張虹艷，丁 武*

(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

電子鼻對不同溫度下生鮮羊奶貯藏時間的判定

張虹艷，丁 武*

(西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

利用電子鼻PEN3 系統(tǒng)判定常溫和冷藏條件下羊奶的貯藏時間。通過電子鼻系統(tǒng)采集羊奶常溫貯藏及冷藏期間揮發(fā)性成分的響應(yīng)值，并利用主成分分析法(principal component analysis，PCA)及線性判別分析法(linear discrimination analysis，LDA)對其揮發(fā)性成分及貯藏時間進(jìn)行分析。結(jié)果表明：PCA方法既可以區(qū)分常溫貯藏及冷藏1～6d的生鮮羊奶，還可以對比常溫和冷藏條件下貯藏1～6d的羊奶，并表現(xiàn)出了較好的區(qū)分性，但是不能分析出貯藏期間羊奶揮發(fā)性成分的變化趨勢；LDA方法區(qū)分效果不及PCA，但明顯體現(xiàn)出了羊奶貯藏期間揮發(fā)性成分的變化趨勢。綜合PCA及LDA方法的分析結(jié)果，說明電子鼻可以有效地判定常溫和冷藏條件下生鮮羊奶的貯藏時間及貯藏期內(nèi)揮發(fā)性成分的變化趨勢。

電子鼻；溫度；羊奶；貯藏時間；主成分分析法；線性判別分析法

生鮮奶擠出來若不及時冷卻，微生物會大量繁殖，致使新鮮度下降，營養(yǎng)品質(zhì)降低。目前，生鮮奶新鮮度的分析評定仍以傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法為主，這些分析方法技術(shù)成熟、準(zhǔn)確度也較高，但檢測所需時間長、破壞樣品，很難滿足短時間內(nèi)獲取大量樣品成分信息的市場需要。在這種情況下，快速檢驗和評價乳品的質(zhì)量成為乳品加工業(yè)、食品質(zhì)量安全監(jiān)管部門和廣大消費者的迫切需求[1-2]。

電子鼻(electronic nose，EN)作為一種新型儀器，因其客觀、準(zhǔn)確、快捷、重復(fù)性好及不損傷樣品的特點，越來越得到人們的重視[3-4]。電子鼻與普通的化學(xué)儀器(如色譜儀、光譜儀等)不同，得到的不是被測樣品成分定性和定量結(jié)果，而是給予樣品中揮發(fā)成分的整體信息，也就是“指紋數(shù)據(jù)”[5]。目前電子鼻在食品中的應(yīng)用主要集中于肉品新鮮度的檢測[6]、果蔬成熟度和儲藏期的檢驗[7]、茶葉的分類[8]、谷物品質(zhì)的篩選[9]、飲料的識別[10]、酒類的識別[11]、植物油的檢測[12]以及食品包裝的檢測[13]。

羊奶酪蛋白含量低，乳清蛋白含量高，蛋白質(zhì)的凝塊也比較軟，組成羊奶蛋白質(zhì)的氨基酸與人奶相近。因此，滅菌后的羊奶，其營養(yǎng)成分幾乎可全部被人體消化吸收[14]。本實驗以羊奶為研究對象，用電子鼻技術(shù)檢測不同貯藏溫度下羊奶揮發(fā)性成分的變化，進(jìn)而判定羊奶的貯藏時間及貯藏期內(nèi)揮發(fā)性成分的變化趨勢。

