地理標(biāo)志大米的仿生電子鼻分類識別

錢麗麗 呂海峰 鹿保鑫 左鋒 張東杰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，大慶 163319）

都對不同的氣體有不同的感應(yīng)，如表2）；BSA323SCW電子天平：德國賽多利斯公司；THU35C礱谷機(jī)：日本佐竹公司；TM05C碾米機(jī)：日本佐竹公司。

表1 大米采樣地域和品種

表2 電子鼻傳感器序列

電子鼻利用揮發(fā)性化合物與傳感器活性材料表面接觸時(shí)，會發(fā)生瞬時(shí)響應(yīng)（發(fā)生了一系列的物理化學(xué)變化），這種響應(yīng)通過接口電路將電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，被計(jì)算機(jī)記錄并傳送到信號處理系統(tǒng)進(jìn)行分析，并最終由模式識別子系統(tǒng)對信號處理的結(jié)果做出評判，得出相應(yīng)的結(jié)果。電子鼻系統(tǒng)開始工作前需預(yù)熱30 min至基線重合穩(wěn)定。電子鼻系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作參數(shù)設(shè)置為：采樣時(shí)間間隔為1 s，傳感器自動清洗時(shí)間為180 s，傳感器歸零時(shí)間為10 s，分析采樣時(shí)間為60 s，進(jìn)樣準(zhǔn)備時(shí)間為5 s，進(jìn)樣流量為600 mL／min。

1.3 傳感器數(shù)據(jù)特征值的提取

采用10個(gè)傳感器對大米整粒樣品進(jìn)行揮發(fā)性成分分析。圖1為樣品檢測過程中，樣品對電子鼻10個(gè)傳感器響應(yīng)值（相對電阻率G／G0）曲線。可以看出30 s后各傳感器的響應(yīng)值趨于穩(wěn)定，檢測時(shí)間設(shè)定為60 s，為減少選定時(shí)間點(diǎn)造成的誤差，特征值提取點(diǎn)選為45 s。通過電子鼻對大米樣品揮發(fā)性物質(zhì)特征的響應(yīng)試驗(yàn)，可以得出電子鼻對大米揮發(fā)性成分的響應(yīng)很明顯，并且各傳感器對不同大米樣品的響應(yīng)各不相同。

圖1 大米氣體揮發(fā)物檢測中電子鼻響應(yīng)信號變化

1.4 電子鼻測定樣品參數(shù)設(shè)置條件研究

樣品參數(shù)設(shè)置分析不同樣品質(zhì)量、頂空空間和靜置時(shí)間對電子鼻響應(yīng)值影響顯著性，以相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為指標(biāo)確定樣品參數(shù)設(shè)置條件。找出適合大米揮發(fā)性氣味測定的條件參數(shù)。

1.5 電子鼻分類識別地理標(biāo)志大米研究

運(yùn)用主成分分析法（principal component analysis，PCA）、線性判別法（linear discriminant analysis，LDA）對上述參數(shù)設(shè)置條件下電子鼻采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過對比分析獲得基于電子鼻技術(shù)的地理標(biāo)志大米分類識別較優(yōu)方法。

1.6 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)計(jì)算由儀器自帶的Winmuster軟件包以及SPSS 20.0版本統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同頂空空間對電子鼻響應(yīng)值的影響

在頂空體積分別為50、100、150和200 mL，樣品質(zhì)量為10 g，靜置30 min的條件下，測定了以查哈陽大米為代表的電子鼻響應(yīng)值。對各傳感器響應(yīng)值進(jìn)行顯著性分析可知（見表3），在不同頂空體積對傳感器R1、R2、R3、R5、R6、R7、R8、R9、R10 的響應(yīng)值差異顯著（P＜0.05），傳感器R4的響應(yīng)值差異不顯著（P ＞0.05）。多重比較結(jié)果可以看出，R1、R2、R3、R5、R6、R8響應(yīng)值在50 mL和200 mL條件下差異顯著，100 mL和150 mL條件下差異不顯著，R7和R9在4個(gè)頂空體積下，響應(yīng)值差異均顯著，R10在200 mL時(shí)與50 mL差異不顯著，與100 mL和150 mL差異顯著。用相對標(biāo)準(zhǔn)差對各傳感器的響應(yīng)值的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，從圖2的相對標(biāo)準(zhǔn)差分布的總體結(jié)果來看，各傳感器在不同頂空空間下，響應(yīng)值的相對標(biāo)準(zhǔn)差隨著頂空空間的增大而增大?？梢婍斂阵w積為50 mL的時(shí)候傳感器的響應(yīng)值最穩(wěn)定，因此試驗(yàn)以50 mL的頂空空間為宜。

