基于电子鼻技术的传统手工牦牛酥油品质评价

The evaluation on the quality of traditional yak ghee by electronic nose

摘要

目的 评价传统手工牦牛酥油的品质，为食品工业的检验和产品品质优化提供参考依据。 方法 以16家牧户的传统手工牦牛酥油为原材料，采用最小显著性差异法（least significant difference，LSD）研究不同牧户酥油样品酸价、过氧化值和气味信息间的差异，采用主成分分析（principal component analysis，PCA）、典则判别分析（canonical discriminant analysis，CDA）和多层感知模型（multi-layer perceptron，MLP）定性判别及定量分析酥油产地和来源。 结果 16份牦牛酥油酸价（4.35~4.71 mg/g）均高于国标要求，过氧化值（0.000 0~0.007 5 g/100g）均在要求范围内；不同牧户牦牛酥油品质有差异。PCA分析可把16户牦牛酥油样品来源进行初步区分，CDA分析结果中各样品的数据点更聚集、样品组间距离变大，区分效果强于PCA，但仍有较多数据点重叠。采用MLP可定量判别传统手工牦牛酥油产地并追溯其来源，MLP 10-1-2网格结构结果显示，碌曲和玛曲两个产地的牦牛酥油类别效果平均值：准确率、精确率、灵敏度、特异度以及曲线下方面积分别为99.51%、99.53%、99.53%、99.50%和99.52%；MLP 10-1-16网格结构显示，16家牧户的牦牛酥油类别效果平均值：准确率、精确率、灵敏度、特异度以及曲线下方面积分别为98.97%、92.18%、92.23%、99.45%和95.84%。 结论 基于电子鼻技术可评价传统手工牦牛酥油品质。

Abstract

Objective The objective of this study was to evaluate the quality of traditional yak ghee and provide reference for food industry inspection and product quality optimization. Method The acid value，peroxide value，and odor information of yak ghee samples were analyzed using the Least Significant Difference (LSD) test.The place of production and origin of yak ghee were qualitatively and quantitatively analyzed using Principal Component Analysis (PCA)，Canonical Discriminant Analysis (CDA) and Multi-Layer Perceptron (MLP). Result The acid value (4.35~4.71 mg/g) was found to be higher than the national standard，while the peroxide value (0.000~0.0075 g/100g) fell within the required range.The quality of yak ghee varied among different families.PCA analysis successfully distinguished the sources of yak ghee samples from 16 families.In CDA analysis，the data points of each sample were more concentrated，resulting in larger distances between sample groups and a stronger discrimination effect compared to PCA.However，there were still some overlapping data points.MLP was employed for quantitative identification of the origin of traditional handmade yak ghee and traceability.The MLP 10-1-2 grid structure showed that the average accuracy，accuracy，sensitivity，specificity，and area under the curve for yak ghee in Luqu and Maqu were 99.51%，99.53%，99.53%，99.50%，and 99.52%，respectively.The MLP 10-1-16 grid structure showed that the average accuracy，accuracy，sensitivity，specificity，and area under the curve for yak ghee from 16 herdsmen were 98.97%，92.18%，92.23%，99.45%，and 95.84%，respectively. Conclusion Based on the findings of this study，the quality of traditional yak ghee can be effectively evaluated using E-nose technology.

Graphical abstract

关键词

电子鼻 / 牦牛酥油 / 品质 / 判别

Key words

electronic nose （E-nose） / yak ghee / quality / discrimination

Author summay

谢玲月，学士。E-mail：[e-mail]

随着旅游业的发展，藏区独特的牦牛酥油因其风味独特与文化特色，被更多消费者接受。牦牛酥油是牧民用传统手工方法从新鲜的牦牛奶中提炼出的一种黄油类乳制品^［1］，可直接食用，也可用于游牧民族儿童的润肤、治疗外伤、便秘、肺结核辅助治疗、新生儿硬肿症、压疮等^［2-3］。此外，牦牛酥油也被用于食品工业，如制做糖果、面包、蛋糕和奶油松饼等^［4］。

