趙鉅陽(yáng), 姚恒喆
(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 旅游烹飪學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150028)
關(guān)鍵字:長(zhǎng)期凍藏豬肉;豬肉;近紅外光譜;電子鼻;快速無(wú)損檢測(cè)
豬肉由于其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富、價(jià)格低廉、烹飪方式多樣等已成為了人們每日餐食中必不可少的部分,其需求日益見(jiàn)漲。國(guó)際肉類組織2016年公布的數(shù)據(jù)中顯示,中國(guó)畜禽肉類生產(chǎn)量約占世界生產(chǎn)總量的29%,其中豬肉產(chǎn)量在世界各國(guó)中穩(wěn)居第一(約50%)[1]。冷凍貯藏是食物常見(jiàn)的儲(chǔ)存方式,我國(guó)的《詩(shī)經(jīng)》中曾記載,古時(shí)候人們就會(huì)利用冰以長(zhǎng)期保存食物[2]。冷凍食品因其方便、快捷、成本適中的特點(diǎn)更加適合現(xiàn)代人快節(jié)奏的生活方式。
然而長(zhǎng)期的凍藏會(huì)嚴(yán)重破壞畜禽肉的營(yíng)養(yǎng)和食用品質(zhì),同時(shí)也會(huì)存在微生物大面積地繁殖等衛(wèi)生問(wèn)題,若長(zhǎng)期凍藏肉及其制品流入市場(chǎng)銷售、被食用將會(huì)造成很大的食品安全隱患[3-4]。新聞報(bào)道了一些不法分子將未經(jīng)海關(guān)檢疫部門相關(guān)檢驗(yàn)的海外長(zhǎng)期凍藏肉作為走私品銷往市場(chǎng),這些凍藏肉除品質(zhì)問(wèn)題外還有攜帶傳染性病毒的可能,對(duì)消費(fèi)者健康造成嚴(yán)重的潛在威脅,故也被消費(fèi)者稱為“僵尸肉”[5-8]。因此,有必要對(duì)可能流入市場(chǎng)的凍藏肉制品進(jìn)行定性檢測(cè),快速鑒別出“僵尸肉”。
檢測(cè)凍藏肉的新鮮度,常見(jiàn)的理化指標(biāo)有:水分含量、致病菌菌落數(shù)、色澤、嫩度、紋理、持水力、風(fēng)味等。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,因此急需可進(jìn)行快速無(wú)損檢測(cè)凍藏肉新鮮度的方法。近紅外光譜能夠反映物質(zhì)的成分及化學(xué)性質(zhì),同時(shí)借助化學(xué)計(jì)量方法建立化學(xué)成分與采集光譜間的定性、定量關(guān)系模型才能將光譜的內(nèi)在深入信息顯現(xiàn)出來(lái)。在檢驗(yàn)新樣本時(shí),直接將光譜及化學(xué)值輸入原模型中,得到其定性、定量信息,即可達(dá)到快速無(wú)損的檢測(cè)目的。目前關(guān)于近紅外研究較為廣泛,如食品領(lǐng)域中的茶、牛奶及醫(yī)藥領(lǐng)域等[9-16]。這些研究主要集中于對(duì)食品中營(yíng)養(yǎng)成分的檢測(cè),如葉華等[17]利用近紅外光譜結(jié)合偏最小二乘法分析了果酒中的多酚含量,結(jié)果顯示該技術(shù)可以快速檢測(cè)果酒總酚含量。趙麗華等[18]利用該技術(shù)建立藜麥籽粒粗蛋白質(zhì)含量,快速檢測(cè)的模型為高蛋白質(zhì)藜麥的選育、栽培提供了技術(shù)支持。在肉及肉制品加工領(lǐng)域還都局限于新鮮肉制品或新鮮熟制品范圍內(nèi),如李婷婷[19]、何鴻舉[20]等總結(jié)了近些年利用近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)各種禽、畜、魚肉摻假成分的分析檢測(cè),為后續(xù)的研究提供充足的數(shù)據(jù)支撐和理論參考,同時(shí)也為肉品質(zhì)量提供安全保障。
