电子鼻对中式传统奶酪货架期进行预测

电子鼻技术与普通成分分析仪器相比,它不需进行样品前处理,很少或者几乎不用任何有机溶剂,快速提供被测样品的整体信息, 指示样品的隐含特征。通过模型参数的建立,可以快速观察到乳制品在贮藏期间的气味变化,进而预测产品货架期。实验通过一些理化和感官分析的结果,来判断电子鼻在预测中式传统奶酪中的正确性。分别用主成分分析法( PCA) 、线性判别分析法(LDA) 和Loadings分析法用于货架期的预测。检测仪器：PEN3便携式电子鼻,德国AIRSENSE公司电子鼻检测结果分析LDA方法分析不同贮藏时间的奶酪2种奶酪的LDA分析如图7和图8所示。和PCA分析图相比,LDA更适合于区分不同贮藏期的奶酪。对于奶酪A,除了第6天和第9天有部分重叠以外,其他区分相当明显,判别式LD1贡献76.17%,LD2贡献12109%,总贡献率达到88.26%;对于奶酪B,判别式LD1贡献64.90%,LD2贡献21.05%,总贡献率为85.95%。随着贮藏时间的延长,与新鲜奶酪的距离越来越远;2种奶酪的数据采集点都呈现相同的规律,即从图的左下侧按顺时针方向变化到图的右下侧。由于LDA分析方法注重气味速率(图7、图8中各类中心点之间的距离)变化分析[12],所以从图7中可以看出奶酪气味的变化速率。以奶酪A为例,可以看出,从第0天到第3天速率变化较小,但从第3天到第6天的过程中速率变化明显变大,而从第6天到第15天的速率变化相对比较稳定,由于第18天和第21天的奶酪在感官上已经几乎不能接受,所以和其他贮藏期奶酪很明显隔离了。奶酪B也有类似的速率变化规律出现。   LDA模板的合成为了进一步利用LDA分类模式判定奶酪的货架期,将两种奶酪的的LDA分析图合成,得到了图9。合成的模板判别式LD1贡献率为70118%,LD2贡献11119%,总贡献率为81137%,具有良好的区分效果。从图9中可以看出,0-15d的奶酪和第18、21天的奶酪已经被分为2个集团,分别位于图9的两侧,很明显的将感官上已经发生很大变化的奶酪分开了,并且与理化指标的结果是一致的,可以初步判定在本实验条件下奶酪的货架期为15d。 　Loadings分析Loadings分析是为了识别传感器对于模型区分的重要性。传感器的负载参数越是接近零,说明此传感器对于整体指纹信息贡献越小[13],相反值越大则贡献越大。图10表明,传感器2、6和8在当前模板下起的作用较大,而其他传感器作用较小。从Loadings分析图可以帮助进一步研究传感器对于奶酪气味响应值和优化传感器建模。   本次研究表明,电子鼻可以用来监控中式传统奶酪在贮藏期间的气味的变化过程。和传统的理化分析相比,电子鼻不需要给出具体的化学物质的变化,只需要给出数字的指纹图谱,正是这些指纹信息的变化为中式传统奶酪货架期预测提供了依据[14]。采用电子鼻系统中的LDA(线性判别法)比PCA(主成分分析法)更能准确判别出不同储藏时间的奶酪;利用Loadings分析可得知,传感器2、6和8在判断不同储藏时间的奶酪上起到了较大的作用。其他经典的分析方法和感官评定得到的结果有力的支持了电子鼻的方法的可行性,同时,两者用来推测货架期是一致的。食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION INDUSTR IES 生产与科研经验 借助电子鼻对中式传统奶酪货架期进行预测 3 伍慧方 ,薛璐 ,胡志和 ,陈庆森 (天津市食品生物技术重点实验室 ,天津商业大学食品科学与工程系 ,天津 ,300134) 摘要使用传统的分析方法和商用电子鼻对市售 2种中式传统奶酪的货架期进行了预测。通过pH值、酸度 和持水力的变化速率判断产品的质量变化 ;同时 ,使用电子鼻对相同贮藏期的样品的顶空气味指纹进行检测。结果表明 :采用电子鼻系统中的LDA(线性判别法 )能更准确判别出不同储藏时间的奶酪 ,并且和经典的分析方 法预测的货架期基本是一致的。 