肖 虹，謝 晶，佟 懿

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306）

電子鼻在冷卻肉貨架期預(yù)測(cè)模型中的應(yīng)用

肖 虹，謝 晶*，佟 懿

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306）

冷卻肉，電子鼻，貨架期，主成分分析，動(dòng)力學(xué)模型

肉類食品是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚氖称罚鋮s肉［1］以其新鮮、肉嫩、味美、營(yíng)養(yǎng)、衛(wèi)生的優(yōu)點(diǎn)受到消費(fèi)者的青睞。在貯藏、流通等過(guò)程中，由于酶、微生物和外界環(huán)境等的作用，會(huì)引起冷卻肉的腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生不良風(fēng)味，致使品質(zhì)下降，貨架期縮短［2-3］。氣味是消費(fèi)者評(píng)價(jià)冷卻肉品質(zhì)及其接受程度最重要的品質(zhì)特征之一［4］。人工鑒別氣味受主觀因素影響大，而將客觀、準(zhǔn)確、快捷的電子鼻技術(shù)應(yīng)用于冷卻肉的貨架期預(yù)測(cè)中，將使感官鑒別更加客觀化、數(shù)量化，為氣味和品質(zhì)等的鑒定提供參考數(shù)據(jù)。該技術(shù)在近年已被應(yīng)用于水產(chǎn)品［5］新鮮度，蘋(píng)果［6］、牛奶［7］貨架期等的研究中，在豬肉新鮮度及其品質(zhì)的檢測(cè)中也有所應(yīng)用，柴春祥等人［3］用電子鼻技術(shù)檢測(cè)了豬肉在不同實(shí)驗(yàn)條件下（5、15、25℃）揮發(fā)性成分的變化，考察了保存溫度和時(shí)間對(duì)豬肉揮發(fā)性成分的影響。Hansen等人［8］將生鮮豬肉制成豬肉糜糕，采用感官評(píng)定、電子鼻和GC-MS方法，用多變量分析來(lái)預(yù)測(cè)生鮮食品的終點(diǎn)品質(zhì)。本文利用傳感器型電子鼻技術(shù)對(duì)不同貯藏溫度下經(jīng)不同貯藏時(shí)間的豬肉樣品進(jìn)行氣味分析，并結(jié)合菌落總數(shù)、揮發(fā)性鹽基氮值（TVBN）等理化指標(biāo)的變化，建立豬肉氣味、理化指標(biāo)隨貯藏溫度和時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測(cè)豬肉貨架期，從而為監(jiān)測(cè)和控制流通中冷卻肉品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豬后腿瘦肉 從臨港新城集貿(mào)市場(chǎng)購(gòu)買新鮮豬肉并用冰桶運(yùn)回，材料預(yù)處理：將豬肉分割后在冰水中清洗，并在干凈的冰上瀝干，后裝入已滅菌的培養(yǎng)皿中，貯藏在273、280、283、293K的條件下，用于菌落總數(shù)、揮發(fā)性鹽基氮（TVBN）的測(cè)定以及電子鼻分析。

電子鼻系統(tǒng) Alpha FOX4000，法國(guó)；自動(dòng)凱氏定氮儀 FOSS KEJET 2300，瑞士；三星 BCD-191GNS（E）冰箱，超凈工作臺(tái)，恒溫培養(yǎng)箱，理化干燥箱，高壓蒸汽滅菌鍋，數(shù)顯示恒溫水浴鍋。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每天取樣進(jìn)行氣味分析，菌落總數(shù)和揮發(fā)性鹽基氮值指標(biāo)的測(cè)定，其中貯藏在280、283、293K條件下的樣品，每天進(jìn)行兩次電子鼻分析。樣品各指標(biāo)的詳細(xì)分析時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 豬肉各指標(biāo)分析時(shí)間

1.2.1 氣味指紋分析

1.2.1.1 電子鼻系統(tǒng) 由18根金屬氧化物傳感器（MOS）陣列、頂空自動(dòng)進(jìn)樣裝置（HS100）和數(shù)據(jù)處理等部分組成。

1.2.1.2 樣品準(zhǔn)備 稱取2g攪碎的豬肉裝入10mL小瓶?jī)?nèi)，加蓋密封，每個(gè)樣品制備重復(fù)6次。

1.2.1.3 電子鼻檢測(cè)的分析參數(shù) 如表2所示。

表2 樣品分析參數(shù)

