應用電子鼻對幾種腐敗菌的鑒別研究【畢業(yè)設計】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p><b>　?。?0_ _屆）</b></p><p>　　應用電子鼻對幾種腐敗菌的鑒別研究</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 食品質量與

2、安全 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　目錄</b><

3、/p><p><b>　　0 引言1</b></p><p><b>　　1 材料和方法2</b></p><p>　　1.1 原料和試劑2</p><p>　　1.2 儀器和設備2</p><p><b>　　2 方法3</b></p>

4、;<p>　　2.1 培養(yǎng)基的制備3</p><p>　　2.1.1 牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基制備3</p><p>　　2.1.2 牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基制備3</p><p>　　2.1.3 滅菌過程3</p><p>　　2.1.4 倒平板3</p><p>　　2.2 菌種的準備3<

5、;/p><p>　　2.2.1 菌種活化3</p><p>　　2.2.2 涂布3</p><p>　　2.2.3 液體接種3</p><p>　　2.2.4 平板接種培養(yǎng)4</p><p>　　2.2.5 平板菌落計數4</p><p>　　2.3 電子鼻的檢測4</p>

6、<p>　　2.4.1 線性判別式分析4</p><p>　　2.4.2 主成分分析4</p><p><b>　　3 結果與討論4</b></p><p>　　3.1 菌落總數測定4</p><p>　　3.2 電子鼻原始數據5</p><p>　　3.3 主成分分析7&

7、lt;/p><p>　　3.4 線性判別式分析8</p><p>　　3.5第一主成份的LDA和PCA分析9</p><p>　　3.6 Loadings分析9</p><p><b>　　4 小結10</b></p><p><b>　　致謝10</b></p&

8、gt;<p>　　摘 要：研究目的：通過電子鼻對腐敗菌的快速鑒定研究，為發(fā)展快速無損定量檢測食源性微生物提供一定研究基礎。</p><p>　　方法與結果：本研究利用基于金屬氧化物傳感器的電子鼻技術檢測熒光假單胞桿菌（Pseudomonas fluorescens）和威爾斯李斯特菌（Listeria innocua）兩種致病菌培養(yǎng)液的揮發(fā)性代謝產物，結合化學計量學方法主成分分析（PCA）和線性判別分

9、析（LDA）對電子鼻原始數據進行統計學分析。PCA模式識別結果顯示該技術能夠很好的將兩種細菌在培養(yǎng)液中的揮發(fā)性代謝產物譜圖進行區(qū)分，LDA模式可以使組間變異和組內變異的比率達到最大，為電子鼻技術定量檢測致病菌提供了有效支撐。</p><p>　　意義：與傳統的微生物檢測方法相比，基于氣味指紋技術的電子鼻檢測具有高效、快速、簡便的特點。因此對這種檢測手段的應用方法研究，對追蹤食源性疾病來源和控制食源性疾病流行具有重

10、要的意義，也是解決當前食品安全問題的迫切需求。</p><p>　　關鍵詞：電子鼻；腐敗菌；主成份分析；線性判別分析</p><p>　　Abstract: Aims: Through the electronic nose for rapid identification of spoilage bacteria, for the development of rapid non-des

11、tructive quantitative analysis of food-borne micro-organisms to provide a research foundation.</p><p>　　Methods and Results: In this study, we have used a metal oxide sensor based electronic nose to detect b

12、acteria Pseudomonas fluorescens and Wales Listeria monocytogenes bacteria culture fluid of two volatile metabolites, Combined with chemometric methods principal component analysis (PCA) and linear discriminant analysis (

13、LDA) on the electronic nose raw data for statistical credits. The results show that the PCA pattern recognition technique can distinguish spectra of volatile metabolites, LDA mo</p><p>　　Significance : Compa

14、red with traditional microbiological testing methods, based on electronic nose odor detection fingerprint technology is an efficient, rapid and simple features. Therefore, the application of this method of testing means,

15、 for tracking and control of foodborne illness from food-borne epidemics is of great significance, but also solve the urgent needs of food safety issues.</p><p>　　Keywords: Electronic nose; spoilage bacteria

