基于电子舌的不同储藏期红鱼粉区分与新鲜度评价

■ 王 莉 牛群峰 赵红月 惠延波

（1.河南工业大学电气工程学院，河南郑州450007；2.河南工业大学生物工程学院，河南郑州450007）

我国作为饲料生产大国，越来越多的鱼粉需要进口。但在鱼粉储藏过程中，由于原料鱼的品质和储藏方法等因素影响，鱼粉品质会随之发生变化，这将直接使鱼粉营养价值降低、同时影响动物的消化与免疫能力。因此鱼粉新鲜度是鱼粉质量评价体系中的重要分支，对鱼粉新鲜度检测一直是饲料工业研究的重要内容之一。目前对鱼粉品质评价主要为常规营养物质的检测，对鱼粉新鲜度的新型检测方法仍在研究中。评价鱼粉新鲜度的重要指标主要为挥发性盐基氮、组胺、酸价与过氧化值含量等。

电子舌[1-5]是一种利用选择性、非特异性的金属电极阵列感测样品的整体特征响应信号，通过模式识别或合适的化学计量学方法，对样品进行定性定量分析的新型现代化分析仪器。电子舌技术研究近些年得到了长足的发展，广泛应用于食品工业、环境监测、药品工业等方面。将电子舌技术应用于不同鱼粉新鲜度品质的评价，为饲料行业鱼粉新鲜度客观无损检测提供一种新的方便有效方法。

1 电子舌检测系统构建

电子舌检测系统主要包括电子舌激励采集模块、电子舌分析识别模块和显示模块。其中，电子舌激励采集模块用于采集鱼粉溶液响应电流信号；电子舌分析识别模块用于识别不同新鲜度的鱼粉和检测鱼粉新鲜度评价指标含量；显示模块用于显示分析结果。图1为电子舌检测系统结构示意图。

图1 电子舌检测系统结构

电子舌检测系统包含的主要功能模块见图2。电子舌激励采集模块包括：多传感器阵列单元、激励电势信号产生单元、信号调理单元和响应电流信号采集单元。其中，多传感器阵列单元用于感知待测鱼粉溶液的整体特征；激励电势信号产生单元用于产生待测鱼粉溶液所需的循环伏安扫描电势；信号调理单元用于对响应电流信号进行处理，转换成合适的电压信号；响应电流信号采集单元负责采集待测鱼粉溶液电子舌响应的电压信号。系统由多传感器阵列、电路板、NI机箱等硬件和基于LabVIEW8.6虚拟仪器平台开发的激励电势产生、数据采集、传感器优化、分析处理、显示等软件组成。多传感器阵列采用金属电极：工作电极、参比电极和辅助电极。工作电极为2 mm铂、金、银、钯、钛、钨盘电极组合，参比电极为6 mm Ag/AgCl电极，辅助电极为1×5 mm铂柱电极。

电子舌分析识别模块主要包括鱼粉区分识别单元和鱼粉新鲜度评价指标含量检测单元。鱼粉区分识别单元采用主成分分析法定性区分识别不同新鲜度的鱼粉样本；鱼粉新鲜度评价指标含量检测单元用于建立电子舌响应电流信号与评价指标含量的预测模型，采用所建立的预测模型计算得到响应电流信号对应的鱼粉新鲜度评价指标含量。本文采用鱼粉中所含挥发性盐基氮含量作为鱼粉新鲜度评价指标。

图2 电子舌检测系统的主要功能模块

2 材料和方法

2.1 试验原料

取进口秘鲁蒸汽干燥红鱼粉均匀放置于温度30℃、湿度60%的恒温恒湿培养箱中储藏，每天监测温度和湿度。每隔7 d取出2份试样，一份用于电子舌系统检测，一份用于化学方法分析，对试样的盐基氮含量进行检测并记录实验结果，整个实验周期35 d。

