基于電子鼻和電子舌技術(shù)的鱈魚鮮度評定

鄭舒文，陳衛(wèi)華

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京 100193)

鱈魚是極易腐敗的食品，在流通過程中，由于受到溫度波動、微生物及自體酶的影響，魚肉中的蛋白被水解成了氨基酸，氨基酸再經(jīng)過脫羥、脫胺后生產(chǎn)了硫化氫、硫醇、吲哚、糞臭素、甲烷等物質(zhì)，改變了魚的揮發(fā)性氣味和浸出液的滋味。

中國是水產(chǎn)品生產(chǎn)、消費和出口的大國。水產(chǎn)品已經(jīng)成為人們?nèi)粘ｏ嬍持胁豢苫蛉钡囊徊糠諿1,2]。在水產(chǎn)品中，價格昂貴而又具有特殊營養(yǎng)成分的一類深海魚，正逐漸受到更多家庭的喜愛。大西洋真鱈魚是一種產(chǎn)于北大西洋的冷水深海魚類[3]，其肉中氨基酸比例與WHO/FAO模式譜中人體所需氨基酸的比例接近，因此鱈魚肉中蛋白質(zhì)能很好地被人體吸收利用[4,5]。 鱈魚常被制作為方便食品、咸干魚片、腌鱈魚等調(diào)味食品。傳統(tǒng)的魚鮮度評價方法包括：感官評價法、化學(xué)指標(biāo)法和微生物指標(biāo)法等。傳統(tǒng)方法是鮮度評定的主要方法，認(rèn)可度高。而若要得到準(zhǔn)確的鮮度結(jié)果，通常要將不同的傳統(tǒng)鮮度評價方法綜合應(yīng)用。近年來，電子鼻和電子舌作為一種新型的感官仿生技術(shù)，得到了越來越多的應(yīng)用。其對特定化合物靈敏的傳感器可以模仿人類的嗅覺和味覺，從而對揮發(fā)性氣體和食品浸出液的差異進(jìn)行分析。它們操作便捷、快速，是一種準(zhǔn)確的無損分析技術(shù)[6-10]。經(jīng)過內(nèi)置的軟件處理得到的主成分分析(PCA)和判別因子分析(DFA)圖，可以根據(jù)圖形上樣品點間距離的遠(yuǎn)近來分辨氣味、滋味的差別[11-13]。在電子鼻和電子舌的鮮度研究方面，研究人員已經(jīng)用電子鼻、電子舌技術(shù)評定了冰鮮黃雞、羊肉、牛肉及常見水果和蔬菜的鮮度[14-18]。本研究主要運用電子鼻和電子舌分析技術(shù)結(jié)合不同理化指標(biāo)，對大西洋真鱈魚的鮮度進(jìn)行評價。理化指標(biāo)的測定結(jié)果為電子鼻、電子舌鮮度快速判定結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料及預(yù)處理

大西洋真鱈魚：購于北京某超市，選擇魚塊大小相近的樣品，放置在碎冰中，1 h內(nèi)運至實驗室。將去皮、骨之后的鱈魚肉放置在干凈的自封袋中，冷藏在4 ℃的恒溫冰箱中，定期取樣檢測。

1.2 儀器與設(shè)備

PEN3.5便攜式電子鼻 德國AIRSENSE公司；Astree II/LS16電子舌 法國Alpha MOS公司；FOSS凱氏定氮儀 丹麥福斯公司；METTLER-ME204E電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.3 試驗方法

將鱈魚肉放置在4 ℃冷藏，每隔一定時間取魚肉樣品進(jìn)行TVBN、TVC、電子鼻及電子舌的測定。

1.3.1 揮發(fā)性鹽基氮(TVBN)的測定

按照GB 5009.228-2016《食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》的方法[19]，采用FOSS全自動凱氏定氮儀。

1.3.2 菌落總數(shù)(TVC)的測定

按照GB 4789.2-2016《食品微生物學(xué)檢驗測定 菌落總數(shù)測定》的方法測定[20]。

1.3.3 電子鼻檢測

準(zhǔn)確稱量1.0 g冷藏的去皮、去骨鱈魚肉樣品，裝入10 mL頂空瓶中，平衡至室溫后進(jìn)樣測定。測定參數(shù)：系統(tǒng)清洗3次，每次180 s；進(jìn)樣時間60 s，2次進(jìn)樣間隔清洗時間180 s，氣體流速150 mL/min。采用電子鼻的自帶程序Winmuster進(jìn)行主成分分析及負(fù)荷加載分析。