16、; principal component analysis; linear discriminant analysis</p><p><b>　　0 引言</b></p><p>　　近年來我國食品安全問題日趨嚴峻，食品細菌性中毒占各種食物中毒之首，食源性致病菌導致的疾病已經成為危害食品安全問題的最主要原因之一。其中熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）

17、可以從傷口、痰、胸水、尿和血液中分離出來，可導致輸血后不可逆的休克，具有臨床意義；威爾斯李斯特菌（L. innocua）細菌會引起大腸癌和乳腺癌等疾病。這些食源性疾病主要是通過被污染的食物和水源等而感染，因此建立一種快速、準確的檢測方法對追蹤食源性疾病來源和控制食源性疾病流行具有重要的意義，也是解決當前食品安全問題的迫切需求[1]。</p><p>　　微生物的檢測方法較多，傳統方法依靠微生物的培養(yǎng)及形態(tài)學生理生

18、化實驗，但耗時長效率低敏感性差，不能及時檢出樣品中的病原菌?，F代免疫學和分子學等方法主要針對微生物的蛋白質和核酸進行檢測，特異性效率高，但是這些方法往往需要對微生物進行富集培養(yǎng)或者細胞壁提取DNA等，樣品預處理過程比較復雜，而且達不到實時檢測的目的[2]。</p><p>　　1982年英國Warwick大學的Persuad和Dodd模仿哺乳動物嗅覺系統的結構和機理提出了電子鼻的概念，電子鼻又稱氣味掃描儀、人工嗅

19、覺分析系統，是20世紀90年代發(fā)展起來的一種實現快速分析氣味的新穎儀器，有一定選擇性的電化學傳感器陣列和適當的模式識別系統組成，能夠識別簡單和復雜氣味的儀器，其工作原理類似人的鼻子，故稱之為“電子鼻”。</p><p>　　基于氣味指紋技術的電子鼻檢測方法主要是針對微生物的揮發(fā)性代謝產物,對樣品本身沒有什么特殊要求, 無需對樣品本身進行任何處理,具有檢測迅速、靈敏度高、使用壽命長、成本低廉，因而在微生物快速無損檢

20、測方面具有良好的應用前景。微生物揮發(fā)性代謝產物（Microbial Volatile Organic Compounds,MVOCs）是微生物代謝產物的重要組成部分，是重要的信息素，也是人類了解微生物生命活動本質規(guī)律的重要窗口[3]。不同微生物個體的MVOCs往往不同，它們一般具有種屬特征，因此這些氣味物質以及由它們組成的氣味指紋圖譜可以潛在的被用來作為微生物鑒定與檢測的依據。早期研究中，學者們主要利用頂空技術結合氣相色譜和質譜儀（GC

21、-MS）對微生物的揮發(fā)性代謝產物進行分析，然而由于GC-MS技術對操作要求比較高，前期處理相對復雜等，這逐步阻礙了它們對微生物氣味指紋的研究[4]。最近，Pavlou等人運用電子鼻技術區(qū)分了14株梭菌屬細菌和12株Bacteroides fragilis細菌的氣味指紋；在國內，疍勛濤等人利用自己開發(fā)的氣味濃縮電子鼻提高了兩株病原菌的區(qū)分能力，表明電子鼻技術在微生物快</p><p>　　另外由于不同種類的細菌菌體

22、所含的酶系統不同, 從而分解能力不同造成其代謝產物不同。另外,由于細菌生長要經歷遲緩期、對數期、穩(wěn)定期、衰退期四個階段，所以對同一細菌的不同生長階段,揮發(fā)物的濃度也有差異。也就是說在同樣的培養(yǎng)基中培養(yǎng)一定時間后,對營養(yǎng)基質的利用情況和所產生的產物就會不同。</p><p>　　電子鼻主要由氣敏傳感器陣列、信號處理系統和模式識別系統等功能器件組成，如下圖一所示。在電子鼻系統中，氣敏傳感器陣列是整個系統的基礎，具有不