電子鼻模擬生物嗅覺(jué)感受,將采集到的氣體指紋信息輸入電腦中,進(jìn)行嗅覺(jué)信號(hào)的處理,即可辨識(shí)揮發(fā)性氣味中是否存在差異[17-23]。電子鼻技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于食品、藥品、煙草、石油化工、包裝材料等研究領(lǐng)域[22-28],如劉瑤等[29]利用電子鼻分析技術(shù)檢測(cè)了不同處理方法在蔬菜貯藏模擬運(yùn)輸過(guò)程中的揮發(fā)性成分,以篩選出最佳的處理方式有效地保持蔬菜的貯藏品質(zhì),延長(zhǎng)其貨架期。張迪雅等[30]利用該技術(shù)對(duì)牛肉進(jìn)行檢測(cè),鑒別出不同醛類和醇類物質(zhì)中的揮發(fā)性成分,該技術(shù)可對(duì)不同部位的牛肉進(jìn)行快速鑒別檢測(cè)。同時(shí),電子鼻分析技術(shù)還可用于區(qū)分摻假肉,如王綪等[31]利用電子鼻結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜法對(duì)摻假羊肉進(jìn)行了快速檢測(cè)。但對(duì)于凍藏豬肉貯存時(shí)間的檢測(cè)還鮮有報(bào)道。因此,將電子鼻與近紅外技術(shù)相結(jié)合更有利于鑒定“僵尸肉”。
作者應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)及電子鼻分析技術(shù)建立新鮮肉與長(zhǎng)期凍藏豬肉的快速檢測(cè)定性模型,從而能夠快速、無(wú)損、精確檢測(cè)待檢肉樣的新鮮度,實(shí)現(xiàn)對(duì)“僵尸肉”的快速甄選。
實(shí)驗(yàn)所用的豬肉均為豬里脊肉,購(gòu)于哈爾濱市家樂(lè)福超市。
砧板、菜刀:購(gòu)于哈爾濱市家樂(lè)福超市;ANTARIS II近紅外分析儀:購(gòu)于塞默飛世爾科技(中國(guó))有限公司;JD200-3電子天平:購(gòu)于梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;電子鼻:購(gòu)于上海昂申智能科技有限公司。
1.3.1 樣品制備 新鮮肉樣品組,將新鮮的豬里脊肉于-18℃分別凍藏0、3個(gè)月,標(biāo)記為A組。長(zhǎng)期凍藏豬肉樣品組,于-18℃分別凍藏6、9個(gè)月,標(biāo)記為B組。
將A、B兩組的凍藏豬肉分別置于4℃緩化24 h,并置于室溫中待肉樣中心溫度與室溫相同,拿出瀝干水分,剔除筋膜和脂肪。各處理組獲取樣本30個(gè),共120個(gè)肉樣,依次標(biāo)記為A-1至A-60和B-1至B-60。
1.3.2 光譜采集、建模及模型評(píng)價(jià)方法 將每組樣品依次放入積分球中采集樣品光譜,利用TQ軟件導(dǎo)出光譜,并在該軟件下瀏覽所有光譜并進(jìn)行模型的建立與優(yōu)化。
使用TQ Analyst軟件分析光譜,采用偏最小二乘法(PLS)進(jìn)行建模。
利用主成分分析圖,觀察預(yù)測(cè)樣本在整體模型中的分布情況來(lái)判斷模型的好壞。線性判別模型圖橫縱坐標(biāo)分別表示到class1、class2兩類間的距離,判別同一模型中存在的不同樣本之間的差異。
1.3.3 電子鼻氣味采集 首先打開(kāi)smart nose軟件,然后開(kāi)啟電子鼻預(yù)熱30 min。設(shè)置檢測(cè)參數(shù):清洗時(shí)間120 s、檢測(cè)時(shí)間120 s、等待時(shí)間10 s、氣體流量1 L/min。依次插入補(bǔ)氣針和進(jìn)樣針,每次保存肉樣的檢測(cè)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行新一輪樣品的檢測(cè)。
1.3.4 數(shù)據(jù)分析方法 本實(shí)驗(yàn)中,判別是否為長(zhǎng)期凍藏豬肉(或新鮮肉),則需在對(duì)新鮮肉(或長(zhǎng)期凍藏豬肉)所有光譜建模過(guò)程中混入少量(本實(shí)驗(yàn)設(shè)定數(shù)量為5)長(zhǎng)期凍藏豬肉(或新鮮肉)的樣本光譜,這些光譜充當(dāng)了模型預(yù)測(cè)集的功能,在最后的線性判別圖中觀察模型中兩類樣本點(diǎn)的分布情況,直觀地反映待檢測(cè)豬肉的類別。