关键词中式传统奶酪 ,电子鼻 ,货架期 中式传统奶酪 ,也称米酒奶、宫廷奶酪、扣碗酪 ,是我国特有的传统乳制品。它是由鲜牛奶和江米酒 按一定比例混合 ,通过米酒中的酸性蛋白酶使牛奶凝 固而成的。其外观类似凝固型酸奶 ,具有牛奶和米酒 的香味。目前中式传统奶酪主要依靠手工制作 ,却没 有实现工业化批量生产 ,其原因之一就是中式传统奶 酪在贮藏期间产品品质不甚稳定 ,货架期较短。在贮 藏 5 - 6 d以后 ,就会发酸发苦 ,失去了新鲜时特有的 香味 ,而这些变化主要与凝乳剂江米酒中的蛋白酶和 脂肪酶的作用有关。通过一些经典的理化分析 ,可以 观察到这些变化和货架期的预测 ,但是这些方法往往 比较耗时而且复杂。 电子鼻技术与普通成分分析仪器相比 ,它不需进 行样品前处理 ,很少或者几乎不用任何有机溶剂 ,快 速提供被测样品的整体信息 ,指示样品的隐含特 征 [ 1 ]。通过模型参数的建立 ,可以快速观察到乳制 品在贮藏期间的气味变化 ,进而预测产品货架期。 实验通过一些理化和感官分析的结果 ,来判断电 子鼻在预测中式传统奶酪中的正确性。分别用主成 分分析法 ( PCA)、线性判别分析法 (LDA)和 Load2ings分析法用于货架期的预测。 1材料与方法 111材料 利乐无菌枕牛乳 ,伊利 ;江米酒 ,自制 ;蛋白胨、琼 脂、牛肉膏、NaOH、NaCl等均为生化试剂或分析纯。 112仪器与设备 第一作者 :在读硕士研究生 (薛璐副教授为通讯作者 )。 3天津市高等学校科技发展基金项目 (20070911) 收稿日期 : 2009 - 10 - 19 SORVALL RC3BP低速冷冻离心机 ,美国热电公 司 ;DGX29073B22电热鼓风恒温干燥箱 ,上海福玛实 验有限公司 ;LRH2250A生化培养箱 ,韶关市广智科 技设备发展有限公司 ; PB210数字 pH计 ,德国赛多利 斯 ; KDC2160HR高速冷冻离心机 ,科大创新股份有限 公司中佳分公司 ;MLS23750全自动高压灭菌锅 ,日本 三洋 ; SW 2CJ21F超净工作台 ,苏州净化设备有限公 司 ; PEN3便携式电子鼻 ,德国AIRSENSE公司。 113试验方法 11311中式传统奶酪的制作 按市售 2种配方制作奶酪 ,在烤箱中80℃下烤 制 40 min[ 2 ] ,取出晾凉后于 4℃冰箱中后熟12 h,即 为产品。 11312　pH值和滴定酸度的测定 在室温下放置一段时间后 ,将奶酪的组织结构打 破后混匀 ,直接用校准后的复合pH电极测定奶酪的 pH值大小 ;参照国标 [ 3 ] ,准确量取10g样品于150mL锥形瓶中 ,加 40mL经煮沸冷却后的水及数滴011%滴酚酞指示液 ,混匀 ,用 011mol/LNaOH标准溶液 滴定至初现粉红色 ,并在 30 s内不褪色 ,消耗的氢氧 化钠标准溶液毫升数乘以 10即为酸度 (°T)。 11313持水力 (WHC)的测定 [ 4 ] 用 50 mL离心管作为容器 ,量取40 g奶酪原料 ,制作奶酪后放入冰箱冷藏。离心前将奶酪在室温下 放置 1 h,然后在 20℃、3 000 r/min下离心 20min,取 出离心管后 ,倒出上清 ,称量剩余的奶酪。剩余奶酪 的重量占原来奶酪的重量即为持水力的大小。 11314感官评价 参考文献 [ 5 ]对中式传统奶酪进行感官评价 ,主 要包括以下几方面 :组织状态 ,滋气味 ,口感 ,乳清析 出情况 ;每个方面占 5分 ,有 3个等级 ,总分为 20分。 11315电子鼻检测 准确称取5g奶酪于40 mL顶空瓶中 ,密封30min,采用顶空抽样的方法用电子鼻进行检测 ,检测时 间为 60s,每秒采样一次 ,W inMuster软件每秒自动记 录一次数据 ,每次检测 4个平行。清洗时间为120s。试验在室温 25℃下进行。 11316数据处理方法 本试验采用的主要分析方法有 :主成分分析法 ( PCA) ,线性判别法 (LDA)和负荷加载分析法 (Loadings) [ 6 ]。