利用HeraclesⅡ超快速氣相電子鼻對(duì)不同品牌UHT全脂牛奶的快速鑒別研究

高雅慧，邱士鴻，朱逸浩，徐良，董亞欣，李子杰

（1.江南大學(xué)食品學(xué)院江蘇無(wú)錫214122；2.江南大學(xué)生物工程學(xué)院江蘇無(wú)錫214122）

0 引 言

UHT全脂牛奶是通過(guò)超高溫瞬時(shí)滅菌法加工而成的保質(zhì)期時(shí)間較長(zhǎng)的一種液態(tài)牛奶[1]。全脂牛奶的脂肪含量一般會(huì)在3.0%以上，并且脂溶性的維生素存在于牛奶的脂肪當(dāng)中。同時(shí)牛奶之所以有特別的香氣，也是脂肪中的揮發(fā)性成分在起著一定的作用。

目前市場(chǎng)上液態(tài)牛奶的加工方式主要有兩種，包括巴氏滅菌法和超高溫瞬時(shí)滅菌法[1-3]。同時(shí)，由牛奶加工而成的副產(chǎn)品也是多種多樣，例如奶酪、酸奶、發(fā)酵乳等。每個(gè)人喜好的不同會(huì)選擇不同的產(chǎn)品；然而對(duì)于同一種產(chǎn)品，人們對(duì)品牌的選擇也是不盡相同。本實(shí)驗(yàn)針對(duì)于5種不同品牌的UHT全脂液態(tài)牛奶，通過(guò)電子鼻的檢測(cè)尋找它們之間的差異。

傳統(tǒng)的電子鼻由于傳感器類(lèi)別的限制，對(duì)化合物的鑒定具有一定的限制性[4]。然而超快速氣相電子鼻是利用兩根不同極性的氣相色譜柱對(duì)氣味物質(zhì)進(jìn)行分離，通過(guò)氫離子火焰檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出來(lái)的色譜峰視為貢獻(xiàn)因子，即替代了傳統(tǒng)電子鼻中的氣體傳感器陣列信號(hào)，對(duì)化合物的檢測(cè)局限性便大大降低了。通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)統(tǒng)計(jì)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分判別分析，所得色譜峰可以通過(guò)峰面積進(jìn)行定量分析，同時(shí)結(jié)合正構(gòu)烷烴和Kovats保留指數(shù)定性庫(kù)還可以對(duì)色譜峰化合物進(jìn)行定性分析[5]。另外，超快速氣相電子鼻對(duì)樣品前處理的要求簡(jiǎn)單且方便、檢測(cè)速度快、過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，因此成為了氣味檢測(cè)技術(shù)的首選儀器之一。本實(shí)驗(yàn)將通過(guò)超快速氣相電子鼻對(duì)國(guó)內(nèi)外不同品牌的UHT全脂牛奶進(jìn)行風(fēng)味物質(zhì)成分測(cè)定和綜合性評(píng)價(jià)研究。

1 材料和方法

1.1 材料

正構(gòu)烷烴nC6~nC16混合標(biāo)品，美國(guó)RESTEK有限公司；德運(yùn)全脂滅菌純牛奶（200 mL利樂(lè)磚包裝），Murray Goulburn Co-operative Co.Ltd；蒙牛全脂滅菌純牛奶（250 mL利樂(lè)磚包裝），內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)股份有限公司；光明全脂滅菌純牛奶（250 mL利樂(lè)磚包裝），光明乳業(yè)股份有限公司；衛(wèi)崗全脂滅菌純牛奶（250 mL利樂(lè)磚包裝），南京衛(wèi)崗乳業(yè)有限公司；伊利全脂滅菌純牛奶（250 mL利樂(lè)磚包裝），內(nèi)蒙古伊利實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司。所有產(chǎn)品均采購(gòu)于市場(chǎng)，每一種純牛奶均挑選5個(gè)不同生產(chǎn)批次，做樣前將5個(gè)不同生產(chǎn)批次的純牛奶充分混勻后取樣。樣品編號(hào)信息見(jiàn)表1。

表1 樣品編號(hào)信息

1.2 儀器與設(shè)備

HeraclesⅡ超快速氣相電子鼻，法國(guó)Alpha M.O.S公司；PAL RSI全自動(dòng)頂空進(jìn)樣器，瑞士CTC公司；ML204電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；100-1 000μL移液器，艾本德（中國(guó)）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