1)光譜建模區(qū)間選擇 分別采用不同光譜區(qū)間建立樣品模型,按照上述樣品光譜圖差異性,選出最佳建模的區(qū)間。
2)光譜預(yù)處理及優(yōu)化方法 光譜采集過(guò)程中,為避免一些客觀因素產(chǎn)生系統(tǒng)誤差影響NIR定量分析模型的信息,在建模過(guò)程中,可對(duì)原始光譜進(jìn)行預(yù)處理進(jìn)而不斷優(yōu)化所建立的模型。本研究中采用一階導(dǎo)數(shù)(FD)、二階導(dǎo)數(shù)(SD)降噪處理并結(jié)合Savitzky-Golay(S-G)卷積平滑、Norris導(dǎo)數(shù)平滑分別對(duì)原始光譜模型進(jìn)行預(yù)處理和優(yōu)化。
電子鼻各個(gè)陣列中的傳感器對(duì)不同類型的化學(xué)風(fēng)味物質(zhì)的敏感度不同,所以不同樣品的傳感器響應(yīng)高低各不同。本實(shí)驗(yàn)中所用電子鼻擁有14根傳感器,每根傳感器對(duì)應(yīng)的敏感物質(zhì)不同。判別指數(shù)DI值可直觀地判斷傳感器陣列的優(yōu)化程度。DI值越大表明區(qū)分效果越理想,當(dāng)DI值大于80%時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。PCA是一種將傳感器采集的信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換降維的分類方法,綜合了向量分析以及相關(guān)矩陣,從而最大程度上體現(xiàn)不同樣品之間的差異。主成分得分圖中,不同類型樣品間距離越遠(yuǎn)越好,平行樣品間的距離越小越好。
長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型的建立共采集65組樣本光譜(見(jiàn)圖1),其中60組A樣本,并隨機(jī)選擇5組B樣本(B-1、B-3、B-4、B-5、B-8)作為判別分析。之后對(duì)原始光譜進(jìn)行特征波段篩選,在4 000~5 400 nm、5 400~6 400 nm、6 400~7 400 nm、7 400~8 400 nm、8 400~10 000 nm 5個(gè)光譜區(qū)間下分別進(jìn)行建模,根據(jù)模型中樣本點(diǎn)的離散分布情況,即新鮮肉樣本(“class1”)與長(zhǎng)期凍藏豬肉樣本(“class2”)的分度,最終選擇如圖2所示在6 400~7 400 nm下所得模型,進(jìn)行下一步模型優(yōu)化(其余波段未顯示)。
圖1 長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型組65個(gè)樣本的全波段原始光譜圖Fig.1 Fu l l-band original spectra of 65 samples of the long-term frozen meat discrimination model group
圖2 6 400~7 400 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型圖Fig.2 Discrimination model of long-term frozen meat in the wavelength range of 6 400~7 400 nm
2.2.1 剔除異常光譜優(yōu)化長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型圖1的原始光譜圖中,存在偏離中心的異常樣本光譜圖(已用箭頭標(biāo)注),將其剔除以提高模型的判別相關(guān)性。但用于判別分析模型的5個(gè)樣本圖起到判別分析的作用,因此即使偏離中心,也不可剔除。依次剔除了模型中明顯偏離中心的光譜。剔除后,依據(jù)2.1中建模所用光譜區(qū)間的選擇結(jié)果6 400~7 400 nm對(duì)剔除異常光譜后的樣本進(jìn)行建模,結(jié)果如圖3所示。
圖3 長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型剔除異常光譜后的判別模型Fig.3 Discriminant model of long-term frozen meat discrimination model after removing the abnormal spectra
