電子鼻在調(diào)味料工業(yè)的應(yīng)用研究進展

孫瑩，彭子寧

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 旅游烹飪學(xué)院，哈爾濱 150076）

調(diào)味料在烹飪加工中至關(guān)重要，通常為了賦予食物豐富的口味，需要適量地添加，在少數(shù)情況下也可以被當作主要原材料或者主要食品食用。當前日常生活中所使用的調(diào)味料，絕大部分從植物中提取，少部分由動物原料制成［1］。在食品風味檢測中，最重要的是調(diào)味料賦予食物的香味和經(jīng)過烹飪加工后食物的口感。而感官評價作為對傳統(tǒng)食物的色、香、味的評價方式，有很多顯著缺陷，比如人的感受器官容易乏累，且感官評價員的心情、身體狀況、個人喜好、經(jīng)驗、外界氣味和聲音等方面都容易使結(jié)果受到影響；感官評價員沒有準確的衡量標準，只能將氣味信號轉(zhuǎn)化為文字或語言進行描述，存在較大誤差［2］。當今餐飲業(yè)態(tài)高速發(fā)展條件下，建造中央廚房成為一種主流趨勢，這需要對調(diào)料配方進行統(tǒng)一規(guī)范，在這樣的背景下，利用電子鼻等食品檢測儀器對樣品進行精確測量勢在必行。

1 電子鼻的工作原理和組成部分

作為一種新穎的仿生檢測器，電子鼻的歷史并不長，1970年后首次利用它進行研究，它模擬了哺乳動物嗅覺系統(tǒng)中的多個嗅感受器細胞［3］，可以利用自身的各種分析模式及功能采集樣品的揮發(fā)性風味物質(zhì)的整體信息，也可以稱為指紋數(shù)據(jù)［4］，當電子鼻再次測試到數(shù)據(jù)庫內(nèi)的特殊揮發(fā)性氣味時，可以快速找到“線索”，準確辨別指紋數(shù)據(jù)對應(yīng)的樣品氣味。傳統(tǒng)的化學(xué)檢測儀器與其相比，則更側(cè)重成分分析。

電子鼻要完成工作也依靠感受氣味的鼻子（氣敏傳感器）、神經(jīng)元（信號處理系統(tǒng)）和大腦（模式識別系統(tǒng)）［5］。電子鼻至今能被廣泛應(yīng)用，也得益于它對復(fù)雜性揮發(fā)性氣體的精準識別，當然它也可以識別單一氣體［6］。電子鼻的識別模式有多種，不同的識別模式可以不同方向地有側(cè)重地對被測樣品進行檢測，不同的感受器也一樣。

電子鼻的鼻子——氣敏傳感器是由許許多多的單一傳感器組成，傳感器的識別范圍很專一，只定向于識別一種揮發(fā)性氣體，但一種氣體卻可以引發(fā)很多傳感器的共鳴［7］。最后在模式識別系統(tǒng)的處理下，得到測試結(jié)果。

從仿生技術(shù)的角度講，對比電子鼻和人體產(chǎn)生嗅覺的整個過程，氣敏傳感器就像鼻腔的上皮組織和嗅神經(jīng)元一樣，每個嗅神經(jīng)元只表達其中一種受體基因［8］；信號處理系統(tǒng)的工作在人體內(nèi)表達為神經(jīng)元細胞可以將氣味中表達的化學(xué)信號轉(zhuǎn)化成電信號，通過神經(jīng)傳導(dǎo)傳到大腦；模式識別系統(tǒng)則類似于最終在大腦內(nèi)形成嗅覺感知［9］。

2 電子鼻的分類

電子鼻的分類見圖1。

圖1 電子鼻的分類Fig.1The classification of electronic nose

氣敏傳感器是化學(xué)傳感器中最活躍的一種［10］，因為它最接近人類嗅覺系統(tǒng)的生物模型［11］。依靠具有氣敏效應(yīng)的金屬氧化物，例如ZnO，SnO2等，氣敏傳感器可以將被測樣品的氣體成分、濃度通過各種化學(xué)、物理反應(yīng)及原理按一定規(guī)律轉(zhuǎn)變成電信號。基于光學(xué)傳感器的電子鼻與基于電敏傳感器的電子鼻在數(shù)據(jù)分析原理等方面有諸多共同點，其最大區(qū)別在于采集不同種類的數(shù)據(jù)。

