知，摻假油的平衡響應(yīng)值遠(yuǎn)低于正常花生油，且摻假比例越高平衡響應(yīng)值越低。周玥等[23]利用電子鼻對油茶籽油中菜籽油的摻假情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)電子鼻部分傳感器的相對電導(dǎo)率發(fā)生了明顯的變化，可用來區(qū)分2種油料。因此，餐廚廢棄油脂摻假的花生油確實(shí)會導(dǎo)致電子鼻對應(yīng)傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯改變，其響應(yīng)值與純花生油相比存在差異。在本實(shí)驗(yàn)中，可能是餐廚廢棄油脂中的含硫化合物、氮氧化物、甲烷以及乙醇類成分使得純花生油和摻假花生油的電子鼻信號產(chǎn)生差異。

圖2 不同比例摻假的1號花生油W1W、W2W、W5S、W2S、W1S傳感器響應(yīng)曲線

為進(jìn)一步考察摻假比例與傳感器響應(yīng)值的變化之間是否存在線性關(guān)系，以純花生油樣品的峰值相對電導(dǎo)率為基準(zhǔn)，與不同摻假比例樣品的峰值相對電導(dǎo)率作差，將上述5個傳感器峰值相對電導(dǎo)率的下降值對摻假比例作圖，線性方程如表2所示。由表2可知，在較低摻假比例下，傳感器峰值相對電導(dǎo)率的差值與摻假比例之間存在一定的線性關(guān)系。其中W2S和W1S傳感器的線性擬合決定系數(shù)R2分別達(dá)到0.988和0.997。因此，W2S和W1S這2個傳感器可能是鑒別餐廚廢棄油脂摻入情況的特征性傳感器，在較低的餐廚廢棄油脂摻假比例范圍內(nèi)(<5%)具有較好的線性響應(yīng)規(guī)律。

表2 低濃度下餐廚廢棄油脂摻假比例(摻入1號商品油)與峰值相對電導(dǎo)率下降值的線性擬合

2.2 主成分分析和線性判別式分析

PCA通過對提取的傳感器多指標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，提取多元數(shù)據(jù)的主要因素，最后由二維散點(diǎn)圖的形式顯示出來。使用該方法可在較少損失樣品信息的情況下反映原始數(shù)據(jù)的主要信息。橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)表示在PCA轉(zhuǎn)換中方差貢獻(xiàn)最大的2個指標(biāo)，分別稱為第一主成分和第二主成分[24]。第一主成分和第二主成分的貢獻(xiàn)率之和越大，主成分分析法越能反映數(shù)據(jù)的原始信息，一般來說總貢獻(xiàn)率在85%以上，就可以采用PCA法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[25]。2種花生油中摻假餐廚廢棄油脂的PCA和LDA分析圖餐廚廢棄油脂餐廚廢棄油脂，結(jié)果如圖3所示。

圖3 2種花生油中摻假餐廚廢棄油脂的PCA和LDA分析

圖3(a)為1號花生油中摻假餐廚廢棄油脂的PCA分析圖，圖中2個主成分的總貢獻(xiàn)率達(dá)到99.28%，這表明提取的信息能夠充分反映原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息。由圖3(a)可以看出，純花生油樣品與其他摻假油樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，區(qū)分顯著，但是不同摻假油樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)間分布較為密集。例如摻入0.5%與20%，1%與100%比例餐廚廢棄油脂的樣品間有部分重疊區(qū)域，不能很好地區(qū)分。圖3(b)為2號花生油中摻假餐廚廢棄油脂的PCA分析圖，2個主成分的總貢獻(xiàn)率為97.72%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于85%，說明此PCA圖可以很好地反映2號油樣的整體實(shí)際情況。與1號油樣的結(jié)果相類似，2號純花生油樣品與其他摻假油樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較遠(yuǎn)，區(qū)分顯著，但是不同摻假比例油樣數(shù)據(jù)間相互重疊(如摻假1%、2%和5%)，難以區(qū)別。潘磊慶等[26]采用主成分分析法，分別對摻入了大豆油、玉米油和葵花籽油的芝麻油進(jìn)行鑒別分析，結(jié)果表明不同摻假比例芝麻油的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布互有重疊，摻假至少需達(dá)到50%以上才能有明顯區(qū)分。彭星星等[27]用電子鼻分析了核桃油摻假前后PCA法鑒別的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)核桃油中摻入大于20%的大豆油、大于7%的菜籽油或者大于75%的玉米油才能有較好的識別效果。綜上所述，利用 PCA 分析能夠清晰地鑒別出純正花生油與摻假花生油，但是對于摻假油的摻假比例未見很好的區(qū)分度。

