成劍峰，胡紅娟

（山西省食品工業(yè)研究所，山西 太原 030024）

固態(tài)法釀造食醋的發(fā)酵過程是一個(gè)多種微生物的代謝過程，影響產(chǎn)品質(zhì)量與風(fēng)格的因素眾多，時(shí)變性大，食醋生產(chǎn)工藝分多種階段，從原料處理、糖化發(fā)酵劑生產(chǎn)、酒精發(fā)酵、醋酸發(fā)酵、熏醅、陳釀到產(chǎn)品出廠，流程較長[1-2]。某些傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)過程中使用大曲為糖化發(fā)酵劑，而大曲是眾多種類微生物的集合，每種微生物的代謝產(chǎn)物種類至今仍不能明確，發(fā)酵過程中多種風(fēng)味物質(zhì)對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和風(fēng)格起決定性作用，造成釀造食醋香氣成分復(fù)雜，發(fā)酵工藝過程的控制將直接決定產(chǎn)品的質(zhì)量[3-4]，不同生產(chǎn)工藝的產(chǎn)品成分差別較大，而不同品牌但生產(chǎn)工藝相近的產(chǎn)品則較難區(qū)分。

1994年GARDNER J W等[5-7]發(fā)表了電子鼻綜述文章，對(duì)這種由有選擇性的電化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)淖R(shí)別方法組成的，并能識(shí)別簡單和復(fù)雜氣味的儀器進(jìn)行了定義，其原理是經(jīng)氣敏傳感器陣列與氣味分子反應(yīng)后產(chǎn)生的電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)處理，再通過模式識(shí)別系統(tǒng)定性或定量輸出檢測(cè)結(jié)果，與一般概念的檢測(cè)不同的是得到的數(shù)據(jù)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，而是整體信息。

目前電子鼻的相關(guān)應(yīng)用研究已在多領(lǐng)域展開，在食醋品質(zhì)評(píng)價(jià)方面也有相關(guān)報(bào)道[8-14]。本研究利用電子鼻對(duì)食醋樣本進(jìn)行建模，采用正交試驗(yàn)對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化選擇[15]，再用歐氏距離（Euclid distance）、相關(guān)性（correlation）、馬氏距離（Mahalanobis distance）、判別函數(shù)分析（discriminate function analysis，DFA）4種方式共同判定樣品的歸屬，以提高對(duì)食醋分類識(shí)別率為目的的研究是對(duì)這一領(lǐng)域的有益補(bǔ)充。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

市面上采購的兩家公司的山西老陳醋，按生產(chǎn)廠家相應(yīng)分類為Ⅰ類和非Ⅰ類。另有購買的多種品牌的食醋產(chǎn)品作為驗(yàn)證樣品。

1.2 儀器與設(shè)備

PEN3電子鼻系統(tǒng)：德國AIRSENSE公司（含有10個(gè)不同的金屬氧化物傳感器，組成傳感器陣列）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 未處理樣品測(cè)定

直接吸取樣品0.5 mL移入頂空瓶，旋好瓶蓋，室溫靜置1 h后直接頂空吸氣法，即將進(jìn)樣針頭插入密封墊，電子鼻進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 處理樣的測(cè)定

直接吸取樣品移入頂空瓶，在對(duì)應(yīng)的溫度、時(shí)間、取樣量的處理?xiàng)l件下在烘箱中處理樣品（處理?xiàng)l件見后續(xù)正交試驗(yàn)），干燥器中冷卻至室溫后旋好瓶蓋，室溫靜置1 h后按前述方法測(cè)定。

1.3.3 電子鼻測(cè)定條件

采樣時(shí)間為1 s/組；傳感器自清洗時(shí)間為90 s；傳感器歸零時(shí)間為10 s；樣品準(zhǔn)備時(shí)間為5 s；進(jìn)樣流量為600 mL/min；分析采樣時(shí)間為90 s。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)在對(duì)每個(gè)樣品的數(shù)據(jù)采集過程中，通過查看每個(gè)傳感器響應(yīng)信號(hào)的變化曲線、每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)值及星型雷達(dá)圖或柱狀指紋圖，可以清晰考察各個(gè)傳感器在實(shí)驗(yàn)分析過程中的響應(yīng)情況。

對(duì)于樣品區(qū)分分析，本實(shí)驗(yàn)提取10個(gè)傳感器的特征值，然后采用主成分分析法（principal component analysis，PCA），線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）法作為主要區(qū)別分析方法，查看起主要區(qū)分作用的組分和區(qū)分度是否提高。