2.2.2 不同預(yù)處理方式優(yōu)化長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型 雖然縮小了建模波段,過(guò)濾去除了部分無(wú)效信息,但仍需對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理以選出判別效果最佳的模型,故需要對(duì)光譜進(jìn)行如平滑、去除光譜噪音等預(yù)處理。首先,對(duì)剔除異常光譜后的模型進(jìn)行FD、SD降噪處理,再分別結(jié)合S-G卷積平滑或Norris導(dǎo)數(shù)平滑處理模型,判別模型如圖4所示。結(jié)果顯示,經(jīng)FD降噪不平滑處理的模型難以清晰的區(qū)分出兩類樣本點(diǎn)(見(jiàn)圖4(a));經(jīng)過(guò)FD降噪結(jié)合S-G卷積平滑處理后的判別模型(見(jiàn)圖4(b))效果極差,樣本點(diǎn)混淆在一起,不能直觀判別樣本類型,判別模型失去意義;經(jīng)過(guò)FD降噪結(jié)合Norris導(dǎo)數(shù)平滑處理后的判別模型(見(jiàn)圖4(c))的區(qū)分性與原始模型(見(jiàn)圖3)相當(dāng),都能直觀地從總體樣本中區(qū)分隨機(jī)挑選的5個(gè)B組長(zhǎng)期凍藏豬肉樣本,但比較兩者的判別圖縱坐標(biāo)值,發(fā)現(xiàn)原始模型縱坐標(biāo)最大值(31)大于處理后模型組縱坐標(biāo)最大值(9)(見(jiàn)圖4(c)),表明原始模型中新鮮肉與預(yù)測(cè)集長(zhǎng)期凍藏豬肉的距離更大,因此原始模型判別分析效果更好;經(jīng)SD降噪不平滑處理模型(見(jiàn)圖4(d))和經(jīng)SD降噪結(jié)合S-G卷積平滑處理的模型(見(jiàn)圖4(e))中,預(yù)測(cè)的長(zhǎng)期凍藏豬肉樣本點(diǎn)同新鮮肉樣本點(diǎn)在橫坐標(biāo)上分布一致,表明其到新鮮肉的距離區(qū)分度不強(qiáng),以上兩種模型不能從新鮮肉樣中很好地區(qū)分出長(zhǎng)期凍藏豬肉樣本;經(jīng)過(guò)SD降噪結(jié)合Norris導(dǎo)數(shù)平滑處理后的判別模型(見(jiàn)圖4(f)),在樣品分類分布圖中僅有一個(gè)樣本點(diǎn)混入,在一定程度上能區(qū)分出長(zhǎng)期凍藏豬肉樣本點(diǎn)。
圖4 不同預(yù)處理方式的長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型圖Fig.4 Discriminant model of long-term frozen meat discrimination model after different pretreatment methods
綜上,經(jīng)FD降噪結(jié)合Norris導(dǎo)數(shù)平滑處理的判別模型優(yōu)于其余預(yù)處理方法,但與原始模型相比,原始判別模型中新鮮肉與長(zhǎng)期凍藏豬肉間的距離更大,因此最終選擇不經(jīng)降噪、平滑處理的原始長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型(見(jiàn)圖3)。
2.2.3 長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型主成分分析 為進(jìn)一步判別所得模型的效果,將上一步所得的最優(yōu)模型(不經(jīng)降噪、平滑處理)再進(jìn)行主成分分析。分析模型中的不同樣本點(diǎn)在2D或3D主成分分析圖中所在象限及坐標(biāo)值,以便看出各個(gè)樣品在某一主成分上是否存在差異,坐標(biāo)值差異越小,則表明樣品間無(wú)明顯差異。將最優(yōu)模型進(jìn)行主成分分析,分別得到2D主成分分析圖(見(jiàn)圖5)和3D主成分分析圖(見(jiàn)圖6)。如圖5所示,長(zhǎng)期凍藏豬肉主要分布在第二、三象限,而新鮮肉主要集中在第一、四象限,結(jié)合橫縱坐標(biāo)值可發(fā)現(xiàn)所選判別模型中,兩類樣本在PC1上區(qū)分性較強(qiáng),在PC2上區(qū)分性較弱。因此該判別模型具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
