基于电子鼻的蜂胶真伪鉴别研究

廖 敏，陈 玉，沈艺楠，田宴巾，张 天，丁青芝

（江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013）

基于电子鼻的蜂胶真伪鉴别研究

廖 敏，陈 玉，沈艺楠，田宴巾，张 天，*丁青芝

（江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013）

为建立蜂胶掺假快速检测方法，采用电子鼻技术结合主成分分析（PCA）对不同地域的10个蜂胶样品和自制的杨树胶，以及按一定比例掺假的蜂胶进行鉴别。从电子鼻数据和主成分分析的结果来看，纯杨树胶和掺假蜂胶可以较好地与真蜂胶区分开，不同来源的蜂胶样品间也有较明显的差异，3个主成分的总贡献率达97.492%。结果表明，该方法有望用于蜂胶的真伪鉴别和产地溯源分析。

蜂胶；杨树胶；电子鼻

0 引言

蜂胶是一种昂贵的蜂产品，全世界每年产量仅有不足800 t。蜂胶富含酚类、酯类等多种成分，具有抗菌、消炎、增强免疫力等多种生物活性，因此成为一种重要的医药和功能食品原料。由于蜂胶的市场需求量大，但产量有限，个别不法商人开始使用树胶、蜂蜡等掺假，严重损害了消费者的利益，破坏了蜂胶产品在消费者心目中的形象。国内外诸多学者对蜂胶的化学成分与品质鉴定等进行研究，采用HPLC[1-2]，GC[3]，GC-MS[4-5]，红外光谱[6-8]及紫外光谱[9]等方法对蜂胶及其制品进行分析，以辨别其真伪。

尽管以上方法对蜂胶真伪鉴别有一定的积极作用，但是大多数研究者在分析时只采用了一种检测手段，多从单一角度对样品进行分析，并且现有这些检测方法普遍都存在样品前处理繁琐、检测时间长、图谱分析复杂、检测的化学成分单一等缺点。目前，还没有一个被公认的对蜂胶产品品质评价和真伪鉴别的方法可以用于生产实践。

电子鼻是利用传感器阵列，模拟人的嗅觉器官对产品品质进行鉴定，由于其便捷、成本低、客观等优点逐渐被用于食品领域[10-14]。蜂胶的挥发性成分是蜂胶的主要活性成分之一，也是蜂胶的特征性指标，杨树胶在气味上和蜂胶有着一定的差异，试验利用电子鼻对蜂胶的挥发性组分进行分析，利用主成分分析法探索一种蜂胶真伪鉴定的方法。

1 材料与方法

1.1 材料及试剂

新鲜杨树嫩叶，随机采自江苏大学校园内3—4月份的加拿大杨树新叶稍部，为防混入杂物，所有蜂胶样品均由合作单位蜂场中蜂箱内壁小心采集得到。

蜂胶样品信息见表1。

1.2 仪器及设备

JS-008型便捷式农产品气味电子鼻检测系统，江苏大学自行研制；AE200型电子天平，瑞士梅特勒-托利公司产品；DF-1型集热式恒温磁力搅拌器、组织捣碎匀浆机，江苏金坛市中大仪器厂产品；电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 样品的制备

（1）杨树胶。采摘杨树嫩芽，放入50℃烘箱内烘48 h（水分含量约15%），然后用粉碎机进行粉碎，过200目筛，筛下物按1∶2加水煮制后滤去残渣，滤液真空干燥后冷冻粉碎，过200目筛，筛下物密封于样品袋中，置入-18℃冰箱冷冻贮藏备用。

（2）蜂胶样品的制备。蜂胶原胶冷冻粉碎，过200目筛，筛下物密封于样品袋中，置入-18℃冰箱冷冻贮藏备用。

（3）模拟掺假蜂胶。将河南1号蜂胶与杨树胶按照2∶8，3∶7，5∶5，7∶3，8∶2的比例在振荡器上混合均匀。

1.3.2 电子鼻系统参数优化

电子鼻传感器阵列中的气敏传感器是电子鼻系统的重要组成部分，气敏传感器也有多种，如电化学传感器、金属氧化半导体传感器、热传感器、电压传感器、光学传感器等。试验中，电子鼻系统选用日本费加罗公司生产的金属氧化物半导体传感器，共有8个传感器，其型号分别为TGS822TF，TGS880，TGS813，TGS825，TGS822，TGS826，TGS2600，TGS2602。

