基于電子鼻的桑葚采后品質(zhì)預(yù)測

石國英，高思宇，韋靜靜，房皓，黃曉杰

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

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基于電子鼻的桑葚采后品質(zhì)預(yù)測

石國英，高思宇，韋靜靜，房皓，黃曉杰*

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

摘要以桑葚為研究對象，以失重率、腐爛指數(shù)和感官評分為指標(biāo)，結(jié)合電子鼻檢測，探究20℃和4℃貯藏條件下桑葚果實(shí)品質(zhì)變化規(guī)律。結(jié)果表明：失重率、腐爛指數(shù)均隨著貯藏時(shí)間的延長而呈現(xiàn)不同程度的增加，而感官評分逐漸下降。桑葚果實(shí)揮發(fā)性氣體成分隨著貯藏時(shí)間的延長也發(fā)生了明顯的變化。利用PCA、LDA方法能有效區(qū)分桑葚果實(shí)的貯藏期，總體來看，電子鼻分析結(jié)果與感官分析的結(jié)果基本一致，即電子鼻可用于快速評價(jià)桑葚品質(zhì)。

關(guān)鍵詞溫度；貯藏期；主成分分析；線性判別分析；負(fù)荷加載分析

桑葚(mulberry fruit)，又稱桑果、桑棗，為?？坡淙~喬木桑樹的成熟果穗，每年4～6月份果實(shí)成熟[1]。桑葚味甘性寒，酸甜汁多，營養(yǎng)豐富，富含鞣酸、蘋果酸、多種維生素和人體必需的氨基酸及Zn、K、Mg、P等微量礦質(zhì)元素，成熟桑葚含有豐富的花色苷化合物，具有良好的保健功能[2]。桑葚最大弱點(diǎn)是不耐貯藏，采收后極易失水、衰老腐敗。桑葚果實(shí)貯藏過程中隨果實(shí)衰老其揮發(fā)性物質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變，因此，建立基于電子鼻檢測桑葚果實(shí)揮發(fā)物質(zhì)來判斷其品質(zhì)具有可行性。

電子鼻技術(shù)是基于傳感器陣列對不同種類氣味的特定響應(yīng)，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行判別、聚類分析，具有快速、無損、重復(fù)性好的特點(diǎn)，廣泛用于果蔬新鮮度、成熟度判別、病害檢測等[3]。張鵬[4]等利用電子鼻對不同貨架期內(nèi)的富士蘋果揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示電子鼻可快速判別不同貨架期的蘋果。胡桂仙[5]等利用電子鼻對柑橘的成熟度進(jìn)行了無損檢測分析，建立了電子鼻響應(yīng)與成熟度之間的關(guān)系，證明了電子鼻能夠檢測區(qū)分不同成熟度的柑橘。朱丹實(shí)[6]等通過電子鼻技術(shù)結(jié)合感官分析對鮮切菠蘿的貯藏品質(zhì)變化進(jìn)行研究，研究結(jié)果顯示電子鼻分析結(jié)果與感官分析的結(jié)果基本一致，即電子鼻可用于快速評價(jià)菠蘿貯藏品質(zhì)。樊麗[7]等利用電子鼻和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究嘎啦蘋果在20 ℃貯藏期間芳香品質(zhì)的變化，結(jié)果表明，通過線性判別分析可以將不同貯藏期的蘋果區(qū)分開。近年來，電子鼻在果蔬品質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用越來越廣泛，但關(guān)于電子鼻對桑葚品質(zhì)評價(jià)的研究還未見報(bào)道。本研究在20℃和4℃條件下貯藏桑葚，通過電子鼻對不同貯藏溫度下桑葚果實(shí)的揮發(fā)性氣體進(jìn)行檢測，結(jié)合理化、感官指標(biāo)的測定，分析其變化趨勢，利用主成分分析(PCA)、線性判別分析(LDA)和負(fù)荷加載(Loadings)方法研究了電子鼻對不同貯藏溫度下果實(shí)區(qū)分效果。

1材料與方法

1.1材料與儀器

桑葚，2015年6月采自遼寧錦州北普陀山； 紫外可見分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；TGL-16G高速離心機(jī)，飛鴿牌系列；MIR-254-PC低溫保存箱，松下健康醫(yī)療器械株式會(huì)社；PEN3型便攜式電子鼻，德國Airsense公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1樣品處理

挑選大小，色澤，外形均勻一致的桑葚果實(shí)，每125g為一組裝于保鮮盒內(nèi)，分別在20℃和4℃，相對濕度85%～90%條件下貯藏，20℃貯藏的果實(shí)每1d測定相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)，4℃貯藏的果實(shí)每2d測定相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)，每次測定重復(fù)3次。

