花生中挥发性香味识别检测方案(感官智能分析)

Vol.27，No.7Jul. 20122012年7月第27卷第7期中国粮油学报Journal of the Chinese Cereals and Oils Association 59史文青等 花生挥发性香味识别的研究第27卷第7期 花生挥发性香味识别的研究 史文青 薛雅琳何东平 (武汉工业学院，武汉 430023) (国家粮食局科学研究院"，北京 100037) 摘 要 采用电子鼻技术和气质联用色谱对新鲜花生、烘烤花生的挥发性气味成分进行了研究，通过采集电子鼻不同传感器的数据，使用 PCA和LDA 方法分析图谱，建模形成了花生挥发性香味成分区域图谱。同时用气质联用色谱进行挥发性化合物的分析。结果表明：不同的新鲜品种的花生电子鼻图谱有显著差异，可以对各品种花生进行较好的识别，而LDA 方法比 PCA 方法区分效果更好；烘烤花生的电子鼻图谱说明了花生烘烤后其香味成分比较统一，所以图谱的结果很集中。气质联用色谱可以清楚地分辨烘烤花生有别于新鲜花生的挥发性气味，由此为建立花生香味识别的判定方法奠定基础。 关键词 新鲜花生 烘烤花生 香气 挥发性气味成分 电子鼻技术 中图分类号：TS222.1 文献标识码：A 文章编号：1003-0174(2012)07-0058-05 花生是我国四大油料作物之一，它的产值在油料中居首位。我国的的生60%用于榨油，30%用于食用和种用，10%用于出口。花生中富含优质蛋白质，且氨基酸分布很广泛，富含人体必需的8种氨基酸，属于完全蛋白，食品加工中能起到改善食品品质、强化食品营养的作用。 花生油籽中含有油脂、蛋白质、糖类、游离脂肪酸、磷脂、色素、蜡、烃类、醛类、酮类、醇类、油溶性维生素、水分及矿物质成分等。花生蛋白质的90%为花生球蛋白和伴花生球蛋白，且空间构象：亲水基团分布在外表，疏水基团拢聚于球蛋白内，包围着部分油脂。经烘烤，可使蛋白质变性，破坏细胞壁的组织结构，使细小分散的油滴聚集，并释放；高温烘烤时，羰氨反应(美拉德反应)所生成的高碳氢化合物、含硫化合物、吡嗪类化合物等赋予了油脂浓郁的香气2。这些诱人的香味不仅增加食用价值，也可以采用电子鼻来分析判断各品种新鲜花生及烘烤花生的香味品质。 电子鼻是通过识别复杂气味成分的专业测试仪器，其原理是由传感器阵列和自动化模式识别系统组成的仿生学仪器，其运用了仿生技术、计算机技术和化学计量学，对获得样品中挥发成分的整体信息，被称为“指纹”数据进行综合分析[3-4]。目前在电子鼻中常用的模式识别方法有统计模式识别方法(包 ( 基金项目：公益性行业科研专项(2009424001-3) ) ( 收稿日期：2011-10-20 ) ( 作者简介：史文青，女，1986年出生，硕士，油脂化学 ) ( 通讯作者：薛雅琳，女，1960年出生，教授级高级工程师，粮油品质检验与分析技术 ) 括主成分分析、判别函数分析、聚类分析)、人工神经网络(包括BP网络、Kohonen 网络等)以及进化神经网络(ENN)等方法51。电子鼻近年来发展迅速，在众多领域得到关注，有成本低、分析速度快、稳定性好、非破坏性等优点，逐渐成为油料及制品品质分析判定的重要手段。顶空固相微萃取-气质联用法可以很好的对挥发物质的化合物组成进行定性定量的分析，快速、高效地进行样品的提取、分离和分析，并取得了一定的进展。利用电子鼻识别不同品种新鲜花生及烘烤花生的香气成分，获得全程图谱，并通过气质联用色谱进行花生挥发性物质的定性分析，从而得到产生花生挥发性香味成分的因素。 材料与方法 1.1 试验材料 8种花生样品由山东省农科院提供，置于4℃恒温冰箱里保存。 1.2 试验仪器 GM200 粉碎机：德国 Restch 公司；DHG-9203A型电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；AB304-S分析天平：瑞士梅特勒公司；Foss 2055 粗脂肪分分仪：丹麦福斯公司；RAPID N CUBE 全自动快速定氮仪：德国元素分析系析公司；PEN3 电子鼻：德国 AIR - SENSE 公司；固相微萃取器手柄，30/50um、DVB/CAR/PDMS 萃取头：美国 Supelco公司；Agilent GC/MS7890A-5975C 联用仪，20 mL顶空瓶：美国安捷伦公司；HH-4数显恒温水浴锅：国 华电器有限公司。 