23、同的選擇性，利用其對多種氣體的交叉敏感性，將不同的氣味分子在其表面轉化為可測定的電信號，實現混合氣體分析[7]。目前電子鼻傳感器的主要類型有導電型傳感器、壓電式傳感器、場效應傳感器、光纖傳感器等，最常用的氣敏傳感器的材料為金屬氧化物、高分子聚合物材料、壓電材料等。在信號處理系統中的模式識別部分主要采用人工神經網絡和統計模式識別。</p><p>　　電子鼻的工作原理的類似于人體嗅覺系統，按照人的嗅覺形成過程，電子

24、鼻對氣味的分析識別過程包含三個部分：（1）氣敏傳感器陣列與氣味分子反應后，通過一系列物理化學變化產生電信號；（2）電子信號經過電子線路，將信號放大并轉換成數字信號輸入計算機中進行數據處理；（3）處理后的信號通過模式識別系統，最后定性或者定量的輸出對氣體所含成分的檢測結果[8]。</p><p>　　本研究利用基于金屬氧化物傳感器的電子鼻技術檢測熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L.

25、innocua）兩種致病菌培養(yǎng)液的揮發(fā)性代謝產物，結合化學計量學方法主成分分析（PCA）和線性判別分析（LDA）對電子鼻原始數據進行統計學分析。PCA模式識別結果顯示該技術能夠很好的將兩種細菌在培養(yǎng)液中的揮發(fā)性代謝產物譜圖進行區(qū)分，LDA模式可以使組間變異和組內變異的比率達到最大，為電子鼻技術定量檢測致病菌提供了有效支撐[9]。</p><p><b>　　1． 材料和方法</b></

26、p><p><b>　　1.1 原料和試劑</b></p><p>　　菌種：熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）</p><p>　　牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基（又稱營養(yǎng)肉湯，用于培養(yǎng)細菌）</p><p>　　成分：牛肉膏3g，蛋白胨10g，氯化鈉5g，蒸餾水1000ml，p

27、H7.4</p><p>　　牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基（又稱營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，用于培養(yǎng)細菌）</p><p>　　成分：牛肉膏3g,蛋白胨10g，氯化鈉5g，瓊脂15g，蒸餾水1000ml，pH7.4</p><p><b>　　碎冰</b></p><p><b>　　1.2 儀器和設備</b><

28、;/p><p><b>　　電子鼻儀器</b></p><p><b>　　電子分析天平</b></p><p><b>　　高壓蒸汽滅菌鍋</b></p><p><b>　　無菌操作臺</b></p><p><b>　　

29、電熱恒溫振蕩培養(yǎng)箱</b></p><p><b>　　低溫冷凍箱</b></p><p>　　其他：培養(yǎng)皿，滴定管，鑰匙，泡沫箱，燒杯，量筒（250ml），錐形瓶（500ml），移液槍（1.5-10μl;10-100μl;100-1000μl）,槍頭，酒精燈，涂玻棒，簽字筆，接種環(huán)，保鮮膜，一次性手套，酒精燈等</p><p>&

30、lt;b>　　2. 方法</b></p><p>　　2.1 培養(yǎng)基的制備</p><p>　　2.1.1 牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基制備</p><p>　　制法：將1.5g牛肉膏，5g蛋白胨，2.5氯化鈉和500ml蒸餾水各成分按照配方比例溶解于水中，以1mol/L氫氧化鈉溶液校正pH為7.4，分裝三角瓶（分裝量以三角瓶容積的1/2到2/3為宜）或

31、試管（分裝至試管高度1/4左右為宜）。本實驗將培養(yǎng)基分裝于50ml三角瓶內。</p><p>　　2.1.2 牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基制備</p><p>　　制法：將1.5牛肉膏，5g蛋白胨，2.5g氯化鈉，7.5g瓊脂和500ml蒸餾水各成分溶解于水中，以1mol/L氫氧化鈉溶液校正pH為7.4。</p><p>　　2.1.3 滅菌過程</p>&

32、lt;p>　　本實驗所用高壓蒸汽滅菌鍋采用0.1Mpa，121℃，20min滅菌條件。</p><p>　　（1）首先將內層鍋取出，再向外層鍋內加入適量的水，使水面與三角擱架相平為宜。</p><p>　?。?）放回內層鍋，并裝入上述培養(yǎng)基和平皿板。</p><p>　?。?）加蓋，并將蓋上的排氣軟管插入內層鍋的排氣槽內。再以兩兩對稱的方式同時旋緊相對的兩個螺