1.2.2失重率的測定

(1)

1.2.3腐爛指數(shù)測定

參照陳學(xué)紅[8]等的方法測定，腐爛指數(shù)以桑葚果實(shí)表面發(fā)生汁液外漏、軟化或腐爛現(xiàn)象作為判斷依據(jù)。按腐爛面積將果實(shí)劃分為4級：0級，無腐爛；1級，果實(shí)有1～3個(gè)小腐爛斑點(diǎn)；2級，腐爛面積占果實(shí)面積的25%～50%；3級，腐爛面積大于果實(shí)面積的50%，按照公式計(jì)算果實(shí)腐爛指數(shù)：

(2)

1.2.4感官評價(jià)

取電子鼻檢測后的桑葚果實(shí)，由10位感官評定人員進(jìn)行打分，采用五分制[9]，感官評分表見表1，結(jié)果取平均值。

表1　桑葚感官評分表

1.2.5電子鼻檢測

取貯藏的桑葚果實(shí)，回溫0.5h至室溫后，一個(gè)樣本(含5粒桑葚)放入250 mL燒杯中，并用保鮮膜封口，靜置15 min后用PEN3電子鼻測定桑葚的揮發(fā)性氣味。儀器設(shè)定條件為：傳感器清洗時(shí)間80 s，自動(dòng)調(diào)零時(shí)間10 s，樣品準(zhǔn)備時(shí)間10 s，樣品測試時(shí)間80 s，樣品測定間隔時(shí)間1s，自動(dòng)稀釋0，內(nèi)部流量300 mL/min，進(jìn)樣流量300 mL/min。選取測定過程中趨于穩(wěn)定的第50～52 s數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析，每次測量前后，傳感器均要進(jìn)行清洗和標(biāo)準(zhǔn)化，每個(gè)處理重復(fù)測定10次。PEN3型便攜式電子鼻傳感器性能描述見表2。

表2　電子鼻傳感器名稱與其響應(yīng)物質(zhì)

1.3數(shù)據(jù)處理

采用電子鼻Winmuster分析軟件進(jìn)行主成分分析(principal component analysis，PCA)，線性判別分析(linear discrimination analysis，LDA)和負(fù)荷加載分析(loadings，LA)。SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異極顯著。

2結(jié)果與分析

2.1桑葚失重率的變化

失重率的變化直接影響到桑葚的新鮮度，由圖1可以看出，隨著貯藏時(shí)間的延長，溫度的升高，桑葚的內(nèi)部呼吸作用和蒸騰作用加快，導(dǎo)致其失重率提高[10]。20℃貯藏的桑葚果實(shí)失水速度顯著高于(P<0.05)4℃貯藏果實(shí)，貯藏初期果實(shí)失重率升高明顯，貯藏3d失重率達(dá)到20.45%，而后失重率增加緩慢。4℃貯藏果實(shí)在貯藏初期失重率增加緩慢，貯藏6d失重率大幅度增加。

圖1　20℃和4℃貯藏條件下桑葚失重率的變化Fig.1　Changes in weight loss of mulberry fruits during storage at 20 ℃ and 4 ℃

2.2桑葚腐爛指數(shù)的變化

腐爛指數(shù)是衡量桑葚新鮮度的重要指標(biāo)，桑葚室溫條件下容易腐爛。如圖2所示，20 ℃條件下貯藏桑葚果實(shí)的腐爛指數(shù)呈快速上升趨勢，貯藏3 d腐爛指數(shù)已經(jīng)達(dá)到70.89%，而低溫有利于維持桑葚采后貯藏品質(zhì)，4 ℃貯藏條件下，桑葚果實(shí)在貯藏前4 d差異不明顯，第6天開始，果實(shí)開始出現(xiàn)輕微腐爛，腐爛指數(shù)為10.23%，低溫有利于延長桑葚果實(shí)的貯藏期。

圖2　20℃和4℃貯藏條件下桑葚腐爛指數(shù)的變化Fig.2　Changes in decay rate of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

2.3桑葚感官品質(zhì)的變化

感官形態(tài)是判斷桑葚果實(shí)采后品質(zhì)特性變化最直觀的方式，隨著貯藏時(shí)間的延長，桑葚的感官評分呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。貯藏溫度越高，感官評分下降速率越快。20℃貯藏2d果實(shí)的感官評分為2.5分，4℃貯藏6 d果實(shí)的感官評分為2.9分，根據(jù)感官評定標(biāo)準(zhǔn)可知，此時(shí)果實(shí)已不具有食用價(jià)值。