圖2 不同頂空空間傳感器響應(yīng)值相對標(biāo)準(zhǔn)差

2.2 不同靜置時(shí)間對電子鼻響應(yīng)值的影響

在靜置時(shí)間分別為0.5、1、2和3 h，樣品質(zhì)量為10 g，頂空體積50 mL的條件下，測定了以查哈陽大米為代表的電子鼻響應(yīng)值。對各傳感器響應(yīng)值進(jìn)行顯著性分析（見表4）可知，在不同頂空體積條件下傳感器R2、R7、R9 的響應(yīng)值差異顯著（P ＜0.05），R1、R3、R4、R5、R6、R8、R10 差異不顯著（P ＞0.05）。多重比較結(jié)果可以看出，R2在0.5 h條件下的響應(yīng)值與1、2和3 h差異顯著，1、2和3 h條件下的響應(yīng)值差異不顯著。R7和R9在0.5 h條件下的響應(yīng)值與1、2和3 h差異顯著，1、2和3 h之間的響應(yīng)值差異不顯著。所以靜置時(shí)間的可選為1 h。用相對標(biāo)準(zhǔn)差對各傳感器的響應(yīng)值的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，從圖3的相對標(biāo)準(zhǔn)差分布的總體結(jié)果來看，靜置時(shí)間1 h時(shí)響應(yīng)值的相對標(biāo)準(zhǔn)差最小，說明靜置時(shí)間1 h時(shí)傳感器的響應(yīng)值最穩(wěn)定，因此試驗(yàn)以1 h的靜置時(shí)間為宜。

圖3 不同靜置時(shí)間傳感器響應(yīng)值相對標(biāo)準(zhǔn)差

2.3 不同樣品質(zhì)量對電子鼻響應(yīng)值的影響

在樣品質(zhì)量5、10、25 和50 g，靜置時(shí)間1 h，頂空體積50 mL的條件下，測定了以查哈陽大米為代表的電子鼻響應(yīng)值。對各傳感器響應(yīng)值進(jìn)行顯著性分析（見表5）可知，在不同頂空體積條件下傳感器R1、R2、R3、R5、R7、R9 的響應(yīng)值差異顯著（P ＜0.05），R4、R6、R8、R10 差異不顯著（P ＞0.05）。多重比較結(jié)果可以看出，R1、R3和R5在樣品質(zhì)量5 g條件下的響應(yīng)值與10 g和50 g差異顯著，與25 g差異不顯著，10、25、50 g相互差異不顯著。R2在樣品質(zhì)量5 g條件下響應(yīng)值與10、25、50 g 差異顯著，10、25、50 g相互差異不顯著。R7和R9在樣品質(zhì)量5 g條件下的響應(yīng)值與10 g和25 g差異顯著，與50 g差異不顯著，說明樣本質(zhì)量對傳感器響應(yīng)值有影響，進(jìn)一步用相對標(biāo)準(zhǔn)差對各傳感器的響應(yīng)值的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，從圖4的相對標(biāo)準(zhǔn)差分布的總體結(jié)果來看，樣品質(zhì)量50 g時(shí)，響應(yīng)值的相對標(biāo)準(zhǔn)差最小，說明樣品質(zhì)量50 g時(shí)傳感器的響應(yīng)值最穩(wěn)定。因此試驗(yàn)以50 g的樣品質(zhì)量為宜。

表3 不同頂空空間對電子鼻傳感器響應(yīng)值顯著性分析

表4 不同靜置時(shí)間對電子鼻傳感器響應(yīng)值顯著性分析

表5 不同樣品質(zhì)量對電子鼻傳感器響應(yīng)值顯著性分析

圖4 不同樣品質(zhì)量傳感器響應(yīng)值相對標(biāo)準(zhǔn)差

2.4 傳感器陣列載荷分析

載荷是主成分與相應(yīng)原始指標(biāo)變量的相關(guān)系數(shù)，過載分析用于反映因子和各個(gè)變量間的密切程度，可判別不同的傳感器對第1和第2主成分的貢獻(xiàn)率及相關(guān)性，考查PCA空間中傳感器對模型數(shù)據(jù)分布的影響，得出模型中傳感器對樣品區(qū)分能力大小。通過對每個(gè)傳感器在PCA中貢獻(xiàn)率大小可以看出（見圖5），傳感器R7和R9在第2主成分上貢獻(xiàn)較大，傳感器R2在第1主成分上貢獻(xiàn)較大，可能成為區(qū)別不同地域和品系的主要傳感器。分別反映了大米樣品中硫化氫、硫化氫類和氮氧化物等揮發(fā)性香氣成分，傳感器R8和R6的因子載荷分布較接近，說明這些傳感器采集的信號比較相似。其他傳感器分布接近于（0，0），說明信號變化較弱，貢獻(xiàn)率較小。這與不同參數(shù)設(shè)置傳感器變化特點(diǎn)分析結(jié)果一致。