1.3.4 電子舌檢測

電子舌測定采用阿爾法莫斯公司的Astree電子舌進(jìn)行，測定前需要活化傳感器24 h，并進(jìn)行電子舌的初始化、校準(zhǔn)、診斷過程。試驗以100 s為每個樣品的數(shù)據(jù)采集時間，且每1 s采集1組數(shù)據(jù)，取最后20 s測量值的平均值作為該組最終的結(jié)果。每個樣品的測量次數(shù)為7次，取后4次的結(jié)果，以確保傳感器輸出響應(yīng)值的穩(wěn)定性。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鱈魚冷藏過程中TVBN指標(biāo)變化

TVBN(主要包括氨氣、二甲胺和三甲胺等)被公認(rèn)為是魚類鮮度的評價指標(biāo)，它來源于貯藏過程中魚類肌肉中蛋白質(zhì)被內(nèi)源酶和微生物分解[21-23]。許多專家學(xué)者都將魚肉中的TVB-N值限定在30 mg/100 g魚肉[24，25]。我國國標(biāo)GB/T 18108-2008規(guī)定海水魚中TVBN的含量在0～15 mg/100 g魚肉時，魚處在一級鮮度；15～20 mg/100 g時，魚處在二級鮮度；20～30 mg/100 g時，魚處在三級鮮度[26]。鱈魚在4 ℃貯存期間TVBN隨時間的變化見圖1。TVBN的增長速度在魚貯藏前期(0～8天)上升速度較慢，而在貯藏后期(8～12天)上升速度明顯加快。這是由于貯藏后期魚體肉質(zhì)松散，組織液流出增多，細(xì)菌數(shù)量龐大所引起的。根據(jù)國標(biāo)對鮮海水魚TVBN的劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以初步得出結(jié)論：鱈魚在貯藏的0～4天處在一級鮮度，在4～8天為二級鮮度，在8～11天為三級鮮度。

圖1 4℃貯藏下鱈魚的TVBN隨時間的變化Fig.1 Changes of TVBN of cod stored at 4℃with the time

2.2 鱈魚冷藏過程中細(xì)菌總數(shù)(TVC)變化

微生物的繁殖和代謝是引起魚類腐敗的主要原因，腐敗微生物的數(shù)量可以反映魚的新鮮程度。4 ℃貯藏下鱈魚的細(xì)菌菌落總數(shù)隨時間的變化見圖2。

圖2 4℃貯藏下鱈魚中的TVC隨時間的變化Fig.2 Changes of TVC of cod stored at 4℃with the time

由圖2可知，在鱈魚貯藏期間，鱈魚中的細(xì)菌菌落總數(shù)逐漸增加，在貯藏前期，微生物增長比較緩慢，這可能是由于微生物基數(shù)小，并處于適應(yīng)期。貯藏11天后，微生物的增長速度明顯增大，此時，微生物可能處于對數(shù)增長期。根據(jù)《國際微生物規(guī)格委員會(ICMSF)食品微生物限量規(guī)定》，魚的菌落總數(shù)可接受水平限量值為5×105cfu/g，最高安全限量值為107cfu/g[27，28]。因此，根據(jù)圖2判斷，4 ℃貯藏下的鱈魚在11天后即不可被食用。這與TVBN指標(biāo)判斷的鱈魚食用期限(貨架期)一致。

2.3 指標(biāo)間的相關(guān)性分析

為了研究鱈魚鮮度的化學(xué)與微生物指標(biāo)間的相關(guān)性，以確定指標(biāo)的內(nèi)在關(guān)系及測定的準(zhǔn)確性。以4 ℃貯藏下鱈魚的TVBN為自變量，以TVC值為擬合目標(biāo)進(jìn)行曲線擬合，分析相關(guān)性。

