基于电子舌的掺假牛乳的快速检测_范佳利

基于电子舌的掺假牛乳的快速检测
范佳利
韩剑众*
田师一
邓少平
（浙江工商大学食品质量与安全系
浙江省食品安全重点实验室
杭州310035）
摘要
以掺假牛乳样品为检测对象，利用电子舌结合主成分分析法进行研究，旨在寻求一种能有效监控牛乳品
质的快速检测方法。

对几种常见的掺假（掺入水、食盐、蔗糖、尿素、大豆油）牛乳样品、复原乳以及纯牛乳样品进行检测和评价。

试验结果表明：电子舌可以很好地区分纯牛乳和掺入不同物质的牛乳样品，纯牛乳、纯鲜牛乳、复原乳及其混合乳样品得到有效辨识，同时各种掺假牛乳样品随掺入物质的比例在主成分得分图中呈规律性分布。

电子舌可用于掺假牛乳的快速检测。

在建立典型标准样品数据库的前提下电子舌可有效监控牛乳品质，其在乳制品的质量控制及评价中具有较大的应用潜力。

关键词牛乳；电子舌；掺假；快速检测
文章编号
1009-7848（2011）02-0202-07
牛乳的掺假、掺杂已经导致严重的食品安全问题。

传统方法周期较长且操作繁琐，不太适合实际生产中大批量的抽样检测[1]。

目前已有商业化快速乳成分分析仪，其同时测定多个指标，然而价格昂贵，亦无法普遍应用
[2]。

电子舌（electronic
tongue ，E-Tongue ）是一种利用低选择性、非特异
性，交互敏感的多传感阵列感测液体样品整体特征响应信号，通过信号模式识别处理或合适的多元统计分析方法，对样品进行定性、定量分析的一类新型现代分析仪器，其主要特点：①测试对象为液体样品；②样品无需前处理；③检测速度快；④检测灵敏度高；⑤检测信息量丰富；⑥可获得样品整体质量评价结果；⑦价格低廉。

电子舌技术已在茶叶品质[3]、生物发酵[4]、酒饮料[5]等方面进行了较多的应用研究，并取得很大进展。

利用本课题组研制的多频大幅脉冲电子舌（商品名为智舌
[6-7]
）系
统，以纯牛乳、纯鲜牛乳及不同形式的掺假牛乳样品为对象，对其进行品质特性的检测评价，为这种电子舌在牛乳品质评价和控制中的应用提供试验依据。

1
材料和方法
1.1
试验材料
考虑到不同品牌、产地和加工工艺对牛乳和
乳粉的影响，本试验中选用同一品牌的纯牛乳、纯鲜牛乳和全脂乳粉。

市售纯牛乳、纯鲜牛乳，每
100mL 牛乳中蛋白质含量≥2.9g ；全脂乳粉，每100g 乳粉中的平均蛋白质含量≥24g ；市售大豆
油（外来脂肪）；NaCl （食盐）、蔗糖、尿素均为分析纯试剂，杭州汇普化工仪器有限公司；水（蒸馏水）。

磁力搅拌器，杭州仪表电机有限公司。

1.2电子舌系统
试验用的电子舌系统主要由传感器阵列、多
频脉冲扫描仪和计算机3部分组成（见图1）。

收稿日期：2010-04-20
基金项目：浙江省高校“重中之重学科”建设项目（ZZ05-07）；
浙江省大学生科技成果推广项目（1110JQ4209015
）作者简介：范佳利，男，1986年出生，硕士生通讯作者：韩剑众
多频脉冲扫描仪
恒温水浴池
工作电极
参比电极
辅助电极
计算机
图1
电子舌系统结构示意图
Fig.1Structure sketch map of electronic tongue system
Vol．11No．2Apr ．2011
Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology
中国食品学报
第11卷
第2期
2011年4月
第11卷第2期
该电子舌为包含6个工作电极（铂电极、金电极、钯电极、钛电极、钨电极和银电极）的传感器阵列。

