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基于電子鼻的豬肉冷凍儲(chǔ)藏期的無損檢測方法
發(fā)布日期:2024-05-29
       豬肉是我國消費(fèi)量最大的肉類,長期占據(jù)城鄉(xiāng)居民肉類消費(fèi)量的 60%以上。在嚴(yán)格的凍藏條件下冷凍肉可儲(chǔ)藏較長的時(shí)間,但是儲(chǔ)藏時(shí)間過長或儲(chǔ)藏和運(yùn)輸過程中環(huán)境溫度變化過大都會(huì)引起冷凍肉品質(zhì)的劣變從而帶來潛在的食品安全風(fēng)險(xiǎn)。
        因此本研究旨在利用電子鼻系統(tǒng)采集不同凍藏前狀況和不同冷凍儲(chǔ)藏期豬肉的氣味信號(hào)數(shù)據(jù),應(yīng)用主成分分析(PCA)、重復(fù)測量的方差分析對其數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行分析,再分別利用線性判別分析(LDA)和基于多層感知器的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)等模式識(shí)別算法建立預(yù)測模型,從而建立針對豬肉冷凍儲(chǔ)藏期和凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏的電子鼻快速無損檢測方法。該方法對于加強(qiáng)冷凍肉品監(jiān)督管理,保證廣大消費(fèi)者的食品安全提供了一種可行的檢測手段。
       電子鼻檢測
       樣品凍結(jié)后,分別在第0、25、80、134、161、200、250天對樣品進(jìn)行電子鼻檢測。樣品每次檢測完成后,迅速用保鮮膜重新密封燒杯放回 -20 ℃繼續(xù)冷凍儲(chǔ)藏,檢測過程中保持低溫使樣品不發(fā)生解凍。
       數(shù)據(jù)處理
       分別選用主成分分析(PCA)、重復(fù)數(shù)據(jù)的方差分析和獨(dú)立樣本的非參數(shù)檢驗(yàn)來觀察電子鼻區(qū)分不同冷凍儲(chǔ)藏時(shí)間和凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏的能力,同時(shí)通過線性判別分析(LDA)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)算法來建立豬肉冷凍儲(chǔ)藏時(shí)間和凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏的預(yù)測模型,并對預(yù)測模型的性能進(jìn)行驗(yàn)證。
       結(jié)果與討論
       電子鼻檢測數(shù)據(jù)的主成分分析與重復(fù)測量的方差分析
       在多元數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析中,PCA是一種常用的降維分析方法,不僅可以解決多個(gè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的共線性問題,還可以通過產(chǎn)生“主成分”來降低指標(biāo)維度并利用主成分得分進(jìn)行 2D 或 3D 作圖來反映樣本間的分布情況。本研究通過對電子鼻檢測數(shù)據(jù)的 PCA 分析共提?。矀€(gè)主成分 (特征值 >1),總貢獻(xiàn)率為 85.04%,其中第一主成分貢獻(xiàn)率為 59.37%,主要代表芳香類化合物的變化;第二主成 分貢獻(xiàn)率為 25.67%,主要代表氫氣、烷烴等小分子的變化。利用主成分得分?jǐn)?shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖見圖 1。
       從圖 1中可知,經(jīng)過 PCA 分析后,除了儲(chǔ)藏 0、25、80d的數(shù)據(jù)重合外,第 134、161、200、250天數(shù)據(jù)都能較好區(qū)分。而儲(chǔ)藏 0~80d的數(shù)據(jù)相對集中,這可能是由于在這一時(shí)間段內(nèi)凍藏豬肉的品質(zhì)劣變不顯著,其風(fēng)味成分的差異也較小。但是隨著凍藏時(shí)間的不斷延長其品質(zhì)劣變不斷加劇,其風(fēng)味成分的差異也不斷加劇。這一結(jié)果從揮發(fā)性風(fēng)味成分的角度也證明了凍藏豬肉品質(zhì)發(fā)生劣變的時(shí)間拐點(diǎn)是在 4 個(gè)月左右,而在已有的凍藏豬肉品質(zhì)變化的研究中也得出了相似的結(jié)果。