圖5 未經(jīng)降噪、平滑處理的長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型2D主成分分析圖Fig.5 2D principal component analysis of the long-term frozen pork discrimination model without noise reduction and smoothing
由模型的3D分布圖及XZ平面圖(見(jiàn)圖6)也可觀察到兩類樣本點(diǎn)的分布情況,由圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)在3D分布圖中長(zhǎng)期凍藏豬肉與新鮮肉樣本差異明顯。在3D投影XZ平面圖中可直觀發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期凍藏豬肉的樣本點(diǎn)主要集中于第三象限,新鮮肉樣本點(diǎn)主要分布于第一、二、四象限,且長(zhǎng)期凍藏豬肉的樣本點(diǎn)在橫縱坐標(biāo)值上都可與新鮮肉樣品點(diǎn)明顯區(qū)分開(kāi),這表明兩類樣本點(diǎn)在PC3和PC1上差異較大(見(jiàn)圖6(b))。因此該模型具有良好的判別效果。
圖6 未經(jīng)降噪、平滑處理的長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型3D主成分分析圖和3D主成分分析圖的XZ投影圖Fig.6 XZ projection diagrams of 3D principal component analysis and 3D principal component analysis of the long-term frozen pork discrimination model without noise reduction and smoothing
同長(zhǎng)期凍藏豬肉判別模型建立的方法類似,采集65組樣本光譜(見(jiàn)圖7)其中60組B樣本,隨機(jī)選擇5組A樣本作為判別分析。在不同波段下進(jìn)行建模,根據(jù)模型中樣本點(diǎn)的離散分布情況,選擇光譜區(qū)間為8 400~10 000 nm所建立的模型能較好從長(zhǎng)期凍藏豬肉樣本中區(qū)分出新鮮肉(見(jiàn)圖8)。故在8 400~10 000 nm光譜區(qū)間基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的模型優(yōu)化。
圖7 新鮮肉判別模型組65個(gè)樣本的全波段原始光譜圖Fig.7 Full-band original spectra of 65 samples of fresh meat discrimination model group
圖8 8 400~10 000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的新鮮肉原始判別模型圖Fig.8 Original discrimination model of fresh meat in the wavelength range of 8 400~10 000 nm
3.2.1 剔除異常光譜優(yōu)化模型 同長(zhǎng)期凍藏豬肉模型異常光譜剔除方法一致,剔除新鮮肉判別模型中的異常光譜,再根據(jù)3.1中針對(duì)建模所用光譜區(qū)間的選擇結(jié)果對(duì)剔除異常光譜后的樣本進(jìn)行建模,結(jié)果如圖9所示。
圖9 新鮮肉判別模型剔除異常光譜后的判別模型Fig.9 Discriminant model of the fresh meat discriminant model after removing the abnormal spectra