主成分分析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分析散点图上显示 主要的两维散点图 ;LDA是DFA (识别因子法 )的第 一步 ,LDA分析注重类别的分类以及各种组之间的 距离分析 ,可以使组间变异与组内变异的比率达最 大 ;Loadings分析法与PCA是相关的 ,它们都基于同 一种算法。但不同的是 ,本试验中这种算法主要是对 传感器进行研究 ,利用该方法可以确认特定试验样品 下各传感器的相对重要性。 2结果与讨论 211中式传统奶酪在贮藏期间的理化变化 21111　pH值与滴定酸度的变化 分别取 2种奶酪在不同贮藏时间的样品 ,测定其 pH值和滴定酸度的变化 ,结果如图 1、图 2所示。 图 1两种奶酪在贮藏期间 pH值的变化 由图 1和图2可知 , 2种配方的奶酪pH值都呈 现先降后升再降的趋势 , 0 - 9 d缓慢下降 ,奶酪 A从 第 9天开始上升至第15天后下降 ,奶酪 B从第9天 上升至第 12天后下降 ;滴定酸度与pH值的变化趋 势正好相反 ,是先升后降再升。 在前期的研究中发现中式传统奶酪的凝乳剂中 含有相当多活力的脂肪酶 [ 7 ] ,而且在 pH值 610 - 710之间比较稳定 ,这正是奶酪在贮藏前中期的pH值变 化活动范围。因此 ,奶酪在贮藏前期pH值缓慢下降 图 2两种奶酪在贮藏期间滴定酸度的变化 滴定酸度也随之变大 ,是乳脂肪在凝乳剂脂肪酶的作 用下 ,释放出游离的脂肪酸所致 ;另外 ,奶酪的凝乳剂 与传统的皱胃酶相比 ,具有更强的蛋白质分解活 力 [ 8 ] ,尤其在 pH值较低环境下 ,乳蛋白会分解出氨 和胺类 ,所以 ,到了贮藏中期 , 2种奶酪的pH值都有 所上升 ,而滴定酸度又随之下降 ;到了贮藏后期 ,随着 乳蛋白的分解 ,奶酪的酪蛋白网状凝胶结构遭到破 坏 ,乳清大量析出 ,微生物活动开始加速 ,所以 , 2种 奶酪的 pH值迅速下降 ,滴定酸度也同时急剧升高。另外 ,奶酪 B的 pH值和滴定酸度的变化范围比奶酪 A大 ,可能与奶酪B中添加的醋酸参与了一些化学变 化有关。 21112持水力的变化 分别取 2种奶酪在不同贮藏时间的样品 ,测定其 持水力的变化 ,结果如图 3所示。 由图 3可知 , 2种奶酪的持水力在整个贮藏期间 基本上呈下降趋势 ,前12 d变化较缓慢 ,从第12天 开始下降较快 ;另外 ,奶酪 A的持水力从第6天的 86193 %增加到第9天的87126 % ,奶酪 B则从 91129 %增加到了 91178 %。 图 3两种奶酪在贮藏期间持水力的变化 乳清析出是中式传统奶酪在贮藏期间的常见的 产品缺陷。现在检测乳清析出通常使用一些经验的 方法 :自然的乳清析出和在外力作用下的乳清析 出 [ 9 ]。本试验采用离心力的方法检测中式传统奶酪 在贮藏期间凝胶强度的变化。 持水力的大小主要与奶酪的干物质含量和加工 条件有关。试验中的 2种奶酪加工条件完全一样 ,但 是奶酪 B的干物质含量较高 ,所以奶酪 B的在贮藏 期间的持水力始终比奶酪 A高。奶酪在贮藏前期比 较稳定 ,因此持水力变化比较缓慢。在中期有点缓慢 增加可能与脂肪的水解有关。乳脂肪球作为奶酪凝 胶的分散相 ,对其网状结构其重要作用 ,随着乳脂肪 的缓慢水解 ,它与蛋白质的吸附表面积也随之增加 ,使得酪蛋白分子与脂肪球颗粒的相互作用增强 了 [ 10 ]。随着贮藏时间的延长 ,凝乳剂的蛋白酶活力 的增加 ,这种网络结构逐渐破坏 ,凝胶保水能力变弱 ,因此 ,到贮藏后期 ,奶酪的持水力急剧下降。 212感官变化 分别取两种奶酪在不同贮藏时间的样品进行感 官评价 ,结果如图 4所示。 