1 材料與方法

1.1 材料

羊奶由當(dāng)?shù)仞B(yǎng)羊場提供。

1.2 儀器與設(shè)備

PEN3 便攜式電子鼻 德國Airsense 公司。PEN3 電子鼻包含W1C(甲苯類)、W5S(NO2)、W3C(苯類)、W6S (H2)、W5C(丙烷)、W1S(CH3)、W1W(H2S)、W2S(CO)、W2W(H2S)和W3S(CH3)10個金屬氧化物傳感器陣列。當(dāng)傳感器接觸到樣品揮發(fā)物后，電導(dǎo)率G發(fā)生改變，其與初始電導(dǎo)率G0的比值G/G0(相對電導(dǎo)率)也隨之變化。響應(yīng)氣體濃度越大，G/G0的值越偏離1(大于或者小于1)；如果濃度低于檢測限或者沒有感應(yīng)氣體，G/G0的值則接近甚至等于1。記錄10個不同選擇性的傳感器G/G0的值，作為進(jìn)一步統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)。為了有效地消除漂移現(xiàn)象，每次測量前后，傳感器都進(jìn)行清洗和標(biāo)準(zhǔn)化，這有效地保證了電子鼻測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確度。結(jié)合自帶WinMuster 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計算和分析。

1.3 方法

1.3.1 羊奶貯藏條件

每個羊奶樣品20mL，放入50mL玻璃容器中，分別置于4℃和25℃條件下貯藏，貯藏時間為1、2、3、4、5d和6d。利用電子鼻對不同溫度下不同貯藏時間的樣品進(jìn)行檢測，每個樣品重復(fù)6次。

1.3.2 樣品檢測參數(shù)

實驗時將樣品密封1h，當(dāng)其頂部空間的揮發(fā)物將達(dá)到平衡狀態(tài)時，進(jìn)行電子鼻自動頂空取樣的檢測。電子鼻實驗參數(shù)設(shè)置如下：樣品間隔1s，樣品準(zhǔn)備時間5s，檢測時間30s，測量計數(shù)1s，零點計數(shù)100s，自動調(diào)零時間5s，清洗時間60s，內(nèi)部流量400mL/min，進(jìn)樣流量400mL/min。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理方法

該實驗采用的主要分析方法有：主成分分析法(principal component analysis，PCA)、線性判別分析法(linear discrimination analysis，LDA)。在用PCA進(jìn)行分析時，一般情況下，總貢獻(xiàn)率超過70%～85%的方法即可使用。LDA是識別因子法(discriminant factor analysis，DFA)的第一步，LDA分析注重類別的分類以及各種組之間的距離分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻對揮發(fā)性成分的響應(yīng)

圖1 傳感器對常溫羊奶(A)和冷藏羊奶(B)揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)圖Fig.1 Response graphs of electronic nose sensors to volatile compounds in goat milk

由圖1可知，剛開始時相對電阻比較低，隨著羊奶中揮發(fā)性組分不斷被吸入并在傳感器表面富集，該比值迅速增大并達(dá)到最大值，隨后逐漸趨于平緩，達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。樣品在25～30s之間信號曲線較為平穩(wěn)，本實驗用穩(wěn)定狀態(tài)下25～30s處的信號作為分析的時間點。由圖1可看出，電子鼻對羊奶揮發(fā)性成分有明顯的響應(yīng)，并且每一個傳感器對羊奶的響應(yīng)各不相同。

2.2 電子鼻對常溫及冷藏羊奶貯藏時間的分析

2.2.1 PCA分析

圖2 羊奶常溫貯藏期間PCA圖Fig.2 PCA score plot of goat milk on the first through sixth day of storage at 25 ℃

圖2 為羊奶常溫貯藏期間的PCA圖，第1主成分貢獻(xiàn)率為88.74%，第2主成分貢獻(xiàn)率為8.12%，總貢獻(xiàn)率為96.85%。從圖2可以看出，常溫貯藏1～6d的羊奶完全得到區(qū)分，但不同貯藏時間的羊奶其揮發(fā)性成分并沒有明顯的變化趨勢。需要利用LDA方法進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖3 羊奶冷藏期間PCA圖Fig.3 PCA score plot of goat milk on the first through sixth day of storage at 4 ℃

圖3 為羊奶冷藏期間的PCA圖，第1主成分貢獻(xiàn)率為75.88%，第2主成分貢獻(xiàn)率為13.58%，總貢獻(xiàn)率為89.46%。從圖3可以看出，冷藏第1～6天的樣品可以得到明顯區(qū)分。但不同冷藏時間的羊奶其揮發(fā)性成分并沒有明顯的變化趨勢。需要利用LDA方法進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.2.2 LDA分析

