韓姣姣，裘迪紅*，宋紹華

(寧波大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

電子鼻檢測植物乳桿菌發(fā)酵草魚中的風(fēng)味物質(zhì)

韓姣姣，裘迪紅*，宋紹華

(寧波大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

利用電子鼻系統(tǒng)對添加植物乳桿菌發(fā)酵的草魚進(jìn)行分析檢測。通過電子鼻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)采集草魚發(fā)酵過程中的揮發(fā)性成分，利用主成份分析和線性判斷分析進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明：草魚發(fā)酵前12h風(fēng)味變化不大，發(fā)酵16h后草魚風(fēng)味變化明顯，發(fā)酵結(jié)束時(shí)風(fēng)味改變較小，這與感官鑒定相關(guān)性較高；線性判斷分析方法呈現(xiàn)出良好的單向趨勢，能更好地識(shí)別發(fā)酵不同階段的風(fēng)味。同時(shí)采用Loadings分析方法可以得知，傳感器W1S、W1C、W3C、W2S作用相近。

電子鼻；主成分分析；線性判斷分析；草魚；發(fā)酵

草魚是淡水魚中比較典型的草食性魚類，肉嫩而不膩、韌性好、骨刺少、營養(yǎng)價(jià)值高。魚肉中有豐富的蛋白質(zhì)，含水量也高，自身也帶有較多的微生物和酶，容易腐敗變質(zhì)，而且魚肉的腥味較重[1]。乳酸菌廣泛應(yīng)用于肉制品的發(fā)酵，乳酸菌發(fā)酵魚生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的乳酸能使產(chǎn)品的pH值下降，抑制病原菌及腐敗菌的生長，延長產(chǎn)品的貨架期[2]。而且乳酸菌生長代謝所產(chǎn)生的酶類能促進(jìn)蛋白質(zhì)等大分子的分解，提高人體所必需的氨基酸、維生素等的含量，并產(chǎn)生香味成分，促進(jìn)產(chǎn)品特殊風(fēng)味的形成[3]。

草魚發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的揮發(fā)性風(fēng)味成分決定著其感官品質(zhì)，研究和分析草魚的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)對評(píng)價(jià)其感官品質(zhì)及進(jìn)一步改善草魚的發(fā)酵工藝具有十分重要的意義。近年來，對發(fā)酵魚風(fēng)味的分析主要有感官鑒別法和氣相色譜-質(zhì)譜(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)聯(lián)用測定法。但是感官評(píng)價(jià)易受鑒評(píng)人員健康狀況、年齡、情緒、環(huán)境等多種因素的影響，其主觀性強(qiáng)、重現(xiàn)性，難以形成標(biāo)準(zhǔn)。而采用GC-MS進(jìn)行分析，雖然客觀、重復(fù)性好，但對儀器要求較高，檢測周期長，很難將獲得數(shù)據(jù)和樣本的氣味直接聯(lián)系起來。

電子鼻是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種分析、識(shí)別和檢測復(fù)雜氣味和大多數(shù)揮發(fā)性成分的儀器，它根據(jù)仿生學(xué)原理，由傳感器陣列和自動(dòng)化模式識(shí)別系統(tǒng)組成[4]。它得到的不是被測樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結(jié)果，而是獲得樣品中揮發(fā)性成分的整體信息即“指紋”數(shù)據(jù)[5]。它能像人類的鼻子聞到待測樣品的總體氣味，檢測到不同的信號(hào)，然后將這些信號(hào)和經(jīng)學(xué)習(xí)建立起的數(shù)據(jù)庫中的信號(hào)比較，對不同的氣味進(jìn)行識(shí)別和判斷[6]。電子鼻檢測方便、快捷，具有客觀性好、重復(fù)性好、不易疲勞及不損傷樣品的特點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)外，研究人員已經(jīng)用電子鼻進(jìn)行果蔬類[7-9]、酒類[10-11]、乳制品[12-13]的品質(zhì)評(píng)價(jià)和鱈魚肉、鰱魚、對蝦[14-16]等水產(chǎn)品的研究。本實(shí)驗(yàn)利用電子鼻分析技術(shù)對不同發(fā)酵階段草魚的風(fēng)味進(jìn)行檢測，并結(jié)合感官評(píng)定，進(jìn)一步探索乳酸菌發(fā)酵魚的風(fēng)味變化。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