       但是通過第一、第二主成分的 2D散點(diǎn)圖并不能明顯區(qū)分相同凍藏時(shí)間的 A,B兩組樣品。由于在現(xiàn)實(shí)中存在將過期冷鮮肉回收轉(zhuǎn)為凍藏肉的情況,為進(jìn)一步了解 A,B兩組樣品的多指標(biāo)結(jié)果是否具有顯著的差異,利用 A,B兩組樣品電子鼻檢測數(shù)據(jù)的第一、第二主成分得分計(jì)算所得綜合主成分得分作為因變量,進(jìn)行重復(fù)測量的方差分析,結(jié)果見表 1,表 2。從表 1可知,由于不滿足 Mauchly的球形度檢驗(yàn)(P<0.05),故采用 Greenhouse-Geisser、Huynh-Feldt、下 限等 3種方法矯正的組內(nèi)效應(yīng)檢驗(yàn)均表明凍藏時(shí)間對 檢測結(jié)果影響顯著,而A,B分組的因素對檢測結(jié)果隨凍藏時(shí)間的變化影響不顯著(即凍藏時(shí)間與 A,經(jīng)正態(tài)分布檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在第 80,134,250天的數(shù)據(jù)并不服從正態(tài)分布(p<0.05)。為了解在不同凍藏時(shí)間點(diǎn) A,B兩組間檢測結(jié)果的差異是否顯著,采用兩獨(dú)立樣本的非參檢驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果見圖 2。


        同時(shí)從表 2可知,A,B分組的因素對檢測結(jié)果具有極顯著的影響,這表明在4℃經(jīng)過長時(shí)間冷藏的冷鮮肉再轉(zhuǎn)為凍藏肉與新鮮凍藏豬肉的電子鼻檢測結(jié)果是有顯著差異的。
       從圖 2可見,在第 0,80,134,161,250天時(shí) A,B兩組間檢測結(jié)果差異顯著,而第 25 和 200 天時(shí) A,B兩組間檢測結(jié)果差異不顯著(p>0.05)。這表明經(jīng)過 7d冷藏后再凍藏的豬肉與新鮮凍藏的豬肉相比可能已經(jīng)發(fā)生了變化,但在凍藏過程中發(fā)生劣變可能又掩蓋了其本身的差異,但隨著凍藏時(shí)間的增加其氣味成分的差異又逐漸加大。盡管 200d 時(shí)的差異也不顯著,則是可能是由于組內(nèi)變異過大掩蓋了組間差異造成的,其平均值之間的差異仍在增大。
       通過這一系列分析發(fā)現(xiàn),不同凍藏前狀態(tài)和不同凍藏時(shí)間的豬肉樣品的電子鼻檢測數(shù)據(jù),在整體上均有顯著的差異,這為利用這些數(shù)據(jù)建立針對豬肉凍藏前狀態(tài)和凍藏時(shí)間的預(yù)測模型提供的基礎(chǔ)條件。
       電子鼻檢測數(shù)據(jù)的線性判別分析
       為建立相應(yīng)的預(yù)測模型,采用 LDA方法對數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。LDA一種常用的分類方法,立足與找到反映兩類物體或事件特征的一個(gè)線性組合,以特征化或區(qū)分不同的樣本集。對冷凍儲(chǔ)藏 0、25、80、134、161、200、250d共 420 個(gè)豬肉樣品數(shù)據(jù)按照分組方式和凍藏時(shí)間分為 14 個(gè)類別進(jìn)行 LDA分析,結(jié)果如圖 3所 示。用 于 作 圖 的 判 別 函 數(shù) 其 總 貢 獻(xiàn) 率 為 78.7%,其中第一判別函數(shù)貢獻(xiàn)率為 53.3%,第二判別函數(shù)貢獻(xiàn)率為 25.4%。由圖 3可知,經(jīng)過 LDA分析后,除了凍藏第 0 和 25 d的數(shù)據(jù)重合度較高外,其余第 80~250d的數(shù)據(jù)都能較好區(qū)分,說明在凍藏 1個(gè)月內(nèi)豬肉樣品的劣變幾乎沒有發(fā)生,但隨著凍藏時(shí)間的增加凍藏豬肉的變化越來越顯著。同時(shí)在第134,161,200和 250d處 A、B組樣品的組質(zhì)心分離明顯,與主成分得分的非參檢驗(yàn)結(jié)果類似。
        為評估 LDA對豬肉凍藏時(shí)間和凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏的鑒別能力,采用“留一法”對樣品進(jìn)行交叉驗(yàn)證,結(jié)果見表 3。結(jié)果表明對這 14 類樣品的交叉驗(yàn)證的正確率為 78.1%,值得注意的是即使發(fā)生錯(cuò)判的樣品也主要是在相同凍藏時(shí)間點(diǎn)的 A、B兩組之間,如僅以凍藏時(shí)間分組其交叉驗(yàn)證的正確率高達(dá) 95.6%。這表明利用 LDA對豬肉凍藏時(shí)間和凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏均具有較好的鑒定能力。
