基于電子鼻和電子舌對牛奶加熱程度及風味變化的評價

宋慧敏1，蘆晶2，呂加平2，趙偉麗，李東花，朱永明

(1.黑龍江立高儀器設備有限公司，哈爾濱150028;2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京100193;3.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，哈爾濱150030)

基于電子鼻和電子舌對牛奶加熱程度及風味變化的評價

宋慧敏1，蘆晶2，呂加平2，趙偉麗3，李東花3，朱永明3

(1.黑龍江立高儀器設備有限公司，哈爾濱150028;2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京100193;3.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，哈爾濱150030)

采用電子鼻和電子舌人工智能感官評價技術對不同熱處理牛奶的氣味和滋味進行測定，利用主成分分析法（PCA）和判別因子法（DFA）對檢測結果進行分析。結果顯示：不同熱處理牛奶樣品的風味存在顯著差異，且隨熱處理程度不同而呈現(xiàn)一定規(guī)律，同時，將電子鼻和電子舌兩種技術結合起來能更好的鑒別不同熱處理樣品，可很靈敏的將不同溫度和時間處理的牛奶識別開來，并且能對其他牛奶樣品的加熱程度進行粗略預測。

電子鼻；電子舌；牛奶；風味；熱處理

0 引 言

眾所周知食品品質優(yōu)良與滋氣味息息相關，熱處理對牛奶風味影響較大。電子鼻和電子舌能從樣品的響應信號得到“指紋識別數(shù)據(jù)”[1]，為主觀評價提供理論依據(jù)。

電子鼻分析樣品揮發(fā)成分的整體信息[2-3]。電子舌對樣品味覺能做出總體評價[4]。電子鼻在牛奶中主要分析摻假[5]，品質的識別[6-7]，污染情況的判斷[8-9]，不同熱處理方式和脂肪含量的區(qū)分[10]，以及其他乳制品的風味特征[11-14]。電子舌主要應用在不同品牌牛奶的識別[15-17]、品質的檢測[18-19]、摻假的判斷[20]，在線檢測理化指標[21]等。

由于電子鼻檢測樣品氣味，電子舌檢測樣品滋味，僅依靠其一難以代表樣品整體風味。因此，本文采用電子鼻和電子舌相結合監(jiān)測不同加熱程度牛奶風味，對牛奶的加熱程度進行綜合評價，精確區(qū)分巴氏殺菌和UH T滅菌奶。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

牛奶。AH 100D均質機，DK-S24型電熱恒溫水浴鍋，小試UHT設備（實驗室自行組裝），PEN 3.5電子鼻（具有10種不同的金屬氧化物傳感器），AsrreeⅡ/ LS16電子舌等。

1.2 樣品制備

將新鮮牛奶進入小試UHT殺菌處理，通過調節(jié)壓力控制溫度，更換加熱管道的長度來控制保溫時間，對牛奶進行100，115，130，140℃的5 s處理（簡寫為100-5，115-5，130-5，140-5）和115℃的5，10，20，30 s熱處理（簡寫為115-5，115-10，115-20，115-30）。利用水浴鍋進行65℃（30 m in）、75℃（15 s）和85℃（10 s）三個巴氏殺菌處理（簡寫為65-30，73-15，80-10），樣品處理結束后迅速用冰浴冷卻并保藏于4℃冰箱中待測。

1.3 電子鼻測定

取10 m L不同熱處理的牛奶放置于電子鼻專用的玻璃瓶中，封蓋后在室溫下平衡30 m in,用電子鼻進行測定。

電子鼻采用頂空進樣方式，每個樣品重復4次，篩選結果理想的3個作為平行。載氣為空氣，速度為300 m L/m in。頂空獲取時間為60 s，延滯180 s，選取48～52 s較平穩(wěn)的階段進行信息采集，用儀器自帶軟件進行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）。