基于虛擬傳感器技術(shù)的電子鼻通常是與其他檢測儀器相連，將電子鼻技術(shù)與另外一種技術(shù)相結(jié)合，用于某些行業(yè)的檢測。基于質(zhì)譜技術(shù)的電子鼻：質(zhì)譜與氣相色譜儀等相連，一般用作實驗室中純物質(zhì)的定性檢測［12］。基于氣相色譜技術(shù)的電子鼻：作為檢測器的氣敏傳感器可以直接與氣相色譜儀連接組成電子鼻；或?qū)⒎蛛x與檢測部件替換成氣相色譜儀，對測試后圖譜做相應(yīng)數(shù)據(jù)處理作為傳感器測試結(jié)果，最后進行樣本的整理分析［13，14］；基于紅外光譜技術(shù)和離子遷移光譜技術(shù)的電子鼻和基于氣相色譜技術(shù)的電子鼻基本相同［15］。

3 電子鼻在調(diào)味料行業(yè)中的應(yīng)用

3.1 利用電子鼻區(qū)分不同品牌的調(diào)味品

經(jīng)過三十余年的發(fā)展與研究，電子鼻已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大行業(yè)，在調(diào)味品行業(yè)應(yīng)用測試中，電子鼻的精度如何，具體可以進行哪些調(diào)味品測試是應(yīng)用電子鼻的理論基礎(chǔ)。目前已經(jīng)進行了很充分的前期研究。車君艷等［16］以菜肴大煮雞絲為測試樣品，研究電子鼻能否識別出利用不同品牌雞汁制作出的大煮雞絲，并對比電子鼻和感官評價兩種不同測試方法結(jié)果的精確程度。得出結(jié)論：電子鼻在分析精密度要求較高的樣品時，具有更直觀、可靠、便捷等明顯優(yōu)勢。安瑩等［17］研究了在不同識別模式下電子鼻對不同品牌醬油的測試敏感度。得出利用PCA做基本分析后，再用DFA建立識別模型可以百分百識別；利用LDA線性判別分析可以簡單對醬油品牌做區(qū)分。余慧紅等［18］同樣研究了在不同模式下的電子鼻對不同品牌醬油的測試敏感度，更好地闡述了各個模式擅長的檢測方向和具體作用。

3.2 利用電子鼻區(qū)分不同制作方式的調(diào)味品

電子鼻可以測試出不同品牌調(diào)味品之間的細微差距，但這對于調(diào)味品研究還是遠遠不夠的，有的調(diào)味品的制作過程復(fù)雜，有的調(diào)味品的制作過程則相對較為簡單，甚至同一種調(diào)味品的制作過程都千變?nèi)f化。在利用電子鼻區(qū)分不同制作方式、制作產(chǎn)地等的調(diào)味品方面，也有少數(shù)研究。何計龍等［19］通過快速檢測臺州市面上的釀造食醋和配制食醋來驗證電子鼻的精確檢測功能，并通過PCA主成分分析很容易地區(qū)分開了二者。許榮華等［20］利用電子鼻建立了醬油指紋庫判別市面上的不同醬油，研究出了電子鼻可以測出醬油的優(yōu)劣，以及配制醬油中釀造醬油添加的比例。田懷香等［21］研究了以5種不同水解度的雞骨架為原料制作的雞肉香精，其味道差別利用電子鼻可以很好地做出區(qū)分，再結(jié)合氣相色譜質(zhì)譜儀，可以進一步得出影響香精風味的82種風味物質(zhì)。王蓓等［22］利用電子鼻對牛奶香精和酶解奶油樣品進行香味輪廓分析，得出了電子鼻可以用于區(qū)分合成牛奶香精樣品和天然牛奶香精樣品的結(jié)論。

