基于气敏传感器阵列和PCA的猪肉新鲜度快速分类方法[1]

对猪肉样品依次用电子鼻进行检测，得到各样 品的电子鼻输出信号与猪肉保存时间的关系。图３ 是１５℃保存条件下的电子鼻检测猪肉的时问曲线。 ＴＶＢＮ值和菌落总数随保存天数变化的曲线则如图 ４所示。从图中可以看出，气体传感器输出信号值 随猪肉保存时间的延长而逐渐增大。在保存第２ ｄ， ＴＶＢＮ值和菌落总数均已超过标准值。对比图３可 以看出传感器的响应趋势也是与ＴＶＢＮ值和菌落总 数一致的。同样针对５、１０℃保存下的猪肉检测也 可以得出同样的结论。图３还表明第２ ｄ上午出现 加速腐败迹象。类似，图４表明随着菌落总数在第 ２ ｄ上午的快速增长，说明微生物分解有机物速度 也在加快，因而在第２ ｄ上午出现传感器信号快速 增加的趋势。
表征猪肉腐败水平。
关键词：气敏传感器；猪肉新鲜度；电子鼻；ＰＣＡ
中图分类号：ＴＰ２１２．３；Ｔｓ２０１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４—１６９９（２０１０）１１—１５３６—０５
电子鼻是由具有部分选择性的气体传感器阵列 及其相应的模式识别系统组成的一台仪器，能够识 别单一或复合的气味、气体或其混合物¨订Ｊ。电子 鼻已在食品‘４。８】、食品包装‘９ｌ、医学…、化妆品‘４·９】 等领域开展应用研究，在食品质量评价领域显示出 应用潜力…“…。
挥发性盐基氮的测定按照国标（ＧＢ／Ｔ ５００９．４４— ２００３）中的半微量定氮法执行，将测量值依据ＧＢ２７０７— ２００５鲜（冻）畜肉挥发性盐基氮指标（ＴｖＢ—Ｎ值 （ｍｇ／１００９）≤１５）来判断各样品的新鲜度。微生物菌 落总数的测定则按照国标（ＧＢ／Ｔ ４７８９．２—２００３）来执 行，菌落总数超过１０６说明样品腐败变质。感官检验 采用ＧＢ２７０７—１９９４猪肉感官指标。
２００３肉与肉制品卫生标准》及《ＧＢ２７０７—２００５鲜 （冻）Leabharlann Baidu肉挥发性盐基氮指标》。
（２）微生物法（菌落总数测定） 参考《ＧＢ—Ｔ ４７８９．０２—２００３食品卫生微生物学检验》菌落总数 测定。
（３）自行研制的电子鼻检测系统本文分析了在 猪肉的贮藏过程中，猪肉的主要成分水、蛋白质、脂肪 和少量碳水化合物由于酶和细菌的作用发生分解变 化，产生各种挥发性气体，如蛋白质分解为氨、硫化氢、 乙硫醇，脂肪分解为醛类和醛酸类臭气，碳水化合物则 分解为醇类、酮类和羧酸类气体。随着猪肉的腐败，这 些气体的浓度越来越高［１８｜。本文根据猪肉腐败过程 中特征性挥发组分来选择Ｓｌ—Ｓ８的传感器，即Ｓ１ （ＭＱｌ３５，杭州科纳传感器件有限公司，氨、苯、乙醇及烟 雾型）、Ｓ２（＇ｒＧｓ８２５，费加罗公司，硫化氢型）、ｓ３ （ＴＧＳ８２４，费加罗公司，氨气及胺类型）、ｓ４（ＭＱ３，杭州 科纳传感器件有限公司，乙醇蒸汽型）、Ｓ５（ＴＧＳ８２６，费 加罗公司，氨气及胺类型）、ｓ６（ＴＧＳ８８０，费加罗公司，乙 醇烷烃型）、Ｓ７（ＴＧＳ８００，费加罗公司，烷烃烟雾型）、Ｓ８ （ＴＧＳ８２２，费加罗公司，乙醇类及有机溶剂气体型）等８ 个ＴＧＳ系列传感器及２个ＳＩＩＴ系列的温湿度传感器 （测量范围：０—１００％相对湿度、一４０—１２３℃，大连北 方测控）构成的传感器阵列。其系统结构图如图１所 示。即先通空气，经活性炭过滤后通人装有样品的试
ＷＵ Ｗｅｎｊｕａｎｌ”，ＦＡＮＧ Ｘｉａｎｇｓｈｅｎ９２，ＣＡＩ Ｑｉａｎｇ孙，ＷＡＮＧ Ｙａｎｃｈｕａｎ９２，ＺＨＡＮＧ Ｙａｎｊｕｎ２，
ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇｍｉｎ９１，ＬＩＵ Ｒｕｉ２，ＣＨＥＮ￡珈忍２
／１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅ＾，ｗ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｍｖｅｒｓｉ秒，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３７，Ｃｈｉｎａ；、
１５３８
传感技术学报
第２３卷
１．２．４数据分析方法 所有数据应用Ｏｒｉｇｉｎ软件进行处理，包括提取
传感器响应最大值、基线值及稳定值等。提取的传 感器响应值是最大值减去基线值。同时，应用ＳＰＳＳ 统计软件建立模型进行ＰＣＡ分析，通过运用ＰＣＡ 法对获得的原始多维矩阵数据进行降维处理，对具 有代表性的特征变量进行线性分析，从而达到用较 少传感器响应信号信息数据代表整个传感器阵列信 息的目的¨９Ｉ。本文中通过输入变量，包括８个传感 器响应值和２个湿度响应值，进行降维后提取出２ 个主分量，主成分的贡献率反映了该主成分所表征 原始高维矩阵信息的能力。并根据主分量做分类 图，分析猪肉腐败特征。