2.4電子鼻檢測結(jié)果

2.4.1電子鼻雷達(dá)圖

對不同溫度貯藏條件下的桑葚果實(shí)氣味變化進(jìn)行電子鼻檢測，雷達(dá)結(jié)果如圖4和圖5所示。雷達(dá)圖是利用電子鼻的不同傳感器所檢測到的不同類型揮發(fā)物質(zhì)的特征圖。10個(gè)坐標(biāo)軸代表10個(gè)傳感器，傳感器的響應(yīng)值越高就越向圓心靠近[4]。由圖4和圖5可知，傳感器1、2、3、6、7、8、9對桑葚鮮果氣味有響應(yīng)，20℃貯藏的桑葚果實(shí)貯藏初期，雷達(dá)圖的外形和面積明顯減小，貯藏2d僅傳感器7有較大響應(yīng)值，貯藏末期雷達(dá)圖面積變化不明顯，這與果實(shí)的理化指標(biāo)變化一致。4℃貯藏果實(shí)在貯藏初期，雷達(dá)圖的外形和面積變化不明顯，貯藏6d后面積顯著減小，這可能是果實(shí)因衰老而特征香氣損失，整個(gè)貯藏過程中，傳感器2對果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)均有相應(yīng)，這與20℃貯藏結(jié)果不同。不同貯藏溫度、不同貯藏時(shí)間桑葚特征雷達(dá)圖的不同傳感器響應(yīng)值均有差異，因此，利用電子鼻區(qū)分不同溫度貯藏條件下的桑葚果實(shí)是可行的。

圖3　20℃和4℃貯藏條件下桑葚感官評分的變化Fig.3　Changes in sensory evaluation of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

圖4　20 ℃貯藏條件下桑葚果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)的雷達(dá)圖Fig.4　Radars charts of the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20 ℃

圖5　4 ℃貯藏條件下桑葚果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)的雷達(dá)圖Fig.5　Radars charts of the volatile substance of mulberry fruits during storage at 4 ℃

2.4.2主成分分析結(jié)果

主成分分析(PCA)是利用降維的思想，在損失較少信息的前提下將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法，在PCA分析圖上顯示主要的兩維散點(diǎn)圖。能夠很好地展示樣品間的差異，可提高分析效率[11]。圖6是不同貯藏溫度下桑葚果實(shí)的PCA分析圖，20℃貯藏和4℃貯藏桑葚的主成分1和主成分2的貢獻(xiàn)率分別為98.62%和89.86%，1.28%和8.51%，總貢獻(xiàn)率分別為99.9%和98.37%，表明2個(gè)主成分已經(jīng)基本代表了樣品的主要信息特征，電子鼻能夠?qū)ζ滟A藏時(shí)間加以區(qū)分。20℃貯藏的桑葚果實(shí)第0天和第1天的揮發(fā)性物質(zhì)成分區(qū)域較為接近，說明20℃貯藏1 d桑葚果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)變化不大，而貯藏2 d時(shí)揮發(fā)性物質(zhì)成分區(qū)域與0、1 d距離較遠(yuǎn)，3 d和4 d果實(shí)的揮發(fā)性物質(zhì)成分區(qū)域與2 d距離較遠(yuǎn)，說明桑葚果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)在貯藏2、3 d有變化，可以作為新鮮度變化的拐點(diǎn)，3 d和4 d果實(shí)的揮發(fā)性物質(zhì)成分區(qū)域有部分重疊，說明果實(shí)在第3天已經(jīng)出現(xiàn)衰老腐爛。4℃貯藏的桑葚果實(shí)0、4、6、8 d的揮發(fā)性物質(zhì)成分區(qū)域可以明顯區(qū)分開來，而2 d的揮發(fā)性物質(zhì)成分區(qū)域與0、4 d有部分重疊，說明果實(shí)在4℃貯藏前4 d揮發(fā)性物質(zhì)變化不大，用PCA分析可以對不同貯藏期的桑葚果實(shí)進(jìn)行區(qū)分。

a-20 ℃貯藏；b-4 ℃貯藏圖6　20℃和4℃貯藏條件下桑葚果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)的PCA分析Fig.6　PCA analysis for the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

