吳丹丹，其布勒，斯仁達(dá)來，何 靜，吉日木圖,2,

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品生物技術(shù)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古駱駝研究院，內(nèi)蒙古巴丹吉林 737300）

駱駝乳富含蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)，尤其是B族維生素、維生素C和鐵[1]，具有一定的降血糖作用[2?4]。駝乳具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和極高的藥用價(jià)值，但其產(chǎn)量卻很少，因此駱駝乳的價(jià)格已漲至牛乳的10倍。在中國(guó)，已經(jīng)有一些非法供應(yīng)商在駝乳中添加其它動(dòng)物乳以提高駱駝乳的“產(chǎn)量”，并且價(jià)格高達(dá)90～120元/公斤，欺騙消費(fèi)者[5?6]。這些乳摻假現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)致對(duì)人體健康構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)[7]。乳摻假通常涉及稀釋或添加廉價(jià)、低質(zhì)量、危險(xiǎn)的產(chǎn)品，以增加乳的體積、掩蓋劣質(zhì)或替換乳中的天然物質(zhì)，從而獲得經(jīng)濟(jì)利益。最簡(jiǎn)單的情況是加水以增加體積或摻入其他動(dòng)物乳。如今，有更復(fù)雜的欺詐行為，包括添加三聚氰胺以增加乳經(jīng)水稀釋后的含氮量[8]；其他物質(zhì)，如甲醛、過氧化氫、次氯酸鈉、重鉻酸鹽和水楊酸被添加以提高產(chǎn)品的保質(zhì)期[9]；植物油和表面活性劑用于摻假脂肪含量[10?11],以及奶酪乳清和尿素用于增加蛋白質(zhì)含量[12?13]。以上多種摻假手段更難辨別出乳制品是否摻假。

現(xiàn)如今，人們對(duì)駱駝乳需求不斷增加，駱駝乳標(biāo)簽錯(cuò)誤的高發(fā)率將越來越受到人們的關(guān)注。駱駝乳樣品中是否存在摻假和摻假比例的定量檢測(cè)方法是迫切需要解決的問題[14]。斯仁達(dá)來[15]利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)分別對(duì)阿拉善雙峰駝和新疆雙峰駝駝乳樣品中摻入牛乳、羊乳、豆?jié){、尿素、水，進(jìn)行了檢測(cè)。Mabood等[16]采用新的近紅外光譜結(jié)合多元分析法對(duì)駝乳與羊乳摻假進(jìn)行了檢測(cè)和定量分析。賈茹等[17]使用電子鼻和多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法結(jié)合對(duì)羊乳中的蛋白質(zhì)摻假進(jìn)行定性分析和定量分析研究。金嫘等[18]采用電子鼻技術(shù)檢測(cè)羊乳中摻入不同比例牛乳的混合物中揮發(fā)性氣味物質(zhì)的響應(yīng)值進(jìn)行有效分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于生乳和巴氏殺菌乳，PCA分析和PLSDA分析均可以較好地區(qū)分不同比例羊乳和牛乳的混合物。目前，還尚未報(bào)道基于電子鼻檢測(cè)駝乳的摻假，因此，開發(fā)出對(duì)駝乳摻假進(jìn)行有效鑒別的技術(shù)與方法對(duì)保障消費(fèi)者的利益具有重要意義。

本研究圍繞駱駝乳氣味特征，對(duì)摻入不同濃度牛乳的駝乳進(jìn)行電子鼻結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析，探索基于電子鼻技術(shù)確定駝乳中牛乳摻假的最低檢測(cè)限，這將有助于對(duì)市場(chǎng)上的乳及乳制品更有效地監(jiān)管；同時(shí)也為其它食品類的摻假檢測(cè)提供一種理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮駱駝乳和牛乳 均采自內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟所屬的牧區(qū)，駝乳和牛乳采集后迅速放置于4 ℃冰箱保存；電子鼻（PEN3） 德國(guó)Arisense公司。

1.2 樣品的制備

駱駝乳平分為9組，按照牛乳濃度分別為0%、0.1%、1%、3%、5%、10%、15%和20%以及100%的梯度進(jìn)行配制，具體見表1。為了減小誤差，摻假乳樣的制備均為在室溫下現(xiàn)做現(xiàn)配，超聲10 min充分混勻[19]，以確保每個(gè)摻假樣品的氣味完全揮發(fā)，每組制備20個(gè)平行。本研究采用duplex方法，隨機(jī)分成實(shí)驗(yàn)集和驗(yàn)證集[20]。使用這種方法分別將9組摻假乳樣劃分為135個(gè)實(shí)驗(yàn)集，45個(gè)驗(yàn)證集。