圖4 羊奶常溫貯藏期間LDA圖Fig.4 LDA score plot of goat milk on the first through sixth day of storage at 25 ℃

圖5 羊奶冷藏期間LDA圖Fig.5 LDA score plot of goat milk on the first through sixth day of storage at 4 ℃

LDA分析方法注重羊奶氣味的速率變化(圖3中各中心點間的距離)。由圖4可知，羊奶常溫貯藏第1～4天的LD1變化很小，由于玻璃容積小，而常溫下羊奶揮發(fā)性成分濃度大，很容易達(dá)到飽和，從而導(dǎo)致貯藏1～ 4d的羊奶無法被區(qū)分。貯藏第4～5天LD1變化較大，這種變化是由于隨著貯藏時間的延長，羊奶中產(chǎn)生了大量新的揮發(fā)性成分，貯藏前期羊奶風(fēng)味的前體物質(zhì)(乳糖、蛋白質(zhì)、脂肪)含量較高，貯藏期間發(fā)生一系列降解反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物相互作用所致。貯藏第5～6天LD1變化不大，LD2變化較大，說明羊奶風(fēng)味前體物質(zhì)隨貯藏時間的延長逐漸減少，風(fēng)味的變化則主要是由于新的揮發(fā)性成分間的相互作用而引起的[15]。由此說明貯藏時間的不同對常溫羊奶中揮發(fā)性成分的變化影響很大。

由圖5可知，羊奶冷藏第1～2天的LD1變化較大，說明羊奶的揮發(fā)性成分變化較大，因為冷藏第2天羊奶風(fēng)味的前體物質(zhì)(乳糖、蛋白質(zhì)、脂肪)發(fā)生了部分的降解反應(yīng)。羊奶貯藏第2～4天LD1變化很小，說明冷藏條件抑制了貯藏初期的降解反應(yīng)。貯藏第4～5天LD1變化不大，LD2變化較大，說明羊奶風(fēng)味前體物質(zhì)隨貯藏時間的延長逐漸減少，而新的揮發(fā)性成分間產(chǎn)生相互作用。貯藏第5～6天LD1變化較大，LD2變化不大，表明羊奶中微生物的降解反應(yīng)加劇。由此說明貯藏時間的不同對冷藏羊奶中揮發(fā)性成分的變化產(chǎn)生了很大的影響。

2.3 電子鼻對不同貯藏溫度下不同貯藏時間羊奶的對比

2.3.1 PCA分析

圖6 常溫羊奶與冷藏羊奶貯藏期間PCA圖Fig.6 Comparative PCA score plot of goat milk on the first through sixth day of storage at 4 ℃

由圖6可以看出，第1主成分貢獻(xiàn)率為88.03% ，第2主成分貢獻(xiàn)率為8.27%，總貢獻(xiàn)率為96.30%。區(qū)域I為冷藏羊奶，區(qū)域II為常溫羊奶。冷藏羊奶和常溫羊奶在第1主成分PC1上可以得到明顯的區(qū)分，但冷藏第3天的羊奶和常溫貯藏第3～4天的羊奶發(fā)生了部分重疊，而冷藏第3天的羊奶和常溫貯藏第3～4天的羊奶濃度相同，說明其揮發(fā)性成分相似。常溫貯藏1～6d的羊奶和冷藏1～6d的羊奶可同時被電子鼻識別，因為羊奶在不同溫度下不同貯藏期內(nèi)發(fā)生降解反應(yīng)的程度不同，使其保持特有的揮發(fā)性成分。

2.3.2 LDA分析

圖7 常溫羊奶與冷藏羊奶貯藏期間LDA圖Fig.7 Comparative LDA score plot of goat milk on the first through sixth day of storage at 4 ℃