通過歐氏距離、相關(guān)性、馬氏距離、判別函數(shù)等方法共同判定樣品歸屬于哪一類，達(dá)到一個(gè)用電子鼻驗(yàn)證未知樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，4種指標(biāo)判定結(jié)果相同的視為一類，不同的視為另一類。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻測(cè)定值取值范圍的確定

圖1 電子鼻中的10個(gè)傳感器對(duì)食醋樣品的的響應(yīng)曲線(A)及雷達(dá)圖(B)Fig.1 The response curves(A)and the radar chart(B)of ten senses to vinegar samples

以響應(yīng)值初始電阻（G0）和最后電阻（G）的比率為縱坐標(biāo)，樣品的測(cè)定時(shí)間為橫坐標(biāo)。食醋樣品測(cè)定的特征響應(yīng)曲線及雷達(dá)圖見圖1。

從圖1可以看出，在90 s的測(cè)定時(shí)間內(nèi)，電阻率隨時(shí)間的增加達(dá)到峰值，然后趨于平緩，大約在60～90 s之間信號(hào)較穩(wěn)定，因此在本實(shí)驗(yàn)中取用74～76 s的電阻率值作為樣品分析數(shù)據(jù)。

2.2 未經(jīng)處理樣品的模板分析結(jié)果

主成分分析（principal component analysis，PCA）是一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的技術(shù)，這種方法可以有效的找出數(shù)據(jù)中的主要成分，去繁趨簡，揭示復(fù)雜數(shù)據(jù)背后的簡單結(jié)構(gòu)[7]。未處理食醋樣品的PCA分析結(jié)果見圖2。

圖2 優(yōu)化前的PCA結(jié)果分析Fig.2 PCA analysis results before optimization

以上述兩類產(chǎn)品測(cè)定數(shù)值建立模板，由圖2可知，采用電子鼻的PCA分析可以看到第1主成分貢獻(xiàn)率80.893%，第2主成分貢獻(xiàn)率12.766%，兩者合計(jì)93.659%，雖然差異性較大，但模板分析顯示兩類產(chǎn)品不能很好的區(qū)分，圖2中也可看到兩類數(shù)據(jù)有較多重疊之處。

線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）是一種有效的特征抽取方法。它能夠使模式樣本有最小的類內(nèi)距離和最大的類間距離，有最佳的可分離性[7]。未處理食醋樣品的線性判別分析結(jié)果見圖3。

圖3 優(yōu)化前的LDA結(jié)果分析Fig.3 LDA analysis results before optimization

由圖3可知，兩類樣品得到很好的區(qū)分，左邊為Ⅰ類，右邊為非Ⅰ類，兩類樣品類間距明顯，但是從差異性和主成分分析來看，第1主成分貢獻(xiàn)率56.679%，第2主成分貢獻(xiàn)率5.421 5%，兩者合計(jì)只有62.1%，差異性較低。

以上述模板對(duì)11個(gè)樣品進(jìn)行了識(shí)別判定歸屬實(shí)驗(yàn)，已知其中4個(gè)樣品屬于Ⅰ類，7個(gè)樣品屬于非Ⅰ類。因?yàn)橹挥袃深悩悠罚袛嘀笜?biāo)有4個(gè)，且非Ⅰ類模板是混合樣品模板，為簡化結(jié)果，規(guī)定當(dāng)只有4個(gè)判斷指標(biāo)判定相同時(shí)才能認(rèn)定為一類產(chǎn)品，如果有任意一個(gè)判斷指標(biāo)判定不同則認(rèn)定為另一類產(chǎn)品，對(duì)比已知樣品歸屬，計(jì)算判斷正確率和誤判率。結(jié)果見表1。

由表1可知，對(duì)比樣品已知?dú)w類，Ⅰ類樣品全部判斷正確，非Ⅰ類樣品中有2個(gè)誤判為Ⅰ類，誤判率為18.2%，正確判斷率為81.8%。

上述實(shí)驗(yàn)顯示用4個(gè)指標(biāo)共同判定樣品歸屬的效果有待提高[11]（魯小利等在可樂飲料的電子鼻檢測(cè)研究中樣品誤判率為0）。因此，實(shí)驗(yàn)中將兩類樣品模板數(shù)據(jù)分別輸出后進(jìn)行分析，對(duì)比了10個(gè)傳感器的數(shù)值區(qū)間，Ⅰ類、非Ⅰ類樣品的初始電阻和最后電阻的比率及變動(dòng)區(qū)間測(cè)定結(jié)果分別見表2及表3。

表1 未處理樣品模板的判定結(jié)果Table 1 Determination of untreated sample template

表2 Ⅰ類樣品的初始電阻和最后電阻的比率及變動(dòng)區(qū)間測(cè)定結(jié)果Table 2 The ratio of initial resistance,final resistance and variable interval determination results of type I sample