33、栓，使螺栓松緊一致，防止漏氣。</p><p>　?。?）用電驢加熱，并同時打開排氣閥，使水沸騰以排除鍋內的冷空氣。帶冷空氣完全排盡后，關上排氣閥，讓鍋內的溫度隨蒸汽壓力增加而逐漸上升。當鍋內壓力升到所需壓力時，控制熱源，維持壓力所需時間。</p><p><b>　　2.1.4 倒平板</b></p><p>　　右手持盛培養(yǎng)基的500ml錐

34、形瓶放置火焰旁邊，用左手將試管塞輕輕拔出，錐形瓶口保持對著火焰；</p><p>　　然后用右手手掌邊緣或小指與無名指夾住瓶塞。左手持培養(yǎng)皿并將皿蓋在火焰旁打開一縫，迅速倒入平皿</p><p>　　板約15ml，加蓋后輕輕搖動培養(yǎng)皿，使培養(yǎng)基均勻分布在培養(yǎng)皿底部，然后平置于桌面上，待凝后即為平</p><p>　　板。最后用保鮮膜密封平皿板，隔絕外面空氣，防止雜菌

35、污染。</p><p><b>　　2.2 菌種的準備</b></p><p>　　2.2.1 菌種活化</p><p>　　在無菌操作臺內操作，使用前打開無菌室紫外燈輻照滅菌30分鐘以上，并且同時打開超凈臺進行吹風。紫外燈輻照滅菌后，將接種環(huán)灼燒，冷卻，挑取少量上述菌種于50ml液體培養(yǎng)基內，熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威

36、爾斯李斯特菌（L. innocua），置于30℃的電熱恒溫振蕩培養(yǎng)箱內隔夜培養(yǎng)。</p><p><b>　　2.2.2 涂布</b></p><p>　　將上述兩種菌液用100到1000μl的移液槍分別吸取1ml原始菌液與固體培養(yǎng)基上，用無菌玻璃棒在培養(yǎng)基表面輕輕地涂布均勻，，其方法是將菌液先沿一條直線輕輕地來回推動，使之均勻分布，然后改變90°沿另一條直

37、線來回推動，平板內邊緣處可改變方向用涂棒再涂布幾次，室溫下靜置5到10min。標注威爾斯菌和熒光假單胞桿菌，置于30℃的電熱恒溫振蕩培養(yǎng)箱內隔夜培養(yǎng)。</p><p>　　2.2.3 液體接種</p><p>　　用接種環(huán)挑取平板上單個菌落于20ml液體培養(yǎng)基，標注熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua），置于30℃的電熱恒溫振蕩培養(yǎng)箱內隔夜培

38、養(yǎng)。</p><p>　　2.2.4 平板接種培養(yǎng)</p><p>　　將事先滅菌密封的平皿板用記號筆分別標明10-1，10-3 ，10-5，10-7的熒光假單胞桿菌（P. fluorescens），威爾斯李斯特菌（L. innocua）和實驗日期等。采用梯度稀釋平板計數法，即在無菌水平凈化臺里，用100μl移液槍吸取100μl的菌液，加入900μl的滅菌生理水，制成1：10的均稀釋液，再

39、依次進行l(wèi)00倍遞增稀釋，至適當稀釋度10-3 ，10-5和10-7后，采用平板劃線分離法劃線：用無菌接種環(huán)挑取上述配置液在平板培養(yǎng)基上作連續(xù)劃線。每個梯度做一個平行。劃線完畢后，蓋上培養(yǎng)皿蓋，倒置于30℃的電熱恒溫振蕩培養(yǎng)箱內隔夜培養(yǎng)。</p><p>　　2.2.5 平板菌落計數</p><p>　　取出隔夜培養(yǎng)的10-3 ，10-5，10-7三個梯度共12個熒光假單胞桿菌（P. fl