ｅｎｔ ｓｔｏｒａｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｓｏ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｎｏｓｅ ｃａｎ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｒｒｕｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅｍｉ—ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｐｏｒｋ ｃｏｒｒｕｐｔｉｏｎ．
、２．Ｙａｎｇｔｚｅ Ｄｅｌｔａ Ｒｅｇｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｓｉｎｇｈｔｔａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｘｉｎｇ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３１４００６，Ｃｈｉｎａ
，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｐｏｒｋ ｃｏｒｒｕｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｍｅｌｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｐｅｃｉａｌ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ Ｗａｓ ａ－ ｄｏｐｔｅｄ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｎｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｒｋ ｆｒｅｓｈｎｅｓｓ．Ｐｏｒｋ ｓａｍｐｌｅｓ ｓｔｏｒｅｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｄａｙｓ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｅｎｓｏｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｏｒｋ ｆｒｅｓｈｎｅｓｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＣＡ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｏｔａｌ ｖｏｌａｔｉｌｅ ｂａｓｉｃ ｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＴＶＢＮ）ａｎｄ ａｅｒｏ— ｂｉｃ ｂａｃｔｅｒｉａｌ ｃｏｕｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ａｓ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｏｆ ｐｏｒｋ ｆｒｅｓｈｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｒｅ— ｓｕｉｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｎｏｓｅ ｃａｎ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｃｏｒｒｕｐｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｒ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｐｏｒｋ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ ａｔ
鲜度的判别模式。同时采用挥发性盐基氮（ＴＶＢＮ）和微生物菌落总数检测实验进行对比分析。结果表明：在不同实验条件
下，由于微生物作用产生的猪肉腐败规律，可由电子鼻实时检测；把温湿度信息作为ＰＣＡ输入分量，能较好补偿温湿度造成的
传感器误差。但是对于不同保存温度，判别模式是不同的。结果也表明，建立的电子鼻系统可以分析腐败过程，并半定量地
第２３卷第１１期 ２０１０年１１月
传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ
Ｖ０１．２３ Ｎｏ．１１ ＮＯＶ．２０１０
Ｒａｐｉｄ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｒｋ Ｆｒｅｓｈｎｅｓｓ Ｕｓｉｎｇ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ａｒｒａｙ ａｎｄ ＰＣＡ Ｍｅｔｈｏｄ＋
万方数据
样瓶，然后再通入气室（气室结构图如图２所示），气室 连接数据采集系统进行数据采集。同时，尾气进入水 溶液吸收瓶中。
图１ 电子鼻系统示意图
图２气体检测腔示意图 １．２实验方法 １．２．１样品前处理
