電子鼻分析鎮(zhèn)江香醋發(fā)酵和陳釀階段的氣味變化

鄭吳偉，胡夢(mèng)陽(yáng)，梁 言，田 敏，李攀恒，高 冰，祁勇剛，胡 勇*

（湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)發(fā)酵湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430068）

鎮(zhèn)江香醋是我國(guó)四大名醋之一，以“酸、甜、鮮、香”風(fēng)味交融為特點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外人民最受歡迎的調(diào)味品之一[1-3]。鎮(zhèn)江香醋除了為美食中增添鮮味外，還具有營(yíng)養(yǎng)保健的功效。鎮(zhèn)江香醋中含有多種有機(jī)酸、醇類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)、氨基酸、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分[4-5]，此外具有降血壓、降血脂、分解乳酸消除疲勞、助消化和防治肝病的功效[6-8]，因而具有很好的研究?jī)r(jià)值。

電子鼻是由氣味傳感器、數(shù)據(jù)處理設(shè)備和分析軟件等組成的設(shè)備，通過(guò)模擬人嗅覺(jué)系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行捕獲和檢測(cè)。電子鼻檢測(cè)所顯示的圖譜又稱(chēng)為氣味指紋圖譜，其反映的是總氣味的宏觀信息，再與經(jīng)學(xué)習(xí)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖譜進(jìn)行比較并判別分析，類(lèi)似于人體的嗅覺(jué)系統(tǒng)對(duì)氣味做出的判斷過(guò)程[9-12]。近年來(lái)，電子鼻分析技術(shù)在醋中的應(yīng)用主要用于鑒別不同種類(lèi)的醋，如何計(jì)龍等[13]使用電子鼻對(duì)釀造食醋與配制食醋的區(qū)分辨識(shí)，宋小青等[14]使用電子鼻對(duì)不同品牌食醋的識(shí)別等。上述研究關(guān)于電子鼻的應(yīng)用對(duì)象多為檢測(cè)機(jī)構(gòu)，而針對(duì)醋廠內(nèi)部?jī)?yōu)化釀造工藝和品質(zhì)監(jiān)控的研究較少。

目前，食醋廠對(duì)醋醅的發(fā)酵成熟以及醋液陳釀好敗壞的判斷多依賴(lài)?yán)蠋煾档亩嗄杲?jīng)驗(yàn)，該技藝學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)且每個(gè)人對(duì)氣味分辨能力不同因而誤差也較大，但電子鼻[15-16]具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)快速、準(zhǔn)確穩(wěn)定、易攜帶等特點(diǎn)，可以客觀的判斷氣味變化，以及輔助監(jiān)控醋醅發(fā)酵進(jìn)程和辨別醋液陳釀的好敗壞。對(duì)食醋和醋醅的揮發(fā)物檢測(cè)還有氣相色譜（gas chromatography，GC）以及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）[17-19]，但這類(lèi)設(shè)備價(jià)格昂貴、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)且無(wú)法攜帶，因此較難在醋廠中推廣應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)電子鼻對(duì)醋醅發(fā)酵和醋液陳釀過(guò)程中氣味的檢測(cè)分析，并運(yùn)用主成分分析（principal component analysis，PCA）、線(xiàn)性判別分析（linear discrimination analysis，LDA）、傳感器區(qū)別因子載荷和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率分析對(duì)氣味數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，探究鎮(zhèn)江香醋發(fā)酵和陳釀過(guò)程中的氣味變化，為電子鼻輔助鎮(zhèn)江香醋質(zhì)量監(jiān)控的可能性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實(shí)驗(yàn)的測(cè)試樣品取自鎮(zhèn)江香醋的丹陽(yáng)市丹玉醋業(yè)釀造廠。本研究10個(gè)醋醅樣品中，8個(gè)都是取自同一批次，發(fā)酵時(shí)間分別為1 d、3 d、8 d、13 d、14 d、16 d、17 d、21 d；另2個(gè)樣品為實(shí)驗(yàn)室凍藏一年和兩年的發(fā)酵第14天的醋醅。取樣方法為取上表面以下約5 cm的醋醅放到密封袋中，存放在實(shí)驗(yàn)室冷凍柜中待測(cè)。10個(gè)醋液樣品存于密封瓶中放在冷藏柜中待測(cè)，其中包括1個(gè)未經(jīng)煎醋處理的正常新醋樣品，該樣品經(jīng)過(guò)煎醋和陳釀得到第1天煎醋、30 d陳釀、90 d陳釀樣本；5年陳釀、7年陳釀、10年陳釀為醋廠內(nèi)存放的其他批次的陳醋；另外包括3個(gè)不同批次敗壞醋（批次間相距50～60 d，且均陳釀30 d）。