LDA是另一種對數(shù)據(jù)降維的分類方法，它盡可能地使樣本空間均勻分布，即“投影后組內(nèi)方差最小，組間方差最大”。LDA所構(gòu)造的判別函數(shù)是由原始變量的線性組合得到的，這樣可以最大限度地區(qū)分不同的樣本集，使其在空間中具有最佳的可分離性，在降低數(shù)據(jù)維數(shù)的同時減少信息的損失。與PCA相比，LDA組間距逐漸增大而組內(nèi)點(diǎn)則更加集中，該法在實(shí)際分析中易于實(shí)現(xiàn)、分類效果好，在電子鼻數(shù)據(jù)的處理中得到廣泛的應(yīng)用[28]。

圖3(c)為1號花生油中摻假餐廚廢棄油脂的LDA分析圖，純花生油和摻假油樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，區(qū)分明顯。但花生油中摻假餐廚廢棄油脂的含量不同，數(shù)據(jù)分布點(diǎn)之間也有重疊，彼此間的區(qū)分并不明顯，特別是摻假比例為5%、10%、20%和50%的油樣之間有一個共同的重疊區(qū)域。圖3(d)為2號花生油中摻假餐廚廢棄油脂的LDA分析圖，由圖3(d)可以發(fā)現(xiàn)，純花生油和摻假油樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較遠(yuǎn)，區(qū)分明顯。2號花生油中摻假餐廚廢棄油脂的含量不同，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布情況也不相同，相互之間沒有交集，都可以比較明顯地進(jìn)行區(qū)分。楊冬燕等[29]在進(jìn)行電子鼻技術(shù)研究時發(fā)現(xiàn)，LDA法考慮了數(shù)據(jù)組類間的差異以及組內(nèi)點(diǎn)最大化的集中程度，可以有效區(qū)分精煉餐廚廢棄油脂與8種不同的食用植物油。胡國梁等[30]在使用電子鼻進(jìn)行油脂氧化判別分析時，發(fā)現(xiàn)LDA法可以有效地對食用油氧化程度進(jìn)行定性分析。Wei等[31]采用電子鼻技術(shù)對牡丹籽油中其他油脂的摻假情況進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅使用LDA分析無法鑒別純牡丹籽油與其他摻假油，若結(jié)合了電子鼻圖像的數(shù)據(jù)之后，則可以較好地區(qū)分純牡丹籽油與摻假10%以上的摻假油。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，利用LDA分析可以清晰地鑒別出純正花生油與摻假花生油，但是對于不同摻假比例的摻假油區(qū)分度仍然不高，僅利用LDA分析無法準(zhǔn)確區(qū)分所有不同比例的摻假油。

3 結(jié)論

利用PEN3型電子鼻系統(tǒng)研究了在花生油中摻入不同比例餐廚廢棄油脂后揮發(fā)性成分的變化特征。研究結(jié)果表明，餐廚廢棄油脂的加入會導(dǎo)致PEN3型電子鼻系統(tǒng)W2S和W1S傳感器中出現(xiàn)在純花生油中未見的平衡響應(yīng)值低于1的信號。摻假油樣的W1W、W2W和W5S傳感器的平衡響應(yīng)值較純花生油相比也有降低現(xiàn)象，摻假比例越高，平衡響應(yīng)值越低。在較低摻假濃度下，W2S與W1S傳感器的峰值相對電導(dǎo)率之差與樣品中餐廚廢棄油脂含量存在較好的線性關(guān)系，可以將這2個傳感器作為定量檢測食用植物油中低濃度餐廚廢棄油脂的特征傳感器。利用電子鼻系統(tǒng)結(jié)合主成分分析法和線性判別式法對純花生油和摻假油進(jìn)行鑒別是可行的，PCA法和LDA法均能有效地定性分析花生油和摻假油。綜上所述，利用電子鼻系統(tǒng)判別餐廚廢棄油脂摻假具有較好的可行性。