草魚(鮮活、尾量1kg左右) 寧波市購；植物乳桿菌 自制；液體MRS培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基、發(fā)酵培養(yǎng)基(參照文獻(xiàn)[17]配制)。

立式高壓滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠；恒溫恒濕培養(yǎng)箱 寧波江南儀器廠；QHZ-12A組合式恒溫振蕩培養(yǎng)箱 江蘇省太倉市華美生化儀器廠；PEN3便攜式電子鼻(包含10個(gè)金屬氧化物傳感器陣列，各個(gè)傳感器的名稱及性能描述見表1) 德國Airsense 公司。

表1 PEN3的標(biāo)準(zhǔn)傳感器陣列Table 1 Details of 10 sensors for PEN3 portable electric nose

1.2 方法

1.2.1 發(fā)酵劑的制備

將篩選出的植物乳桿菌接種至液體MRS中，37℃搖床培養(yǎng)16h，活化后以合適接種量接種至種子培養(yǎng)基，然后在發(fā)酵培養(yǎng)基中培養(yǎng)至菌體濃度為1×107～1×108CFU/mL。

1.2.2 樣品的制備

將草魚洗滌、去鱗、除內(nèi)臟、剔骨后，切成小塊放入經(jīng)滅菌的玻璃瓶中添加5%(m/m)的食鹽、3%白砂糖腌制4h后，無菌條件下取發(fā)酵培養(yǎng)基中的植物乳桿菌培養(yǎng)液，按魚肉質(zhì)量的6%進(jìn)行接種，密封后在35℃的恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵20h。發(fā)酵過程中每隔4h用電子鼻測樣品魚揮發(fā)性物質(zhì)的變化，稱取2g樣品魚，放入頂空瓶中密封備用。每個(gè)樣品重復(fù)測量5次。

1.2.3 電子鼻測定條件

由預(yù)實(shí)驗(yàn)確定電子鼻的參數(shù)為：樣品氣體進(jìn)樣速率300mL/min，載氣速率300mL/min，測量時(shí)間100s，因樣品氣味不同，清洗時(shí)間為400～1000s不等。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

對電子鼻的數(shù)據(jù)主要采用主成分分析(principal component analysis，PCA)，線性判別函數(shù)分析(linear discriminant analysis，LDA)和 loadings分析。

PCA是將所提取的10根傳感器的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，并對降維后的特征向量進(jìn)行線性分類，最后在PCA分析的散點(diǎn)圖上顯示主要的兩維散點(diǎn)圖[4]。PC1和PC2上包含了在PCA轉(zhuǎn)換中得到的第1主成分和第2主成分的貢獻(xiàn)率，貢獻(xiàn)率越大，說明主要成分可以較好反映原來樣品的整體信息。一般情況下，總貢獻(xiàn)率超過70%～85%，此方法即可使用。

LDA是判別樣品所屬類型的一種分析方法，通過計(jì)算未知樣品與各類已知樣品的馬氏距離，并考慮到樣品歸屬的先驗(yàn)概率，針對每一組樣品計(jì)算出一個(gè)以原有變量為基礎(chǔ)的線性判別函數(shù)，再將要進(jìn)行分類的樣本的相應(yīng)指標(biāo)代入判別函數(shù)，然后對未知樣品類型的樣品進(jìn)行判別分類[18]。LDA分析時(shí)，利用了所有傳感器的信號(hào)以提高分類的準(zhǔn)確性。LDA具有分類效果好，易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，所以成為電子鼻應(yīng)用十分廣泛的一種方法，并都取得了良好的效果。