1.2 儀器與設(shè)備

PEN3型便攜式電子鼻：德國(guó)Airsense公司。內(nèi)包含10個(gè)不同的金屬氧化物傳感器陣列，每個(gè)傳感器響應(yīng)每一類(lèi)特殊氣味，分別為1號(hào)W1C（芳香笨類(lèi)）、2號(hào)W5S（氮氧化合物）、3號(hào)W3C（芳香氨類(lèi)）、4號(hào)W6S（氫氣）、5號(hào)W5C（芳香烷烴類(lèi)）、6號(hào)W1S（甲烷類(lèi)）、7號(hào)W1W（硫化物）、8號(hào)W2S（醇類(lèi)）、9號(hào)W2W（有機(jī)硫化物）、10號(hào)W3S（烷烴類(lèi)）。

1.3 方法

1.3.1 檢測(cè)條件

醋醅和食醋樣品各取1 g于10 mL的頂空瓶中，醋液樣品各取1 g并用蒸餾水稀釋5倍于10 mL頂空瓶中，在25℃的恒溫水浴箱中富集30 min后，采用頂空抽樣的方法用電子鼻檢測(cè)。電子鼻的檢測(cè)參數(shù)為：樣品測(cè)定間隔1 s，清洗時(shí)間240 s，自動(dòng)調(diào)零時(shí)間10 s，樣品準(zhǔn)備時(shí)間5 s，樣品測(cè)定時(shí)間80 s，內(nèi)部空氣流量400 mL/min，進(jìn)樣流量400 mL/min。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析方法

用PEN3電子鼻自帶的WinMuster軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，其分析方法分別為：主成分分析法（PCA）[20]、傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法（Loadings）[21]、線(xiàn)性判別法（LDA）[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻對(duì)鎮(zhèn)江香醋的醋醅和醋液的特征響應(yīng)

電子鼻原理：當(dāng)傳感器接觸到與之敏感區(qū)域?qū)?yīng)的揮發(fā)物時(shí)，電阻率G發(fā)生改變，隨之電阻率G與初始電阻率G0的比值G/G0也發(fā)生變化。G/G0數(shù)值大小與響應(yīng)氣體濃度成正比，若沒(méi)有與感應(yīng)器對(duì)應(yīng)的響應(yīng)氣體或響應(yīng)氣體濃度低于檢測(cè)限則G/G0數(shù)值接近于1。為了保證電子鼻測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確度，每次測(cè)量前都進(jìn)行清洗和標(biāo)準(zhǔn)化。傳感器對(duì)醋醅揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，在75s左右電子鼻對(duì)醋醅和醋液的響應(yīng)值趨于平穩(wěn)，因此實(shí)驗(yàn)取70～75 s作為分析時(shí)間段。

圖1 傳感器對(duì)醋醅揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)Fig.1 Response of sensors to volatile substances of Cupei