1.3 试验方法 1.3.1 成分测定 水分含量测定：GB/T 14489.1—2008；粗脂肪含量测定：GB/T 14488.1—2008；蛋白质含量测定：SN/T2115—2008，杜马斯燃烧法。 1.3.2 电子鼻测定方法 1.3.2.1 样品前处理 8种花生在180℃烘烤 15 min 后，将花生的新鲜样品及烘烤样品用粉碎机粉碎，然后分别装在100mL具塞锥形瓶中，每装15g样品，在40℃水浴中平衡30 min，使其顶部气体成分稳定后，顶空采样，进行测定。 1.3.2.2 电子鼻测定条件 气体进样速率为400 mL/min，载气速率为400mL/min，清洗时间为100 s，准备进样时间 10 s，进样扫描时间为 80 s。记录10个不同选择性的传感器G/G ，G 是传感器接触到样品挥发物后的电导率，G是传感器在经过标准活性碳过滤气体的电导率。根据其比值进行数据处理、模式识别和统计分析。 1.3.2.3 电子鼻数据分析 主要采用主成分分析( Principal Component A-nalysis，PCA)方法和线性判别式分析( Linear Dis-criminant Analysis，LDA) 处理试验数据。PCA 是将所提取的传感器多指标的信息进行数据转换和降维，并对降维后的特征向量进行线性分类，最后在PCA 分析的散点图上显示主要的两维散点图6。LDA是一种常用的分类方法，使用这种方法需要样本空间呈正态分布，并有相等的离差。由于 LDA具有分类效果好，易实现等优点，已在电子鼻数据分析中得到广泛应用，并取得了良好的效果7-8). 1.3.3 顶空固相微萃取-气质联用色谱法 1.3.3.1 气相色谱条件：毛细管柱：HP-5弹性适应毛细管色谱柱(30m×0.25 mm ×0.25 um)；柱温升温温序：起始温度40℃，保持4 min， 然后以6℃/min的升温速率升温至230℃，保持5 min；汽化室温度：250℃；载载：He，流速0.8mL /min；进样方式：不分流进样。 1.3.3.2 质谱条件：电子轰击离子源(EI)；电子能量70eV；灯丝发射电流200 p.A；离子源温度200℃；接口温度250℃；全谱扫描，扫描质量范围m/z 33~450。 1.3.3.3 挥发性成分的固相微萃取 称取2g粉碎的花生样品置于20 mL 顶空瓶中，用聚四氟乙烯隔垫密封。将顶空瓶置于40℃恒温 水浴加热平衡40 min 后，通过隔垫插入已活化好的SPME 萃取头(250℃活化30 min)，推出纤维头，顶空吸附40 min，于250℃解吸5 min。 1.3.3.4 数据分析方法 试验数据经过安捷伦软件处理，未知化合物通过计算机检索 N IST 谱库，仅给出匹配度大于700的化合物(最高匹配度为1000)。按照峰面积归一化法计算各个组分的相对含量。 2结果与分析 2.1 新鲜花生的品质指标 由于花生品种及生长条件的不同，其各种成分的含量有很大的差异。8个品种花生的品质指标见表1。 序号 品种 水分/% 脂肪/% 蛋白质/% 1 丰花1 5.13 50.08 22.60 2 黑花生 10.93 45.90 22.71 3 海花1 5.97 50.18 22.81 4 白花生 5.92 49.05 23.86 5 中花8 5.86 52.32 24.39 6 花育19 4.92 53.04 25.16 7 五彩花生 5.14 59.22 27.57 8 四粒红 8.90 58.30 28.34 2.2 电子鼻对新鲜与烘烤花生的识别 图1为电子鼻的传感器响应强度信号与时间的关系图。 图1 新鲜、烘烤花生信号图 由1图可以看出，烘烤花生的传感器响应强度信号值比新鲜花生的信号值高得多。 PEN3 电子鼻包含 W1C(芳香苯类)、W5S(氨氧化物)、W3C(氨类)、W6S(氢气)、W5C(烷烃)、W1S(甲烷)、W1W(硫化氢)、W2S(乙醇)、W2W(硫化氢类)和W3S(芳香烷烃)10个金属氧化物传感器阵列。 