2.4.3線性判別分析結(jié)果

線性判別分析(LDA)是將所獲取的信息數(shù)據(jù)經(jīng)線性組合而構(gòu)造的判別函數(shù)，其可以最大限度地區(qū)分不同的樣本集[12]。圖7是不同貯藏溫度下桑葚果實(shí)的LDA分析圖，20℃貯藏和4℃貯藏桑葚的主成分1和主成分2的貢獻(xiàn)率分別為81.16%和95.46%，15.25%和2.02%，總貢獻(xiàn)率分別為96.41%和97.48%，表明2個(gè)判別式已經(jīng)基本代表了樣品的主要信息特征，20℃貯藏的桑葚果實(shí)第3天和第4天有部分重疊，這與PCA分析結(jié)果一致。4 ℃貯藏的桑葚果實(shí)橢圓區(qū)域在圖7-b中有較好的變化趨勢，隨著貯藏時(shí)間延長，橢圓區(qū)域沿橫軸向左遷移，且?guī)缀醪恢丿B，說明LDA分析能很好地區(qū)分不同貯藏溫度下桑葚果實(shí)的揮發(fā)性成分。

a-20 ℃貯藏；b-4 ℃貯藏圖7　20 ℃和4 ℃貯藏條件下桑葚果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)的LDA分析Fig.7　LDA analysis for the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20 ℃ and 4 ℃

2.4.4載荷分析結(jié)果

載荷分析(Loadings，LA)用于判斷傳感器對揮發(fā)性氣味的貢獻(xiàn)率，傳感器的響應(yīng)值越接近零，識別作用越小；越偏離零，識別能力越強(qiáng)[13]。圖8是不同貯藏溫度下桑葚果實(shí)的Loadings分析圖，桑葚果實(shí)在20 ℃和4 ℃下的Loadings分析，總貢獻(xiàn)率分別為99.9%、98.37%。對20 ℃貯藏的桑葚果實(shí)揮發(fā)性成分貢獻(xiàn)率最大的是W1W(7)和W1S(6)，W5S(2)和W2S(8)2個(gè)傳感器也有較大貢獻(xiàn)。對4 ℃貯藏的桑葚果實(shí)揮發(fā)性成分貢獻(xiàn)率最大的是W1W(7)和W2S(8)，W1S(6)傳感器也有較大貢獻(xiàn)。表明桑葚果實(shí)在貯藏過程中揮發(fā)性氣味中的萜烯類含量較高，芳香成分和醇類也占有一定比例。20 ℃和4 ℃貯藏的果實(shí)揮發(fā)性成分差異不大。

a-20 ℃貯藏；b-4 ℃貯藏圖8　20℃和4℃貯藏條件下桑葚果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)的LA分析Fig.8　LA analysis for the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

3結(jié)論

桑葚果實(shí)在20 ℃和4 ℃貯藏過程中，其失重率、腐爛指數(shù)均隨著時(shí)間的延長而呈現(xiàn)不同程度的增加，而感官評分逐漸降低。桑葚果實(shí)揮發(fā)性氣體成分隨著貯藏時(shí)間的延長也發(fā)生了明顯的變化。利用PCA、LDA方法能有效區(qū)分桑葚果實(shí)的貯藏期，并同時(shí)運(yùn)用于20 ℃和4 ℃貯藏果實(shí)。Loadings分析表明，傳感器W1W(7)、W2S(8)、W1S(6)和W5S(2)等在判斷不同貯藏期的桑葚果實(shí)品質(zhì)上起到了較大的作用，主要傳感器相對電阻值隨貯藏時(shí)間體現(xiàn)一定變化規(guī)律。桑葚果實(shí)在20 ℃和4 ℃貯藏過程中，其理化指標(biāo)的變化和揮發(fā)性氣體的變化趨勢一致，20 ℃貯藏的果實(shí)在第3天出現(xiàn)腐爛，而4℃貯藏的果實(shí)在第6天出現(xiàn)腐爛。

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Prediction of postharvest mulberry fruits quality by electronic nose

SHI Guo-ying, GAO Si-yu, WEI Jing-jing, FANG Hao, HUANG Xiao-jie*

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

ABSTRACTIn order to evaluate the quality of mulberry stored during 20 ℃ and 4 ℃, the changes of the weight loss, decay rate, sensory evaluation were measured. The volatile odor was determined by electronic nose. The results indicated that the weight loss and decay rate increased gradually and sensory evaluation decreased during storage at 20 ℃ and 4 ℃. And the volatile substance of mulberry also changed remarkable during storage. Electronic nose could identify mulberry stored at different temperature by PCA and LDA methods. Overall，results by electronic nose analysis were consisted with sensory analysis which indicated that electronic nose technique could be used in rapid evaluating quality of mulberry.

Key wordstemperature; storage periods; principal component analysis; linear discrimination analysis; loadings

收稿日期：2015-08-01，改回日期：2015-09-16

基金項(xiàng)目：2014年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201410160047)；2014年全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目；2014年遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2014325)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201603034

第一作者：本科生(黃曉杰副教授為通訊作者，E-mail:food_xiaojie@163.com)。