摘要: 近年來，肉品在國民消費(fèi)中占據(jù)越來越重的比例，對許多人而言已經(jīng)成為他們獲取動物蛋白的第一來源，但肉品在生產(chǎn)、加工、銷售和消費(fèi)等環(huán)節(jié)中極易發(fā)生腐敗變質(zhì)，尤其以微生物作用引起的腐敗最為顯著。在傳統(tǒng)的肉品評價(jià)過程中，氣味是評價(jià)肉品是否發(fā)生腐敗變質(zhì)的重要指標(biāo)，而過去沿用的人工感官評價(jià)方法受主觀因素主導(dǎo)，難以形成一個(gè)適用于現(xiàn)代快速準(zhǔn)確的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，所以電子鼻的出現(xiàn)并用于肉品檢測至關(guān)重要。目前，電子鼻作為無損快速檢測手段在肉品腐敗檢測領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。該文主要介紹了電子鼻的組成和工作原理，綜述了電子鼻在各類肉品腐敗狀況檢測和肉類微生物污染評價(jià)上的重要應(yīng)用和研究進(jìn)展，主要包括牛肉、豬肉、雞肉及魚類等腐敗狀況的檢測，以及對肉類優(yōu)勢腐敗菌的識別和預(yù)測。

　　關(guān)鍵詞: 電子鼻；肉品腐?。慌Ｈ?； 豬肉； 雞肉；魚類； 微生物

　　在上個(gè)世紀(jì)關(guān)于肉品研究的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新已經(jīng)可以引起肉類生產(chǎn)、加工、銷售和消費(fèi)的革命性變化。近年來，肉品的生產(chǎn)和消費(fèi)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有越來越重要的地位，據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990 年開始，我國的肉類產(chǎn)量多年來連續(xù)占據(jù)世界首位，2013 年更是達(dá)到了8536 萬噸，人均達(dá)到了62.7 千克。與此同時(shí)，肉品由于腐敗變質(zhì)造成的損失也十分嚴(yán)重，尤其以微生物作用引起的腐敗最顯著，對肉品腐敗檢測的研究也逐漸被重視。

　　在肉品是否發(fā)生腐敗的判斷中，氣味是一個(gè)很重要的指標(biāo)。然而，人工感官評價(jià)對肉品腐敗狀況的評價(jià)會受到很多因素的影響，帶有很強(qiáng)的主觀性，而且專業(yè)的鑒評人員需要經(jīng)過很長時(shí)間的訓(xùn)練，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，靈敏度低，較難形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。而一些常規(guī)的氣味分析方法，如氣相色譜法、氣質(zhì)( GCMS)法，雖然具有較高的靈敏度，但其樣品需要復(fù)雜繁瑣的前處理過程，難以適應(yīng)快速檢測的需要。針對以上問題，電子鼻作為一種快速準(zhǔn)確識別、分析和檢測復(fù)雜氣體的儀器漸漸得到發(fā)展和應(yīng)用。

　　目前，電子鼻已經(jīng)廣泛應(yīng)用于肉品的質(zhì)量評價(jià)、等級判定、新鮮度判斷、類別區(qū)分、生產(chǎn)過程檢測與安全控制等方面。例如，Rajamaki 等人用金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器陣列，對氣調(diào)包裝豬肉的品質(zhì)進(jìn)行了分析和評價(jià)。Hansen 等人使用六個(gè)金屬氧化物傳感器組成的電子鼻在線分析肉制品加工過程中的氣體成分變化，以此評價(jià)肉品質(zhì)量。所以，在對肉品品質(zhì)變化和質(zhì)量評估的研究中，尤其針對各種肉品的腐敗檢測，電子鼻的應(yīng)用日益廣泛。

　　電子鼻是上世紀(jì)90 年代發(fā)展起來的一種模擬動物嗅覺的裝置，將氣敏性能彼此重疊的電化學(xué)氣體傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R別系統(tǒng)結(jié)合起來，識別簡單或復(fù)雜的氣體。1984 年美國的Zaromb 和Stetter 首先提出用氣體傳感器陣列對復(fù)雜氣體進(jìn)行定性和定量分析。1988 年，英國華威大學(xué)( The Universityof Warwick) 的Gardner 與Bartlett 首先提出“電子鼻”的概念。發(fā)展至今，電子鼻已將仿生學(xué)、傳感技術(shù)、模式識別以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科融于一體，在酒類、茶和咖啡、乳制品和魚肉制品等方面都有許多研究報(bào)道，對于食品安全與質(zhì)量的檢測有很好的應(yīng)用前景。

　　