新鲜花生 W5C、W5S、W1C 的传感器响应强度信号明显高于其他传感器，由此表明新鲜花生的挥发性物质大多为烷烃、氨氧化物和芳香苯类。 烘烤花生的图谱中 W5C 和 W5S 两个传感器的响应强度信号值上升非常明显，其中 W5S传感器响应值已经超出纵坐标量程范围，G/G，值超过100。其次 W3C、W1C、W2S响应信号值也大大增加。由此表明花生经高温烘烤后，糖类的羰基和蛋白质的氨基酸反应，生成一系列带香味和有色的物质，这就是羰氨反应所生成了高炭氢化合物、含硫化合物、吡嗪类化合物以及芳香苯类等物质使挥发性气味成分显著增多。 2.3 各品种花生电子鼻区分模型(PCA 法和 LDA 法) 2.3.1 新鲜花生品种的区分 将8种花生气味图谱用电子鼻软件中的 edit 方法对其进行建模，用 PCA 主成分分析法进行分析，结果见图2。其中8个圆圈分别代表8种花生挥发性香味成分的区域。结果显示总贡献率为98.27%，其中第一主成分 PC1 贡献率为96.22%，第二主成分PC2贡献率为2.052%，黑花生、花育19、中花8、五彩花生的圆圈区域比较分散，PC1值相差较大，可以很好的与其他品种区分开来，白花生、丰花1、海花1、四粒红花生的圆圈区域互相交错，PC1与 PC2 值都比较接近，说明它们的挥发性成分具有相似性。 图2 新鲜花生 PCA图 用 LDA 判别函数法分析结果见图3。结果显示总贡献率为96.38%，LD1贡献率为59.99%，LD2 贡献率为36.39%，从图3可以看出，这8种花生具有 各自的固有的香气区域，可以很好的区分开来，其LD1 与LD2值都不重叠，因此比较图2和图3，可以得出 LDA 方法区分新鲜花生的挥发性香味明显优于PCA 方法。 判别函数LDI(贡献率59.99%) 图3 新鲜花生 LDA图 2.3.2 烘烤花生香味成分图谱分析 由图4、图5可以看出，烘烤烤生 PCA 图显示出各种花生的香味成分比较接近，而烘烤花生的 LDA图谱更说明了花生烘烤后其香味成分较一致，图谱的结果很集中。其中PCA结果表明总贡献率为99.72%，PC1贡献率为 99.36%， PC2 贡献率为0.36%；总贡献率很高，说明效果区分的相对较好。用LDA 法分析结果表明总贡献率为87.73%，LD1贡献率为54.73%，LD2 贡献率为33.00%。由图4、图5 表明，LDA的分析方法更能体现出烘烤花生香味的集中区域。其中，五彩花生和四粒红蛋白质含 第一主成分PCl(贡献率99.36%) 图4 烘烤花生 PCA图 图5 烘烤花生LDA图 量比较高，烘烤花生的 LDA 图谱表明这两种花生的判别函数区域与其余几个品种有差别。 综合图2~图5可以看出，新鲜花生的气味图谱比烘烤花生的气味图谱区分的更开，由此说明，不同品种的新鲜花生具有自身固有的挥发性香味，而经过烘烤后的花生，由于美拉德反应等因素，导致烘烤后特有的吡嗪类物质贡献出主要的挥发性香味，使其图谱香味响应很集中。 2.4新鲜花生气质图谱分析 新鲜花生和烘烤花生的挥发性成分经气质联用色谱分离鉴定。通过计算机检索和人工解析，扣除由萃取头带来的硅氧烷类杂质峰，本试验新鲜花生共鉴定出16种化合物，烘烤花生共鉴定出28种化合物，定性结果见表2和表3。 表2新鲜花生气质数据 序号保留时间/min 化合物 质量分数/% 3.872 戊醛 3.41 2 4.859 1-甲基吡咯 9.79 3 5.493 乙基环丙烷 9.57 4 8.598 正已醇 34.04 5 9.981 2-氨基-4-甲基苯甲酸 4.46 6 11.684 二甲醚-DL-甘油醛 7.64 7 12.22 己酸 7.08 8 13.434 柠檬烯 1.26 13.705 苯甲醇 1.16 10 15.456 草酸，2-乙基己基异己基酯 1.65 11 16.249 3，3-二甲基-1-辛烯 0.53 12 16.341 辛醇 0.83 13 17.338 1-庚烯 2.07 14 18.672 2-苯氧基乙醇 0.77 15 19.799 壬酸 0.53 16 22.769 正十一烷 0，29 17 18 19 20 21 22 23 24 27 试验根据 GC -MS 联用所得质谱信息，用 NIST图库进行检索和对照分析了各个品种新鲜花生的挥发性成分，由表2可以总结出新鲜花生的挥发性成分主要有烷烃、醛类、醇、芳香苯等，而通过各个品种花生的气质试验得出新鲜花生的挥发性气味由于小分子的烷烃类、醇类、醛类化合物含量多少的差异，挥发物的峰面积也有所不同。