以1mm×5mm铂柱电极为辅助电极，Ag/AgCl 作为参比电极，通过6通道多频大幅脉冲信号激发采集装置，使工作电极对溶液进行多频大幅脉冲伏安法扫描。

正向最大多频大幅脉冲电位0.5 V，负向多频大幅脉冲电位-0.5V，递减脉冲幅度0.1V。

频率段为100、10、1Hz，相当于脉冲时间间隔分别为0.01、0.1、1s的大幅脉冲伏安法。

提取响应电流信号的物理、化学特征值进行数据处理和模式识别。

图2为典型的牛乳样品测定的信号激发和采集示意图。

在每个频率段提取43个特征值，每个工作电极提取129个点。

激发信号响应信号
图2大幅脉冲激发电势和电流响应信号
Fig.2Electric potential and current response signal inspired by large amplitude pulse
1.3试验方法
1.3.1牛乳中掺入水、食盐、蔗糖、尿素、大豆油
1）掺水样品的配制：在纯牛乳中掺入不同体积的水，按掺水体积的不同分为5组，即：50mL 纯牛乳、45mL纯牛乳和5mL水的混合乳、40mL 纯牛乳和10mL水的混合乳、35mL纯牛乳和15 mL水的混合乳、30mL纯牛乳和20mL水的混合乳。

2）掺食盐、蔗糖样品的配制：分别称取0、0.3、0.6、1.2g食盐或蔗糖溶于5mL水中，加入到45 mL纯牛乳中，制成8个掺假乳。

3）掺尿素样品的配制：称取5g尿素溶于20 mL水中，配成尿素工作液。

分别吸取0、2、4、6、8、10mL，加入到50、48、46、44、42、40mL纯牛乳中，制成6个掺假乳。

4）掺大豆油样品的配制：称取8g大豆油，用纯牛乳定溶到50mL，配成脂肪工作液。

分别吸取0、1、2、3、5、8mL上述工作液于50、49、48、47、45、42mL的纯牛乳中混匀，制成6个掺假乳。

1.3.2纯牛乳或纯鲜牛乳中掺入复原乳
1）纯牛乳掺入复原乳样品的配制：将123g全脂乳粉溶于1000mL水（65℃）中，用高速剪切分散乳化机乳化均质，得到均匀的复原乳，其蛋白质含量约为2.95g/100mL，与纯牛乳的蛋白质含量相近。

将纯牛乳和复原乳按以下体积比例混合，分为6组，即：100%纯牛乳、80%纯牛乳和20%复原乳的混合乳、60%纯牛乳和40%复原乳的混合乳、40%纯牛乳和60%复原乳的混合乳、20%纯牛乳和80%复原乳的混合乳、100%复原乳。

2）纯鲜牛乳掺入复原乳样品的配制同上述方法。

对按以上方法配制的所有试验样品使用磁力搅拌器混合均匀，常温（约20℃）下于烧杯中进行检测。

每组5个样品，每个样品体积为50mL，重复测定3次，求平均值得检测结果。

1.4数据处理与分析
主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）是模式识别中最基本的多元统计分析方法。

它是在保留原始变量主要信息的前提下将多元指标问题转换成少数几个综合指标问题，起到降维与简化问题的作用，使得人们在研究复杂问题时更容易抓住主要矛盾[8]。

提取电流采集信号的顶点和拐点值作为检测样品的变量。

以行向量代表样品，纵向量代表变量，将不同电极不同频率段的数据分别做主成分分析。

通过其主成分得分图，在二维和三维空间上
基于电子舌的掺假牛乳的快速检测203
中国食品学报
2011年第2期
比较各个电极不同频率段对样品的区分效果。

将主成分得分图上具有互补作用的电极数据横向叠加组成新的数据阵列，最终找出具有最佳区分效果的主成分得分图和电极数据叠加方式，同时找到区分这类样品最适合的电极阵列及多频脉冲频率段组合方式。

主成分分析使用SPSS11.0软件进行处理。

2
结果与讨论
2.1
掺入水、食盐、蔗糖、尿素及大豆油牛乳样品的电子舌检测
掺水是最直接、最常用的牛乳掺假方法。

为了
提高掺水牛乳的密度，往往加入食盐或蔗糖。

而掺入尿素和外来脂肪则可以提高牛乳中的蛋白质及乳脂肪含量。

按照本文1.3.1节中的试验方法配制5种常见形式的掺假牛乳样品，对检测数据进行主成分分析，结果见图3。

图中每个圈代表这种样品的整体特性，其中5个记号点分别代表此样品的5个重复样品。

不同样品的类间品质差异可以通过主成分得分图上的间隔距离表征，两类样品的间隔越远，说明其品质特性差别越大。

图3a 中主成分
1和主成分2保留了97.8%的原始数据信息，其中
主成分1包含的信息量为83.7%，对不同掺水比
例的牛乳样品能够很好地区分，随掺水体积比例的增加，样品的分布在主成分1轴上从右向左推移。