3.3 利用電子鼻改良或制備調(diào)味品口味及添加量

研制新的調(diào)味品時可以用電子鼻進行更精準的對比，可以和感官評價結(jié)合制定調(diào)味品最佳標準，還可以和氣相色譜等技術(shù)結(jié)合更詳細地了解調(diào)味品揮發(fā)性物質(zhì)的具體成分。田懷香等［23］用電子鼻測試對比金華火腿原料和調(diào)配的金華火腿香精的香氣成分，得出了調(diào)配的火腿香精與原始風味存在一定差別的結(jié)果，仍需繼續(xù)進行風味改良。張碩等［24］模擬了金鑼雞肉腸的香精并與肉腸進行對比，通過電子鼻測試也區(qū)分開了二者。賈洪鋒等［25］利用電子鼻進行低鹽豆瓣醬的配方與工藝優(yōu)化，通過不斷測量并改進樣品配方與制作工藝，使低鹽豆瓣的香氣基本相似于普通豆瓣。董志儉等［26］在制作蝦味香精中通過使用電子鼻研究了美拉德反應(yīng)前后食物揮發(fā)性物質(zhì)的改變，然后通過氣相色譜技術(shù)進一步測定這些物質(zhì)。同樣以美拉德反應(yīng)為基礎(chǔ)，王一凡［27］結(jié)合感官、電子鼻和GC－MS這3種方法確立了評價標準，為制備咖啡香精提供了依據(jù)和理論指導(dǎo)。

同時，在研究香精制備工藝的優(yōu)化上，電子鼻也有諸多應(yīng)用。李迎楠等［28］通過研究證實肉味香精在不同溫度下的揮發(fā)性風味物質(zhì)、感官評價等方面具有明顯差異。在電子鼻進行測量之前，要調(diào)試出合適的測試參數(shù)，韓燕等［29］用電子鼻對不同種類香精進了行測試，尋找出了一組最佳測試參數(shù)。

3.4 利用電子鼻對調(diào)味品進行質(zhì)量控制

食物在腐敗變質(zhì)，或者質(zhì)量產(chǎn)生變化時，揮發(fā)性風味物質(zhì)通常也會隨之改變，所以在食品質(zhì)量控制中，電子鼻的應(yīng)用必不可少。以火腿腸為例，為保證其產(chǎn)品質(zhì)量，張曉敏等［30］利用電子鼻對各種香精進行測試和評價，通過測試香精完好保存時間、耐溫時間等，從中選出最佳香精。不同的貯藏期和不同的包裝方式都可以對食品的氣味造成明顯影響［31－33］。陳曉明等［34］通過研究指出，為了節(jié)約時間，提高工作效率，可以篩選產(chǎn)品中與質(zhì)量密切相關(guān)的香氣成分，有目的性地對食品進行定量、定性的分析。

電子鼻對調(diào)料的質(zhì)量控制不僅著重在檢測腐敗方面，在檢測摻假方面也有很大作用。賈洪鋒等［35］通過建立電子鼻特征圖譜，從而利用電子鼻有效識別摻入不同芝麻油香精比例的芝麻油。

4 對未來電子鼻應(yīng)用于調(diào)味品行業(yè)的展望

在電子鼻應(yīng)用于調(diào)味品行業(yè)探索前行的慢慢長路上，理論框架基本搭建完成。電子鼻對比感官評價具有更精確的識別功能，該儀器可以通過PCA，Loading測試、雷達圖測試、LDA等分析方式區(qū)分差別很小的樣品，還可以通過技術(shù)結(jié)合具體分析樣品揮發(fā)性物質(zhì)成分組成，但目前電子鼻的應(yīng)用還主要集中在區(qū)分不同樣品的功能上。未來可以逐漸建立一個細致、全面、標準、精確的調(diào)味品特征指紋庫，不僅方便進行調(diào)味品開發(fā)、調(diào)味品摻假勾兌檢測、調(diào)味品制作方式歸類、產(chǎn)地歸類等工作，還便于控制應(yīng)用于菜肴制作的調(diào)味品的種類、產(chǎn)地、烹制時間、存放時間等。電子鼻在未來調(diào)味品行業(yè)的應(yīng)用正迸發(fā)著無限的活力。