由圖1可知，醋醅發(fā)酵過(guò)程中，5個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值其大小和排序一直在變化，其中6號(hào)（甲烷類(lèi)）響應(yīng)值變化最明顯，隨著發(fā)酵的進(jìn)行先升高再降低又升高，可能反映微生物組成的種類(lèi)豐度變化。隨著發(fā)酵的進(jìn)行，8號(hào)（醇類(lèi)）響應(yīng)值變化規(guī)律與6號(hào)（甲烷類(lèi)）相似但變化幅度相對(duì)較小，2號(hào)（氮氧化合物）、7號(hào)（硫化物）響應(yīng)值都是先小幅度升高后趨于穩(wěn)定，9號(hào)（有機(jī)硫化物）響應(yīng)值無(wú)明顯變化；電子鼻對(duì)10個(gè)醋醅樣品的揮發(fā)物有響應(yīng)的傳感器型號(hào)相同，都是2（氮氧化合物）、6（甲烷類(lèi)）、7（硫化物）、8（醇類(lèi)）、9（有機(jī)硫化物）號(hào)；發(fā)酵8天的醋醅揮發(fā)物濃度（40＜G/G0＜200）比其他時(shí)間點(diǎn)的醋醅樣品大，這可能由于醋醅中微生物的數(shù)目隨時(shí)間變化趨勢(shì)是先增加達(dá)到峰值并穩(wěn)定一段時(shí)間后再逐漸減小，而第8天時(shí)微生物數(shù)目處于峰值，產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的速率最快，因此也產(chǎn)生了大量揮發(fā)物。

另外，通過(guò)比較不同年份的第14天醋醅樣品可知，3個(gè)樣品揮發(fā)物響應(yīng)曲線(xiàn)相似度極高，傳感器響應(yīng)值排序都是7＞2＞6＞9＞8號(hào)，說(shuō)明丹玉香醋在較長(zhǎng)時(shí)間（2年內(nèi)）醋醅釀造過(guò)程較為穩(wěn)定。綜上所述，說(shuō)明電子鼻可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定的識(shí)別醋醅發(fā)酵進(jìn)程中氣味圖譜的變化。

圖2為10個(gè)醋液樣本其G/G0值關(guān)于時(shí)間的響應(yīng)曲線(xiàn)。比較第1天煎醋和未煎醋可知，煎醋過(guò)程中，7號(hào)（硫化物）傳感器對(duì)應(yīng)的揮發(fā)成分變化較小，但其它各傳感器檢測(cè)的物質(zhì)出現(xiàn)整體降低，其中6號(hào)（甲烷類(lèi)）傳感器對(duì)應(yīng)的揮發(fā)成分出現(xiàn)劇烈下降，說(shuō)明煎醋導(dǎo)致了揮發(fā)成分損失。

比較各樣品響應(yīng)曲線(xiàn)可知，10個(gè)醋液樣品其響應(yīng)值較大的感應(yīng)器均是2（氮氧化合物）、6（甲烷類(lèi)）、7（硫化物）、8（醇類(lèi)）、9（有機(jī)硫化物）號(hào)，表明氣味組成的核心物質(zhì)沒(méi)有消失；醋液陳釀過(guò)程中，6號(hào)（甲烷類(lèi)）響應(yīng)值變化幅度最明顯，先升高再降低又升高，其他各傳感器響應(yīng)值變化幅度較小，在某一數(shù)值上下波動(dòng)，可能由于陳釀過(guò)程中，有機(jī)酸和醇生成酯類(lèi)，不穩(wěn)定物質(zhì)的分解和揮發(fā)，風(fēng)味物質(zhì)和水的締合等多種因素導(dǎo)致醋液揮發(fā)物組成處于動(dòng)態(tài)變化。

敗壞醋與6個(gè)煎醋樣品比較可知，3個(gè)敗壞醋的測(cè)量結(jié)果及其相似，但與正常醋樣均有明顯差異，表現(xiàn)為其6號(hào)傳感器的響應(yīng)值明顯增加約為6個(gè)煎醋樣品的兩倍，說(shuō)明敗壞醋甲烷類(lèi)揮發(fā)物明顯增加，即電子鼻可以識(shí)別醋液陳釀過(guò)程中是否發(fā)生損敗壞。