1.4 電子舌測定

樣品在4 500 r/m in下離心20 m in后，除去脂肪，吸取1 m L牛奶，用80 m L超純水稀釋，放在專用燒杯中，待測。

樣品與校準溶液（超純水）交替檢測，每個樣品測定7次，選取較穩(wěn)定的后4次測定數(shù)據(jù)進行分析。用儀器自帶軟件進行判別因子分析（Discriminant Function Analysis，DFA）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

電子鼻采用主成分分析（PCA），是將所提取的傳感器多指標的信息進行數(shù)據(jù)轉換和降維的一種分析方法。電子舌采用判別因子法（DFA）進行數(shù)據(jù)分析，判別因子法是指對原始數(shù)據(jù)向量進行線性變換，使得各類樣品能夠更好區(qū)分，常用于建立樣本數(shù)據(jù)庫后，對未知樣本進行定性判別。

2 結果與討論

2.1 利用電子鼻分析不同加熱程度牛奶的氣味

2.1.1 加熱溫度對牛奶氣味特征的影響

圖1為基于電子鼻對3個巴氏殺菌奶以及100， 115，130，140℃（5 s）4種加熱處理的PCA分析結果。由圖1可以看出，第一主成分的貢獻率為99.08%，幾乎包含了樣品的全部信息，即第一主成分能夠很好的將樣品差異區(qū)分開。有文獻指出[22]主成分總貢獻率超過70%-85%，說明此方法適用。圖1中的橢圓代表單一樣品重復的整體信息特征，圖形距離的遠近代表樣品間氣味差異的大小。從圖1中也可以看出不同溫度處理的牛奶樣品間存在著差異性，即使是巴氏殺菌奶之間也存在差異，65℃30 m in和75℃15 s，75℃15 s和85℃10 s的差異不顯著，即該兩組巴氏殺菌奶的氣味接近，65℃30 m in和85℃10 s氣味相似。經(jīng)主成分分析得出：100℃和115℃5 s處理的牛奶與75℃15 s的巴氏殺菌奶間差異不顯著，即這兩個牛奶樣品的氣味與75℃15 s較為相近，尤其是100℃5 s處理的牛奶。隨著溫度的升高，加熱程度的增強，4個高溫處理樣品的PCA圖有規(guī)律的呈順時針方向旋轉，由此可預測5 s處理的其他溫度的樣品的PCA圖，為電子鼻數(shù)據(jù)提供理論依據(jù)。

圖1 加熱溫度對牛奶氣味的影響

2.1.2 加熱時間對牛奶氣味特征的影響

圖2為基于電子鼻對115℃（5，10，20，30 s）以及3個巴氏殺菌奶樣品的主成分分析?？偡讲钬暙I率達到99.8%，第一、二主成分包含了樣品的大部分信息，電子鼻能夠很好的將不同處理組樣品的氣味分開。由圖2中能看出，四個高溫處理的樣品的PCA圖顯示能夠很好的區(qū)別分開，沒有互相交集的部分，即四個樣品間氣味存在差異且較大。115℃5 s的樣品與75℃15 s樣品差異明顯，但相對其他高溫處理的樣品差異較小，雖然加熱的溫度較75℃偏高，但是該樣品加熱時間較短，只有5 s，牛奶自身的香味物質程度較小，還沒有即使形成其他氣味物質如酯類、酮類、酸類等，觀察整體PCA圖可看見：隨著時間的延長，4個高溫樣品的PCA圖有規(guī)律的呈順時針方向移動。

圖2 加熱時間對牛奶氣味的影響

早期研究發(fā)現(xiàn)：在未加工的牛奶樣品中發(fā)現(xiàn)了7種活性氣味化合物，熱處理后則含有15種氣味化合物[23]。隨著現(xiàn)代色譜分離及質譜技術的發(fā)展，固相微萃取與氣譜-質譜（GC-MS）在風味提取及檢測中的成功應用為牛奶風味的分離及高靈敏度檢測成為可能。王萬厚[24]等人研究發(fā)現(xiàn)：新鮮原料乳中可以檢測到50種揮發(fā)性風味物質，其中酸類最多，牛奶經(jīng)過UH T加熱殺菌后揮發(fā)性風味物質增加到75種，酯類和酮類數(shù)量明顯增加，其中甲基酮，3-羥基-2-呋喃酮，δ-葵內酯，γ-十二內酯是UHT乳中重要的揮發(fā)性風味物質，對形成UHT乳特有的風味起重要作用，而酯類是形成UHT乳風味最主要的化合物。內酯類與滋氣味和風味有密切關系，在鮮乳中非常低的含量就可賦予良好的風味，如果含量過高，則會形成不良滋氣味[25]。