40、uorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）平板，然后測定兩個菌的菌體數量，根據大部分菌體量在100到200且比較分散，采用全部計數；其余采用平均四份，取其中一塊×4，得到菌體數量。</p><p><b>　　計算公式：</b></p><p>　　每毫升樣品中菌落形成單位數（CFU）=同一稀釋度2次重復的平均菌落數×稀釋倍數&l

41、t;/p><p>　　根據所得菌落形成單位數，吸取一定量菌液于液體培養(yǎng)基，標注威1，威2，威3，熒1，熒2，熒3和空白培養(yǎng)基置于30℃的電熱恒溫振蕩培養(yǎng)箱內隔夜培養(yǎng)。</p><p>　　2.3 電子鼻的檢測</p><p>　　電子鼻采用靜態(tài)頂空氣方法對樣品進行分析。首先將裝好樣的樣品瓶進行加熱振蕩使樣品在瓶中迅速達到多相平衡，接著由自動進樣器抽取樣品瓶中頂空的部分氣

42、體并直接打入傳感器箱，最后通過傳感器與樣品氣體進行反應。本實驗中電子鼻參數具體如下：菌液濃度1.5×109 cfu/g，信號總獲取時間100s，信號頻率1.0s，載氣為合成干燥空氣，載氣流速300mL/min，進樣體積2mL,溫度常溫。</p><p><b>　　2.4 數據分析</b></p><p>　　2.4.1 線性判別式分析</p>

43、<p>　　線性判別分析是一種常用的分類方法，使用該方法需要樣本空間呈正態(tài)分布，并有相等的離差。構造的判別函數由原始變量經線性組合得出，能夠最大限度地區(qū)分不同的樣本集，在降低數據空間維數的同時最大限度地減少信息丟失。這種數學分類規(guī)劃則將N維空間分成一些子空間，并將其定義在直線、平面或超平面上。這種計算判別函數的方法可以使組間變異與組內變異的比率最大。由于LDA具有分類效果好、易實現等優(yōu)點，所以成為在電子鼻系統中應用十分廣泛的

44、方法，并都取得了良好的效果。</p><p>　　2.4.2 主成分分析</p><p>　　主成分分析是將所提取的傳感器多指標的信息進行數據轉換和降維，并對降維后的特征向量進行線性分類，最后在PCA分析的散點圖上顯示主要的兩維散點圖。PCA1和PCA2上包含了在PCA轉換中得到的第一主成分和第二主成分的貢獻率。貢獻率越大，說明主要成分可以較好的反映原來多指標的信息。一般情況下，總貢獻率超

45、過70%到80%的 方法即可使用[10-12]。</p><p><b>　　3. 結果與討論</b></p><p>　　3.1 菌落總數測定</p><p>　　根據以下原則計數菌落總數：菌落總數在100以內時，按其實有數報告；大于100時，采用兩位有效數字，在兩位有效數字后面的數值，以四舍五入方法計算。為了縮短數字后面的零數，也可用10的

46、倍數來表示。如下表1顯示的是不同稀釋度的熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）的菌落總數。</p><p><b>　　計算方法：</b></p><p>　　涂布平板計數法：cfu數/ml(g)樣品=同一稀釋度兩次重復實驗的平均菌落數×稀釋倍數</p><p>　　表1熒光假單胞桿菌（

47、P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）的菌落總數</p><p>　　Table 1 the total plate count of P. fluorescens and L. innocua</p><p>　　由上述表格得出威爾斯李斯特菌（L. innocua）的菌落總數為（145+140）/2×107=1.4×109</p&

48、gt;<p>　　熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）的總數為（137+136）/2×107=1.4×109</p><p>　　通過菌落總數可以得出熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）的菌液體細菌的濃度在109cfu/ml左右。</p><p>　　此目的在于消除周圍環(huán)境對測試結果的影響，主要是