　　如圖1 所示，典型的電子鼻由三部分組成: 傳感器陣列，信號預(yù)處理和模式識別?；旌蠚怏w進(jìn)入電子鼻系統(tǒng)，首先呈現(xiàn)在具有特異性的傳感器陣列面前，陣列中的每個(gè)傳感器對混合氣體的每種成分都有不同的靈敏度，所以傳感器陣列對不同氣體的響應(yīng)圖案也是不同的。目前，各種不同的傳感器被開發(fā)出來，其中應(yīng)用最廣泛的有金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器(MOS)，導(dǎo)電聚合物氣敏傳感器(CP) 和石英晶體微天平傳感器(QCM)?；旌蠚怏w與傳感器陣列發(fā)生響應(yīng)產(chǎn)生的電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集和A/D 轉(zhuǎn)換得到一系列響應(yīng)信號，但這類信號過于冗長，在進(jìn)入模式識別前，必須進(jìn)行信號預(yù)處理( 消除噪聲、特征提取、信號放大等) 提取有用信息，這一過程也稱為提取特征參數(shù)，然后進(jìn)一步提取特征值，最后送入模式識別系統(tǒng)，得到混合氣體的種類和濃度信息。用于信息后期處理的模式識別包括主成分分析法(PCA) ，線性判別法( LDA) ，偏最小二乘法(PLS) ，聚類分析(CA) ，支持向量機(jī)(SVM) ，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN) 等，在這些信息處理方法中，PCA，LDA，PLS和CA 基于線性方法，ANN 和SVM 基于非線性方法。PCA 是電子鼻數(shù)據(jù)處理中最常用的一種方法，它將原來具有一定相關(guān)性的眾多指標(biāo)重新組合成互不相關(guān)的幾個(gè)綜合指標(biāo)即主成分，在保留絕大部分信息的基礎(chǔ)上對原始數(shù)據(jù)降維處理，有利于多維信息的可視化和樣本分類?；贏NN 的模式識別方法廣泛使用在電子鼻定量分析中，它能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的非線性映射，比起線性方法具有更強(qiáng)的分類能力，容錯能力強(qiáng)，檢測精度高，已成為當(dāng)前電子鼻數(shù)據(jù)處理的重要方法，包括BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPANN)和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PNN) 等。

　　近年來電子鼻技術(shù)在肉品腐敗檢測方面顯示了巨大的潛力，對各類肉品腐敗的檢測及預(yù)測已有大量的研究，研究對象主要包括四種肉類: 牛肉、豬肉、雞肉及魚類。

　　目前，對牛肉的嫩度研究較多，因?yàn)檫@是消費(fèi)者眼中一個(gè)有關(guān)牛肉是否美味的重要指標(biāo)，而新鮮牛肉與腐敗牛肉的嫩度是截然不同的。很多研究嘗試用電子鼻這種無損傷的方法進(jìn)行牛肉的腐敗評估，最常用的是利用電子鼻區(qū)分新鮮牛肉與腐敗牛肉。Blixt 和Borch 使用電子鼻定量測定真空包裝牛肉的腐敗，對來自于四個(gè)不同屠宰場的牛肉進(jìn)行微生物分析和感官評價(jià)，進(jìn)而評價(jià)牛肉的腐敗程度，同時(shí)使用電子鼻測定其儲藏過程中的氣味指紋信息，通過PLS方法建立真空包裝牛肉腐敗程度與電子鼻信號值之間的定量關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94。

　　電子鼻不僅可以區(qū)分不同新鮮度的牛肉，而且可以通過建立其信號值與一些腐敗指標(biāo)的相關(guān)性來預(yù)測牛肉的腐敗程度。洪雪珍等人對一批新鮮牛肉進(jìn)行感官評價(jià)、揮發(fā)性鹽基氮檢測、微生物含量檢測和電子鼻檢測，電子鼻響應(yīng)值通過化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和模式識別進(jìn)行分析，使用馬氏距離分析(MDA)、PCA和LDA區(qū)分牛肉不同儲藏時(shí)間的氣味組成，結(jié)果表明不同冷藏天數(shù)的樣品相互之間可以很好區(qū)分；使用BPNN 和廣義回歸網(wǎng)絡(luò)(GRNN) 方法分別建立牛肉冷藏時(shí)間、揮發(fā)性鹽基氮、細(xì)菌總數(shù)和感官得分的預(yù)測模型，其中GRNN 模型效果更好，對上述四個(gè)指標(biāo)的預(yù)測誤差分別為1.36d、4.64×10－ 2mg/g、1.61×106cfu /g和1.31。這一研究表明電子鼻通過預(yù)測牛肉的多個(gè)新鮮度指標(biāo)來預(yù)測牛肉的腐敗程度是完全可行的。在牛肉的檢測中，很多方法只能定性地區(qū)分牛肉的不同新鮮度，而無法定量地描述牛肉的腐敗程度，電子鼻克服了這一點(diǎn)，結(jié)合一些其他的新鮮度指標(biāo)，完全可以定性定量地在線實(shí)現(xiàn)對牛肉腐敗的預(yù)測。