如图3b 、3c 所示，主成分1和主成分2得分图中各组样品能够落在各自区域范围，互不干扰。

其中纯牛乳和掺食盐或掺蔗糖牛乳样品沿各图中的对角线分开分布，且纯牛乳样品与其它各组样品间距离较大，表明掺食盐或掺蔗糖牛乳与纯牛乳样品间存在明显的品质差异。

不同食盐添加浓度样品的差异主要体现在主成分轴2上，而掺蔗糖样品间的差异则主要体现在主成分轴1上；同时样品分布都随浓度的增加呈规律性变化，且食盐或蔗糖添加量为0的加水样品与其它添加浓度的样品间隔明显偏大，说明食盐或蔗糖的加入明显改变了掺水牛乳的特性。

图3d 、3e 分别显示添加不同体积比的尿素或脂肪工作液的牛乳样品主成分得分的分布情况，得到与掺食盐或蔗糖样品类似的试验结果。

在主成分轴2上，可以有效区分纯牛乳和添加尿素或脂肪工作液的掺假样品；同时在主成分轴1上，随尿素或脂肪工作液添加体积比的增加，各组样品分布均朝同一方向推移。

试验结果表明电子舌不仅可以有效辨识纯牛乳和每种掺假牛乳，同时可以表征掺假物质添加浓度对牛乳品质特性的影响。

30mL 纯牛乳+20mL 水
35mL 纯牛乳+15mL 水
40mL 纯牛乳+10mL 水
45mL 纯牛乳+5mL 水
50mL 纯牛乳
纯牛乳+水+0.0g 食盐
纯牛乳+水+0.3g 食盐纯牛乳+水+0.6g 食盐纯牛乳+水+1.2g 食盐
纯牛乳
P C 2（14.1%）
210-1-2
-3-1.5
-1.0-0.50.00.5 1.0 1.5 2.0
PC1（83.7%）
（a ）
P C 2（14.0%）
-1.0
-0.50.0
0.5 1.0 1.5 2.0
PC1（77.6%）
（b ）
2.01.51.0
0.50.0-0.5-1.0
-1.5204
第11卷第2期纯牛乳
纯牛乳+水+0.0g 蔗糖
纯牛乳+水+0.3g 蔗糖
纯牛乳+水+0.6g 蔗糖
纯牛乳+水+1.2g 蔗糖纯牛乳
纯牛乳+2mL 尿素工作液
纯牛乳+4mL 尿素工作液
纯牛乳+6mL 尿素工作液
纯牛乳+8mL 尿素工作液
纯牛乳+10mL 尿素工作液
P C 2（38.4%）
-2.0
-1.5
-1.0
-0.50.0
0.5
1.0
1.5
PC1（46.6%）（c ）
1.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-
2.0-2.5P C 2（15.1%）
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5 1.0 1.5
PC1（70.4%）
（d ）
2.52.01.51.00.50.0-0.5-1.0
-1.5纯牛乳+1mL
脂肪工作液
纯牛乳+2mL 脂肪工作液
纯牛乳+3mL 脂肪工作液
纯牛乳+5mL 脂肪工作液
纯牛乳+8mL 脂肪工作液
纯牛乳
1.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5
-2.0-1.5
-1.0-0.50.00.5 1.0 1.5 2.0
P C 2（29.1%）
PC1（61.9%）
（e ）
图3掺入不同浓度掺假物质的牛乳样品主成分1和主成分2得分图：A 、B 、C 、D 、E
分别代表水、食盐、蔗糖、尿素、脂肪
Fig.3The PC1and PC2score patterns of whole milk samples with different adulteration contents ：
A ，
B ，
C ，
D ，
E represented respectively water ，NaCl ，sucrose ，urea ，lipide
2.2
纯牛乳和几种不同形式掺假牛乳的电子舌区分
牛乳中的常见掺假物质可以分为：电解质类，
如水、食盐、白矾等；非电解质类，如蔗糖、尿素、脂肪、淀粉等。