        電子鼻檢測數(shù)據(jù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析
        為建立更好的豬肉凍藏時(shí)間及凍藏前冷藏時(shí)間的預(yù)測模型,采用基于多層感知器的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。ANN是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng),特別是大腦)的結(jié)構(gòu)和功能的數(shù)學(xué)模型或計(jì)算模型,目前已被廣范的應(yīng)用于多元數(shù)據(jù)的估計(jì)或預(yù)測。在 處 理 中 將 420 個(gè)樣品利用隨機(jī)函數(shù)分 為 3組,其中訓(xùn)練樣品 219 個(gè),測試樣品 132 個(gè),支持樣品 69 個(gè)。最終生成包含 10個(gè)協(xié)變量(即電子鼻 10 個(gè)傳感器的數(shù)據(jù))的輸入層,1 個(gè)含有 11 個(gè)單元的隱藏層和包含凍藏時(shí)間和 A,B組分類的輸出層。該模型對支持組數(shù)據(jù)的凍藏時(shí)間預(yù)測的相對錯(cuò)誤僅為 0.008 ,對凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏的分組錯(cuò)誤率僅 7.2%(即預(yù)測正確率為 92.8%,由于支持組數(shù)據(jù)不參與建模,其給出的誤差可比較真實(shí)的反映模型的預(yù)測能力。)模型對冷凍儲(chǔ)藏時(shí)間和凍藏前是 否經(jīng)過長時(shí)間冷藏的預(yù)測結(jié)果見圖 4。從圖 4中可知,該模型對豬肉凍藏時(shí)間和 凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏均有較好的預(yù)測能力。由于 ANN生成的預(yù)測模型對凍藏時(shí)間生產(chǎn)的是一個(gè)回歸模型具有更大的預(yù)測范圍,而對凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏的分組也有更高的準(zhǔn)確率,因該 ANN模型與 LDA模型相比具有更好的預(yù)測性能。
        結(jié)論
     (1)通過電子鼻無損頂空檢測及 PCA和重復(fù)測量的方差分析對電子鼻檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),不同凍藏前狀態(tài)和不同凍藏時(shí)間的樣品均表現(xiàn)出不同的多元數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)。這為通過電子鼻檢測數(shù)據(jù)的模式識(shí)別算法建立豬肉凍藏時(shí)間和凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏的預(yù)測模型提供了基礎(chǔ)條件。
    (2)線性判別分析和基于多層感知器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法均能建立豬肉凍藏時(shí)間和凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏的預(yù)測模型。不過采用基于多層感知器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法所建立的預(yù)測模型對凍藏時(shí)間預(yù)測的線性更大,回歸函數(shù)的相關(guān)性更好,對凍藏前是否經(jīng)過長時(shí)間冷藏也有更高的分組預(yù)測的準(zhǔn)確率。
    (3)本研究所建立的無損頂空檢測電子鼻檢測方法,使整個(gè)檢測過程無需解凍樣品和進(jìn)行復(fù)雜的前處理,快速高效可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測。 
聯(lián)系電話:18596077827 (同微信)
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