2.2 主要仪器

电子舌检测系统；5-12型箱式电阻炉；T6紫外可见分光光度计；AR2140电子分析天平；101A-1B电热鼓风干燥箱；DL-1型万用电炉；WS-A1型温湿度表；YC-D205加湿器。

2.3 实验方法

2.3.1 电子舌检测方法

称取5 g标准新鲜度红鱼粉试样置于锥形瓶中，加入30 ml蒸馏水，震荡并浸泡30 min后用滤纸过滤，蒸馏水稀释至50 ml（V总）备用。移取30 ml滤液用于电子舌系统的检测。将电子舌的多传感器阵列置于鱼粉滤液之中，检测装置开始工作。首先采集待测鱼粉溶液在循环伏安扫描电势激励下、在不同工作电极下产生的响应电流信号，然后对电流信号进行分析、处理和识别，得到不同新鲜度的鱼粉区分识别图和鱼粉新鲜度评价指标含量，并输出显示。

循环伏安法的参数设置：初始电位Ei=-2 V；低电位为E=-2 V；高电位为E=+2 V；终止电位为Ef=-2 V；扫描速率为100 mV/s；数据采样频率为100 Hz。电子舌对编号为A1～A6的不同新鲜度红鱼粉样本进行检测，每个编号的鱼粉样本重复测取5次，共进行30次电子舌实验。每一个鱼粉样本的电子舌信息由6种金属工作电极的电流响应来表征。编号为A1的鱼粉样本的伏安响应曲线如图3所示。

图3 鱼粉样本的伏安响应曲线

2.3.2 挥发性盐基氮含量的化学测量

挥发性盐基氮[6-7]含量测定：从50 ml红鱼粉滤液(V总)移取5 ml(V分)滤液置于蒸馏反应室，加入5 ml氧化镁悬浮液后迅速盖塞。将20 ml 2%硼酸吸收液置于锥形瓶中，滴加2～3滴混合指示剂，将蒸馏器冷凝管伸入锥形瓶液面以下。通蒸汽蒸馏至硼酸吸收液颜色不再变化，用pH试纸在冷凝管口检测为酸性则停止。对吸收液用0.01 mol/l盐酸标准溶液进行滴定，滴定至蓝绿色转为灰红色半分钟内无颜色变化即为滴定终点。挥发性盐基氮含量的计算公式：X=（V1-V2）×C×14×100/m×（V分/V总）。式中：X为挥发性盐基氮含量（mg/100 g），V1为消耗盐酸标准液体积（ml），C为盐酸标准液浓度（mol/l），V2为空白消耗盐酸体积（ml），m为试样质量（g）。2.3.3 电子舌数据分析处理方法

主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）是一种降维处理方法，能够把原有多个变量转化为少数综合指标的一种多元统计方法。用较少的几个综合指标代替原来的变量指标，而且这些较少的综合指标技能尽量多地反映原来较多变量指标所反映的信息，同时它们之间又是彼此独立的。本文采用主成分分析方法定性识别不同新鲜度的鱼粉样本。通常取主成分累计贡献率达85%～95%的特征值所对应的主成分来表征样品信息。

鱼粉样本电子舌响应电流信号均存在一定的噪声干扰、毛刺，在对信号数据分析之前需进行信号数据的预处理，得到高信噪比的数据信号。采用主成分分析算法前需对鱼粉样本数据矩阵做标准化处理。

3 结果与分析

3.1 鱼粉样本挥发性盐基氮的含量分析（见图4）

图4 不同新鲜度鱼粉挥发性盐基氮含量

从图4可以看出，鱼粉中的挥发性盐基氮含量随着储藏时间的增加而增加，在储藏初期不断增加，后期略有下降。从储藏开始的97.32 mg/100 g增加到储藏21 d的124.37 mg/100 g，到储藏28 d的118.48 mg/100 g。挥发性盐基氮含量作为鱼粉中微生物分解产生的挥发性氨和胺类物质，它的增加可作为鱼粉品质降低的重要指标。因此，随着鱼粉储藏时间的增加，实验中的鱼粉品质随之慢慢下降，虽然挥发性盐基氮含量值在储藏后期出现较少降低，可能是随着储藏时间的增长盐基氮有少量分解挥发的缘故。