在本實驗中利用電子鼻監(jiān)測到巴氏殺菌奶和其他高溫奶之間的揮發(fā)性風味差異較大的原因可能是高溫和長時間處理使牛奶中形成了大量的酯類和酮類等物質，進而造成風味的顯著差異，而溫度的高低和時間長短對新物質形成及其含量的大小起了至關重要的作用，所以，在PCA圖中可觀察到樣品風味存在明顯差異。另外，由于牛奶中含有大量的乳糖和蛋白質，高溫促使其發(fā)生美拉德反應，生成一系列的美拉德反應產(chǎn)物，其中5-羥甲基糠醛具有揮發(fā)性，對牛奶的氣味會產(chǎn)生一定的影響。同時牛奶中的巰基、游離氨基和游離脂肪酸等對牛奶的風味也會產(chǎn)生很大影響，尤其是巰基，對UHT奶所形成的蒸煮味起著重要作用。

2.2 利用電子舌分析不同熱處理牛奶的滋味

2.2.1 加熱溫度對牛奶滋味特征的影響

圖3為采用電子舌分別對100，115，130，140℃（5 s）熱處理牛奶脫脂樣品的風味進行分析得出的判別因子分析圖，其中的四邊形代表單一樣品的整體信息特征，四邊形的4個點代表了4個重復樣品，從圖中可以看出，樣品的重復性較好，較為集中。樣品間距離的遠近代表樣品間的差異是否明顯。其中DF1為82.28%，DF2為16.774%，第一判別因子和第二判別因子涵蓋了樣品的絕大部分信息，4個樣品能夠區(qū)分開來，并且樣品間各自獨立，沒有互相重疊，樣品間有明顯的差異，也就是說滋味有明顯的區(qū)別，觀察DFA圖，100℃和115℃（5 s）處理的樣品的DFA圖分布在上半部分，130℃和140℃（5 s）處理的樣品的DFA圖分布在下半部分，即在加熱時間相同的情況下，加熱溫度低其DFA圖浮在上方，加熱溫度高則沉于下方，也就是加熱溫度是影響電子舌檢測到的第二主成分的主要因素。

圖3 加熱溫度對滋味的影響

2.2.2 加熱時間對牛奶滋味分布的影響

圖4是利用電子舌對115℃（5，10，20，30 s）熱處理牛奶脫脂后的分析判別因子圖，從圖中看出樣品的重復性很好，能反應出樣品的整體特征信息。其中DF1為96.221%，DF2為3.627%，第一判別因子DF1是四個樣品產(chǎn)生差異性的主要因素，為樣品差異性滋味提供了較大的貢獻。其中115℃20 s和30 s的兩個樣品的DFA圖有部分重疊，也就是兩樣品的滋味相對接近，在加熱時間較長的過程中樣品的滋味變化不大，比較相似，但前文所述中利用電子鼻可以將他們區(qū)分開，利用電子舌也就是說電子鼻和電子舌的結合能夠更加有效的鑒別樣品。但115℃20 s和30 s樣品與115℃5 s和10 s樣品的DFA圖距離較遠，滋味有明顯的區(qū)別，并且115℃5 s和10 s樣品主要呈現(xiàn)在DFA圖中的左側，而115℃20 s和30 s樣品呈現(xiàn)在DFA圖的右側，也就是說在同一加熱溫度條件下，加熱時間短的樣品的DFA圖傾向于左側，加熱時間長的樣品的DFA圖偏于右側。加熱時間是引起DF1變化的主要因素。