49、消除菌落數量多少的不同對測試結果的影響。因此在后續(xù)步驟中將培養(yǎng)好的菌液分裝到10ml的培養(yǎng)瓶中，取樣量為2ml/瓶，每個樣品做兩個平行重復。以上操作對兩個菌都一樣。</p><p>　　3.2 電子鼻原始數據</p><p>　　對各個樣品依次用電子鼻進行檢測，得到各樣品的電子鼻輸出信號與采集時間的關系。以威爾斯李斯特菌（L. innocua）1號樣品為例，圖1為各個傳感器對同一樣品威爾斯

50、菌的響應曲線。</p><p>　　圖1 威爾斯李斯特菌（L. innocua）的10根傳感器的響應曲線</p><p>　　Figure 1 the ten sensor response curve of L. innocua</p><p>　　圖2熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）的10根傳感器的響應曲線</p><p>

51、　　Figure 2 the ten sensor response curve of P. fluorescens</p><p>　　實驗檢測每個樣品時，數據采集時間為100秒，共有10根傳感器。圖中橫軸為時間軸，共100秒，縱軸為響應強度，每條曲線代表一個傳感器在100秒內的相應值變化[13-14]。從圖1中可以看出，隨著采集時間的延長，傳感器1到10的輸出信號逐漸變化，由圖明顯可以看出威爾斯李斯特菌大致在

52、20秒時候達到最大相應值，在80秒后逐漸趨于穩(wěn)定。在其它培養(yǎng)瓶下的同種菌液，用電子鼻進行檢測，得到的電子鼻輸出信號與采集時間關系和圖1類似。</p><p>　　圖2顯示的是各個傳感器樣品對熒光假單胞桿菌的響應曲線。與圖1比較可以發(fā)現兩者存在明顯區(qū)別，該菌是在40秒時達到最大響應值，然后趨于穩(wěn)定。</p><p>　　表2 傳感器及其對應的揮發(fā)性物質類型</p><p

53、>　　Table 2 Sensor and its corresponding type of volatile substances</p><p>　　表2是該電子鼻的傳感器及其對應的揮發(fā)性物質類型，與圖1和圖2相對應，可以看出威爾斯李斯特菌（L. innocua）對W5S和W1S比較敏感，而熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）對W5S和W2S比較敏感，說明兩組樣品之間的揮發(fā)性物質強度存在差異

54、。</p><p>　　各個傳感器輸出信號隨采集時間變化而變化的趨勢反映的是各傳感器對氣味的敏感程度，也蘊含了電子鼻測試樣品時所獲得的總體信息。通過各個傳感器響應強度值信息的比較，如下圖3熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）在100秒傳感器的相應值，清晰說明從傳感器信號響應值的不同可以判斷兩組樣品之間的揮發(fā)性物質強度存在差異。</p><p&g

55、t;　　圖3從左到右是威爾斯李斯特菌（L. innocua）和熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）在100秒時傳感器的相應值</p><p>　　Figure 3 L. innocua and P. fluorescens from left to right is the 100 seconds corresponding values ??of the sensor</p><p

56、>　　經過比較我們可以得出以下結論：</p><p>　　第一，不同的傳感器對同一樣品的響應曲線是不同的，說明每根傳感器對樣品的響應具有選擇性。</p><p>　　第二，同一傳感器對不同樣品的敏感性存在差異，比如W5S在威爾斯李斯特菌（L. innocua）的信號相應值強度最大為7.0而在熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）的信號響應值強度最大為3.4，而且兩者最大相應值

57、時間也不同。</p><p>　　綜上得出不同傳感器對不同樣品反應的敏感程度不同。同時，從傳感器信號的不同也可以判斷威爾斯李斯特菌（L. innocua）和熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）樣品之間的揮發(fā)性物質強度存在差異[15]。</p><p><b>　　3.3 主成分分析</b></p><p>　　主成分分析主要是將傳感器

58、響應的特征向量矩陣進行數據轉換和降維，并對降維后的特征向量進行線性分類，最后將分類結果以PCA散點圖的形式展現出來。其基本思想是將眾多的變量重新組合成一組新的互相無關的幾個綜合變量，同時根據實際需要從中取出幾個較少的總和變量并盡可能多地反映原來變量的信息。因此，前幾個主成分如第一個主成份（PC1）和第二個主成份（PC2）基本包含了傳感器的響應結果。</p><p>　　圖4為氣味指紋圖的分析信息，圖5為威爾斯李斯