圖3 TVC與TVBN值相關(guān)性分析圖Fig.3 Correlation analysis chart of TVC and TVBN values

相關(guān)參數(shù)截距截距的標(biāo)準(zhǔn)偏差R (相關(guān)系數(shù))SD(回歸標(biāo)準(zhǔn)差)P(R=0的概率)TVBN與TVC線性回歸方程3.4510.1570.9600.154<0.00001

由圖3和表1可知，TVBN與TVC之間的線性相關(guān)性強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.960。并且P值<0.01，說明二者呈極顯著相關(guān)。這說明4 ℃儲藏的鱈魚化學(xué)和微生物鮮度指標(biāo)間有較好的線性相關(guān)性，鮮度指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系強(qiáng)，證明了指標(biāo)測定的可靠性。

2.4 鱈魚的電子鼻響應(yīng)值分析

2.4.1 特征雷達(dá)圖

電子鼻有10個高靈敏度的傳感器，其檢測的物質(zhì)見表2。

表2 電子鼻傳感器類型及性能Table 2 Types and performance of electronic nose sensors

續(xù) 表

不同狀態(tài)的電子鼻信號雷達(dá)圖見圖4，a,b,c,d分別是電子鼻對貯藏0天(新鮮狀態(tài))、4天(鮮度較好)、7天(鮮度一般)和11天(不可食用)的鱈魚氣味響應(yīng)圖。

圖4 對于不同鮮度鱈魚的電子鼻響應(yīng)雷達(dá)圖Fig.4 Electronic nose response radar maps of cod with different freshness levels

由圖4可知，鱈魚處在初始狀態(tài)時，電子鼻的各個傳感器的響應(yīng)值比較均一，此時鱈魚的魚腥味弱、無酸敗氣味；隨后7號和2號傳感器的響應(yīng)值迅速增大，而后其他傳感器的響應(yīng)值也稍有增加。到了鱈魚的不可食用狀態(tài)，7號和2號傳感器的響應(yīng)值仍為最大，這說明鱈魚儲藏過程中產(chǎn)生的硫化物和氮氧化合物多。這與文獻(xiàn)報道的在秋刀魚儲藏過程中電子鼻的硫化物傳感器響應(yīng)值大較為一致[29,30]。

2.4.2 主成分分析

主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)是將傳感器提取的原多維矩陣數(shù)列通過降維、數(shù)據(jù)處理和線性分類轉(zhuǎn)換為互不相關(guān)的幾個綜合指標(biāo)的方法。轉(zhuǎn)化而得的較少指標(biāo)能夠代表性地反映原多指標(biāo)的信息。降維后的特征向量以二維散點圖的形式出現(xiàn)PCA圖中。在PCA中，若兩主成分的貢獻(xiàn)率小于95%，則表示分析中有干擾成分的作用。電子鼻信號響應(yīng)值的PCA圖見圖5，圖中橫坐標(biāo)的第1主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到97.46%，縱坐標(biāo)第2主成分的貢獻(xiàn)率為2.26%，總貢獻(xiàn)率為99.72%，大于95%，說明這2個主成分基本包含了樣本的信息，PCA方法適用。氣味較為接近的魚樣品在二維圖形上傾向于聚類分布，氣味相差較遠(yuǎn)的樣品圖形距離較遠(yuǎn)。

圖5 不同冷藏時期鱈魚揮發(fā)性氣味主成分分析(PCA)圖Fig.5 Principal component analysis(PCA)diagram of volatile flavor of cod in different cold storage periods

由圖5可知，電子鼻將儲藏1，3，5，7，9，11天的鱈魚圖形歸類到一起，說明此時鱈魚產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體區(qū)別不大，鮮度狀態(tài)相近，可以歸為同一鮮度等級。且電子鼻能將貯藏11天以后的鱈魚與可食用期的鱈魚明顯區(qū)分開來。對比TVBN、TVC的分析結(jié)果，電子鼻對不同鮮度的鱈魚具有準(zhǔn)確的區(qū)分性，能夠作為一種鱈魚鮮度的判定手段。

2.4.3 負(fù)荷加載分析

圖6 不同冷藏時期鱈魚揮發(fā)性氣味LA圖Fig.6 Loading analysis map of volatile flavor of cod in different cold storage periods

