基于電子鼻技術(shù)監(jiān)測羊奶發(fā)酵前后不同階段風(fēng)味的變化

白麗娟,張 猛,金 嫘

(遼寧醫(yī)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧錦州 121001)

基于電子鼻技術(shù)監(jiān)測羊奶發(fā)酵前后不同階段風(fēng)味的變化

白麗娟,張 猛,金 嫘

(遼寧醫(yī)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧錦州 121001)

本文利用電子鼻PEN3分析了羊奶發(fā)酵前后不同階段的風(fēng)味變化。結(jié)果表明,新鮮羊奶經(jīng)過發(fā)酵后,特征揮發(fā)性成分在電子鼻傳感器上的響應(yīng)由原來的傳感器6(甲烷)為主轉(zhuǎn)變成以傳感器7(充化氫)、傳感器9(有機芳香硫化物)和傳感器2(氮氧化合物)為主的揮發(fā)性物質(zhì),改變了羊奶的氣味。采用PCA及LDA分析發(fā)現(xiàn):PCA分析法能準(zhǔn)確區(qū)分羊奶發(fā)酵前后的不同階段,LDA體現(xiàn)出了發(fā)酵前后的不同階段揮發(fā)性成分明顯的變化趨勢,且變化趨勢與理論分析相符。

電子鼻,羊奶,發(fā)酵,風(fēng)味

羊奶以其富含有蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖、常量和微量礦物質(zhì)以及多種維生素等深受消費者青睞,但羊奶濃重的膻味是制約其在中國大陸地區(qū)普及的重要影響因素。研究發(fā)現(xiàn)以羊奶為原料,通過加入乳酸菌發(fā)酵制成羊酸奶,不僅在一定程度上弱化了羊奶的膻味,明顯改善羊奶的風(fēng)味特征,也更好的提升了羊奶的口感,且較為完整的保留了山羊奶豐富的營養(yǎng)價值[1]。

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。電子鼻與普通的分析儀器(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,而是獲得樣品中揮發(fā)成分的整體信息,也就是“氣味指紋數(shù)據(jù)”[2]。目前電子鼻在乳品中的應(yīng)用主要集中于乳制品貨架期的預(yù)測[3-5]、乳中微生物[6]、乳制品成熟期的預(yù)測[7]、乳制品中揮發(fā)性物質(zhì)的分析[8]、乳中摻假、以及干酪的分類等方面[9],可以有效地判斷羊奶及羊奶制品的貯藏時間和揮發(fā)性成分的變化趨勢。本實驗以羊奶為研究對象,用電子鼻技術(shù)檢測羊奶發(fā)酵前后不同階段揮發(fā)性成分的變化,為進(jìn)一步解釋發(fā)酵羊奶能夠降低羊奶膻味的機理奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

羊奶由遼寧省錦州市王屯養(yǎng)羊場提供;發(fā)酵劑(保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌)由錦州雙八乳業(yè)提供。

APV1000型均質(zhì)機 丹麥APV公司;FW3D型高速攪拌器,德國公司;MIR-253型恒溫培養(yǎng)箱 SANYO公司。

PEN3型便攜式電子鼻系統(tǒng) 德國Airsense公司。該電子鼻含有10個不同的金屬氧化物傳感器,傳感器陣列用于分析不同揮發(fā)性組分,列表如下:

表1 電子鼻傳感器所對應(yīng)的氣味類型Table 1 smell types corresponding to sensors of E-nose

1.2 實驗方法

1.2.1 凝固型羊奶酸乳生產(chǎn)工藝流程 生羊乳→標(biāo)準(zhǔn)化→預(yù)熱(70～75℃)→配料(8%白砂糖)→均質(zhì)(60～65℃,15～20MPa)→殺菌(95℃,5min)→冷卻→接種發(fā)酵劑→灌裝→保溫發(fā)酵(42～43℃)→冷卻→貯藏(4～5℃)→成品。

1.2.2 電子鼻檢測 分別量取新鮮羊奶、發(fā)酵1、2、3、4h和發(fā)酵后冰箱存放1、3、5、8、11、14、17、20d的樣品10mL置于30mL樣品瓶中,用封口膜封口,于30℃平衡5min后直接將進(jìn)樣針頭插入樣品瓶采用頂空吸氣法進(jìn)行電子鼻分析實驗。測定條件:傳感器清洗時間120s、傳感器歸零時間5s、樣品準(zhǔn)備時間5s、進(jìn)樣流量300mL/min,檢測時間60s[10]。完成1次檢測后系統(tǒng)進(jìn)行清零和標(biāo)準(zhǔn)化,然后再進(jìn)行第2次頂空采樣。統(tǒng)計分析10個不同選擇性傳感器的G/G0值;通過電子鼻Winmuster分析軟件對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。按照上述方法,每組實驗重復(fù)3次。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法 主要分析方法:主成分分析法(principal component analysis,PCA)、線性判別分析法(linear discrimination analysis,LDA)[11-12]。結(jié)合自帶Winmuster進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻對新鮮羊奶和發(fā)酵結(jié)束羊奶揮發(fā)性成分的特征響應(yīng)