圖5 過載分析圖

2.5 主成分分析

2.5.1 主成分分析法對不同地域大米的識別

對2013年采集的3個(gè)地域大米進(jìn)行電子鼻揮發(fā)性氣味測定，按照綜上研究選擇參數(shù)設(shè)置條件為稱取樣品質(zhì)量50 g，頂空體積50 mL，靜置時(shí)間1 h。運(yùn)用主成分分析方法，由圖6可知，第1主成分的貢獻(xiàn)率為93.63%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為6.23%，第1、2主成分的總貢獻(xiàn)率為99.95%。由主成分PCA1和PCA2組成的二維空間圖，3個(gè)地域的大米樣品都分布在各自的空間區(qū)域，而且范圍很大，說明主成分分析法可以很好的識別不同地域的大米。

圖6 不同地域大米主成分分析

2.5.2 主成分分析法對不同品系大米的識別

主成分分析法可以用來識別不同地域的大米，為了消除地域?qū)ζ贩N識別的影響，選取建三江的不同品系的大米和五常的不同品系的大米進(jìn)行分析。由圖7可知，第1主成分的貢獻(xiàn)率為94.15%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為5.71%，第1、2主成分的總貢獻(xiàn)率為99.86%。由主成分PCA1和PCA2組成的二維空間圖，建三江的空育131和龍粳系列很好的區(qū)分開，五常的五優(yōu)稻4號和松粳系列也能很好的區(qū)分開，說明主成分分析法可以很好地識別不同品系的大米。

圖7 不同品系大米主成分分析

2.6 線性判別法（LDA）分析

2.6.1 線性判別分析法對不同地域大米的識別

對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性判別分析，圖8是線性判別法對不同地域大米識別的結(jié)果圖。第1判別因子的貢獻(xiàn)率為65.48%，第2判別因子的貢獻(xiàn)率為18.56%，前2個(gè)判別因子累計(jì)貢獻(xiàn)率占總方差的84.04%，從圖中可看出仍可以將不同地域的大米區(qū)分開，但對比圖6數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布距離要小，說明主成分分析法對不同地域大米的識別效果好于線性判別分析法。

圖8 不同地域大米線性判別分析

2.6.2 線性判別分析法對不同品系大米的識別

對相同地域不同品系的大米進(jìn)行線性判別分析，由圖9可知，第1判別因子的貢獻(xiàn)率為93.08%，第2判別因子的貢獻(xiàn)率只有0.94%，使得不同品系樣品點(diǎn)有交叉，雖然同一地域內(nèi)品系之間無法很好分開，但五常地域種植品種和建三江地域種植品種差異很大，說明同一地域種植不同品系大米，其氣味中含有相似揮發(fā)性成分，這可能與當(dāng)?shù)氐臍夂蚺c環(huán)境有關(guān)。研究表明，運(yùn)用線性判別分析方法僅識別了不同地域大米，而同一地域不同品系樣品點(diǎn)有重疊，說明線性判別分析法可以很好區(qū)分不同地域間大米，不能區(qū)分不同品系的大米。

圖9 不同品系大米線性判別分析

3 結(jié)論

3.1 通過對影響傳感器特征值提取因素有關(guān)參數(shù)研究，分析樣品質(zhì)量、頂空空間、靜置時(shí)間對電子鼻響應(yīng)值影響顯著性，結(jié)合相對標(biāo)準(zhǔn)偏差得出電子鼻測定大米的較優(yōu)條件為頂空體積50 mL，靜置時(shí)間1 h，樣品質(zhì)量50 g。硫化氫、硫化氫類和氮氧化物是不同地域和品系大米特征揮發(fā)性成分。今后將結(jié)合氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對地域特征氣味進(jìn)行識別。3.2 運(yùn)用主成分分析法和線性判別分析，二者可以對不同地域大米有很好的識別，但線性判別分析在識別不同品系大米方面有待改進(jìn)。主成分分析法在判定大米地域和品系方面好于線性判別分析，因此電子鼻技術(shù)結(jié)合主成分分析法是識別大米產(chǎn)地的有效方法。