傳感器W1WW5SW2WW1SW2SW3SW1CW3CW6SW5C距離(cm)0.850.740.530.460.380.220.200.140.070.03

負(fù)荷加載分析(Loadings Analysis，LA)是用來判斷電子鼻中的不同傳感器對樣品揮發(fā)性氣味貢獻(xiàn)率大小的方法。負(fù)載值越大，貢獻(xiàn)率越大。Loadings分析圖中，距離(0,0)坐標(biāo)越近的點所代表的傳感器對樣品氣味的測定貢獻(xiàn)率越小，即該傳感器的識別作用可以忽略。相反，距離(0,0)坐標(biāo)越遠(yuǎn)的點所代表的傳感器對樣品的揮發(fā)性氣體反應(yīng)越靈敏[31]。

在一定的比例條件下，計算傳感器所在的點到原點的距離，可以判斷各個傳感器對氣味的貢獻(xiàn)率大小。

由圖6和表3可知，此次鱈魚樣品揮發(fā)性氣體的檢測，7號傳感器W1W貢獻(xiàn)率最大，它對硫化物靈敏；2號傳感器W5S貢獻(xiàn)率次之，它對氮氧化物靈敏。W3S和W1C傳感器到(0,0)點的距離相近，二者的貢獻(xiàn)率相似。 W5C傳感器最接近零點，傳感器響應(yīng)最不靈敏，它對應(yīng)的烷烴和芳香成分的占比最少。由此，在魚鮮度變化過程中，揮發(fā)性氣體中的硫化物和氮氧化物的含量最高，烷烴和芳香成分含量最低。

2.5 鱈魚的電子舌響應(yīng)值分析

判別因子分析(Discriminant Factor Analysis, DFA)是一種基于主成分分析和典型相關(guān)分析的降維技術(shù)。它在主成分分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將不同組間的差異性擴(kuò)大，將組內(nèi)的差異性縮小。判別因子分析法的區(qū)分效果比主成分分析法更好。

圖7 不同冷藏時期鱈魚電子舌的DFA二維圖Fig.7 DFA two-dimensional map of electronic tongue of cod in different cold storage periods

由圖7可知，判別因子1的貢獻(xiàn)率為83.12%，判別因子2的貢獻(xiàn)率為15.45%，其總貢獻(xiàn)率為98.57%，大于95%，說明這2個主成分基本包含了樣本的信息。在電子舌的DFA二維圖中，1,3,5,7,9,11天以及13,15天的樣品在圖中的距離相近，說明滋味相差不大，鮮度狀態(tài)相似。不同冷藏時期鱈魚的電子舌判別因子三維圖見圖8。

圖8 不同冷藏時期鱈魚電子舌DFA三維圖Fig.8 DFA three-dimensional map of electronic tongue of cod in different cold storage periods

由圖8可知，判別因子3的貢獻(xiàn)率僅為1.046%。在三維圖中，組內(nèi)的每個數(shù)據(jù)點的距離很小，不同組的數(shù)據(jù)點分布在三維坐標(biāo)的各個角落。同樣由圖8可知，1，3，5，7，9，11天以及13,15天的組內(nèi)距離進(jìn)一步接近，不同鮮度等級的組間距離進(jìn)一步加大，說明DFA的區(qū)分效果更好。對照TVBN、TVC的分析，電子舌的DFA結(jié)果證實了它可以有效、準(zhǔn)確地區(qū)分鱈魚鮮度的變化。

3 結(jié)論

電子鼻和電子舌技術(shù)作為新型的嗅覺、味覺分析檢測技術(shù)，它們的操作簡便、快速、無損且重復(fù)性好，能有效區(qū)分出不同樣品間的差異。而魚鮮度的傳統(tǒng)檢測技術(shù)耗時且成本高。本文將電子鼻與電子舌技術(shù)分別應(yīng)用到魚鮮度的檢測中，試圖驗證這2種快檢方法對魚鮮度區(qū)分的有效性。實驗結(jié)果表明：電子鼻和電子舌能夠?qū)⒉煌r度等級的鱈魚明顯區(qū)分開來，并且電子舌的區(qū)分性更好。二者結(jié)果與TVBN、TVC的結(jié)果一致。這說明電子鼻和電子舌在魚鮮度的檢測與判別領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。