本实验所取样品是购自嘉兴市凤桥镇菜市场凌 晨宰杀的新鲜猪后腿肉，由便携式冷藏箱加冰块带 回。购回后用冰水清洗数次，去皮去脂，沥干，切块， 置于９０ ｍｍ灭菌的培养皿中，然后再放入５、１０和 １５℃恒温箱中保存，并用温湿度记录仪记录其温 湿度。 １．２．２电子鼻检测
但这些研究大部分使用通用气敏传感器阵列来 检测肉类新鲜度，缺乏针对性，识别率不高。因此， 本文分析猪肉腐败过程中主要特征气体，选择相应 传感器构建电子鼻系统来分析不同实验条件下猪肉 挥发性成分的变化，并测定ＴＶＢＮ、菌落总数判别猪 肉新鲜度，验证猪肉新鲜度电子鼻评价法的准确性。
１实验与方法
１．１材料与仪器 原料新鲜猪肉。 检测内容与方法： （１）挥发性盐基氮检测参考《ＧＢ／Ｔ ５００９．４４—
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ；ｐｏｒｋ ｆｒｅｓｈｎｅｓｓ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｎｏｓｅ；ＰＣＡ
ＥＥＡＣＣ：７２３０Ｊ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—１６９９．２０１０．１１．００４
基于气敏传感器阵列和ＰＣＡ的猪肉新鲜度快速分类方法术
吴文娟１”，方向生２，蔡 强幻，王彦闯２，张延军２，张永明１，刘
肉类是人们日常生活中一种重要的食品，其品 质的好坏对人体健康影响很大。新鲜度是猪肉品质
评定的重要指标，新鲜度是与其不同时期散发气体 特性相关的，因此可应用电子鼻来检测其新鲜度。 Ｇａｂｒｉｅｌａ等¨４１人用由３２个导电聚合物传感器组成 的电子鼻来鉴别分析真空包装以及在冷藏条件下储 存的牛肉，试验表明电子鼻技术能够对真空包装牛 肉的储存天数进行识别和分类。Ｂａｒｂｒｉ等［１５】人应 用金属氧化物气体传感器进行了牛肉和羊肉新鲜度 的评价，通过ＰＣＡ和支持向量机（ＳＶＭ）分析区分新
在５℃情况下保存的样品测量８ ｄ，每天测量１ 次；１０ ｏＣ保存的样品测量４ ｄ，每天测量１次；１５ ｏＣ 保存的样品测量３ ｄ，每天测量２次。实验当天，从 恒温箱中取出培养皿，把肉切成小块，称重５０ ｇ装 入事先冲洗干净的样品瓶中，准备５个样品，在 ５５℃恒温水浴锅里预热５ ｍｉｎ后开始实验。
首先，电子鼻测试系统预热１５ ｍｉｎ，通人经活性 炭过滤的洁净空气，通过数据采集系统获得传感器 信号；待信号基线稳定后，应用顶空方法采集气体， 采样泵流速为３ Ｌ／ｍｉｎ，采集时间为６０ ｓ。气体样本 预热后，在流控系统控制下流过传感器阵列，尾气通 入水溶液吸收处理。 １．２．３ ＴＶＢＮ、微生物检测和感官分析
２结果与讨论
２．１猪肉腐败过程的动态监测 猪肉在保存过程中，挥发性成分随保存时间的
变化而变化。通过感官分析，可以看出不同保存温 度条件下，随着保存天数的增加，猪肉的颜色由有光 泽、红色均匀、脂肪乳白色逐渐变为光泽度下降甚至 呈暗红色、表面发绿，坚韧性也逐渐降低、气味由无 异味逐渐变为有异味，高温度下甚至有刺鼻的恶臭。
ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｓｅｎｓｏｒ’ｓ ｅｒｒｏｒ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｂｙ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａ— ｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ａｓ ｉｎｐｕｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ＰＣＡ ｍｏｄｅｌ．Ｈｏｗｅｖｅｒ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒ－
，１．上海师范大学环境科学与工程系，上海２００２３７；
、
＼２．浙江清华长三角研究院生态环境研究所，浙江嘉兴３１４００６／
锐２，陈吕军２
摘 要：根据猪肉的腐败机理及其气味特征，合理选用了气敏传感器阵列，建立了一套用于猪肉新鲜度识别的电子鼻系统。
通过不同保存温度不同时间的猪肉样品的电子鼻检测实验，探讨了电子鼻的实时响应特性的补偿方法和基于ＰＣＡ的猪肉新
项目来源：国家科技支撑计划项目子课题资助（２００６ＢＡＤ３０８０３—０２） 收稿日期：２０１０—０４一Ｏｌ 修改Ｅｔ期：２０１０—０７—２０
万方数据
第１１期
吴文娟，方向生等：基于气敏传感器阵列和ＰＣＡ的猪肉新鲜度快速分类方法
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鲜和腐败的样品，而且在４℃条件下能够区分出７ ｄ 和５ ｄ等不同的货架期。Ｓｕｌｌｉｖａｎ等¨纠人用由８个 金属氧化物传感器形成的电子鼻对４种不同饲养方 式的猪肉在加工过程中的气味变化进行了分析，同 时评价了猪肉香气的变化、清晰地区分出了不同饲 养方式的猪肉。柴春祥Ⅲ１等人对猪肉进行感官评 价、挥发性盐基氮含量及气敏传感器输出信号值的 测定，并分析了三者的相互关系，结果表明气敏传感 器可以检测出２８℃条件下保存不同天数的猪肉。