圖1和圖3為電子鼻檢測新鮮羊奶和發(fā)酵4h后的羊奶酸奶時10個傳感器電導(dǎo)率比值隨時間變化的響應(yīng)曲線圖,圖2和圖4分別為為10個傳感器在50s時電導(dǎo)率比值極線圖。圖1和圖3中每一條曲線代表一個傳感器,曲線代表羊奶中揮發(fā)性成分通過傳感器通道時,其相對電阻率(G/G0)隨時間的變化情況。傳感器信號強度可以反映出羊奶中各種揮發(fā)性成分濃度的差異。圖2和圖4中每一條直線代表一個傳感器,直線上陰影的最高點代表某一時間羊奶中揮發(fā)性成分通過傳感器通道時的相對電阻率(G/G0),陰影最高點越大代表感應(yīng)器感應(yīng)到的揮發(fā)性成分響應(yīng)越明顯。

由圖1可見,電子鼻的7號(硫化氫)傳感器響應(yīng)曲線首先急劇升高,而后又迅速下降;6號(甲烷類)傳感器逐漸升高并最終趨于平穩(wěn)。響應(yīng)曲線在50s之后較為平穩(wěn),因此實驗取50s。從圖2中可以看出,在檢測50s時新鮮羊奶中揮發(fā)性成分最明顯的傳感器是6號,其次是8號、7號和2號,其它幾類都相差不大,且電阻率(G/G0)都在1附近,說明感應(yīng)器不能很好地區(qū)分其它揮發(fā)性成分。寇曉虹等研究顯示羊酸奶產(chǎn)品的主要風(fēng)味物質(zhì)有19種,主要是由醛、酯、酮、酸等物質(zhì)共同作用產(chǎn)生的[13],可能羊奶中揮發(fā)性成分雖多但是揮發(fā)性脂肪酸氣味比較接近使感應(yīng)器無法明顯區(qū)分。

圖1 新鮮羊奶傳感器響應(yīng)譜圖Fig.1 Response graphs of different sensors to fresh goat’s milk

圖2 新鮮羊奶傳感器測定50s時響應(yīng)雷達(dá)圖Fig.2 Polar plot of different sensors on 50s to fresh goat’s milk注：1.芳香苯類；2.氮氧化合物；3.氨類；4.氫氣；5.烷烴；6.甲烷；7.硫化氫；8.醇類；9.有機芳香硫化物；10.芳香烷烴，圖4同。

由圖3可知,電子鼻的7號(硫化氫)響應(yīng)曲線首先急劇升高,而后又迅速下降,50s后趨于平穩(wěn);其次是9號(有機芳香硫化物)、2號(氮氧化合物)相對電阻率(G/G0)較高,其它傳感器變化不明顯。從圖3和圖4可以看出7號傳感器相對電阻率(G/G0)在12左右,約比新鮮羊奶高10倍,上升非常明顯;9號和2號傳感器上升3～4倍,其它傳感器電阻率(G/G0)還在1附近幾乎沒有變化。原因可能是6號傳感器感應(yīng)到的新鮮羊奶中揮發(fā)性成分在乳酸菌發(fā)酵過程中水解部分變成7號(硫化物)、9號(有機芳香硫化物)、2號(氮氧化合物)為主的成分,從而部分改變了羊奶的風(fēng)味。

圖3 發(fā)酵4h后酸羊奶傳感器響應(yīng)譜圖Fig.3 Response graphs of different sensors to goat’s milk after 4h fermentated

圖4 發(fā)酵4h后酸羊奶傳感器50s時響應(yīng)雷達(dá)圖Fig.4 Polar plot of different sensors on 50s to goat’s milk after 4h fermentated

2.2 羊奶發(fā)酵過程中和保存中的PCA主成分分析

圖5是羊奶在發(fā)酵0、1、2、3、4h后揮發(fā)性成分的PCA主成分分析圖。圖中每個橢圓代表羊奶發(fā)酵不同時間的數(shù)據(jù)采集點。幾個樣品的在圖中分部在不同位置,通過PCA分析得出,第一主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為99.70%,第二主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為0.29%,兩個主成分貢獻(xiàn)率的和為99.99%,大于90%,所以這兩個主成分已經(jīng)基本代表了樣品的主要信息特征。從圖5主成分PC1和PC2兩個主軸上看,除發(fā)酵2h和3h樣品外,能明顯區(qū)分開發(fā)酵不同時間的酸羊奶,說明電子鼻可以較好的區(qū)分羊奶發(fā)酵的不同階段。