Loadings分析通常用來檢查在PCA空間中傳感器對模型數(shù)據(jù)分布的影響，可以識(shí)別傳感器響應(yīng)在識(shí)別模式中的重要性。Loadings分析與PCA分析相似，都基于同樣的運(yùn)算，傳感器在loadings分析中的方向與PCA散點(diǎn)分布的方向相一致。圖中在坐標(biāo)(0,0)附近的傳感器對檢測樣品的風(fēng)味反應(yīng)不敏感，相反距離坐標(biāo)(0,0)越遠(yuǎn)的傳感器對檢測樣品的風(fēng)味反應(yīng)越敏感[19]，一些作用不大的傳感器可能對模型有負(fù)面的影響，所以分析時(shí)可以關(guān)閉。

1.2.5 感官評(píng)定發(fā)酵魚

發(fā)酵過程中每隔4h取一次樣，根據(jù)發(fā)酵魚風(fēng)味感官鑒定標(biāo)準(zhǔn)(表2)，由感官鑒定小組(5男5女)按總分10分進(jìn)行打分，以10人評(píng)分平均值作為樣品的最終得分。

表2 發(fā)酵草魚風(fēng)味感官鑒定標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standards for fermented grass carp

2 結(jié)果與分析

2.1 用PCA方法分析發(fā)酵不同時(shí)間的魚

圖1 草魚發(fā)酵過程中不同發(fā)酵時(shí)間的PCA分析Fig.1 PCA analysis during the fermentation of grass carp

從圖1可以看出，第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)的貢獻(xiàn)率分別是82.10%和12.33%，總貢獻(xiàn)率為94.43%，說明可以反應(yīng)草魚不同發(fā)酵時(shí)間的信息。發(fā)酵前12h，草魚的風(fēng)味差別不是很大。發(fā)酵16h后，草魚的風(fēng)味發(fā)生了變化，發(fā)酵20h與16h的電子鼻分析情形相似，能夠明顯與其他發(fā)酵階段區(qū)分開。原因可能是草魚發(fā)酵過程中，植物乳桿菌及其他微生物生長代謝蛋白質(zhì)、糖類、脂肪等物質(zhì)，產(chǎn)生了揮發(fā)性有機(jī)酸類、含氮化合物、氨基酸、肽類及脂肪酸等成分，而蛋白質(zhì)降解所產(chǎn)生的多肽和游離氨基酸是主要呈味物質(zhì)和揮發(fā)性成分的前體；脂質(zhì)的水解為脂質(zhì)的氧化提供底物，可產(chǎn)生對發(fā)酵魚風(fēng)味具有決定作用的醛、酮和醇類化合物[20-22]。

2.2 用LDA方法分析發(fā)酵不同時(shí)間的魚

圖2 草魚發(fā)酵過程中不同發(fā)酵時(shí)間的LDA分析Fig.2 LDA analysis during the fermentation of grass carp

從圖2可以看出，兩判別式的總貢獻(xiàn)率為98.63%，判別式LD1和判別式LD2的貢獻(xiàn)率分別為97.64%和0.9900%。圖2顯示，草魚發(fā)酵過程中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)呈現(xiàn)出良好的單向性，區(qū)分更明確。且發(fā)酵16h和20h的樣品和發(fā)酵0h的樣品中心距離較遠(yuǎn)，說明草魚發(fā)酵前后發(fā)生了很大的變化，原因可能是乳酸菌在發(fā)酵草魚的過程中產(chǎn)生了醇、醛、酮、揮發(fā)性有機(jī)酸等物質(zhì)，形成獨(dú)特的呈味物質(zhì)，改善制品風(fēng)味，去除了一定的魚腥味，因此與發(fā)酵前腥味較重的草魚相比風(fēng)味變化很大。2.3 Loadings分析

圖3 草魚發(fā)酵過程中的Loadings分析Fig.3 Loadings analysis during the fermentation of grass carp

從圖3可知，這10個(gè)傳感器都離坐標(biāo)(0,0)較遠(yuǎn)，說明它們對樣品的揮發(fā)性物質(zhì)反應(yīng)敏感。在比例一定的條件下，測量各傳感器到原點(diǎn)的距離，結(jié)果見表3。相比而言，W1W離原點(diǎn)最近，W3S遠(yuǎn)離坐標(biāo)(0,0)，對樣品的貢獻(xiàn)率最大。而W1S、W1C、W3C、W2S到原點(diǎn)的距離值差別不大，說明他們有相似的負(fù)載因子，對樣品的響應(yīng)值相似。

