宜賓芽菜發(fā)酵后熟期的電子鼻識別研究

范文教，孫俊秀 *，徐 坤，王 郁，羅素琴

（1.四川旅游學院，四川 成都 610100；2.成都師范學院，四川 成都 610041；3.四川宜賓碎米芽菜有限公司，四川 宜賓 644002）

宜賓芽菜以香、甜、嫩、鮮等獨特風味而聞名特點，與“涪陵榨菜”、“南充冬菜”、“內(nèi)江大頭菜”并稱為四川四大腌菜[1]。目前，宜賓芽菜主要采用傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵醬腌菜工藝，由葉用芥菜的葉柄為原料，經(jīng)劃條、鹽腌再經(jīng)加紅糖、腌漬等工藝加工而成[2]。在芽菜發(fā)酵后熟時期，芽菜發(fā)酵風味易受發(fā)酵環(huán)境、發(fā)酵微生物交替變化以及生化酶的影響而發(fā)生波動。目前對芽菜發(fā)酵后熟時期的監(jiān)控主要依賴于人工感官指標和理化指標進行綜合評定。感官評定存在著主觀性強、重復(fù)性差等缺點，而理化指標則需要采用分析化學的方法，雖然客觀、重復(fù)性好，但對儀器要求較高，分析時間較長。

電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)曲線來識別氣味的電子系統(tǒng)，是一種通過采集樣品揮發(fā)性成分整體信息來評價樣品的新方法[3]。運用電子鼻技術(shù)識別、判斷食品的品質(zhì)變化具有客觀、準確、快捷的特點。目前電子鼻已被廣泛應(yīng)用于白酒、大米、香蕉、肉類等食品識別研究中[4-7]。本研究將電子鼻技術(shù)應(yīng)用于四川宜賓芽菜發(fā)酵后熟時期的品質(zhì)變化識別，并結(jié)合芽菜感官分辨和理化指標，旨在建立一種快速、簡便、實用的芽菜發(fā)酵后熟期的電子鼻識別分析方法。

1 材料與方法

1.1 材料

芽菜發(fā)酵后熟期（發(fā)酵期為90d、120d、150d、180d）樣品，由四川宜賓碎米芽菜有限公司提供；分析試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

電子鼻：法國Alpha M.O.S公司生產(chǎn)的OX4000系統(tǒng)；722-型光柵分光光度計：上海實驗儀器總廠；HWS型智能恒溫濕箱：寧波江甫儀器廠；電子天平：SHIMADZU，AUW220D，精度0.1mg：日本島津公司。

1.3 芽菜理化指標和感官評定

總氨基酸態(tài)氮：甲醛滴定法；總酸：中和滴定法；還原糖：直接滴定法；芽菜感官分辨標準見表1[8]。

1.4 電子鼻檢測參數(shù)

樣品經(jīng)切碎研磨、攪拌均勻后，稱取3.00g樣品，于10mL頂空瓶中，加蓋密封。檢測參數(shù)為：載氣（合成干燥空氣）流速150mL/min，頂空產(chǎn)生時間450s，頂空產(chǎn)生溫度40℃，進樣體積2mL，進樣速度2mL/s，數(shù)據(jù)采集時間120s，延滯時間200s。

表1 感官品質(zhì)鑒評標準（滿分10 分）Table 1 Sensory evaluation standard

1.5 電子鼻數(shù)據(jù)處理

樣品數(shù)據(jù)經(jīng)Alphasoft11.0 統(tǒng)計分析軟件分析得出傳感器信號強度圖，將經(jīng)過優(yōu)化后的傳感器響應(yīng)特征值進行多變量統(tǒng)計分析，包括：主成分分析與判別因子分析分析，每個樣品重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 芽菜發(fā)酵后熟期總氨基酸態(tài)氮的含量變化