1.2.1.4 電子鼻數(shù)據(jù)處理 利用電子鼻系統(tǒng)自帶的Alphasoft11.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)采集的豬肉樣品的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多變量統(tǒng)計(jì)分析，包括：主成分分析（PrincipalComponentAnalysis，PCA）與貨架期（Shelflife，SL）分析。通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，可以獲得豬肉貯藏于不同溫度下氣味隨時(shí)間變化的相關(guān)信息。

1.2.2 菌落總數(shù)的測(cè)定 按GB-T4789.2-2003［9］進(jìn)行操作。

1.2.3 揮發(fā)性鹽基氮（TVBN）的測(cè)定 利用自動(dòng)定氮儀測(cè)定，參考鄧輝萍［10］的方法并略有修改。

1.3 豬肉貨架期預(yù)測(cè)模型

1.3.1 Arrhenius方程 在273、277、283、293K貯藏條件下可分別得到豬肉的TVBN值、菌落總數(shù)值。利用得到的數(shù)據(jù)做圖，確定反應(yīng)級(jí)數(shù)，計(jì)算反應(yīng)常數(shù)，得到該反應(yīng)的Arrhenius方程［11］：

式中：k0：指前因子（又稱頻率因子）；EA：活化能，J/mol或cal/mol；T：絕對(duì)溫度，K；R：氣體常數(shù)，8.3144J/（mol·K）；k0和EA都是與反應(yīng)系統(tǒng)物質(zhì)本性有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

活化能EA的數(shù)值可利用Arrhenius公式求出：

式中：k1、k2對(duì)應(yīng)T1、T2溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)，T1、T2：熱力學(xué)溫度，K。

1.3.2 Q10模型 Arrhenius關(guān)系式的主要價(jià)值在于：可以在高溫（低1/T）下收集數(shù)據(jù)，然后利用外推法獲得其它貯藏溫度下的貨架壽命，由式（2）求得EA，從而獲得Q10模型［12］：

式中：Q10：溫差10K時(shí)品質(zhì)降低速度的比值［13］；θs：貨架壽命，h。

1.3.3 豬肉貨架期預(yù)測(cè)模型的建立 本實(shí)驗(yàn)根據(jù)Arrhenius方程對(duì)活化能EA和Q10的計(jì)算并對(duì)照電子鼻Alphasoft11.0軟件求得的豬肉在不同貯藏溫度下氣味變化的SL分析值，獲得豬肉在不同溫度段內(nèi)273～283、283～293K的Q10貨架期預(yù)測(cè)模型［13］，從而預(yù)測(cè)豬肉在該兩個(gè)溫度段內(nèi)不同貯藏溫度點(diǎn)的貨架期（h）：

由式（3）可推導(dǎo)為：

豬肉貨架期預(yù)測(cè)模型：

式中：T0：已知的較大貯藏溫度點(diǎn)；T：所要求貨架壽命的溫度點(diǎn)；θs：貨架壽命，h；T0＞T。式（5）是根據(jù)式（4）變換而來(lái)，以計(jì)算貨架期。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007對(duì)豬肉理化指標(biāo)進(jìn)行分析以及對(duì)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)計(jì)算，并利用電子鼻Alphasoft11.0軟件對(duì)不同貯藏溫度下豬肉氣味隨時(shí)間變化進(jìn)行PCA與SL分析。

表3 不同貯藏溫度下豬肉菌落總數(shù)、TVBN的變化

2 結(jié)果與討論

2.1 豬肉在不同貯藏溫度下新鮮度指標(biāo)限值的確定

由表3可知，貯藏在不同溫度下的豬肉隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，其TVBN值與菌落總數(shù)值均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；可見(jiàn)，兩個(gè)指標(biāo)的變化有著相同的變化趨勢(shì)。豬肉的新鮮度可分為一級(jí)鮮度、二級(jí)鮮度和變質(zhì)肉三個(gè)等級(jí)［14］。豬肉在280K條件下貯藏104h后，其TVBN值相對(duì)于初始值增加了5.38倍，超過(guò)二級(jí)鮮度的標(biāo)準(zhǔn)。貯藏在283K條件下的豬肉，貯藏了80h后，其菌落總數(shù)由原來(lái)的2.4E+02 cfu·mg-1增長(zhǎng)到了6.1E+07 cfu·mg-1，超過(guò)了豬肉二級(jí)鮮度的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)TVBN值也超過(guò)了二級(jí)鮮度的標(biāo)準(zhǔn)。因此，將TVBN和菌落總數(shù)二級(jí)鮮度極限值對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為豬肉貨架壽命終點(diǎn)時(shí)間。