　　對豬肉的評價(jià)包含很多方面，如味道、外觀、顏色、瘦肥程度、嫩度、營養(yǎng)價(jià)值、安全等因素。新鮮肉與腐敗肉差別巨大，按傳統(tǒng)方法可根據(jù)顏色、硬度、水分流失，細(xì)菌總數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行分類。但是，這些指標(biāo)較難用于在線檢測或預(yù)測豬肉品質(zhì)，因?yàn)闆]有充分的時(shí)間進(jìn)行測定。所以，必須有一種與這些指標(biāo)相關(guān)同時(shí)快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的方法來有效的測定豬肉品質(zhì)。而電子鼻在這方面的應(yīng)用近年來一直是研究熱點(diǎn)。黃林等人使用電子鼻、近紅外和計(jì)算機(jī)視覺等無損技術(shù)預(yù)測豬肉的新鮮度，同時(shí)測定了豬肉的總揮發(fā)性鹽基氮( TVB-N) ，通過BPNN方法建立三種技術(shù)數(shù)據(jù)融合后的預(yù)測模型，其均方根誤差較小，決定系數(shù)高達(dá)0.9527。Wang 等人測定冷鮮豬肉儲藏過程中的電子鼻信號值和細(xì)菌總數(shù)，使用SVM 和PLS 方法建立對應(yīng)的預(yù)測模型，其相關(guān)系數(shù)和校正系數(shù)分別為0.94和0.88。洪雪珍等人使用電子鼻結(jié)合LDA方法區(qū)分豬肉的不同儲藏時(shí)間，發(fā)現(xiàn)區(qū)分效果很好；結(jié)合BPNN 方法預(yù)測豬肉的儲藏時(shí)間，預(yù)測集正確率達(dá)97.14%，訓(xùn)練集正確率達(dá)95.71%;；結(jié)合多元線性回歸方法預(yù)測豬肉的感官評分，決定系數(shù)高達(dá)0.9848。這些結(jié)果都證明了電子鼻具有評估豬肉腐敗的潛力，而且電子鼻在豬肉的質(zhì)量檢測中可以簡單快速的預(yù)測其腐敗程度。

　　電子鼻對這些指標(biāo)的檢測不僅可以使用在新鮮豬肉，還可以使用在豬肉制品中。Salinas 等人使用一組新的可視傳感器陣列來監(jiān)測新鮮豬肉腸的腐敗，每隔七天，檢測新鮮豬肉腸的顏色變化、細(xì)菌總數(shù)、感官評定得分以及傳感器信號值，使用PCA 方法區(qū)分新鮮豬肉腸儲藏不同天數(shù)的氣味，結(jié)果顯示每個(gè)儲藏階段氣味是不同的，相互之間可以區(qū)分；同時(shí)，使用PLS 方法建立傳感器的信號值和豬肉腸的儲藏天數(shù)、細(xì)菌總數(shù)、感官評定結(jié)果之間的相關(guān)性，其回歸系數(shù)分別為0.9300，0.9472 和0.9381。豬肉由于風(fēng)味、營養(yǎng)、價(jià)格等因素深受消費(fèi)者喜愛，在肉品中占據(jù)極為重要的地位，豬肉制品在市場上種類最為繁多，流通最為廣泛，可是每年豬肉的腐敗變質(zhì)現(xiàn)象也最為嚴(yán)重，而電子鼻對豬肉的腐敗檢測有著顯而易見的效果，據(jù)上述的研究結(jié)果，其對豬肉新鮮度建立的預(yù)測模型大多數(shù)準(zhǔn)確率超過90%，說明這是一項(xiàng)在豬肉腐敗檢測上行之有效的方法。

　　電子鼻首先應(yīng)用在牛肉和豬肉的檢測中，在紅肉、魚類的新鮮度檢測中應(yīng)用較多，但在家禽產(chǎn)品上相對較少。不過，雖然禽肉的電子鼻檢測方法發(fā)展得較慢，但其檢測能力并不比紅肉差． Rajam?ki 等人使用電子鼻結(jié)合PLS 的方法檢測氣調(diào)包裝肉雞片的質(zhì)量變化，結(jié)合微生物分析和感官評價(jià)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電子鼻完全可以檢測氣調(diào)包裝禽肉的早期腐敗。Boothe和Arnold 使用電子鼻評估儲藏在不同溫濕度條件下的四種雞塊的微生物指標(biāo)，結(jié)合PCA方法可以在儲藏的第一天區(qū)分4℃和13℃條件下四種不同處理的雞塊。據(jù)此可見，電子鼻完全有能力識別新鮮雞肉與腐敗雞肉之間的區(qū)別。