3.2.2 不同預(yù)處理方式優(yōu)化新鮮肉判別模型 與長(zhǎng)期凍藏豬肉模型優(yōu)化方法相同,對(duì)剔除異常光譜后的模型進(jìn)行FD、SD降噪處理,并結(jié)合S-G卷積平滑或Norris導(dǎo)數(shù)平滑處理。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)所有處理方法也均不如未經(jīng)處理的判別模型效果。
3.2.3 模型主成分分析 將未經(jīng)降噪、平滑處理的新鮮肉判別模型進(jìn)行主成分分析得到其2D主成分分析圖(見(jiàn)圖10)和3D主成分分析圖及其XZ投影圖(見(jiàn)圖11)。圖10中新鮮肉樣本點(diǎn)主要集中在第4象限,長(zhǎng)期凍藏豬肉主要分布在所有象限,兩類樣本點(diǎn)在橫坐標(biāo)(PC1)上差異顯著。由3D主成分分析圖的XZ投影圖(見(jiàn)圖11(b))展示的兩類樣本在PC1和PC3的區(qū)別,可以看出長(zhǎng)期凍藏豬肉樣本和新鮮肉樣本在PC1上有明顯區(qū)分,這與其2D分布圖所展現(xiàn)的信息一致。進(jìn)一步說(shuō)明未經(jīng)降噪、平滑處理的新鮮肉判別模型可以起到新鮮肉定性分析的作用。
圖10 未經(jīng)處理的新鮮肉判別模型的2D主成分分析圖Fig.10 2D principal component analysis of untreated fresh meat discriminant model
圖11 未經(jīng)處理的新鮮肉判別模型的3D主成分分析圖及其XZ投影圖Fig.11 3D principal component analysis and XZ projection of the untreated fresh meat discriminant model
基于1.4中電子鼻傳感器陣列的優(yōu)化方法,選擇兩組DI值較高的傳感器陣列組合用于主成分分析(PCA),一組為S1、S7、S8、S9和S14,另一組為S1、S3、S7、S9和S11。根據(jù)得出的2組較優(yōu)傳感器陣列,對(duì)采集的氣味指紋圖譜進(jìn)行主成分分析,分別得到如下圖12所示的電子鼻主成分分析圖,兩者累計(jì)方差貢獻(xiàn)率分別為97.4%和97.0%,意味著PCA降維得出的2個(gè)主成分能反應(yīng)樣品氣味的綜合信息。由圖可知,無(wú)論哪組傳感器陣列,4組樣品間都有明顯的間距,說(shuō)明電子鼻能夠有效區(qū)分新鮮肉和長(zhǎng)期凍藏豬肉,電子鼻的穩(wěn)定性和重復(fù)性較好。選擇第1組傳感器陣列時(shí),凍藏0、3、9個(gè)月份的樣本之間平行性較好,樣本點(diǎn)分布集中,凍藏3組內(nèi)部平行性較差,相互間距離較大。當(dāng)選擇第2組傳感器陣列時(shí),樣品間區(qū)分性和樣品內(nèi)部平行性都較為理想。因此選擇第2組傳感器陣列作為直接定性判別分析凍藏豬肉的傳感器陣列。
圖12 S1、S7、S8、S9、S14和S1、S3、S7、S9、S11傳感器陣列下的PCA分析圖Fig.12 PCA analysis charts under S1,S7,S8,S9,S14 and S1,S3,S7,S9,S11 sensor arrays
作者對(duì)樣品的光譜值進(jìn)行判別分析,所得模型可直觀地顯示出不同樣本的分布情況。建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn),不經(jīng)降噪、平滑處理的長(zhǎng)期凍藏豬肉和新鮮肉定性判別分析模型效果最佳,能夠有效將新鮮肉與長(zhǎng)期凍藏豬肉區(qū)分開(kāi)。其次采用氣味指紋圖譜技術(shù)采集凍藏不同時(shí)間下肉樣的化學(xué)風(fēng)味物質(zhì),選擇S1、S3、S7、S9、S11傳感器陣列,結(jié)果顯示電子鼻可將4個(gè)凍藏月份的肉樣區(qū)分開(kāi)。因此,近紅外光譜技術(shù)和電子鼻分析技術(shù)均可起到直接定性判別新鮮肉和長(zhǎng)期凍藏豬肉的作用。該研究結(jié)果有望在凍藏食品的無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,為食品無(wú)損檢測(cè)奠定了一定的基礎(chǔ)。