表1 不同比例摻假樣品的制備Table 1 Preparation of adulterated samples with different ratios

1.3 電子鼻數(shù)據(jù)采集

取10 mL樣品置于離心管中，并用封口膜進(jìn)行密封，檢測(cè)時(shí)采用手動(dòng)頂空進(jìn)樣方式，零氣針和電子鼻進(jìn)樣針同時(shí)插入密封的離心管中進(jìn)行采樣，并將揮發(fā)性氣體吸入電子鼻的傳感器系統(tǒng)中進(jìn)行檢測(cè)，電子鼻試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 電子鼻試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Electronic nose test parameters

1.4 數(shù)據(jù)處理

電子鼻10個(gè)傳感器的響應(yīng)值采用Excel進(jìn)行處理；多元統(tǒng)計(jì)分析采用SIMCA 14.1軟件（Umetrics，瑞典）進(jìn)行主成分分析（principal components analysis，PCA）、偏最小二乘法判別分析（partial least squares discrimination analysis，PLS-DA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻對(duì)未摻假駝乳的響應(yīng)

以未摻假駝乳樣品為例，電子鼻的10個(gè)傳感器的響應(yīng)值如圖1所示。G/G0代表對(duì)樣品揮發(fā)性成分的響應(yīng)強(qiáng)度。從圖1中可以看出，105～109 s時(shí)間段內(nèi)呈穩(wěn)定狀態(tài)，因此平均值作為輸出值進(jìn)行分析。W5S號(hào)傳感器信號(hào)最強(qiáng)，響應(yīng)物質(zhì)范圍廣且靈敏度高，主要檢測(cè)氮氧化合物；接下來是W2W傳感器響應(yīng)值，主要檢測(cè)芳香族化合物；通過電子鼻響應(yīng)值可以較好地篩選出電子鼻10個(gè)傳感器對(duì)樣品的貢獻(xiàn)率。

圖1 電子鼻10個(gè)傳感器對(duì)駝乳的響應(yīng)曲線Fig.1 Response curve of 10 sensors of electronic nose to camel milk

2.2 電子鼻對(duì)不同比例摻假駝乳響應(yīng)的多元統(tǒng)計(jì)分析

電子鼻對(duì)駝乳不同濃度摻假，C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8（0%、0.1%、1%、3%、5%、10%、15%、20%以及100%）的響應(yīng)值差異如圖2所示。首先對(duì)135個(gè)實(shí)驗(yàn)集數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析（PCA）。主成分分析是將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法，即數(shù)據(jù)降維的一種方法[21]。如圖2A所示，第一主成分（PC1）為69.2%，第二主成分（PC2）為15.9%，前2個(gè)主成分代表了樣本中85.1%的信息，前2個(gè)主成分大于85%，可以綜合反映電子鼻數(shù)據(jù)，可進(jìn)行下一步分析。C0（駝乳組）與C1（0.1%牛乳組）接近，較難辨別。但其他不同濃度摻假組在PCA得分圖上的區(qū)分較為明顯，C2（1%牛乳組）與C0、C1可以較好地區(qū)分開。上述結(jié)果表明，采用電子鼻檢測(cè)駝乳中摻入牛乳的最低檢測(cè)限為1%，并且可以客觀地反映不同的摻假濃度。因此，即使電子鼻是模擬人體嗅覺而制成，但是分析所識(shí)別的摻假濃度比人體嗅覺更精確。

為了探討是否可以使用電子鼻檢測(cè)來判別不同濃度的摻假駝乳，以電子鼻10個(gè)傳感器響應(yīng)值為X變量，以不同摻假濃度分組（0%、0.1%、1%、3%、5%、10%、15%、20%以及100%）為Y變量做偏最小二乘判別分析（PLS-DA）。偏最小二乘判別分析是一種模式識(shí)別的監(jiān)督方法，通常比PCA分析可獲得更好的分類結(jié)果[22]。如圖2B所示，不同濃度摻假的聚類結(jié)果類似于主成分分析的結(jié)果（R2X=0.842，R2Y=0.628，Q2=0.618）。R2X、R2Y、Q2為偏最小二乘法建立模型的相關(guān)系數(shù)，模型中R2X和R2Y越接近于1，說明模型的預(yù)測(cè)性能越好[23]；Q2大于0.5，表明模型具有良好的預(yù)測(cè)能力[24]。在PLS-DA模型中過度擬合是一個(gè)普遍出現(xiàn)的問題[25]，為了進(jìn)一步驗(yàn)證PLS-DA模型的可靠性，執(zhí)行了置換檢驗(yàn)以驗(yàn)證模型（圖2C）。對(duì)建立模型時(shí)的Y矩陣的變量100次置換檢驗(yàn)，得到隨機(jī)的不同相應(yīng)Q2值作為衡量模型的過擬合標(biāo)準(zhǔn)[26?27]，得出R2=0.00242，Q2=?0.116，Q2負(fù)值表明模型穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象[28]。因此對(duì)不同濃度摻假駝乳的判別是有效的。