經(jīng)過(guò)回歸擬合（見(jiàn)表3），豬肉在不同貯藏溫度下的TVBN值與菌落總數(shù)值變化均符合一級(jí)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型規(guī)律（R2＞0.9）。

2.2 豬肉的電子鼻PCA分析

PCA分析是一種多變量統(tǒng)計(jì)分析方法，可以對(duì)多維矩陣數(shù)列進(jìn)行降維處理，在PCA分析圖上顯示主要的二維圖，即用較少的變量來(lái)分析豬肉貯藏于不同溫度下?lián)]發(fā)性氣味隨時(shí)間變化的相關(guān)性［15］。

由圖1可以看出，豬肉的揮發(fā)性氣味隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生改變，貯藏于283、293K溫度條件下的豬肉的PCA圖是不同的。283K下第一主成分（PC1）的貢獻(xiàn)率達(dá)93.85%，PC1與PC2累積貢獻(xiàn)率達(dá)99.168%，貢獻(xiàn)率越大，說(shuō)明主成分可以將原始高維矩陣數(shù)據(jù)的信息較好地反映出來(lái)。由圖1a發(fā)現(xiàn)，樣品貯藏的前68h，隨著貯藏時(shí)間的增加，樣品沿PC1軸向右，沿PC2軸先向上、后向下分布，由于樣品本身品質(zhì)變化不大，電子鼻檢測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)分布比較集中，所以在PCA分析圖中的圖譜分布比較集中。而貯藏了80h后，樣品沿PC1軸向左、沿PC2軸向上分布，且在PCA圖上的分布發(fā)生明顯變化；圖譜在橫坐標(biāo)上的距離越大，說(shuō)明樣品間氣味差異越大。通過(guò)分析表3中的TVBN值和菌落總數(shù)發(fā)現(xiàn)，樣品在貯藏了80h后，其品質(zhì)發(fā)生明顯改變，超過(guò)了二級(jí)鮮度標(biāo)準(zhǔn)?？梢缘贸?，樣品氣味的變化與品質(zhì)理化指標(biāo)的變化是同步的，這在PCA圖上可以得到很好的顯現(xiàn)。貯藏于293K下的PCA圖中PC1貢獻(xiàn)率達(dá)到了93.003%，PC1與PC2貢獻(xiàn)率之和達(dá)到了99.105%。隨著貯藏時(shí)間的增加，樣品沿PC1軸向左，沿PC2軸先向上，后向下分布。32h是一個(gè)突變點(diǎn)，分析表3可知，此時(shí)樣品品質(zhì)發(fā)生較大的變化，下降到二級(jí)鮮度標(biāo)準(zhǔn)，與PCA圖的分析結(jié)果也有很好的對(duì)應(yīng)性。通過(guò)電子鼻的PCA分析可得，電子鼻能對(duì)在283K與293K溫度條件下貯藏不同時(shí)間的豬肉氣味進(jìn)行很好的區(qū)分。

2.3 豬肉的電子鼻Shelflife分析

Alphasoft統(tǒng)計(jì)分析軟件有Shelflife分析功能，可根據(jù)不同貯藏溫度下豬肉的氣味變化進(jìn)行貨架期分析，即以PCA分析為基礎(chǔ)，將貯藏于不同溫度下樣品氣味隨時(shí)間變化的傳感器響應(yīng)值的重心差距作為縱坐標(biāo)，以時(shí)間作為橫坐標(biāo)，來(lái)表示貯藏過(guò)程中樣品氣味的變化。通常以初始測(cè)定的樣品氣味強(qiáng)度的重心值作為原點(diǎn)，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，若氣味強(qiáng)度減弱，則樣品分析值為負(fù)，曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；反之則為正值，曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)［16］。

