AIRSENSE电子鼻文献 | 基于电子鼻甄别影响奶牛挥发性有机物指纹图谱质量的潜在误差来源研究

近年来，畜牧养殖技术朝着自动化、无创化方向快速发展，通过实时监测动物生理、健康与福利指标，能够实现奶牛群体的高效管理，对早期疾病预警、发情识别、生产性能评估具有重要现实意义。

挥发性有机化合物VOCs是动物机体代谢、呼吸道及瘤胃生理活动的产物，文章以AIRSENSE电子鼻为原型，探究会干扰奶牛挥发性有机物（VOC）特征信号的各类误差来源。

试验与分组

试验选用 11 头国外奶牛，分为两组，分栏饲养在不同牛舍：

- I 组（6 头）：泌乳牛，饲喂泌乳日粮 LD；

- II 组（5 头）：非泌乳妊娠后期干奶牛，饲喂干奶远期日粮 FD。

试验采集三类样本：①牛舍环境空气；②饲料顶空气体；③奶牛呼出气体；呼出气体分别采集采食基础日粮 10 min 后、补饲颗粒精料再 10 min 后的样本，全部采用主成分分析 PCA 做数据解析。

实验仪器

AIRSENSE电子鼻系统分为采集单元、检测分析单元、结果分析软件 Winmuster 三部分。

实验方案

采样时漏斗置于牛口鼻前方，每个样本连续测 3 次，单次采样 40 s、设备清洗 60 s，选取采样 36‑38 s 的传感器向量构建气味特征图谱做 PCA 分析，全程同一操作人员、同一仪器以减少人为误差。

结果与分析

01

牛舍环境背景检测结果

对 Ⅰ 组、Ⅱ 组奶牛所在两间牛舍开展环境空气 VOC 采集，PCA 结果显示两个牛舍环境样本实现清晰区分，样本椭圆完全分离，无交叉重叠（图 4）。

第一主成分方差贡献率 96.59%，第二主成分方差贡献率 2.68%。

说明两间牛舍环境本身的挥发性气体本底信号存在显著区别，牛舍环境是不可忽视的误差来源，环境空气会对奶牛呼出气 VOC 检测结果造成干扰，在现场检测中必须考虑环境背景的影响。

02

饲料顶空气体检测结果

分别采集泌乳日粮 LD、干奶远期日粮 FD、颗粒精料的饲料顶空挥发气体：

1. LD 与 FD 对比（图 5‑a）：PCA 可以完全区分两种日粮的挥发物，无样本重叠；第一主成分方差贡献率 99.54%，第二主成分方差贡献率 0.32%，两种基础日粮的气味指纹差异十分明显。

2. LD、FD、颗粒精料三者同时对比（图 5‑b）：三类饲料样本聚类区域互相独立，均可实现判别；第一主成分方差贡献率 98.67%，第二主成分方差贡献率 10.98%。

说明不同饲料自身会释放特征 VOC。如果不排除饲料挥发气体干扰，饲料气味会混入呼出气样本，成为重要的系统误差源，会混淆奶牛本身的呼吸代谢信号。

03

奶牛呼出气体检测结果

呼出气体采样时间：饲喂 250 g 对应日粮 10 min 后；之后每组各选 4 头奶牛补饲 250 g 颗粒精料，间隔 10 min 再次采集呼出气。

1. Ⅰ 组（泌乳牛 LD）与 Ⅱ 组（干奶牛 FD）呼出气对比（图 6）

PCA 结果显示两组奶牛呼出气样本聚类区域相互分离，不存在重叠，能够有效区分两组不同生理阶段、饲喂不同日粮奶牛的呼出 VOC 信号；第一主成分方差贡献率 63.70%，第二主成分方差贡献率 15.94%。说明日粮和生理状态（泌乳 / 干奶）会显著改变奶牛呼出气的挥发性有机物组成。

2. 同一组奶牛补饲颗粒精料前后呼出气对比（图 7）

- Ⅰ 组泌乳牛：采食 LD 日粮后、LD + 颗粒精料补饲后，呼出气 PCA 聚类明显分开，可以分辨采食精料带来的呼出气信号变化；

- Ⅱ 组干奶后期妊娠牛：采食 FD 日粮后、FD + 颗粒精料补饲后，同样可观察到两组呼出气样本有效区分。

结论

AIRSENSE电子鼻可识别多种潜在误差源带来的 VOC 信号差异：

1. 可以分辨不同牛舍的环境背景气体；

2. 可以分辨不同种类饲料的顶空挥发物；

3. 可以分辨不同日粮、不同生理阶段奶牛的呼出气；

4. 可以分辨同一组奶牛采食精料前后呼出气的变化。

该设备具备识别上述干扰因素的能力，证明AIRSENSE电子鼻有潜力用于牧场现场检测，实现数字畜牧，动物发情监测、代谢病、呼吸道疾病筛查，还需要开展更多后续验证研究。