新醋（圖2，第1天沒(méi)煎醋）樣本為發(fā)酵結(jié)束（21天）的醋醅經(jīng)前批二淋醋淋澆制得，其揮發(fā)物響應(yīng)排序是2＞6＞7＞9＞8號(hào)而（21天）的醋醅揮發(fā)物響應(yīng)排序是2＞6＞7＞8＞9號(hào)，8、9號(hào)傳感器響應(yīng)值排序在21天醋醅和新醋中有所變化，可能由于8、9號(hào)響應(yīng)的揮發(fā)物在淋醋液中的易揮發(fā)程度不同造成，而響應(yīng)值較大的2、6、7號(hào)排序相同，表明不同批次之間套淋對(duì)醋液品質(zhì)影響較小，也說(shuō)明同一時(shí)期的醋醅釀造過(guò)程較為穩(wěn)定。

綜上所述，可以認(rèn)為2（氮氧化合物）、6（甲烷類(lèi)）、7（硫化物）、8（醇類(lèi)）、9（有機(jī)硫化物）號(hào)是鎮(zhèn)江香醋的特征識(shí)別傳感器，生產(chǎn)中若出現(xiàn)2、6、7、8、9號(hào)中某些沒(méi)有響應(yīng)或較強(qiáng)的1、3、4、5、10號(hào)傳感器有響應(yīng)都說(shuō)明生產(chǎn)可能出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

圖2 傳感器對(duì)醋液揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)Fig.2 Response of sensors to volatile substances of vinegar

2.2 鎮(zhèn)江香醋的醋醅和醋液的主成分分析

在Correlation的矩陣模式下，取8個(gè)同一批次的不同發(fā)酵時(shí)間醋醅樣品進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，第一主成分方差貢獻(xiàn)率為91.11%，第二主成分方差貢獻(xiàn)率為8.77%，其和為99.88%（＞85%），說(shuō)明該方法有效。第1天的醋醅與其他日期的醋醅距離最遠(yuǎn)，說(shuō)明第1天醋醅的氣味組成與其他日期的差別最大，這可能是由于第1天的醋醅剛接種醋母不久，此時(shí)微生物種類(lèi)和豐度小，代謝緩慢，致使氣味組成與其他天的醋醅差別較大。第16、17天和第13、14天，這兩組樣品發(fā)酵時(shí)間距離很近，但能明顯區(qū)分，說(shuō)明每一天醋醅發(fā)酵的變化，電子鼻都能準(zhǔn)確識(shí)別。

圖3 醋醅的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of Cupei

對(duì)6個(gè)不同年份陳醋樣品和3個(gè)敗壞醋進(jìn)行PCA，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，第一主成分方差貢獻(xiàn)率為87.80%，第二主成分貢獻(xiàn)率為10.30%，其和為98.10%（＞85%），說(shuō)明該方法有效。第1天的醋與其他時(shí)間的醋距離較遠(yuǎn)，可能由于醋中有機(jī)酸類(lèi)和醇類(lèi)反應(yīng)生成的酯類(lèi)較少，其他促進(jìn)風(fēng)味的反應(yīng)也進(jìn)行較少，導(dǎo)致其與其他醋液氣味組成差異較大。在PCA中，3個(gè)敗壞醋彼此很接近（其中2個(gè)相互重疊），但與正常30 d陳釀醋和其他陳醋明顯分離，說(shuō)明PCA能明顯區(qū)分?jǐn)拇缀驼４住?/p>

圖4 醋液的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of vinegar

2.3 鎮(zhèn)江香醋的醋醅和醋液的線(xiàn)性判別分析

醋醅和醋液的線(xiàn)性判別分析結(jié)果分別見(jiàn)圖5和圖6。由圖5可知，醋醅第一、第二主成分方差貢獻(xiàn)率分別為87.68%、7.14%，其和為94.92%，醋液第一、第二主成分方差貢獻(xiàn)率分別為79.56%、19.22%，其和為98.78%，說(shuō)明該方法有效。對(duì)比LDA與PCA結(jié)果可知，醋醅的LDA中，第16、17天出現(xiàn)小部分重疊，但PCA能明顯分開(kāi)，說(shuō)明PCA對(duì)醋醅的區(qū)分優(yōu)于LDA；LDA中，3個(gè)敗壞醋彼此很接近（其中2個(gè)相互重疊），且敗壞醋和第1天陳釀醋液分布在圖的兩端，其他醋分散在圖的中間，各個(gè)醋樣都能明顯區(qū)分，相對(duì)PCA醋樣分布更分散，對(duì)敗壞醋區(qū)分更好，說(shuō)明LDA對(duì)敗壞醋的區(qū)分優(yōu)于PCA。PCA和LDA也可以區(qū)分正常醋和變質(zhì)醋，說(shuō)明該方法提高了電子鼻檢出敗壞醋的準(zhǔn)確率。3個(gè)敗壞醋在PCA和LDA中彼此很接近，提示敗壞可能源于相似的污染。