将纯牛乳和按1.3.1节试验方法配制的掺水（45mL 纯牛乳+5mL 水）、掺食盐或掺糖（45mL 纯牛乳+5mL 水+0.3g 食盐或蔗糖）、掺尿素（48mL 纯牛乳+2mL 尿素工作液）、掺大豆油（49mL 纯牛乳+1mL 大豆油工作液）等掺假牛乳的电子舌检测数据整合后进行主成分分析，结果
见图4。

图4中仅掺大豆油的牛乳样品点有一个落在掺糖牛乳的区域，其它各种牛乳样品均分布在各自的区域。

此外，主成分轴2上样品的分布情况可以体现掺入物质的部分电解性质。

掺水和食盐的掺电解质牛乳的主成分2得分分布比较接近（约0.5～1.0），而掺蔗糖、尿素和大豆油的掺非电解质牛乳的主成分2得分均＜0（-0.5～-1.5）。

2.3纯牛乳、纯鲜牛乳、复原乳及其混合牛乳的电子舌检测
乳制品生产过程中的热处理强度对其营养和
基于电子舌的掺假牛乳的快速检测
205
中国食品学报
2011年第2期
风味的影响显著。

纯牛乳、纯鲜牛乳和全脂乳粉主要热处理工艺分别为超高温灭菌、巴氏杀菌和喷雾干燥。

有研究资料表明超高温灭菌乳的风味和营养不如新鲜的巴氏杀菌乳，其差别与加热强度的差别一样明显[9]。

图5为纯牛乳、纯鲜牛乳和复原乳的电子舌检测结果图。

前两个主成分保持了原始数据99.2%的信息量，其中主成分1的贡献率达到97.8%。

主成分1轴上可以明显区分纯鲜牛乳和纯牛乳或复
原乳，且纯鲜牛乳与另两种样品的类间距离较纯牛乳与复原乳样品间距离大，说明纯鲜牛乳与纯牛乳和复原乳间存在明显品质差异。

这主要是因为纯鲜牛乳热处理工艺为低温巴氏杀菌，而纯牛乳和全脂乳粉分别采用超高温灭菌和喷雾干燥，后两者均属于高温热处理，对生鲜原料乳的品质影响较大。

纯牛乳和纯鲜牛乳各掺入不同体积比复原乳的混合乳样品检测数据的主成分分析结果见图6和图7。

两张图中主成分1的贡献率均大于
90.0%，分别为96.0%、94.0%。

图6中100%纯牛乳
和100%复原乳样品分别落在各自的区域，且与其它样品明显区分开。

其它样品由复原乳掺入比例导致的分布变化主要体现在主成分轴2上，但复原乳体积比例为20%、40%和60%时样品分布出现部分重叠。

图7中纯鲜牛乳分布在图中左半区，与其它样品在主成分轴1上区分明显。

其它掺复原乳的样品随掺入比例在主成分轴2上沿同一方向规律性分布。

此外，从图6和图7还可以看出电子舌对纯鲜牛乳和复原乳的混合乳样品区分效果较纯牛乳和复原乳的混合乳样品好，其原因主要是纯鲜牛乳和全脂乳粉生产的热处理强度差异较纯牛乳和全脂乳粉间的强度差异大。