59、特菌（L. innocua）和熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）以及空白培養(yǎng)液的氣味指紋PCA圖。</p><p>　　圖4 氣味指紋圖的分析信息</p><p>　　Figure 4 Analysis of odor fingerprint information</p><p>　　圖5威爾斯李斯特菌（L. innocua），熒光假單胞桿菌（P. f

60、luorescens）和空白培養(yǎng)液氣味指紋PCA圖</p><p>　　Figure 5 the odor fingerprint PCA map of L. innocua， P. fluorescens and blank medium</p><p>　　從圖5可以看出威爾斯李斯特菌（L. innocua）和熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）兩種樣品的三個重復點能夠很好的

61、聚在一起形成一個個組群，進一步表明分析的重復性合格。其中縱坐標第一主成份為74.625%，橫坐標第二主成份為20.251%，整體上講，第一主成份和第二主成份之和為94.876%，總貢獻率超過70%，表明區(qū)分合格。</p><p>　　從第二主成份上看，從左到右依次為空白培養(yǎng)液、熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）培養(yǎng)液和威爾斯李斯特菌（L. innocua）培養(yǎng)液；而且從第一主成份上看，兩種菌和空白培養(yǎng)

62、液有明顯三個層次。表明熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）培養(yǎng)液和威爾斯李斯特菌（L. innocua）培養(yǎng)液的揮發(fā)性代謝產物呈現出不同的釋放。結合圖4的分析結果也可以進一步驗證：基于微生物的揮發(fā)性代謝產物的研究對微生物的區(qū)分是可行也是有效的。</p><p>　　3.4 線性判別式分析</p><p>　　線性判別是一種常用的分類方法，由原始變量經線性組合構造出判別函數，能夠最

63、大限度地區(qū)分不同的樣本集，在降低數據空間維數的同時，最大限度地減少信息丟失。</p><p>　　對空白培養(yǎng)液、熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）培養(yǎng)液和威爾斯李斯特菌（L. innocua）培養(yǎng)液進行LDA分析，如圖6所示，其總貢獻率達到99.948%，其中第一主成份為53.075%，第二主成份為46.874%，大于PCA散點圖的94.876%。與PCA相比較威爾斯李斯特菌（L. innocua）和

64、熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）兩種樣品的三個重復點集中，從左到右依次為空白培養(yǎng)液、威爾斯李斯特菌（L. innocua）和熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）培養(yǎng)液，且比PCA區(qū)分度高，這表明熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）的區(qū)域沒有交叉，采用LDA法也能很好的反映兩種菌液的揮發(fā)性物質存在明顯差異，特別在第二主成份上更顯著。</p><p

65、>　　圖6熒光假單胞桿菌（P. fluorescens），威爾斯李斯特菌（L. innocua）和空白培養(yǎng)液氣味指紋LDA圖</p><p>　　Figure 6 the odor fingerprint LDA map of L. innocua， P. fluorescens and blank medium</p><p>　　3.5第一主成份的LDA和PCA分析</p&

66、gt;<p>　　分別用LDA法和PCA法對熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）以及空白培養(yǎng)液的第一主成份進行分析[16]，即圖5和圖6的縱坐標比較可以得出結果，如圖7</p><p>　　圖7左圖是LDA，右圖是PCA</p><p>　　Figure 7 left is LDA, the right is PCA</

67、p><p>　　通過比較我們可以得出LDA第一主成分的響應強度明顯呈現3個梯度，威爾斯李斯特菌（L. innocua）能夠很好的與熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和空白培養(yǎng)液區(qū)分開，而熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和空白培養(yǎng)液區(qū)的第一主成份區(qū)別差異相對比較小。相對而言PCA第一主成份的響應強度存在明顯區(qū)域。通過比較我們可以得出：熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特

68、菌（L. innocua）的揮發(fā)性物質的強度也存在明顯差異。</p><p>　　3.6 Loadings分析</p><p>　　利用Loadings分析可以幫助區(qū)分當前模式下傳感器的相對重要性，傳感器貢獻率越高，則該傳感器的識別能力越強[17]，見圖8</p><p>　　圖8熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）