總氨基酸態(tài)氮是判定發(fā)酵產(chǎn)品發(fā)酵程度的特性指標[8]。芽菜在腌制后熟期間，其中的蛋白質(zhì)易受原料本身酶的作用和微生物的作用，逐漸分解為氨基酸。氨基酸不僅被認為是腌制蔬菜中的鮮味成分，而且可以作為中間產(chǎn)物參與形成烯醛類、醇類、酯類等風味物質(zhì)[9]。在醬腌菜國家標準中，腌漬菜中的總氨基酸態(tài)氮值必須達到0.1g/100g[10]。芽菜發(fā)酵后熟期的總氨基酸態(tài)氮的含量變化情況見圖1。

圖1 芽菜發(fā)酵后熟期總氨基酸態(tài)氮的含量變化Fig.1 Changes of amino nitrogen contents in the Yacai during fermentation

從圖1可以看出，芽菜發(fā)酵腌制后熟期，總氨基酸態(tài)氮含量呈良好的上升趨勢，后熟期間風味物質(zhì)快速形成。在發(fā)酵150d后，走勢趨穩(wěn)并緩慢減少，說明芽菜已經(jīng)達到發(fā)酵成熟期。

2.2 芽菜發(fā)酵后熟期總酸的含量變化

總酸含量反映的是醬腌菜的發(fā)酵程度，同時醬腌菜的總酸還跟其加工工藝過程的食鹽、水分含量等相關(guān)[11]。此外，在醬腌菜腌制后熟期間，還原糖發(fā)酵生成乳酸，也可以提高產(chǎn)品的風味。一般來說，醬腌菜的總酸應(yīng)控制在2g/100g以內(nèi)[10]。芽菜發(fā)酵后熟期總酸的含量變化見圖2。從圖2可以看出，發(fā)酵后熟期間，芽菜的總酸含量隨發(fā)酵時間逐漸增加，隨著發(fā)酵后熟期鹽分濃度的增加，乳酸發(fā)酵減弱，所以在發(fā)酵150d后總酸的含量出現(xiàn)下降趨勢。

圖2 芽菜發(fā)酵后熟期總酸的含量變化Fig.2 Changes of total acid contents in the Yacai during fermentation

2.3 芽菜發(fā)酵后熟期還原糖的含量變化

還原糖與醬腌菜的顏色變化具有一定的相關(guān)性。一般來說，由于氨基酸中的氨基與還原糖中羰基發(fā)生美拉德反應(yīng)生成的褐色物質(zhì)，是醬腌菜顏色的變化主要原因[12]。在醬腌菜國家標準中，腌漬菜中的還原糖含量必須達到1g/100g以上[10]。芽菜發(fā)酵后熟期還原糖的含量變化見圖3。從圖3可以看出，發(fā)酵后熟期間前期（90d～120d），芽菜的還原糖含量呈急劇上升趨勢，這可能是纖維素等水解生成還原糖占據(jù)主導地位；而在120d之后，美拉德反應(yīng)占據(jù)主導地位，消耗了還原糖，從而降低了其含量。

圖3 芽菜發(fā)酵后熟期還原糖的含量變化Fig.3 Changes of reducing sugar contents in the Yacai during fermentation

2.4 芽菜發(fā)酵后熟期的感官評鑒

芽菜發(fā)酵后熟期的感官得分結(jié)果見圖4。在發(fā)酵時間150d時得分最高，為8.5分。結(jié)合芽菜發(fā)酵后熟期的總氨基酸態(tài)氮、總酸和還原糖含量變化情況，可以認為發(fā)酵150d后，芽菜發(fā)酵腌制已經(jīng)進入了成熟期。

圖4 芽菜發(fā)酵后熟期的感官評定Fig.4 Changes in sensory scores of the Yacai during fermentation