TGS系列金属氧化物型半导体特性及应用见表2。

表2 TGS系列金属氧化物型半导体特性及应用

这些金属氧化物传感器采用SnO2薄膜作为活性材料，为了防止温度和湿度对试验产生影响，在试验的电子鼻系统中还加入了湿度和温度传感器。

电子鼻测试腔的优化，传统的测试腔采用一边进气一边出气，在测试中会因为气体扩散需要一定的时间，导致气体在各传感器表面分布的不均匀性，会影响到测试结果的稳定性和重复性，为了解决这一问题，试验对测试腔进行了优化，优化后的测试腔，从中间进气、四周出气，并且传感器阵列呈圆形对称分布。采用独立的气室可以使气流平均分配到每个腔体，从而使每个传感器响应时间一致，减少了测试偏差。

1.3.3 采样系统的选择

进样方式可以分为开放式直接进样、静态顶空进样、动态顶空进样等，每种方式都各有优缺点，选取合适的进样方式，能够明显提高电子鼻检测的质量。结合试验的设计要求，选用动态顶空进样的方式，这种进样方式对固体、液体都适合，并且接近样本气体的自然挥发状态，同时在进样过程中需要严格控制的环节较少，检测的试验数据相对稳定可靠。但是，选用此方法需要注意流速，流速过快时，待测气体还没有来得及和传感器阵列反应就被带出了测试腔；流速过慢，则延长了测试时间。采样频率要选用大于系统信号最高频率5倍的频率。

1.3.4 蜂胶样品前处理条件

以1号样品作为试验对象，分别称取1，2，4 g的样品进行测试；加热温度分别选取40，50，60℃；加热时间分别选取20，30 min。

1.3.5 试验步骤

（1）接通电源，打开检测软件界面，选择“预热模式”，预热30 min，直到传感器的电压不再变化，即传感器处于稳定状态。

（2）取50 mL洁净、干燥的锥形瓶，将一定质量样本放入锥形瓶中，然后用封口膜密封，防止样本气体外泄。将装有蜂胶样品的锥形瓶在设定温度的加热板加热一定时间（详见1.3.4），使其达到顶空饱和状态。

（3）选择“工作模式”，点击初始化并设置参数，其中采样频率为5 Hz，气体流量为1.2 L/min，温度为25℃，然后打开采样气泵。

（4）点击“采集”按钮，同时将测试头放入装有蜂胶样品的锥形瓶中，采样时间为1 min。

（5）采集完成之后，点击“停止”按钮，同时保存采样数据，将测试头从锥形瓶中取出，置于洁净干燥的空气中，关闭采样气泵并打开还原气泵，气体流量为5 L/min，用洁净的空气还原传感器阵列，使其电压达到初始状态。

（6）重复步骤（2） ～（5），依次完成所有蜂胶样品的测定。

2 结果与讨论

蜂胶样品前处理条件优化的结果显示，当样品量为1 g时几乎没有响应值，2 g和4 g的响应值差别不是很大；加热时间20 min和30 min的响应值差别也不是很明显。这是因为一般情况下，响应值随加热温度的升高而增加，但是加热温度太高对探头有一定的影响，综合分析后选取的试验条件为称取2 g的蜂胶样品装入50 mL锥形瓶中，并用保鲜膜密封，60℃水浴加热20 min。

2.1 试验数据预处理

样品原始图谱见图1。

图1 样品原始图谱

由图1可知，1#传感器和8#传感器对蜂胶的气味不是很敏感，没有响应值；在做了3次平行试验中，发现5#传感器不稳定。因此，在以后的数据处理中不考虑1#，5#，8#这3个传感器的结果。

由于传感器的反应室中环境因素对SnO2气敏传感器有较大影响，所以必须进行去基准处理，计算机得到的测试值是环境的响应值与蜂胶响应值之和，为了去除环境因素对传感器的影响，用公式（1）对数据进行去噪处理。

Yij=Xij-Xi0（i=1，2，…，8；j=1，2，…，N）.（1）式中：Yij——第i个传感器第j个采样点采集去基准后所得的响应值；Xij——第i个传感器第j个采样点试验测试值；Xi0——第i个传感器对环境的响应值。