　　魚類肉質(zhì)鮮美，營養(yǎng)價(jià)值高，且脂肪含量比畜、禽肉低，深受消費(fèi)者的喜愛，但魚類在捕撈、運(yùn)輸、銷售過程中極易腐敗，喪失經(jīng)濟(jì)價(jià)值，所以魚類的新鮮度是魚類質(zhì)量評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。而電子鼻對魚類新鮮度的檢測操作簡便，快速準(zhǔn)確，重復(fù)性好，目前已經(jīng)成為魚類檢測的一個(gè)研究熱點(diǎn)?；輫A和陳裕泉使用電子鼻測定草魚樣品的響應(yīng)值，與其菌落總數(shù)指標(biāo)做相關(guān)性分析，結(jié)果表明有良好的對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)結(jié)合PCA 方法和信噪比譜方2法區(qū)分草魚的新鮮度，發(fā)現(xiàn)能很好地區(qū)分。O’Connell使用便攜式電子鼻檢測阿根廷鱈魚新鮮度，結(jié)合PCA 方法評價(jià)其是否腐敗，發(fā)現(xiàn)評價(jià)效果較好。Natale 等人用各種不同類型電子鼻( 機(jī)械、電氣和光學(xué)電子鼻) 測定鱈魚的氣味值，最后將不同類型電子鼻的信號比較和整合來評價(jià)其新鮮度，結(jié)果表明不同類型傳感器整合后的信號值比單種傳感器的信號評價(jià)鱈魚新鮮度時(shí)有更高的準(zhǔn)確性，能更好地模擬鱈魚的腐敗過程。

　　很多研究使用特定的傳感器對魚類腐敗進(jìn)行評價(jià)。Perera 使用一個(gè)單一金屬氧化物傳感器評價(jià)金頭鯛的腐敗程度，結(jié)果表明在變溫條件控制下傳感器信號值可以模擬金頭鯛的腐敗過程。 El Barbri使用包含一個(gè)金屬氧化物傳感器的電子鼻評價(jià)冷藏過程中沙丁魚的新鮮度，將樣品分為3類: 新鮮，可食用和不新鮮，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進(jìn)行分類，準(zhǔn)確率達(dá)96.88%。另外，Zaragozá 等人使用一種特定電子鼻對多種魚類的腐敗進(jìn)行檢測。2013 年其使用一種光電子鼻評價(jià)金頭鯛的貨架期，結(jié)合PCA 和PLS 方法分別對金頭鯛不同儲藏時(shí)間進(jìn)行區(qū)分以及與微生物數(shù)量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明完全可以區(qū)分并預(yù)測金頭鯛的新鮮度和貨架期。2014 年使用同類型的光電子鼻對大西洋鮭魚進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合PLS方法分別與生化指標(biāo)和微生物指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)模型準(zhǔn)確率高，說明這個(gè)系統(tǒng)對魚類的新鮮度檢測完全可行。此外2015年她使用可視傳感器陣列對魷魚建立腐敗評價(jià)模型，準(zhǔn)確率較高，可以較好地預(yù)測魚類儲藏期間一些理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)的變化，從而能夠快速、準(zhǔn)確、無損地評價(jià)魚類新鮮度。

　　近幾年國內(nèi)對魚類的新鮮度檢測也有了新的突破。穆麗君等人基于可視傳感器陣列評價(jià)鳊魚的新鮮度，結(jié)合BPNN 方法和聯(lián)合間隔偏最小二乘法(siPLS)方法分別建立檢測新鮮度的定性模型和定量模型，訓(xùn)練集和預(yù)測集準(zhǔn)確率皆達(dá)80% 以上。還有黃星奕等人也使用嗅覺可視化技術(shù)檢測海鱸魚的新鮮度，決定系數(shù)R2P達(dá)0.757，同時(shí)將其與近紅外光譜技術(shù)檢測結(jié)果進(jìn)行信息融合來建立預(yù)測模型，R2P較原來提高至0.882。嗅覺可視化技術(shù)是近幾年來新發(fā)展起來的仿生嗅覺技術(shù)，在魚類腐敗的檢測上，較傳統(tǒng)的嗅覺技術(shù)采用的氣體傳感器具有更高的靈敏度，而與其他技術(shù)聯(lián)用進(jìn)行多傳感器信息融合能夠描述魚類更多的品質(zhì)信息。