2.5 芽菜發(fā)酵后熟期樣品的電子鼻雷達圖分析

樣品在電子鼻不同傳感器下的響應(yīng)情況可以通過傳感器響應(yīng)強度曲線進行表現(xiàn)。雷達圖就是把電子鼻18個傳感器按照間隔20°均勻排列在圓周上，將每個傳感器的最大響應(yīng)值取出并標識，這樣就方便將不同樣品的信號強度進行比較分析[13]。圖5為不同芽菜發(fā)酵后熟期樣品的雷達指圖譜，其中樣品編號1、2、3、4分別對應(yīng)發(fā)酵期90d、120d、150d、180d。從圖5可以直觀地看出，4種樣品之間存在不顯著的差異，說明芽菜發(fā)酵進入后熟期后，其香味成分已經(jīng)基本固定。同時，通過分析4個芽菜樣品，每個樣品重復(fù)測量3次，傳感器檢測值的相對標準偏差（RSD）小于3%，表明這些樣品在每個傳感器由良好的檢測重復(fù)性。

圖5 不同芽菜發(fā)酵后熟期的雷達圖譜Fig.5 Radar fingerprinting of the Yacai sample during different fermentation

2.6 芽菜發(fā)酵后熟期樣品的主成分分析

主成分分析（Principle Component Analysis，PCA）是一種多元統(tǒng)計方法，是將所提取的傳感器多指標的信息進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，并對降維后的特征向量進行線性分類，最后在PCA分析圖上顯示主要的兩維圖[14]。當沒有或缺乏有關(guān)樣品信息時，PCA分析能夠找出樣品間相關(guān)聯(lián)的特征，并從中總結(jié)出有關(guān)樣品的信息。一般來說，在主成分分析中，貢獻率越大，說明主成分越好地反映原來多指標的信息，當總貢獻率超過70%時，所選用的主成分就可以反映原來所有變量的整體特征信息值[14]。圖6為不同芽菜發(fā)酵后熟期樣品的PCA分析圖。可以看出，主成分1和主成分2的貢獻率分別為98.12%和1.55%，累計貢獻率為99.67%，說明所選取的前2個主成分對應(yīng)的特征向量所決定的二維子空間已經(jīng)足夠充分反映芽菜樣品整體數(shù)據(jù)的信息。同時，不同樣品的芽菜分別聚類在PCA圖中的不同區(qū)域。其中90d樣品（1號樣）和150d樣品（3號樣）有重疊區(qū)域，說明PCA分析還不能夠很好區(qū)別這2種樣品。

圖6 不同芽菜發(fā)酵后熟期的PCA分析圖Fig.6 PCA chart of the Yacai sample during different fermentation

2.7 芽菜發(fā)酵后熟期樣品的判別因子分析

判別因子分析（Discriminant Factor Analysis，DFA）是一種通過重新組合傳感器數(shù)據(jù)來優(yōu)化區(qū)分性的分類技術(shù)，其目的是使各個組間的重心距離最大同時保證組內(nèi)差異最小，改變組的劃分會改變其分布。DFA通過一系列數(shù)學變化，在充分保存現(xiàn)有信息的前提下，使同類樣品間的差異性盡量縮小、不同類樣品間差異盡量擴大，從而使各類樣品能夠更好區(qū)分[15]。圖7為不同芽菜發(fā)酵后熟期樣品的DFA分析圖?？梢钥闯觯肈FA分析方法可以將不同發(fā)酵后熟期的芽菜樣品區(qū)分開來，而且區(qū)分度良好。

圖7 不同芽菜發(fā)酵后熟期的DFA分析圖Fig.7 DFA chart of the Yacai sample during different fermentation

2.8 芽菜發(fā)酵后熟期樣品的分辨指數(shù)

指紋分辨指數(shù)主要是根據(jù)被測樣品和參照樣品的傳感信號分散百分比與圖譜峰面積的比例轉(zhuǎn)化而來，主要用于明確地比較樣品間區(qū)分度。不同發(fā)酵后熟期芽菜樣品間的指紋分辨指數(shù)見表2。從表2可以看出，樣品1與2、4的分辨指數(shù)分別為91.92%、95.06%，區(qū)分度顯著；樣品1與3的分辨指數(shù)為75.18%，區(qū)分度不明顯，結(jié)果與PCA分析結(jié)果；樣品2與3、4識別指數(shù)接近99%，說明識別度非常高。