表3 傳感器到原點(diǎn)的距離Table 3 Distance between ten sensors and the origin

2.4 發(fā)酵過程中的感官得分變化

圖4 草魚發(fā)酵過程中的感官評(píng)分變化Fig.4 Sensory score during the fermentation of grass carp

由圖4可以看出，植物乳桿菌發(fā)酵草魚的過程中，從發(fā)酵開始到發(fā)酵12h魚的風(fēng)味感官變化較小，發(fā)酵16h后魚的風(fēng)味感官變化明顯，之后到發(fā)酵結(jié)束魚的風(fēng)味感官變化不大。這表明電子鼻檢測草魚發(fā)酵過程的風(fēng)味變化結(jié)果與感官評(píng)價(jià)結(jié)果較為一致。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)利用電子鼻檢測了草魚發(fā)酵過程中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的變化，同時(shí)結(jié)合感官評(píng)定表明，電子鼻與感官鑒評(píng)的結(jié)果有良好的相關(guān)性，因此用電子鼻檢測草魚發(fā)酵過程中的氣味變化是可行的。

采用PCA發(fā)現(xiàn)草魚發(fā)酵前12h風(fēng)味變化不大，發(fā)酵16h后草魚風(fēng)味變化明顯，發(fā)酵結(jié)束時(shí)較20h的風(fēng)味改變較小。采用LDA能很好地區(qū)分發(fā)酵前后草魚風(fēng)味的變化。通過比較PCA和LDA的分析圖可以發(fā)現(xiàn)電子鼻能夠較好區(qū)分發(fā)酵過程中風(fēng)味的變化，而LDA方法比PCA方法更能準(zhǔn)確判別發(fā)酵不同時(shí)間的草魚，區(qū)分效果更好。利用Loadings分析可知，這10個(gè)傳感器在檢測發(fā)酵過程中的風(fēng)味變化作用都較大，而傳感器W1S、W1C、W3C、W2S的響應(yīng)值相近，因此可以選擇利用其中的傳感器，這為更好地利用電子鼻的識(shí)別傳感器判斷發(fā)酵過程中魚風(fēng)味的變化提供了重要依據(jù)。在今后的研究中，可以對電子鼻的傳感器進(jìn)行優(yōu)化與選擇，根據(jù)不同的條件選擇合適的傳感器陣列組合，從而達(dá)到更好的測定結(jié)果。

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Electronic Nose Detection of Aroma Compounds during Fermentation of Grass Carp by Lactobacillus plantarum

HAN Jiao-jiao，QIU Di-hong*，SONG Shao-hua
(College of Life Science and Biotechnology, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

An electronic nose (PEN3) was used to analyzeLactobacillus plantarumfermented grass carp. The volatile composition of fermented grass carp was dynamically sampled using a PEN3 system and then data analysis was conducted by using principal component analysis (PCA) and linear discrimination analysis (LDA).The results showed that the flavor of fermented changed slightly during the first 12 h of fermentation, but changed distinctly during the following 4 h, and changed little during the final 4 h. A high correlation between electronic nose output signal and sensory evaluation score was found. The flavor of fermented grass carp changed in a unidirectional manner duringLactobacillus plantarumfermentation as demonstrated by LDA, which allowed better identification of the flavor of fermented grass carp at different stages of fermentation. Meanwhile,it was found through loadings analysis that sensors W1S, W1C, W3C and W2S had similar effectiveness for identifying the flavor of fermented grass carp.

electronic nose；principal component analysis (PCA)；linear discrimination analysis (LDA)；grass carp；fementation

TS254.4

A

1002-6630(2012)10-0208-04

2011-05-19

寧波大學(xué)人才工程項(xiàng)目(2010442)

韓姣姣(1986—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗a(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：504059575@qq.com

*通信作者：裘迪紅(1966—)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)槭称钒踩c質(zhì)量控制。E-mail：qiudihong@nbu.edu.cn