電子舌配備的5個傳感器可以分別對酸、甜、苦、咸、鮮這五種滋味作出評價，但由于甜和苦這兩種滋味的成味物質較為復雜，因此儀器不能進行具體評價。牛奶中因為含有豐富的乳糖、蛋白質、脂肪以及一些無機鹽如鈉鹽和鈣鹽等，在加熱過程中蛋白質之間互相作用，蛋白質分解為肽段和氨基酸，與乳糖發(fā)生美拉德反應，與無機鹽發(fā)生螯合作用等都會對牛奶的滋味產(chǎn)生很大的影響。脂肪水解為脂肪酸對牛奶的酸味會有一定的作用。鈉鹽和鈣鹽對咸味起了主要作用。乳糖影響甜味。由DFA圖可以判斷，加熱溫度對這些呈味物質有很大的影響。

圖4 加熱時間對滋味的影響

在上述分析的100，115，130，140℃（5 s）的PCA圖中，能發(fā)現(xiàn)4個樣品間存在差異，即感官氣味有區(qū)別，但差異大小不一，130℃5 s樣品和140℃5 s樣品的PCA圖有部分重疊，氣味很相似，僅僅依靠電子鼻不能完全將他們區(qū)分開，需借助其他方式。通過電子舌能夠將電子鼻不能完全區(qū)分開的樣品區(qū)分開，電子鼻的操作過程較電子舌更為簡便，操作時間更短，但電子鼻檢測時獲取的樣品信息主要來自于奶制品的揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質，而電子舌檢測時獲取的信息是來自于乳制品中的所有物質（包括揮發(fā)性，半揮發(fā)性，難揮發(fā)性物質等），因此電子舌較電子鼻能更完整獲取樣品信息，得到更精確的結果[26]。為了達到盡可能在短時間內將樣品精確的區(qū)分的目的，可以將電子鼻和電子舌的結合以此來解決問題。

3 結 論

電子鼻和電子舌是通過模擬人體的鼻和舌靈敏的將感官很難區(qū)分的樣品進行鑒別，通過電子鼻和電子舌的運用分析，可以直觀的看到牛奶在不同的熱處理條件下氣味和滋味的差異性，但單一的運用電子鼻或電子舌對于一些氣味或滋味極其相近的樣品的區(qū)分會有難度，而將電子鼻和電子舌結合后能夠對樣品進行更加清晰的鑒別。并且利用電子鼻和電子舌分析不同熱處理樣品的氣味和滋味，樣品的主成分分析圖和判別因子圖會呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，因此可以運用電子鼻和電子舌這兩種儀器對牛奶的風味進行快速的判別評價，并可預測牛奶的加熱程度，排除了人工判斷誤差的主觀因素。將電子鼻和電子舌聯(lián)合使用能夠快速簡便的區(qū)分高溫處理乳和巴氏殺菌乳。

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Evaluation of the degree of heating milk and flavor changes using electronic nose and electronic tongue

SONG Hui-min1,LU Jing2,LV Jia-ping2,ZHAO Wei-li3,LI Dong-hua3,ZHU Yong-ming3
（1.Heilongjiang Ligao Instrument Co.,Ltd,Harbin 150028,China;2.Institute of agricultural products processing,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China;3.Department of Food Science,Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China)

The flavor of different heat treatments milk is measured with electronic nose and electronic tongue,and take advantage of principal component analysis(PCA)and discriminant function analysis(DFA)to analyze the smell and taste of milk,the flavor is different between different heat treatments milk,according to different heating degree,m ilks show the regularity.Comparing electronic nose with electronic tongue can distinguish milk that deal with different temperature and time,and other degree heat milk samples were tentatively forecast.

electronic nose；electronic tongue；milk；flavor；heat treatment

TS252.7

：A

：1001-2230（2016）02-0012-04

2015-07-08

國家科技支撐計劃（2012BAD28B07）；（2013BAD18B10）。

宋慧敏(1988－)，女，碩士研究生，研究方向畜產(chǎn)品加工。

呂加平