圖5 醋醅的線(xiàn)性判別分析Fig.5 Linear discriminant analysis of Cupei

圖6 醋液的線(xiàn)性判別分析Fig.6 Linear discriminant analysis of vinegar

2.4 鎮(zhèn)江香醋的醋醅和醋液的載荷傳感器貢獻(xiàn)率分析

醋醅和醋液的載荷傳感器貢獻(xiàn)率分析結(jié)果分別見(jiàn)圖7和圖8。醋醅載荷分析（圖7）表明，6號(hào)（甲烷類(lèi)）、8號(hào)（醇類(lèi)）號(hào)對(duì)第一主成分的貢獻(xiàn)較大，且6號(hào)＞8號(hào)；2號(hào)（氮氧化合物類(lèi)）、7號(hào)（硫化物類(lèi)）、9號(hào)（有機(jī)硫化物類(lèi)）對(duì)第二主成分的貢獻(xiàn)較大，且2號(hào)＞7號(hào)＞9號(hào)。

圖7 醋醅的載荷傳感器貢獻(xiàn)率分析Fig.7 Analysis of the contribution rate by loading sensor in Cupei

圖8 醋液的載荷傳感器貢獻(xiàn)率分析Fig.8 Analysis of the contribution rate by loading sensor in vinegar

醋液載荷分析（見(jiàn)圖8）中，6號(hào)（甲烷類(lèi)）、7號(hào)（硫化物類(lèi)）、8號(hào)（醇類(lèi)）、9號(hào)（有機(jī)硫化物類(lèi)）對(duì)第一主成分方差貢獻(xiàn)較大，且6號(hào)＞8號(hào)＞7號(hào)＞9號(hào)；2號(hào)（氮氧化合物類(lèi)）、7號(hào)（硫化物類(lèi)）、9號(hào)（有機(jī)硫化物類(lèi)）對(duì)第二主成分起關(guān)鍵貢獻(xiàn)作用，且7號(hào)＞9號(hào)＞2號(hào)。圖7和圖8說(shuō)明6、2號(hào)和6、7號(hào)分別是醋醅和醋液氣味圖譜重點(diǎn)觀察比較對(duì)象。

3 結(jié)論

研究表明，丹玉鎮(zhèn)江香醋的生產(chǎn)較為穩(wěn)定，發(fā)酵過(guò)程中揮發(fā)物濃度和排序在不斷變化，且第8天醋醅的揮發(fā)物濃度最大。煎醋導(dǎo)致?lián)]發(fā)成分發(fā)生較大變化，陳釀過(guò)程中揮發(fā)物濃度和排序在不斷變化，敗壞醋的甲烷類(lèi)揮發(fā)物濃度明顯增大。醋醅和醋液的揮發(fā)物組成類(lèi)似，主要是2號(hào)氮氧化合物類(lèi)、6號(hào)甲烷類(lèi)、7號(hào)硫化物類(lèi)、8號(hào)醇類(lèi)、9號(hào)有機(jī)硫化物類(lèi)。LDA和PCA能分別區(qū)分醋醅和醋液樣品，但PCA對(duì)醋醅的區(qū)分優(yōu)于LDA，LDA對(duì)敗壞醋的區(qū)分優(yōu)于PCA。PCA結(jié)果表明，醋醅中6號(hào)（甲烷類(lèi)）和2號(hào)（氮氧化合物類(lèi)）分別對(duì)第一、二主成分貢獻(xiàn)率最大，醋液中6號(hào)（甲烷類(lèi)）和7號(hào)（硫化物類(lèi)）分別對(duì)第一、二主成分貢獻(xiàn)率最大。