图 4　2种奶酪在贮藏期间的感官变化 2种奶酪在贮藏前 6 d没有明显变化 ;第 9天时 ,2种奶酪出现苦味 ,但是奶酪 B要比奶酪 A明显 ,感 官得分为 16、1515分 ;第12天时 ,苦味都有所减弱 ,但是已经没有了新鲜时候的香味 ,同时伴有微微的酸 味出现 ,得分为14、13分 ;第15天时 ,奶酪 A有乳清 析出 ,奶酪B酸味加重 ,得分都是 11分 ;到第 18天和 第 21天时 , 2种奶酪都是不同程度的变质 ,颜色发 黄 ,奶酪 A乳清析出较严重 ,奶酪 B则有较大的哈喇 味。 213电子鼻对奶酪气味指纹分析 21311电子鼻对奶酪的响应 PEN3电子鼻包含10个金属氧化物传感器 (W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W和W3S) ,根据传感器接触到样品挥发物后的 电导率 G与传感器经过标准活性碳过滤气体的电导 率 G0的比值进行数据处理和模式识别。这个由传 感器阵列组成的仪器主要包含以下几个部分 :传感器 通道、采样通道和计算机。 PEN3传感器阵列具有自 动调整、自动校准及系统自动富集 3个功能。 图 5中每一条曲线代表一个传感器 ,曲线上的点 代表着奶酪的挥发成分通过传感器通道时 ,相对电阻 率 (G/G0)随检测时间的变化情况。由图5可看出 ,从初始的零气到最后样品气体的平稳过程中 ,相对电 阻率快速增加 ,然后再趋于平缓。2号传感器响应最 大 , 6号和 8号次之 , 4号传感器对奶酪的气味几乎没 有响应。其他没有列出的传感器也有类似的结果。 图 5传感器响应曲线 通过电子鼻对中式传统奶酪挥发气体的响应试 验 ,可以发现 ,电子鼻对其有明显的响应 ,并且每一个 传感器对其的响应各不相同。这表明利用电子鼻 PEN3系统测量不同贮藏时间的奶酪是可行的。本 实验选取信号的峰值段作为特征值建模 ,进行下一步 的分析。 21312　PCA方法分析不同贮藏时间的奶酪 奶酪 A的PCA分析如图 6所示 ,其中第 0天、第 3天和第 6天的奶酪被很好的区分开 ,从第9天开始 就有重叠区域出现了 ,第 18天和第 21天的奶酪数据 采集点相当离散 ;第一主成分 ( PC1)贡献率为77143% ,第二主成分 ( PC2)为 17193 %。 图 6不同贮藏时间奶酪 A的PCA分析 但是从主成分PC1和PC2两个主轴上看 ,并没 有呈现一个很好的单向趋势。即随着时间的变化 ,其 信号并不是单方向发生变化的 [ 11 ]。同时各个不同贮 藏时间奶酪的区分也比较困难。因此用PCA方法检 测不同贮藏时间的奶酪是不合适的 ,对奶酪 B不再 做进一步的分析。 21313　LDA方法分析不同贮藏时间的奶酪 2种奶酪的 LDA分析如图7和图8所示。和 PCA分析图相比 ,LDA更适合于区分不同贮藏期的 奶酪。对于奶酪A,除了第 6天和第 9天有部分重叠 以外 ,其他区分相当明显 ,判别式 LD1贡献76117% ,LD2贡献 12109 % ,总贡献率达到 88126 %;对于 奶酪 B,判别式 LD1贡献 64190 % , LD2贡献 21105% ,总贡献率为 85195 %。 图 7不同贮藏时间奶酪A的LDA分析 图 8不同贮藏时间奶酪B的LDA分析 随着贮藏时间的延长 ,与新鲜奶酪的距离越来越 远 ; 2种奶酪的数据采集点都呈现相同的规律 ,即从 图的左下侧按顺时针方向变化到图的右下侧。由于 LDA分析方法注重气味速率 (图7、图8中各类中心 点之间的距离 )变化分析 [ 12 ] ,所以从图 7中可以看出 奶酪气味的变化速率。以奶酪 A为例 ,可以看出 ,从 第 0天到第 3天速率变化较小 ,但从第 3天到第6天 的过程中速率变化明显变大 ,而从第6天到第15天 的速率变化相对比较稳定 ,由于第 18天和第 21天的 奶酪在感官上已经几乎不能接受 ,所以和其他贮藏期 奶酪很明显隔离了。奶酪 B也有类似的速率变化规 律出现。 21314　LDA模板的合成 为了进一步利用 LDA分类模式判定奶酪的货架 期 ,将两种奶酪的的 LDA分析图合成 ,得到了图9。合成的模板判别式 LD1贡献率为70118 % ,LD2贡 献 11119 % ,总贡献率为81137 % ,具有良好的区分 效果。 