表2 芽菜發(fā)酵后熟期樣品的分辨指數(shù)Table 2 Fingerprint distinguish indexes of the Yacai sample

2.9 討論

從芽菜發(fā)酵后熟期樣品的理化指標（總氨基酸態(tài)氮含量、總酸含量、還原糖含量）和芽菜感官分析結(jié)果來看，單一指標的考察均無法直接判斷芽菜發(fā)酵后熟的程度。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制作工藝中，更多的是利用前人積累下來的發(fā)酵時間經(jīng)驗以及簡單的感官分析來確定芽菜發(fā)酵程度。而利用電子鼻能夠較好的區(qū)分不同芽菜發(fā)酵后熟期，且DFA分析方法優(yōu)于PCA分析方法。此外，在采集足夠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的前提下，對芽菜發(fā)酵電子鼻感應(yīng)信號與芽菜品質(zhì)變化之間構(gòu)建恰當?shù)哪Ｐ?，即可快速判定芽菜的發(fā)酵程度。

3 結(jié)論

利用電子鼻對不同芽菜發(fā)酵后熟期樣品進行評價，結(jié)果顯示所有芽菜樣品傳感器檢測值的相對標準偏差都在3%以內(nèi)，說明試驗具有良好的重復(fù)性。通過對獲得的傳感器信號數(shù)據(jù)進行主成分分析和判別因子分析，結(jié)果表明電子鼻都能有效區(qū)分不同芽菜發(fā)酵后熟期樣品，且DFA分析方法優(yōu)于PCA分析方法。研究結(jié)果表明，電子鼻在醬腌菜的氣味分析識別應(yīng)用領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

[1]邱 思.四川芽菜的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國調(diào)味品，2012（2）：1-3.

[2]劉云秀.宜賓芽菜的研制[J].中國調(diào)味品，2007（8）：58-59.

[3]劉紅秀，李洪波，李衛(wèi)東，等.基于電子鼻的魚類新鮮度估計研究[J].中山大學學報：自然科學版，2010（49）：28-31.

[4]AMPUERO S,BOSSET JO.The electronic nose applied to dairy products:A review[J].Sens Act B,2003,94:1-12.

[5]CHEN QS,ZHAO JW,CHEN Z,et al.Discrimination of green tea quality using the electronic nose technique and the human panel test,comparison of linear and nonlinear classification tools[J].Sens Act B,2011,159:294-300.

[6]TIINA R,ALAKOMI HL,RITVANEN T,et al.Application of an electronic nose for quality assessment of modified atmosphere packaged poultry meat[J].Food Control,2006,17:5-13.

[7]ZHENG XZ,LAN YB,ZHU JM,et al.Rapid identification of rice samples using an electronic nose[J].J Bion Eng,2009,6(3):290-297.

[8]李 博.低鹽宜賓芽菜研究及產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特性評價[D].杭州：西華大學碩士論文，2011.

[9]徐 坤，雷 激，李 博，等.芽菜腌制過程中理化指標的動態(tài)研究[J].中國釀造，2010，29（1）：29-32.

[10]SB/T 10439-2007 醬腌菜[S].

[11]鄧 靜，張 良，楊志榮.宜賓芽菜發(fā)酵過程中風味物質(zhì)動態(tài)變化研究[J].食品科學，2013（1）：46-99.

[12]李治中.初始糖鹽濃度對芽菜發(fā)酵風味的影響[J].食品與發(fā)酵科技.2009（45）：29-32.

[13]張曉敏，朱麗敏，張 捷.采用電子鼻評價肉制品中的香精質(zhì)量[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24（9）：75-178.

[14]林智平，崔巍偉，王 景，等.多變量統(tǒng)計分析技術(shù)在評價燕京啤酒風味質(zhì)量中的應(yīng)用[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，31（1）：126-129.

[15]LABRECHE,S,BAZZO S,CADE S,et al.Shelf life determination by electronic nose:application to milk[J].Sens Act B,2005,106:199-206.