但主要挥发成分还是油烃类、醇类、醛类这些化合物所构成。 焙烤花生的风味物质主要来源途径有3种：(1)氨基酸与糖类的羰基之间的美拉德反应；(2)脂肪氧化和热降解反应；(3)糖类的热降解反应。这些风味物质中最重要的一类挥发性物质就是烷基吡嗪化合物。而二甲基吡嗪和吡嗪类的异构体是对烤花生风味贡献最大的烷基吡嗪化合物。由表3可以看出，烘烤花生的挥发性成分主要是高碳氢化合物、吡嗪 类化合物、酯类等，这与烘烤高温过程中水分减少，蛋白质变性等有着直接关系。由此可见，花生经过烘烤之后，其挥发性成分有了较大的变化，小分子的烃类、醇类、醛类物质变成的高高碳氢化合物、吡嗪类、酯类等，使得烘烤花生有了特殊的香味。 表3 烘烤花生气质数据 序号 保留时间/min 化合物 质量分数/% 1 4.835 1-甲基-1H-吡咯 9.72 2 6.436 辛醇 1.45 3 7.074 甲基吡嗪 13.68 4 8.211 1-甲基吡咯 1.41 5 9.865 2，5-二甲基吡嗪 29.68 6 12.651 三甲基吡嗪 10.99 7 13.236 吡嗪酰胺 0.9 8 13.812 草酸新戊基壬酯 0.79 9 13.923 苯乙醛 1.42 10 14.61 4-羟基-2，5-二甲基-3(2H)呋喃酮1.56 11 14.9 3-Z基-2，5-二甲基吡嗪 3.52 15.108 2-乙基-3，5二甲基吡嗪 1.32 15.461 2-甲基-3-(2-丙烯基)吡嗪 0.92 15.601 2，6-二甲基苯甲醛 0.39 15.688 乙内烯基吡嗪 0.64 15.901 麦芽醇 1.36 16.583 烟酸甲酯 0.5 16.762 2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲 基-4H-吡喃酮 0.53 17.038 3，5-二乙基-2-甲基-吡嗪 0.53 18.068 十二烷 0.86 18.798 2.3-二氢苯并味喃 2.26 19.064 0.15 20.003 β-甲基肉桂醛 0.23 20.157 4-甲基-5-羟乙基噻唑 0.18 20.317 2，5-二甲基十四烷 0.1 20.52 十三烷 0.17 21.018 2-甲氧基-4-乙烯基苯酚 1.01 28 21.947 烯类氧化物 0.48 3结论 3.1 方差分析结果表明，不同品种的花生图谱有显著差异，对花生品种的区分是有意义的；通过比较区分8种花生的 PCA 和 LDA分析图，证实了电子鼻对不同品种花生有较好的识别，而 LDA 方法比PCA 方法区分效果更好。 3.2烘烤花生的电子鼻图谱说明了花生烘烤后其香味成分比较统一，其主要成分是吡嗪类化合物，所以图谱的结果相对集中。 3.3 利用电子鼻建立的花生挥发性成分模型能有效区分主要品种的花生，但对不同品种混杂的花生难以准确区分，需要选择更有特性的参数对所建模型进行进一步的优化。 的花生样品区分出来，通过气质联用色谱法，对花生进行挥发性气味的测定可知，新鲜花生样品的挥发性成分主要是是烃、醛类、醇、芳香苯等，而烘烤花生的挥发性成分主要是高碳氢化合物、吡嗪类化合物、酯类等，其结果与电子鼻的响应图谱分析对应。充分说明新鲜花生经加工后，有更多的挥发性气味产生。 ( 参考文献 ) ( [1]张礼红，谭兴和，王锋，等.国外花生研究进展[J].食品科 技，2007(6)：13-16 ) ( [2]张鑫，薛毅，苏运东，等.浓香花生小磨油的工艺研究与香气成分分析[J].食品科学，1994(4)：32-34 ) ( [3]Gan H L，Tan C P，Che Ma n Y B，et al. 