圖2 實(shí)驗(yàn)集不同濃度摻假駝乳電子鼻響應(yīng)值的PCA得分圖（A）、PLS-DA得分圖（B）和置換檢驗(yàn)圖（C）Fig.2 PCA score chart (A), PLS-DA score chart (B) and displacement test chart (C) of the response value of the electronic nose of adulterated camel milk in experimental set

2.3 篩選對(duì)摻假駝乳識(shí)別的關(guān)鍵傳感器

電子鼻的每個(gè)傳感器對(duì)多種物質(zhì)都有交互的嗅覺敏感性，但是敏感性不同。為了進(jìn)一步探討電子鼻傳感器對(duì)摻假濃度分組的貢獻(xiàn)，篩選出影響摻假駝乳識(shí)別的關(guān)鍵傳感器，采用上述PLS-DA模型進(jìn)行因子載荷分析。因子載荷圖是可以反應(yīng)每個(gè)變量在得分圖上的貢獻(xiàn)[29]，如圖3所示，電子鼻傳感器中對(duì)摻假駝乳識(shí)別影響較大的可能是W5S傳感器，其結(jié)合的載荷系數(shù)w×c值為0.51，10個(gè)傳感器中W5S載荷系數(shù)w×c為最大。因此，推測(cè)為W5S傳感器對(duì)摻假駝乳特征的揮發(fā)性物質(zhì)靈敏度較高，貢獻(xiàn)為最大；其次是W2W傳感器，w×c值為0.47。進(jìn)一步采用投影重要的變量VIP值（variable important for the projection，VIP）篩選關(guān)鍵傳感器的差異，如圖4所示。結(jié)果表明，VIP值大于1.0的變量包括W5S和W2W，其中以W5S的VIP值為最高，從上述結(jié)果可知W5S傳感器是識(shí)別不同濃度摻假奶樣的關(guān)鍵因子。

圖3 PLS-DA因子載荷圖Fig.3 Loading plot of PLS-DA model

圖4 實(shí)驗(yàn)集不同濃度摻假駝乳的電子鼻綜合響應(yīng)PLS-DA的VIP圖Fig.4 VIP plot of the comprehensive response PLS-DA of the electronic nose with different concentrations of adulterated camel milk

2.4 電子鼻用于檢測(cè)不同濃度摻假駝乳的進(jìn)一步驗(yàn)證

收集45個(gè)樣品作為驗(yàn)證集，再對(duì)上述實(shí)驗(yàn)集的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證鑒別，如圖5所示，C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8（0%、0.1%、1%、3%、5%、10%、15%、20%以及100%）不同摻假濃度樣品在電子鼻響應(yīng)值的PCA得分圖如圖5A所示，PC1=65%，PC2=16.7%。PLS-DA模型R2X=0.81，R2Y=0.659，Q2=0.641，表明PLS-DA模型在驗(yàn)證集樣本中具有較好的預(yù)測(cè)能力（圖5B）。驗(yàn)證集的100個(gè)隨機(jī)置換測(cè)試的結(jié)果表明：R2=0.0533，Q2=?0.2127，說明模型尚未存在過擬合（圖5C）。因子載荷圖顯示W(wǎng)5S傳感器載荷系數(shù)w×c最大，進(jìn)而得出識(shí)別不同濃度摻假組貢獻(xiàn)率最大的關(guān)鍵因子為W5S傳感器（圖5D）。驗(yàn)證集的多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)集得出的結(jié)論一致，又一次證明了電子鼻可用于不同濃度摻假氣味特征的快速檢測(cè)和識(shí)別，這為廣大消費(fèi)者及各乳品企業(yè)提供了良好的依據(jù)。

圖5 驗(yàn)證集不同濃度摻假駝乳電子鼻響應(yīng)值的PCA得分圖（A）、PLS-DA得分圖（B）、置換檢驗(yàn)圖（C）和PLS-DA因子載荷圖（D）Fig.5 PCA score chart (A), PLS-DA score chart (B),displacement test chart (C) and PLS-DA factor loading chart (D) of the response value of the electronic nose of adulterated camel milk in the validation set

3 結(jié)論

根據(jù)駱駝乳的獨(dú)特氣味，開展電子鼻對(duì)摻假駝乳進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，利用電子鼻的10個(gè)傳感器結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)摻假駝乳的客觀、有效判別；電子鼻中的W5S傳感器是判別駝乳中牛乳摻假的關(guān)鍵因子?；谥鞒煞址治龊推钚《伺袆e分析最終確定駝乳中牛乳摻假的最低檢測(cè)限為1%。因此，這項(xiàng)研究為基于電子鼻對(duì)駱駝乳獨(dú)特氣味特征的識(shí)別提供了一種快速，準(zhǔn)確的方法。這將有助于對(duì)市場(chǎng)上的乳及乳制品更有效地監(jiān)管；同時(shí)也為其它食品類的摻假檢測(cè)提供一種參考價(jià)值。