通過(guò)對(duì)豬肉氣味變化的SL分析，由圖2可以看出，貯藏于283、293K溫度條件下的豬肉的氣味變化較大，且兩條曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，即傳感器對(duì)豬肉氣味變化的感應(yīng)呈增強(qiáng)的趨勢(shì)。80h和32h分別是貯藏在283K和293K溫度下豬肉氣味變化的突變點(diǎn)，可以很好地解釋在對(duì)豬肉的氣味進(jìn)行PCA分析過(guò)程中283K和293K溫度下氣味主成分方向分別在80h和32h發(fā)生改變的原因。通過(guò)分析表3發(fā)現(xiàn)，在293K下的豬肉貯藏32h時(shí)，其TVBN與菌落總數(shù)將達(dá)到二級(jí)鮮度極限值。豬肉在283K溫度下貯藏了80h后，其品質(zhì)發(fā)生明顯的改變，TVBN值和菌落總數(shù)超過(guò)了二級(jí)鮮度標(biāo)準(zhǔn)。SL分析也說(shuō)明電子鼻分析豬肉氣味的變化，與理化品質(zhì)指標(biāo)變化有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表4 豬肉在兩個(gè)溫度段上活化能EA和Q10的計(jì)算值

圖2 貯藏于283、293K下豬肉的Shelflife分析圖

2.4 豬肉的貨架期預(yù)測(cè)模型及驗(yàn)證

通過(guò)三個(gè)溫度點(diǎn)分別為273、283、293K，與其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)k，獲得1/T對(duì)lnk的回歸擬合方程，并根據(jù)式（2），求得EA1和EA2。由此，運(yùn)用式（3）可獲得273～283、283～293K兩個(gè)溫度段的Q10值，具體結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)溫度段下，TVBN值所對(duì)應(yīng)的Q10和EA值與菌落總數(shù)所對(duì)應(yīng)的Q10和EA值是不同的。通過(guò)lnk回歸擬合方程的相關(guān)性系數(shù)，以確定最終的Q10值與EA值。由表4得到TVBN的lnk回歸擬合方程的相關(guān)性系數(shù)較之菌落總數(shù)lnk回歸擬合方程的相關(guān)性系數(shù)有著更好的擬合效果，因此，選擇TVBN在不同溫度段下的Q10值與EA值。

通過(guò)電子鼻獲得的豬肉貯藏在283K下氣味變化的SL分析結(jié)果，得到在此溫度下貨架期分析值為80h，即將豬肉在283K貯藏過(guò)程中氣味變化的貨架期終點(diǎn)確定為80h。由此將貯藏于283K下獲得理化品質(zhì)指標(biāo)的Q10值與氣味變化的貨架期SL分析值代入公式（5），即可獲得豬肉在273～283K低溫度段下任一點(diǎn)溫度T下貨架期預(yù)測(cè)模型：

通過(guò)該模型計(jì)算出冷卻肉在280K條件下貨架壽命為109.336h；按照 NY/T632-2002，冷卻肉的TVBN值在15～25mg/100g范圍內(nèi)為二級(jí)鮮度，由表3可知，貯藏在280K溫度下的冷卻肉實(shí)際貨架壽命為104h；相對(duì)誤差為5.13%。

同理，在高溫度段283～293K內(nèi)任何一點(diǎn)溫度T下貨架期預(yù)測(cè)模型：

通過(guò)該模型計(jì)算出冷卻肉在283K條件下貨架壽命為79.072h；從表3的TVBN值可知其實(shí)際貨架壽命為80h；相對(duì)誤差為1.16%。

由此可看出，所得貨架期預(yù)測(cè)模型能較好地預(yù)測(cè)冷卻肉在不同溫度段的貨架壽命，且高溫段的預(yù)測(cè)精度要優(yōu)于低溫段，該模型為監(jiān)控和預(yù)測(cè)其品質(zhì)變化提供了一定的理論依據(jù)。

3 結(jié)論

［1］NY/T632-2002，冷卻豬肉中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

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Application of electric nose in shelf life predictive modeling of chilled pork

XIAO Hong，XIE Jing*，TONG Yi
（College of Food Science&Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

chilled pork；electric nose；shelf life；principal compounds analysis；kinetic model

TS251.1

A

1002-0306（2010）12-0065-05

2009-09-07 *通訊聯(lián)系人

肖虹（1985-），女，碩士研究生，研究方向：食品保鮮。

國(guó)家863重點(diǎn)項(xiàng)目（2008AA100804）；“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題-世博科技專項(xiàng)（2009BAK43B17）；上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助（J50704）。