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Analytica Chimica Ac t a，2002(459)：219-228. ) Study on Identification of Volatile Flavor in Peanut Shi Wenqing Xue YalinHe Dongping (Wuhan Polytechnic University'，Wuhan 430023)(National Academy of Science of State Grain Administration’， Beijing 100037) AbstractTThis article studies the fresh peanuts’and roasted peanuts’ analysis of the volatile flavor by the elec-tronic nose technology and GC-MS. The model of the volatile flavoring components atlas of the peanuts is built bycollecting data from different sensors，analyzing the atlas with PCA and LDA method. In the meanwhile， it analyzesvolatile compounds by using GC-MS. The result shows that there are significant differences from different fresh varie-ties of peanuts atlases，and the atlases have better recognition for different kinds of peanuts.The LDA method is betterthan the PCA method to distinguish effects；the electronic nose atlas of roasted peanuts illustrates the volatile flavorcomponents of the roasted peanuts are more uniform，therefore the result of the atlas is very concentrated. GC - MS canclearly distinguish that the volatile flavor components of roasted peanuts are different from the fresh peanuts’ volatileflavoring，which lays the foundation to establish the method to recognize the flavor of peanuts. Key words fresh peanuts，roast peanuts，aroma， components of volatile flavor，electronic nose technology 数据 花生挥发性香味识别的研究《中国粮油学报》史文青  薛雅琳  何东平 武汉工业学院,武汉,430023国家粮食局科学研究院,北京,100037 摘要： 采用电子鼻技术和气质联用色谱对新鲜花生、烘烤花生的挥发性气味成分进行了研究,通过采集电子鼻不同传感器的数据,使用PCA和LDA方法分析图谱,建模形成了花生挥发性香味成分区域图谱，同时用气质联用色谱进行挥发性化合物的分析，结果表明:不同的新鲜品种的花生电子鼻图谱有显著差异,可以对各品种花生进行较好的识别,而LDA方法比PCA方法区分效果更好;烘烤花生的电子鼻图谱说明了花生烘烤后其香味成分比较统一,所以图谱的结果很集中，气质联用色谱可以清楚地分辨烘烤花生有别于新鲜花生的挥发性气味,由此为建立花生香味识别的判定方法奠定基础。关键词：新鲜花生  烘烤花生  香气  挥发性气味成分  电子鼻技术