掺食盐牛乳
纯牛乳
掺水牛乳
掺外来脂肪牛乳
掺糖牛乳掺尿素牛乳纯鲜牛乳
复原乳
纯牛乳
1.5
1.00.50.0-0.5-1.0-1.5-
2.5
-2.0-1.5-1.0-0.50.00.5
1.0
P C 2（32.9%）
PC1（54.3%）
图4纯牛乳和5种不同形式的掺假牛乳的主成分1和主成分2得分图
Fig.4The PC1and PC2score patterns of whole milk
and five different kinds of adulterated milk samples
2.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.00.5 1.0
P C 2（1.4%）
PC1（97.8%）
图5纯牛乳、纯鲜牛乳和复原乳的主成分1
和主成分2得分图
Fig.5The PC1and PC2score patterns of whole UHT sterilized milk ，pasteurized milk and reconstituted milk
100%复原乳
80%纯牛乳+20%复原乳
40%纯牛乳+60%复原乳60%纯牛乳+40%复原乳20%纯牛乳+80%复原乳
100%纯牛乳
P C 2（1.9%）
PC1（96.0%）
2
10-1-2
-3-2
-10
1
234
图6不同体积比的纯牛乳和复原乳混合乳样品的
主成分1和主成分2得分图
Fig.6The PC1and PC2score patterns of mixed milk samples made of different whole UHT sterilized milk
and reconstituted milk volume proportions
206
第11卷第2期80%纯鲜牛乳+20%复原乳
60%纯鲜牛乳+40%复原乳
40%纯鲜牛乳+60%复原乳20%纯鲜牛乳+80%复原乳
100%复原乳100%纯鲜牛乳
总体而言，电子舌不仅可以辨识纯牛乳和掺假牛乳，而且可以区分常见掺假牛乳的掺假形式。

此
外，同一掺假形式的样品随掺加比例呈规律性分
布，电子舌可以监测不同掺假物及其浓度差异造成的牛乳品质的变化情况。

3结论
多频脉冲电子舌作为一种新型的现代化智能
仿生系统，依据其样品预处理简单，操作方便，重现性好等特点，在越来越多的领域显示巨大的应用潜
力。

本研究以多频脉冲电子舌为基础，选择纯牛乳、纯鲜牛乳及几种常见的掺假牛乳为研究对象，结果表明：电子舌不仅能够有效辨识纯牛乳和不同掺假牛乳的品质特性，而且可以表征掺假物质的不同添加量对牛乳品质造成的影响。

这为现代乳品企业及有关监管部门监测、评价和控制乳制品的品质提供了新的研究思路和有效手段。

3210-1-2-4
-3-2-101
2
P C 2（2.9%）
PC1（94.0%）
图7不同体积比的纯鲜牛乳和复原乳混合乳样品的
主成分1和主成分2得分图
Fig.7The PC1and PC2score patterns of mixed milk samples made of different whole pasteurized milk and
reconstituted milk volume proportions
参
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Rapid Detection of Adulterated Milk Based on Electronic Tongue
Fan Jiali
Han Jianzhong *Tian Shiyi
Deng Shaoping
（Department of Food Quality and Safety ，Zhejiang Gongshang University ，Food Safety Key Lab of Zhejiang Province ，
Hangzhou 310035）
Abstract
To seek a method of rapid monitoring of milk quality ，adulterated milk were analyzed by the electronic
tongue coupled with principal component analysis （PCA ）.Milk samples adulterated with water ，NaCl ，sucrose ，urea or bean oil ，reconstituted milk and UHT sterilized milk samples were analyzed.The experimental results showed that elec -tronic tongue could discriminate not only between UHT sterilized milk and different kinds of adulterated milk ，but also UHT sterilized milk ，pasteurized milk ，reconstituted milk and their mixed milk.The application of electronic tongue in adulterated milk with different additive proportions showed the similar result ，too.The electronic tongue could be used for rapid detection of adulterated milk ，and also for effective monitoring of milk quality with a database of typical standard samples.The electronic tongue shows a greater potential in the evaluation of dairy products quality.
Key words
milk ；electronic tongue ；adulteration ；rapid detection
乳汁细胞基因异常或与乳腺癌相关
美国研究人员4日发表研究报告说，妇女乳汁细胞中的特定基因变化可能与患乳腺癌风险相关。

马萨诸塞大学的研究人员在佛罗里达州举行的美国癌症研究协会年会上说，他们对271位哺乳妇女的乳汁细胞进行了研究。

目前的研究结果发现，如果乳汁细胞中特定基因的甲基化水平异常升高，妇女患乳腺癌的风险就会上升。

甲基化可以调节基因的表达和关闭，与癌症等许多疾病密切相关。

负责这项研究的凯瑟琳·阿尔卡罗说，在下一步研究中，需要增加取样范围，以进一步明确乳汁细胞中的基因变化与乳腺癌之间的联系。

（消息来源：科技日报）
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