近年来，针对酥油的研究主要集中在酥油中菌群分析^［5-6］、蛋白质^［7］、脂肪^［8-11］等成分的快速检测，品质的检测^［12］与监控^［13］。快速检测中，电子鼻技术^［14-15］以便于移动、操作便捷、检测快速、对样品无损、稳定功能强等特点^［16］，应用于油脂产地^［17-18］、品质判别^［19-20］、掺假检测^［21-23］等方面。在油脂品质的检测与监控方面的研究中，薛璐等^［12］采用电子鼻监控酥油在不同温度贮藏过程中质量的变化，发现电子鼻能真实地反应酥油品质的实时状态，且其结果与理化指标的检测结果相似程度很高，将电子鼻方法用于快速检测酥油新鲜度是可靠的；针对牛油控制氧化的工艺，孔淑华和王永福^［13］研究了电子鼻作为在线检测方法的可行性，结果表明通过电子鼻进行的氧化牛油分组结果与其感官评价结果一致，利用电子鼻检测油脂氧化是可行的。但基于电子鼻技术评价传统手工牦牛酥油品质鲜有研究。本研究基于电子鼻对不同来源的传统手工牦牛酥油样品进行检测，采用最小显著性差异法（least significant difference，LSD）对牦牛酥油的酸价、过氧化值和电子鼻传感器响应信号进行差异性分析；采用主成分分析（principal component analysis，PCA）、典则判别分析（canonical discriminant analysis，CDA）对牦牛酥油产地定性判别；采用多层感知模型（multi-layer perceptron，MLP）对牦牛酥油产地、地区类别效果定量，从而为食品工业的检验和产品品质优化提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牦牛酥油购于甘肃省甘南自治州碌曲县（LQ）和玛曲县（MQ）16家不同牧户，每地各8户，每户酥油采样量不低于2 kg，共计16份。样品运至实验室后，双层保鲜袋密封于4 ℃冷藏。试验前，待样品恢复室温后检测其酸价、过氧化值和气味信息。

食用油酸价快速检测试剂盒、食用油过氧化值快速检测试剂盒：四川精卫食品检测科技有限公司；PEN3型便携式电子鼻：德国Airsense公司。

1.2 试验方法

1.2.1 酸价

将牦牛酥油样品从冰箱取出，待恢复室温后，称取1.0 g样品，根据食用油酸价快速检测试剂盒的说明方法，参考文献^［24］完成试剂添加，在560 nm波长处测定吸光度，进行3次平行试验，根据公式（1）计算结果。

Y=-6.2×X+4.67（1）

式中：Y为酸价，mg/g；X为吸光度值。

1.2.2 过氧化值

将牦牛酥油样品从冰箱取出，待恢复室温后，称取0.2 g样品，根据食用油过氧化值快速检测试剂盒的说明方法，参考文献^［25］完成试剂添加，在510 nm波长处测定吸光度，进行3次平行试验，根据公式（2）计算结果。

A=0.27×B-0.005（2）

式中：A为过氧化值，g/100g；B为吸光度值。

1.2.3 电子鼻检测

在室温条件下，称取2.0 g牦牛酥油样品置于500 mL烧杯中，使用双层保鲜膜密闭使其静置30 min，待顶空气体达到平衡^［26］；设定参数：载气流速为400 mL/min（洁净空气），使样品顶空中的挥发性物质随载气泵入传感器室，与传感器阵列（表1）接触，产生响应信号，检测时间设为80 s。在80 s检测时间内，传感器的响应信号由电子信号采集系统记录，一次采样完成之后，对电子鼻进行120 s清洗（洁净空气），每个牧户样品做30次平行试验。

1.2.4 MLP分析计算方法

分类性能准确率、精确率、灵敏度、特异度以及曲线下方面积，根据公式（3）~（7）计算结果，其中N_TP为真阳性样品数，N_TN为真阴性样品数，N_FP为假阳性样品数，N_FN为假阴性的样本数^［22］。

准确率＝\frac{N_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+N_{\mathrm{T}\mathrm{N}}}{N_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+N_{\mathrm{T}\mathrm{N}}+N_{\mathrm{F}\mathrm{P}}+N_{\mathrm{F}\mathrm{N}}}（3）

精确率＝\frac{N_{\mathrm{T}\mathrm{P}}}{N_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+N_{\mathrm{F}\mathrm{P}}}（4）

灵敏度＝\frac{N_{\mathrm{T}\mathrm{P}}}{N_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+N_{\mathrm{F}\mathrm{N}}}（5）

特异度＝\frac{N_{\mathrm{T}\mathrm{N}}}{N_{\mathrm{T}\mathrm{N}}+N_{\mathrm{F}\mathrm{P}}}（6）

曲线下方面积＝\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}(\frac{N_{\mathrm{T}\mathrm{P}}}{N_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+N_{\mathrm{F}\mathrm{N}}}+\frac{N_{\mathrm{T}\mathrm{N}}}{N_{\mathrm{T}\mathrm{N}}+N_{\mathrm{F}\mathrm{P}}})（7）

1.3 数据处理

采用SAS对16种传统手工牦牛酥油样品的酸价、过氧化值和电子鼻传感器信号进行LSD的差异性分析，研究不同牧户牦牛酥油的品质差异。采用SAS对样品的电子鼻响应信号进行PCA分析和CDA分析，定性判别传统手工牦牛酥油来源，区分其品质差异。采用SPSS对电子鼻响应信号进行MLP分析，定量判别传统手工牦牛酥油的产地和追溯其来源，验证品质差异。采用Origin 2021进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 酸价值与过氧化值的测定结果