圖5 羊奶發(fā)酵過程中不同時間的PCA主成分貢獻(xiàn)率Fig.5 PCA analysis for volatile components of goat’s milk with different fermentating time

圖6是發(fā)酵后的羊奶在(4℃)1～20d保藏過程中揮發(fā)性成分的PCA主成分分析圖,圖中每個橢圓代表羊奶發(fā)酵后保藏不同時間的數(shù)據(jù)采集點。由圖6可知第一主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為86.08%,第二主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為13.41%,兩個主成分貢獻(xiàn)率的和為99.49%。在保存初期采用隔2d檢測一次,一周后采用隔3d檢測一次,通過20d的測試發(fā)現(xiàn)從第3d到第17d樣本點出現(xiàn)重復(fù)交叉現(xiàn)象,差異性較小,而第1d和第20d的樣本點區(qū)分于明顯,說明電子鼻能夠明顯區(qū)分保存初期和后期的羊奶酸奶,保藏過程中的羊奶酸奶揮發(fā)性成分變化不明顯。此實驗結(jié)果正好與酸奶在發(fā)酵后第1d 4℃保存,處于后發(fā)酵劑階段風(fēng)味變化明顯,酸奶保質(zhì)期14d[14]風(fēng)味變化不顯著的理論相吻合,20d酸奶氣味出現(xiàn)明顯的變化。

圖6 羊奶發(fā)酵后保藏(4℃)1～20d PCA主成分貢獻(xiàn)率Fig.6 PCA analysis for volatile components of goat’s milk yogurt of keeping in store one to 20d

2.3 羊奶發(fā)酵過程中和保存中的LDA分析

線性判別法(linear discrimination analysis,簡稱 LDA)分析利用了電子鼻所有傳感器的信號以提高其分類的準(zhǔn)確性,更加注重采集揮發(fā)性成分響應(yīng)值在空間的分布狀態(tài)及彼此之間的距離分析。LDA是擴大組間差距,縮小組內(nèi)差距,將組間的差距顯著的表現(xiàn)出來。采用分別發(fā)酵0、1、2、3、4h的羊奶酸奶為樣品進(jìn)行測定,測定數(shù)據(jù)進(jìn)行LDA分析。從圖7中可以看出,第一主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為81.61%,第二主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為13.50%。第一、第二主成分總的區(qū)分貢獻(xiàn)率達(dá)95.11%,樣品組間區(qū)分明顯且呈遞增趨勢,因此采用電子鼻可以區(qū)分發(fā)酵不同時間的羊奶酸奶。

圖7 羊奶發(fā)酵過程中不同時間的LDA分析Fig.7 LDA analysis for volatile components of goat’s milk with different fermentating time

圖8是以發(fā)酵后羊奶酸奶分別保存1、3、5、8、11、14、17、20d為樣品進(jìn)行測定,測定結(jié)果進(jìn)行LDA分析。從圖8中直觀的看出,第一主成分貢獻(xiàn)率為94.92%,第二主成分貢獻(xiàn)率為2.66%。第一、第二主成分總的區(qū)分貢獻(xiàn)率達(dá)97.58%。結(jié)果表明羊奶酸奶保存第1d、第17d和第20d特征揮發(fā)性成分差別明顯,在保質(zhì)期3～14d內(nèi)交叉重復(fù),即在保質(zhì)期內(nèi)風(fēng)味無明顯改變,分別與PCA分析結(jié)果和理論結(jié)果相符。

圖8 羊奶發(fā)酵后保存(4℃)1～20d LDA分析Fig.8 LDA analysis for volatile components of goat’s milk yogurt of keeping in store one to 20d

3 結(jié)論

本實驗采用電子鼻分析了羊奶酸奶發(fā)酵前后不同階段的風(fēng)味變化。結(jié)果表明,新鮮羊奶經(jīng)過發(fā)酵后,特征揮發(fā)性成分會發(fā)生明顯改變,由原來的甲烷類、硫化氫等主要成分轉(zhuǎn)變成以硫化氫、有機芳香硫化物和氮氧化合物為主的揮發(fā)性物質(zhì),這是由于乳酸菌生長繁殖過程中分解脂肪和蛋白質(zhì)產(chǎn)生了不同于新鮮羊奶的成分導(dǎo)致特征揮發(fā)性物質(zhì)發(fā)生改變。

采用電子鼻系統(tǒng)中的PCA主成分分析法以及LDA法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,PCA分析法能準(zhǔn)確區(qū)分羊奶酸奶發(fā)酵前后的不同階段,體現(xiàn)明顯的變化趨勢;LDA 雖然不能明顯區(qū)分不同保藏時間的羊奶酸奶,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 分析表明利用電子鼻測定揮發(fā)性成分的差異可以分別區(qū)分發(fā)酵中及發(fā)酵后冷藏條件下不同貯藏時間的羊奶,分析結(jié)果與理論相符。

[1]曹斌云,羅軍,姚軍虎. 山羊奶的營養(yǎng)價值與特點[J]. 畜牧獸醫(yī)雜志,2007,26(1):49-51.