表3 非Ⅰ類樣品的初始電阻和最后電阻的比率及變動(dòng)區(qū)間測(cè)定結(jié)果Table 3 The ratio of initial resistance,final resistance and variable interval determination results of non-type I sample

由表2及表3可知，通過區(qū)間對(duì)比發(fā)現(xiàn)傳感器1、3、4、5、6、7、8、10測(cè)定數(shù)據(jù)有交集，傳感器2、9測(cè)定數(shù)據(jù)無交集，2、7、9傳感器反應(yīng)敏感，數(shù)值較大。結(jié)果表明，可用于區(qū)別不同產(chǎn)品的傳感器數(shù)量少，不足以進(jìn)行區(qū)別判定，需要進(jìn)行樣品處理增加識(shí)別性。實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方式對(duì)傳感器性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化組合。

2.3 傳感器性能參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中烘干過程考慮了85℃和105℃兩個(gè)溫度，根據(jù)頂空瓶的實(shí)際大小，選擇了0.5 mL和1 mL兩個(gè)取樣量，時(shí)間方面選擇了20 min和60 min為參數(shù)進(jìn)行了3因素2水平正交試驗(yàn)，重復(fù)測(cè)定6個(gè)同類樣品，因素與水平見表4，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表5。考察因素和水平對(duì)不同類樣品初始電阻和最后電阻的比率測(cè)定數(shù)值及區(qū)間交集范圍，有交集的，結(jié)果記為1，否則記為2，結(jié)果數(shù)值小，表示測(cè)定數(shù)值變動(dòng)范圍無交集，即無相關(guān)性，也就是能完全區(qū)別開兩組數(shù)據(jù)。非Ⅰ類樣品、Ⅰ類樣品的4種處理通過區(qū)間對(duì)比得到結(jié)果見表6。

表4 傳感器性能參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table 4 Factors and levels of orthogonal experiments for sensors performance parameter optimization

表5 傳感器性能參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 5 Results and analysis of orthogonal experiments for sensors performance parameter optimization

由表6可知，1處理即取樣量0.5 mL、烘干溫度85℃、烘干時(shí)間20 min，只有4號(hào)傳感器對(duì)Ⅰ類樣品和非Ⅰ類樣品的感應(yīng)值不存在交集；

表6 Ⅰ類樣和非Ⅰ類樣的區(qū)間交集對(duì)照結(jié)果Table 6 Comparison results of type I sample and non-type I sample of overlap section

2處理即取樣量0.5 mL、烘干溫度105℃、烘干時(shí)間60 min，有3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、10號(hào)共4支傳感器對(duì)Ⅰ類樣品和非Ⅰ類樣品的感應(yīng)值不存在交集；

3處理即取樣量1.0mL、烘干溫度85℃、烘干時(shí)間60 min，全部10支傳感器對(duì)Ⅰ類樣品和非Ⅰ類樣品的感應(yīng)值均有交集；

4處理即取樣量1.0 mL、烘干溫度105℃、烘干時(shí)間20 min，有1號(hào)、5號(hào)共2支傳感器對(duì)Ⅰ類樣品和非Ⅰ類樣品的感應(yīng)值不存在交集。

結(jié)果說明傳感器對(duì)樣品的感應(yīng)與樣品處理的方式有相關(guān)。通過計(jì)算求和可知1號(hào)傳感器各因素的2水平結(jié)果之和（值為3）大于1水平結(jié)果之和（值為2），顯示該傳感器在取樣量1 mL、105℃、60 min的處理?xiàng)l件下有區(qū)分能力；2號(hào)傳感器各因素的2個(gè)水平結(jié)果之相等（值為2），顯示該傳感器對(duì)各因素的水平無感應(yīng)差別，即無區(qū)分能力；3號(hào)、6號(hào)、10號(hào)傳感器因素1的2水平結(jié)果之和（值為2）小于1水平結(jié)果之和（值為3），因素2的2水平結(jié)果之和（值為3）大于1水平結(jié)果之和（值為2），因素3的2水平結(jié)果之和（值為3）大于1水平結(jié)果之和（值為2），顯示3號(hào)傳感器在1因素1水平、2因素2水平、3因素2水平的條件下有感應(yīng)差別，即在取樣量0.5 mL、105℃、60 min的處理?xiàng)l件下有區(qū)分能力；4號(hào)傳感器各因素的2水平結(jié)果之和（值為2）均小于1水平結(jié)果之和（值為3），顯示4號(hào)傳感器對(duì)各因素的1水平即在取樣量1 mL、85℃、20 min的處理?xiàng)l件下有區(qū)分能力；5號(hào)傳感器因素1的2個(gè)水平結(jié)果之和相等（值為3），因素2的2水平結(jié)果之和（值為4）大于1水平結(jié)果之和（值為2），因素3的2個(gè)水平結(jié)果相等（值為3），顯示5號(hào)傳感器只對(duì)因素2敏感，且在2水平即105℃時(shí)有區(qū)分能力，因素1和3對(duì)其無影響；7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)傳感器各因素的2個(gè)水平結(jié)果之和相等（值為2），顯示7號(hào)傳感器對(duì)各因素的水平無感應(yīng)差別。