酸价是油脂变质程度的重要指标^［27］，过氧化值则是衡量油脂和脂肪酸等被氧化程度的一个重要指标^［28］。对酥油及其相关制品，通过酸价和过氧化值可以判别其质量和氧化变质的程度。所采集16个牦牛酥油样品的酸价和过氧化值的结果以平均值±标准误表示，结果如表2所示。

由表2可知，16家牧户的牦牛酥油样品的酸价为4.35~4.71 mg/g，MQ₃和LQ₈最高，显著高于LQ₂、LQ₄、MQ₅、MQ₇、MQ₈，其余样品介于两类之间，所有样品的酸价值均高于国标对食用油脂制品的要求^［29］，且高于杨静在25 ℃，初始值为（2.25±0.03）mg/g下测得的第5月的值（3.13±0.07）mg/g^［30］；16家牧户的牦牛酥油样品的过氧化值为0.000 0~0.007 5 g/100g，MQ₆最高，显著高于LQ₅、LQ₇、MQ₇、MQ₈，其余样品介于两类之间，所有样品的过氧化值均符合国标对食用油脂制品的要求^［29］，低于杨静在25 ℃，初始值为（0.015±0.000）g/100 g下测得的第5月的值（0.029±0.001）g/100 g ^［30］。原因可能是从牧户家购买的牦牛酥油样品的加工工艺及贮藏条件不同，或者是水分含量较高，加速油脂水解，此外，酥油中不饱和脂肪酸含量较高，易发生氧化，氧化产物中存在酸类物质，使酸价迅速上升，过氧化值结果偏低^［30］。

2.2 电子鼻传感器响应信号分析

分别选取碌曲（LQ₁、LQ₄）和玛曲（MQ₁和MQ₃）的两户酥油样品，其电子鼻特征响应信号见图1。由图1可知，前20 s，传感器对样品中的挥发物快速响应，之后逐渐达到平衡；此外，不同传感器的响应信号强度不同，传感器S₆、S₇、S₉和S₂响应较强，其他传感器相对较弱，这为利用电子鼻判定不同牧户的传统手工牦牛酥油的品质差异提供了数据支持。

为进一步对比不同牧户的酥油的品质差异，选取传感器第79秒响应均值绘制不同牧户牦牛酥油电子鼻传感器信号雷达图（图2）。由图2可知，不同牧户酥油样品的气味差异主要体现在传感器S₆、S₂、S₇、S₈和S₉的响应。以传感器第79秒响应值进行多重比较，结果如表3所示。不同牧户牦牛酥油的品质存在差异，利用原始信号可初步实现对不同牧户传统手工牦牛酥油的区分。

2.3 定性判别传统手工牦牛酥油来源

为研究不同牧户牦牛酥油的差异，采用PCA和CDA分析牦牛酥油样品的电子鼻气味，结果见图3。由图3-A可知，PCA分析结果中第一主成分为73.37%，第二主成分为11.71%，占总贡献率的85.08%。PCA分析结果大体分为五部分：第一为LQ₂，第二为MQ₁、MQ₂、MQ₃、MQ₄、MQ₅和MQ₇，第三为LQ₁、LQ₃、LQ₆和LQ₈，第四为MQ₆和MQ₈，第五为LQ₄、LQ₅和LQ₇，第一、三、五部分的牦牛酥油来源为碌曲，第二、四部分的牦牛酥油来源为玛曲，PCA分析可把16个牦牛酥油样品来源进行初步区分。由图3-B可知，CDA结果中第一成分为60.33%，第二成分为21.85%，占总贡献率的82.18%，CDA分析结果中各组样品数据点的聚集性优于PCA分析结果，可按牧户分别聚集，区分较明显。由此可知，采用PCA分析和CDA分析可以定性区分和识别不同牧户牦牛酥油的品质差异，但各牧户之间地理位置相近，气味信息相似，出现部分样品数据点重叠。

为了进一步判别牦牛酥油的差异，分别对碌曲和玛曲牦牛酥油的气味信息进行PCA和CDA分析，其结果见图4和图5。图4-A是碌曲产牦牛酥油样品的PCA分析结果，结果表明第一主成分为76.73%，第二主成分为11.78%，共解释原始变量88.51%的信息，8个牧户的牦牛酥油都可区分开，尤其是LQ₂、LQ₄与其他碌曲产牦牛酥油区分效果更为明显，分别位于图中最左侧和最右侧。这可能是因为LQ₂、LQ₄的酸价值为碌曲所采集酥油中最低，且与其他碌曲的牦牛酥油存在差异性，LQ₂、LQ₄ 2个牦牛酥油样品异于其他样品。LQ₅、LQ₇有较少重叠部分，且明显与其他碌曲产牦牛酥油区分。结合酸价和过氧化值（表2），可能是LQ₅和LQ₇的酸价值存在差异；过氧化值为碌曲中最低，两牧户不存在差异，但与其他碌曲产牦牛酥油存在差异。图4-B是玛曲产牦牛酥油样品的PCA分析结果，结果表明第一主成分为61.35%，第二主成分为16.97%，共解释了原始变量78.32%的信息，区分效果弱于碌曲产牦牛酥油，不同牧户样品间离散性较弱，重叠部分较多。PCA结果中，基于气味信息均可区分同一产地不同牧户的牦牛酥油样品。