图 9不同贮藏时间两种奶酪LDA分析的合成模板 从图 9中可以看出 , 0 - 15 d的奶酪和第18、21天的奶酪已经被分为2个集团 ,分别位于图9的两 侧 ,很明显的将感官上已经发生很大变化的奶酪分开 了 ,并且与理化指标的结果是一致的 ,可以初步判定 在本实验条件下奶酪的货架期为 15 d。 21315　Loadings分析 Loadings分析是为了识别传感器对于模型区分 的重要性。传感器的负载参数越是接近零 ,说明此传 感器对于整体指纹信息贡献越小 [ 13 ] ,相反值越大则 贡献越大。 图 10两种奶酪Loadings分析 图 10表明 ,传感器2、6和8在当前模板下起的 作用较大 ,而其他传感器作用较小。从 Loadings分析 图可以帮助进一步研究传感器对于奶酪气味响应值 和优化传感器建模。 3结论 越来越多的研究表明 ,运用电子鼻技术进行气味 分析 ,客观、准确而快捷 ,重复性好 ,这是人和动物的 鼻子所不及的。本次研究表明 ,电子鼻可以用来监控 中式传统奶酪在贮藏期间的气味的变化过程。和传 统的理化分析相比 ,电子鼻不需要给出具体的化学物 质的变化 ,只需要给出数字的指纹图谱 ,正是这些指 纹信息的变化为中式传统奶酪货架期预测提供了依 据 [ 14 ]。采用电子鼻系统中的 LDA (线性判别法 )比 PCA (主成分分析法 )更能准确判别出不同储藏时 间的奶酪 ;利用 Loadings分析可得知 ,传感器2、6和 8在判断不同储藏时间的奶酪上起到了较大的作用。其他经典的分析方法和感官评定得到的结果有力的 支持了电子鼻的方法的可行性 ,同时 ,两者用来推测 货架期是一致的。 参考文献 [ 1 ]唐月明 ,王俊 1电子鼻技术在食品检测中的应用 [ J ]1农机化研究 ,2006 (10) :169 - 1721 [ 2 ]滕国新 1酒曲中根霉凝乳酶性质及对扣碗酪凝乳质地 影响的研究 [D ]1北京 :中国农业大学 ,20051 [ 3 ]乳与乳制品卫生标准的分析方法 [ S]1GB/T 5009146—2003 1 [ 4 ]　SerraM, TrujilloA J, Quevedo JM,et al1Acid coagula2tion p roperties and suitability for yogurt production of cows’milk treated by high2pressure homogenization[ J ]1Interna2tionalDairy Journal, 2007, 17:782 - 7901 [ 5 ]薛璐 ,张会 ,陈历俊 1米酒奶凝乳剂 (江米酒发酵特性 的研究 [ J ] 1食品与发酵工业 ,2006, 32 ( 6) : 114 -1161 [ 6 ]　GòmezA H, Hu GX, Wang J,et al1 Evaluation of to2 matomaturity by electronic nose[ J ]1Computers and Elec2tronics inAgriculture,2006,54:44 - 521 [ 7 ]薛璐 ,胡志和 ,洪振威 1江米酒脂肪酶酶学特性的研 究 [ J ]1食品科学 ,2008, 29 (9) :393 - 3951 [ 8 ]刘振民 ,程涛 ,张惠星 ,等 1江米酒乳凝固特性研究 [ J ]1中国乳品工业 ,2000,28 (2) :3 - 61 [ 9 ]　Lucey J A, TamehanabM,Singh H1 Effect of heat treat2ment on the physical p roperties ofmilk gelsmadewith both rennet andacid [ J ] 1 International Dairy Journal, 2001,11:559 - 5651 [ 10 ]　FerragutV, CruzN S, TrujilloA J1 Physical characteris2tics duringstorage ofsoy yogurt madefrom ultra - high p ressure homogenized soymilk[ J ]1 Journal of Food Engi2neering, 2009, 92:63 - 691 [ 11 ]　GòmezA H, Wang J, Hu G X,et al1 Electronicnose technique potential monitoring mandarin maturity [ J ] 1Sensors andActuatorsB, 2006, 113:347 - 3531 [ 12 ]胡桂仙 ,王俊 ,海铮 ,等 1不同贮藏时间柑橘电子鼻 检测研究 [ J ] 1浙江农业学报 ,2006, 18 (6) : 458 -4611 [ 13 ]　Zhang HM, Wang J, Tian X J,et al1Optimization of sensor array and detection of stored duration ofwheat by electronic nose[ J ]1 Journal of Food Engineering,2007,82:403 - 4081 [ 14 ]　Benedetti S, Sinelli N, Buratti S, et al1Shelf Life of Crescenza CheeseasMeasuredby Electronic Nose [ J ] 1Journal ofDairy Science,2005,88 (9) :3 044 - 3 0511 ShelfL ife Prediction of Chinese Traditiona lCheese byM eans of Electron ic Nose WuHuifang, XueLu, Hu Zhihe,ChenQingsen (Tianjin KeyLaboratory of FoodBiotechnology, Department of Food Science and Technology, TianjinUniversity ofCommerce, Tianjin 300134, China) ABSTRACT　The shelf life of twoChinese traditional cheesewasmeasured using classical analysis and a commercial electronic nose1 To determine quality decay through changes of pH, acidity andWHC (water hold capacity) ; The quality of cheese aromawas evaluated by inspecting the headspace fingerp rint of the same set of samples using the e2lectronic nose1The results of this study showed that electronic nose was ableto identify the above cheese by LDA method1The shelf liferanges obtained by the electronic nose and traditional analytical techniques are substantially similar1 Key words　Chinese traditional cheese,electronic nose, shelf life