綜合上述結(jié)果分析，由于數(shù)據(jù)來源于兩組不同樣品，但兩組樣品是同一類產(chǎn)品，因此，無區(qū)分能力的傳感器2、7、8、9可以理解為體現(xiàn)同類產(chǎn)品的共性特征，這些傳感器在特征識(shí)別時(shí)雖然不能發(fā)揮作用，但是從體現(xiàn)樣品完整信息的角度考慮，應(yīng)作為可選；傳感器3、6、10區(qū)分條件相同；傳感器5指向溫度；傳感器4是條件孤例，應(yīng)舍去；傳感器1對(duì)取樣量有要求，為統(tǒng)一處理?xiàng)l件和測(cè)定數(shù)據(jù)一致性，應(yīng)作為可選。這樣可用傳感器為1、2、3、5、6、7、8、9、10共9支。

2.4 優(yōu)化模板的建立

以取樣量0.5 mL、烘干溫度105℃、烘干時(shí)間60 min的傳感器性能優(yōu)化條件處理樣品后建模，LDA分析結(jié)果見圖4，PCR分析結(jié)果見圖5。

由圖4可知，左邊為非Ⅰ類樣品，右邊是Ⅰ類樣，數(shù)值顯示第1主成分貢獻(xiàn)率75.422%，第2主成分貢獻(xiàn)率3.519 9%，差異達(dá)到78.942%，區(qū)分效果比較明顯。

由圖5可知，左下圓圈為Ⅰ類樣品，靠上的為非Ⅰ類樣品，數(shù)值顯示第1主成分貢獻(xiàn)率99.446%，第2主成分貢獻(xiàn)率0.428 87%，差異達(dá)到99.875%，區(qū)分度也有顯著的增強(qiáng)。

圖4 優(yōu)化后的LDA分析結(jié)果Fig.4 LDA analysis results after optimization

圖5 優(yōu)化后的PCA分析結(jié)果Fig.5 PCA analysis results after optimization

由于對(duì)樣品進(jìn)行了前處理，并對(duì)傳感器進(jìn)行了優(yōu)化，與未優(yōu)化前（即未處理樣品的模板，見圖2、圖3）模板對(duì)比，LDA差異率由62.1%提高至78.942%；PCA差異率由93.659%提高至99.875%，區(qū)分度得到提高。

2.5 識(shí)別檢驗(yàn)

從市場(chǎng)選購31個(gè)食醋樣品，其中13個(gè)是Ⅰ類樣品（生產(chǎn)日期不同），其余為非Ⅰ類樣品（生產(chǎn)廠家不同），按優(yōu)化條件進(jìn)行樣品處理后測(cè)定，數(shù)據(jù)歸納總結(jié)，得到電子鼻識(shí)別結(jié)果見表7。

表7 電子鼻識(shí)別結(jié)果Table 7 Identification results of electronic nose

續(xù)表

由表7可知，對(duì)比樣品已知?dú)w類，Ⅰ類樣品全部判斷正確，非Ⅰ類樣品中有2個(gè)誤判為Ⅰ類，誤判率為5.4%，正確判斷率為94.6%。

3 結(jié)論

電子鼻傳感器經(jīng)優(yōu)化選擇后可以較好區(qū)分兩類食醋產(chǎn)品。經(jīng)過樣品處理和優(yōu)化后，電子鼻對(duì)兩類樣品的識(shí)別率由81.8%提高至94.6%，誤判率由18.2降低至5.4%，準(zhǔn)確性有了顯著提高。

食醋生產(chǎn)過程復(fù)雜，可變因素多，按國家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的項(xiàng)目并不能真實(shí)反映樣品的真正生產(chǎn)方式，食醋本身的原料標(biāo)注和它實(shí)際生產(chǎn)工藝不符也會(huì)導(dǎo)致誤判，因此對(duì)電子鼻進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)樣品的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，有助于誤判率的降低和判定準(zhǔn)確性的提高。

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