图5-A是碌曲的8个不同牧户的牦牛酥油的CDA分析结果，结果表明碌曲的第一主成分为52.03%，第二主成分为30.94%，共解释原始变量82.97%的信息，8个牧户的牦牛酥油都可区分得开。其中LQ₂、LQ₄、LQ₅和LQ₇与其他样品的距离更大，离散型更强，不出现重叠，优于PCA分析。图5-B是玛曲8个不同牧户牦牛酥油的CDA分析结果，结果表明第一主成分为67.74%，第二主成分为19.48%，共解释了原始变量87.22%的信息，8个牧户的牦牛酥油数据点均可区分开，尤其是MQ₆、MQ₈、MQ₂和MQ₇与其他玛曲的牦牛酥油数据点间距极大，各户样品间几乎不重叠。采用CDA分析能将同一产地不同牧户的牦牛酥油区分开，数据点更加密集，效果明显，差距更大。

2.4 定量判别传统手工牦牛酥油产地和追溯其来源

为研究玛曲和碌曲两产地牦牛酥油样品的差异，采用SPSS进行MLP 10-1-2网格结构分析，随机选取每个产地80%的样品作为训练集，20%为检验集，输入层为电子鼻的10个传感器响应信号、隐藏层为1个神经元以及输出层为碌曲和玛曲2个产地，结果见表4、表5。表4为碌曲和玛曲混淆矩阵鉴别结果，结果表明碌曲、玛曲产牦牛酥油样品的全部数据中均有一个误判。表5为碌曲和玛曲的MLP分类10-1-2网格性能参数，其中准确率、精确率、灵敏度、特异度以及曲线下方面积的平均值分别为99.51%、99.53%、99.53%、99.50%和99.52%，判别率在99.00%以上，MLP可有效判别传统手工牦牛酥油产地。

为追溯16个不同牧户牦牛酥油样品的来源，采用SPSS进行MLP 10-1-16网格结构分析，随机选取每个牧户样品的80%作为训练集，20%为检验集，输入层为电子鼻的10个传感器响应信号、隐藏层为1个神经元以及输出层为碌曲和玛曲的16个地区，结果见表6、表7。表6为不同牧户牦牛酥油混淆矩阵鉴别结果，判断结果表明应用MLP进行碌曲和玛曲酥油的地区区分效果较好。表7为不同牧户牦牛酥油的MLP分类10-1-16网格性能参数，其中准确率、精确率、灵敏度、特异度以及曲线下方面积的平均值分别为98.97%、92.18%、92.23%、99.45%和95.84%，区分率在92.00%以上，证明电子鼻信号可以实现对碌曲和玛曲地区酥油的定量区分。

3 结论

本研究对甘南自治州碌曲县和玛曲县两个产地的传统手工牦牛酥油，通过其酸价、过氧化值和气味信息综合评价酥油品质。结果发现，16家牧户牦牛酥油样品的酸价较高，为4.35~4.71 mg/g，过氧化值符合规定范围，为0.000 0~0.007 5 g/100。16家传统手工牦牛酥油样品的电子鼻传感器响应信号LSD结果显示，不同牧户牦牛酥油品质有差异。基于电子鼻气味信息，PCA和CDA分析均可实现不同牧户传统手工牦牛酥油的定性区分，且CDA的区分效果优于PCA，更能体现牦牛酥油样品之间的差异性。构建的MLP 10-1-2、10-1-16网格结构可定量判别不同牧户牦牛酥油。综上，基于电子鼻技术，可快速检测和监控传统手工牦牛酥油的品质，为食品工业的检验和产品品质优化提供参考依据。

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基金资助

甘肃高等学校青年博士基金项目“基于气味信息无创评价牦牛骨粉补钙作用的机理研究”(2022QB-021)

中央高校基本科研业务费资金资助项“牦牛乳蛋白免疫调节功能分析及其作用机理研究”(31920230159)

中央高校基本科研业务费专项资金“无创监控牦牛乳清蛋白抗氧化活性及其机制研究”(31920210006)

西北民族大学人才培养质量提高项目“课程思政示范课程 食品安全学”(2022KCSZKC-63)