　　肉及肉制品腐敗是一個(gè)復(fù)雜的過程，在微生物和酶的作用下，蛋白質(zhì)和脂肪分解，肉品逐漸失去使用價(jià)值。目前，肉品發(fā)生腐敗變質(zhì)的大多數(shù)原因是由于微生物的作用。電子鼻對肉品腐敗的檢測絕大部分集中在與肉品儲藏中一些指標(biāo)( 如TVB-N、K值、感官評價(jià)得分、細(xì)菌總數(shù)等) 的變化或儲藏時(shí)間建立相關(guān)性，以此來建立預(yù)測模型，這些指標(biāo)的變化大部分是由于肉品在儲藏過程中微生物的種類及數(shù)量的變化導(dǎo)致?，F(xiàn)在微生物的檢測對實(shí)現(xiàn)肉品屠宰和加工線上快速準(zhǔn)確地檢測存在一定困難。一些常用的方法例如免疫學(xué)檢測方法雖特異性好、靈敏度高，但實(shí)驗(yàn)前要對樣品做比較繁瑣且困難的處理工作。所以未來電子鼻對肉品腐敗的檢測有必要著重于對肉品中的各類優(yōu)勢腐敗微生物進(jìn)行檢測、分類與評價(jià)。

　　Gutiérrez-Méndez 等人對乳酸鏈球菌的研究證實(shí)了電子鼻對一種或幾種微生物的檢測、分類與評價(jià)的可行性。他使用電子鼻評價(jià)乳酸鏈球菌的23株菌株產(chǎn)生的香氣，將這些菌株準(zhǔn)確分為四類。McEntegart使用氣體傳感器陣列對產(chǎn)氣腸桿菌進(jìn)行區(qū)分與評價(jià)，同樣是通過大腸桿菌產(chǎn)生的氣味來識別。胡惠平結(jié)合電子鼻和GC-MS技術(shù)對從豬肉中分離得到的幾種不同的假單胞菌亞種進(jìn)行區(qū)分，結(jié)果表明可將三株假單胞菌菌株區(qū)分開來，即惡臭、銅綠、熒光假單胞菌。這些研究都說明了微生物是具有其特征揮發(fā)物的，電子鼻可以通過評價(jià)腐敗菌的類別與數(shù)量來預(yù)測肉品的腐敗狀況。

　　目前，已有在肉品上對此進(jìn)行研究的報(bào)道。 Papadopoulou等人通過微生物氣味分析將牛肉分為三類: 新鮮，半新鮮和腐敗，使用電子鼻測定牛肉儲藏過程中的氣味變化，并同時(shí)檢測其細(xì)菌總數(shù)、假單胞菌數(shù)、乳酸菌數(shù)和大腸桿菌數(shù)，通過電子鼻的信號值變化來模擬這幾種微生物的數(shù)量變化，建立校正模型和驗(yàn)證模型，其準(zhǔn)確率分別高于0.9和0.8。對于肉品中微生物的評價(jià)，目前的研究中基于電子鼻建立的模型具有較高的準(zhǔn)確率，說明這一方向的研究是可行的。

　　本文主要概述了電子鼻這項(xiàng)仿生學(xué)模擬分析技術(shù)在肉品腐敗研究中的應(yīng)用。目前，電子鼻在各類肉品的新鮮度檢測、品質(zhì)預(yù)測和質(zhì)量評估等方面的報(bào)道較多，但很少涉及對肉品中具體優(yōu)勢腐敗微生物的研究，而且，現(xiàn)在肉品中的腐敗菌評價(jià)一般依靠于微生物生理生化上的一些指標(biāo)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不夠快速便捷。因此，電子鼻對肉品的腐敗檢測不僅是對各類肉品腐敗程度的檢測，更要對引起肉品腐敗的微生物進(jìn)行評估與預(yù)測。這是目前電子鼻在肉品研究方面的不足，也是未來其發(fā)展方向: 通過電子鼻對肉品各類腐敗菌進(jìn)行定性定量的分析，在微生物的純培養(yǎng)物的氣味評價(jià)上、不同亞種的揮發(fā)物區(qū)分上以及肉品中各類腐敗菌的計(jì)數(shù)研究上有所進(jìn)展． 通過進(jìn)一步研究，提取更多信息，可以實(shí)現(xiàn)電子鼻對肉品中腐敗菌的定性和定量化描述，滿足肉品腐敗檢測的實(shí)際需要，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)快速、在線監(jiān)測。