传感器预处理结果见图2，每个传感器对应的特征值见表3，蜂胶样品、杨树胶及掺假蜂胶的雷达见图3。

图2 传感器预处理结果

表3 每个传感器对应的特征值

图3 蜂胶样品、杨树胶及掺假蜂胶的雷达

经过比较决定，从曲线中分别提取30，40采样点的值来表征传感器的反应速度，另外再加上最大值、稳定值、平均值，这样每个样本通过5个传感器可得到5×5=25个特征值。选取每个传感器的最大响应值，画出所有样品5个传感器的响应叠加雷达图。由图3可以看出，杨树胶与蜂胶之间以及不同种蜂胶之间的响应值都有较大的不同，所以可以根据传感器的响应差异进行区分。

2.2 测试样本特征值的主成分分析

主成分分析旨在将高维的数据通过降维的思想转变为低维，低维数据更有助于直观的观察和处理数据。因此，对25个特征参数选用主成分分析法进行分析，表3中列出了其中的6个蜂胶样品和杨树胶的特征值，对其进行降维处理。利用SPSS 17.0对数据进行录入处理。

主成分分析结果见表4。

表4 主成分分析结果

从分析的结果可以看出，第1主成分、第2主成分和第3主成分的方差贡献率分别为74.714%，12.775%，10.272%，累积贡献率为97.761%。贡献率越大，说明主成分越具有代表性，当总贡献率超过70%～85%，则此方法可以使用。

样品信息主成分散点见图4。

图4 样品信息主成分散点

借助SPSS绘制散点图对各样品得到的3个主成分表示出来。从散点图可以看出，杨树胶和掺假蜂胶可以明显地与蜂胶区分开，但是1号、2号、7号以及5号蜂胶样品与其他蜂胶的相距较远，说明不同来源蜂胶因为其胶源植物的差异成分上存在差异。由电子鼻检测蜂胶的图谱可以看出，2#传感器对蜂胶中挥发性成分的灵敏度较高，并且2#传感器对乙醇等溶剂有较高灵敏度。从电子鼻响应图中可以发现，1号、2号和7号蜂胶的2#传感器最大响应值明显小于其他蜂胶样品，并且与杨树胶比较相近。

3 结论

（1）通过电子鼻采集了10个蜂胶样品、5个模拟掺假蜂胶样品和杨树胶样品的信息。从传感器响应信息雷达图可以看出，不同产地蜂胶样品间、蜂胶与模拟掺假样和杨树胶间存在明显差异，表明电子鼻有望成为一种有效的蜂胶真伪鉴别、产地溯源的方法。

（2）通过对数据降维，进行主成分分析结果同样表明，3个主成分总贡献率达97.492%，同样表明了电子鼻方法的有效性。

（3）试验选取的样本数量较少，如果方法要进入实用化，需要在采集更多样本的基础上进行分析方法的标准化，筛选更适用于蜂胶的传感器类型。

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Identify the Authenticity of Propolis Based on Electronic Nose

LIAO Min，CHEN Yu，SHEN Yi'nan，TIAN Yanjin，ZHENG Tian，*DING Qingzhi
（School of Food and Bioengineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

To establish a method for rapid detection of propolis adulteration，10 different regions propolis samples and homemade poplar gum and adulterate propolis according to a certain proportion arestudied by electronic nose technology combined with principal component analysis（PCA） .The results show that pure poplar gum and adulteration of propolis can be separated from ture propolis.There are obvious differences between the propolis samples from various sources，the accumulative ratio of contribution of the three principal components reached 97.492%.Indicates that this method is expected to be used for the identification of propolis adulteration and the origin of propolis.

propolis；poplar tree glue；electronic nose

TS207.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.01.022

1671-9646（2017）01a-0077-04

2016-11-14

江苏省博士后基金（1302013A）；江苏大学高级人才启动基金（10JDG031）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD2012）；江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（201410299025Z）；江苏大学大学生科研立项（14A004，14A017，14A050，14A051，13A062，13A110）；江苏大学大学生创新计划（201310299041W，201310299045W，201310299046W）。

廖 敏（1994— ），女，在读本科，研究方向为食品农产品快速无损检测技术开发与应用。

*通讯作者：丁青芝（1975— ），女，博士，副教授，研究方向为酒类催陈、物理场在食品加工中的应用及生物活性成分的提取利用。