由圖7可以看出，判別式LD1的貢獻(xiàn)率為96.47% ，判別式LD2的貢獻(xiàn)率為2.42%，總貢獻(xiàn)率為98.89%，說明羊奶貯藏期間揮發(fā)性成分的差異主要由第1判別式LD1決定。冷藏1～6d的羊奶LD1方向上變化很小，因為冷藏條件抑制了羊奶中微生物的降解反應(yīng)。LD2上略有變化，是由于降解產(chǎn)生的少量新?lián)]發(fā)性成分間發(fā)生相互作用所致。

常溫貯藏第1～4天的羊奶與冷藏1～6d的羊奶在LD1上變化很小，并且發(fā)生了部分重疊，說明常溫貯藏1～4d內(nèi)的羊奶與冷藏1～6d內(nèi)的羊奶揮發(fā)性成分的差異很小。常溫貯藏第4～5天的羊奶在LD1上變化很大，LD2上變化很小，因為羊奶常溫貯藏第5天微生物的降解反應(yīng)加劇，產(chǎn)生大量新的揮發(fā)性成分。常溫貯藏第5～6天的羊奶在LD1上變化不大，但在LD2上變化很大，說明風(fēng)味前體物質(zhì)(乳糖、蛋白質(zhì)、脂肪)隨貯藏時間的延長逐漸減少，新的揮發(fā)性成分間產(chǎn)生了相互作用。

3 結(jié) 論

PCA 能很好地區(qū)分常溫及冷藏條件下不同貯藏時間的羊奶，但不能體現(xiàn)明顯的變化趨勢；LDA雖然不能明顯區(qū)分常溫及冷藏條件下不同貯藏時間的羊奶，但體現(xiàn)出了貯藏期間揮發(fā)性成分明顯的變化趨勢。綜合PCA及LDA分析表明電子鼻利用揮發(fā)性成分的差異可以分別區(qū)分常溫及冷藏條件下不同貯藏時間的羊奶。

通過對比常溫及冷藏條件下不同貯藏時間的羊奶發(fā)現(xiàn)，PCA能夠同時區(qū)分常溫和冷藏條件下的不同貯藏時間的羊奶，但不能綜合分析出兩種溫度下羊奶揮發(fā)性成分的變化趨勢。LDA雖然不能區(qū)分冷藏和常溫下不同貯藏時間羊奶，但是通過對比分辨出了兩種溫度下羊奶揮發(fā)性成分的變化趨勢。表明電子鼻不但可以分別區(qū)分常溫及冷藏條件下不同貯藏時間的羊奶，而且可以同時對比不同溫度下不同貯藏時間的羊奶，并且體現(xiàn)出貯藏期間揮發(fā)性成分的變化趨勢。

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Discrimination of Storage Time and Volatile Compositions of Raw Goat Milk by Electronic Nose

ZHANG Hong-yan，DING Wu*
(College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

An electronic nose system PEN3 was used to discriminate the storage time of raw goat milk at 4 ℃ and 25 ℃. The volatile composition of goat milk was sampled by PEN3, and the obtained data were analyzed using principal component analysis (PCA) and linear discrimination analysis (LDA). The results showed that PCA method could discriminate the storage temperature and time of raw goat milk except for the variation of volatiles during storage. On the contrary, LDA method could not discriminate the storage temperature and time effectively although it could discriminate the variation in volatiles during storage. These findings collectively indicate that electronic nose can effectively discriminate the storage time of raw goat milk at 4℃ and 25 ℃ and the variation in volatiles during storage.

electronic nose；goat milk；storage temperature；storage time；principal component analysis (PCA)；linear discrimination analysis (LDA)

TS251；TP212

A

1002-6630(2011)16-0257-04

2010-12-06

國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費項目(3-45)；西北農(nóng)林科技大學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計劃資助項目

張虹艷(1986—), 女，碩士研究生，主要從事畜產(chǎn)品加工和食品安全研究。E-mail：hongyan198629@163.com

*通信作者：丁武(1971—), 男，副教授，博士，主要從事畜產(chǎn)品加工和食品安全研究。E-mail：dingwu10142000@yahoo.com.cn