3.2 电子舌系统对红鱼粉区分与新鲜度评价

3.2.1 红鱼粉新鲜度定性区分

电子舌系统对0～35 d编号为A1～A6鱼粉整体品质进行检测，进行不同储藏期红鱼粉区分与新鲜度评价。六种不同金属工作电极（Pt、W、Ag、Pd、Ti、Au）对同一种鱼粉的电流响应反映了鱼粉样本的整体信息，因此可以采用六种工作电极的电流响应来表征一种鱼粉样本。每一种鱼粉样本作为一个观测，鱼粉样本的电流响应为样本数据值，构造编号为A1～A6鱼粉样本的数据矩阵。采用主成分分析算法对鱼粉样本数据矩阵进行分析处理，由于前两个主成分的累积贡献率已达到85%以上，能够充分表征鱼粉的样本信息。因此选择前两个主成分对不同储存时间即不同新鲜度的鱼粉样本进行分类识别。此外，鱼粉样本数据中在测量过程存在个别样本奇异性，在数据处理过程中要对奇异的个别样本测量值选择合适的数据处理算法进行剔除。鱼粉的电子舌响应数据主成分分析数据分析结果如图5所示。图中每个点代表测取的合格数据，每个区域代表同一样品的样品内差异，区域之间代表不同样品之间的整体差异。

图5 鱼粉样本的主成分分析结果

从图5中可以看出，①电子舌系统能够将0～35 d编号为A1～A6的6种不同储藏期的鱼粉样本很好地区分开。不同储藏期的红鱼粉具有不同的分布区域，鱼粉样本的主成分得分图能够展示不同储藏时间对鱼粉新鲜度的影响，区分效果显著。②结合不同储藏时间鱼粉样本挥发性盐基氮的含量变化规律，除前14 d区分较弱外，不同储藏期鱼粉样本沿着主成分得分图纵轴依次排列，能够清楚展示不同储藏时间对鱼粉新鲜度影响，表明电子舌系统能够作为鱼粉新鲜度评价和鱼粉品质控制的定性分析方法。

3.2.2 红鱼粉盐基氮含量定量预测模型

从以上分析结果可以看出，电子舌系统能够很好地分类识别出不同新鲜度的鱼粉样本，而且鱼粉样本挥发性盐基氮TVB-N含量与电子舌响应具有相关性，本文建立所述电子舌响应电流信号与评价指标含量的预测模型，采用所建立的预测模型计算得到所述响应电流信号对应的评价指标含量——盐基氮含量。由于主成分分析数据维数较多，先对鱼粉的电子舌响应电流信号值进行降维处理，数据通过主成分分析降维，把多个指标转化为少数几个综合指标，而尽量不改变指标体系对因变量的解释程度。经过处理，PCA将原始数据压缩至5个主成分分量，即PC1-PC5，累积贡献率达到87.285%。以这5个主成分分量为自变量，鱼粉的TVB-N的含量为因变量，应用主成分回归建立预测模型。

主成分回归（PCR）的预测模型为：

TVB-N含量的主成分回归的预测值和其实测值线性拟合的相关系数为：R=0.819 5。由式（1）可根据5个主成分分量值预测出鱼粉的TVB-N的含量，实现表征鱼粉新鲜度指标的定量分析。

4 结论

电子舌是利用液体传感器阵列的响应信号结合模式识别方法来识别待测物的智能仿生系统，是人类味觉的延续。本文设计一种电子舌系统对不同新鲜度的红鱼粉样本进行伏安检测，并采用主成分分析、主成分回归预测模型进行分类识别和分析评价。

实验结果表明，构建的电子舌测试系统能够应用于不同新鲜度的红鱼粉样本的定性定量分析检测中，为不同新鲜度鱼粉快速无损检测评价提供了新的检测方法和应用方向。