69、的Loadings分析</p><p>　　Figure 8 the loadings analysis of P. fluorescens and L. innocua</p><p>　　從圖8中我們可以看出電子鼻的10個傳感器，基本上對熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）的揮發(fā)性物質都有響應，其中傳感器W5S對第一主成份貢獻率最大，W

70、1S，W2S和W2W對第二主成份的貢獻率比較大，W6S,W3S,W1C，W3C和W5C對兩個主成份貢獻率差不多。由表2可知，傳感器W5S主要對氮氧化合物比較靈敏，W1S主要對甲烷比較靈敏，W2S主要對乙醇比較靈敏。因此，綜合分析得出熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）的揮發(fā)性代謝產物主要是氮氧化合物、乙醇類和芳香型化合物。兩者在揮發(fā)性代謝產物上區(qū)別不是很大。</p><

71、;p><b>　　4. 小結</b></p><p>　　本實驗采用金屬氧化物氣敏傳感器檢測了熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）兩種細菌在培養(yǎng)液中的揮發(fā)性代謝產物，同時以空白培養(yǎng)液作比較。通過主成份分析，線性判別式分析并結合Loadings分析對傳感器相應值進行識別和分析，結果表明：基于氣味指紋的電子鼻技術能夠較好的區(qū)分熒光假單胞桿菌

72、（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）兩種細菌培養(yǎng)液，利用Loadings分析得出兩種菌的主揮發(fā)性答謝產物區(qū)別不大，傳感器W5S對第一主成份貢獻率最大，W1S，W2S和W2W對第二主成份的貢獻率比較大，表明兩種菌的主要揮發(fā)性氣體是氮氧化合物、乙醇類和芳香型化合物。因此，根據線性判別式分析和主成份分析得出熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）培養(yǎng)液的揮發(fā)性物

73、質主要在強度相應值存在明顯差異，PCA和LDA方法同時顯示兩種細菌的氣味和響應強度與空白培養(yǎng)液有一定差異，并且根據第一主成份分析表明熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）的氣味信息與空白培養(yǎng)液接近，而威爾斯李斯特菌（L. </p><p>　　雖然熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）和威爾斯李斯特菌（L. innocua）培養(yǎng)液能區(qū)別空白培養(yǎng)液，但其是否能區(qū)別其它所有的食源性致病菌尚缺乏比較，另

74、一方面，本實驗只是對純培養(yǎng)的菌做了檢測，未曾具體用于食品微生物的檢測。因此，本實驗的目的在于通過電子鼻對腐敗菌的快速鑒定研究，為發(fā)展快速無損定量檢測食源性微生物提供一定研究基礎。</p><p>　　相對于傳統的微生物檢測方法，電子鼻用于微生物的檢測基于氣味指紋的檢測技術，其主要針對于微生物的揮發(fā)性代謝產物，對樣品沒有特殊的要求，操作簡單，費時短靈敏度高，最重要的是在操作過程中不需要對樣品進行任何破壞處理[18]

75、，從本次實驗中也可以看出。另外，2005年，Balasubramanian等用手提式電子鼻系統檢測了牛肉中培養(yǎng)的沙門氏菌。2008年，Siripatrawan等用電子鼻檢測新鮮蔬菜中的食源性致病菌?？梢姡娮颖窃谖⑸锟焖贆z測中是一項非常有發(fā)展前景的無損傷快速檢測方法[19，20]。</p><p>　　從生物分類學角度上看，兩種腐敗菌歸屬于兩種不同屬，依次分別是熒光假單胞桿菌（P. fluorescens）的假

76、單胞菌屬和威爾斯李斯特菌（L. innocua）的李斯特式菌屬。兩者在基因序列以及代謝表型上應該是有一定差別的，因此兩種菌對空白培養(yǎng)液的利用會呈現差異性，從而其揮發(fā)性代謝產物也必然存在一定差異。因此，實驗表明基于氣味指紋的電子鼻技術具有區(qū)分微生物的潛在能力，有望在致病菌快速檢測和鑒定方面進一步得到利用。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　

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