[2]張虹燕,丁武. 基于fisher 線性判別和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子鼻羊奶貯藏時間預(yù)測[J]. 中國食品學(xué)報,2012,12(6):166-173.

[3]張虹燕,丁武. 電子鼻對不同溫度下生鮮羊奶貯藏時間的判定[J]. 食品科學(xué),2011,32(16):257-260.

[4]Zhang HY,Ding W. Discrimination of storage time and volatile compositions of raw goat milk by electronic nose[J]. Food Sci,2011,32(16):257-260.

[5]Labreche S,Bazzo S,Cade S,et al. Shelf life determination by electronic nose:application to milk[J]. Sens Actuat B,2005,106(1):199-206.

[6]Zhang HY,Ding W. Classification of fresh goat milk at different storage temperature based on electronic nose by fisher[J]. Chin Inst Food Sci Technol,2012,12(6):166-173.

[6]Ali Z,O’Hare WT,Theaker BJ. Detection of bacterial contaminated milk by means of a quartz crystal microbalance based electronic nose[J]. J Therm Anal Calorim,2003,71(1):155-161.

[7]O’Riordan PJ,Delahunty CM. Characterisation of commercial Cheddar cheese flavour. 2:study of Cheddar cheese discrimination by composition,volatile compounds and descriptive flavour assessment[J]. Int Dairy J,2003,13:371-389.

[8]蘭會會,胡志和.電子鼻技術(shù)在乳品生產(chǎn)和質(zhì)量控制中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué),2011,31(17):467-471.

[9]劉志東,郭本恒,王蔭愉. 電子鼻在乳品工業(yè)中的應(yīng)用[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2007,33(2):102-106.

[10]郭奇慧,白雪. 電子鼻測定純牛奶氣味過程中測定參數(shù)的研究[J]. 食品工業(yè)科技,2007,28(11):226-228.

[11]吳曉萌,郭雪松.電子鼻對玉米黃漿品質(zhì)的監(jiān)測[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報,2013,29(27):210-214.

[12]Barbri N,Llobet E,Bari N,et al. Electronic nose based on metal oxide semiconductor sensors as an alternative technique for the spoilage classification of red meat[J]. Sensors,2008,8(1):142-156.

[13]寇曉虹,付俊淑,涂崔，等.酮香型羊酸奶的研制及與牛酸奶風(fēng)味物質(zhì)的比較[J]. 食品工業(yè)科技,2010 31(4):231-234.

[14]黃君紅,鐘炳輝,曾偉儒. 后殺菌與食品添加劑對酸奶保質(zhì)期的影響研究[J]. 食品工業(yè)科技,2004,3:66-68.

Changes in volatile component of goat’s milk at different stageson the fermentation by electronic nose

BAI Li-juan,ZHANG Meng,JIN Lei

(College of Food Science and Engineering,Liaoning Medical University,Jinzhou 121001,China)

Electronic nose(PEN3)was used to monitoring the flavor change of goat’s milk during the different stages of fermentation in this study. Results indicated that the characteristics of the volatile compounds changed from sensor No.6(W1S:broad-methane)into sensor No.7(W1W:sulphur-or),sensor No.9(W2W:sulph-chlo)and sensor No.2(W5S:broadrange)primarily after the fresh goat’s milk fermentated,which made the flavor of goat’s milk diffrent. The data were analyzed by principal component analysis and linear discrimination analysis,it was found that the method of PCA can accurately distinguished the goat’s milk at different stages of fermentation,the method of LDA reflected the obvious change trend of volatile compounds,and the change trend just was consistent with theory.

electronic nose;goat’s milk;fermentation;flavor

2014-07-23

白麗娟(1979-),女,博士在讀,副教授,研究方向:食品科學(xué)。

科技部星火計劃項目(2013GA650011);遼寧省科技廳農(nóng)業(yè)攻關(guān)項目(2011214001);遼寧省自然基金項目(2013022065);校企聯(lián)合項目(LYHX2013018)。

TS252

A

1002-0306(2015)13-0294-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.13.053