將5個(gè)不同批次的同一品牌的純牛奶充分混勻，取5 mL于20 mL頂空進(jìn)樣瓶中，加蓋密封待測(cè)，每個(gè)樣品準(zhǔn)備4個(gè)平行。用nC6~nC16正構(gòu)烷烴標(biāo)液進(jìn)行校正，計(jì)算保留指數(shù)，使用AroChemBase數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各化合物進(jìn)行定性分析。

1.3.2 電子鼻檢測(cè)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)使用全自動(dòng)超快速氣相色譜電子鼻HeraclesⅡ?qū)?種不同品牌的純牛奶進(jìn)行檢測(cè)，分析參數(shù)如表2所示。電子鼻的氣相部分含有兩根不同極性的色譜柱，分別為MXT-5和MXT-1701，柱長(zhǎng)10 m，柱徑180μm。其中，MXT-5是弱極性色譜柱，MXT-1701是中極性色譜柱。色譜峰信息通過(guò)Alphasoft進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析（PCA）

主成分分析（Principal Components Analysis,PCA）又被稱(chēng)之為主分量分析，目的在于利用降維的思路將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合性的指標(biāo)[6]。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，主成分分析是一種簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)集的技術(shù)，這個(gè)變換把數(shù)據(jù)變換到一個(gè)新的坐標(biāo)系統(tǒng)中，使得任何數(shù)據(jù)投影的第一大方差在第一個(gè)坐標(biāo)（被稱(chēng)之為第一主成分）上，第二大方差在第二個(gè)坐標(biāo)（別稱(chēng)之為第二主成分）上，以此類(lèi)推。主成分分析經(jīng)常用減少數(shù)據(jù)集的維數(shù)，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)集對(duì)方差貢獻(xiàn)最大的特征。對(duì)5種不同品牌的UHT奶作PCA分析，結(jié)果如圖1所示：第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為49.951%，第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為32.495%，這兩個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率之和達(dá)到了82.446%，超過(guò)80%，因此能夠很好地反映樣品的實(shí)際情況。同時(shí)，判別指數(shù)（discrimination index,DI）是用來(lái)表征樣品之間區(qū)分度大小的一種判斷方法[7-8]。DI值的有效區(qū)間是80至100，且值越大則表明數(shù)據(jù)的效果越佳[9-10]。圖1中PCA的判別指數(shù)是95，則表示5種樣品間的區(qū)分為有效區(qū)分，且區(qū)分效果較佳。

表2 電子鼻檢測(cè)參數(shù)

在主成分分析圖中，兩兩樣品之間的相對(duì)距離越近，則表示其整體的氣味信息越近，差異越小，反之則越大。從圖1分析所得這5種樣品之間均存在著較為明顯的差異，其中樣品3和5整體風(fēng)味信息較為相近，差異較小，然而樣品2和4則與其他UHT奶的整體風(fēng)味信息差異較大。

圖1 5種樣品的主成分分析圖

2.2 樣品間區(qū)別指數(shù)分析

區(qū)別指數(shù)（pattern discrimination index）是表征兩個(gè)樣品組重心之間的相對(duì)距離，該值越大同時(shí)樣品組內(nèi)的差異越小，則兩個(gè)樣品組的區(qū)別指數(shù)就越接近100%[11]。如表3所示，4號(hào)樣品與1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)樣品的區(qū)別指數(shù)都較大，則表明差異較大，其中與2號(hào)樣品的差異最大。同時(shí)3號(hào)樣品和5號(hào)樣品的區(qū)別指數(shù)最小，則說(shuō)明差異最小。

表3 樣品兩兩間相對(duì)距離表

2.3 主成分載荷圖分析

載荷圖（loading）是通過(guò)一個(gè)二維圖的形式直觀地顯現(xiàn)出主成分分析中的第一和第二主成分中的載荷變量，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)區(qū)分造成不同樣品差異的主要貢獻(xiàn)因子，因子之間越接近則表明其貢獻(xiàn)率越大[12]。在快速氣相電子鼻HeraclesⅡ中，載荷圖中的因子則是色譜峰的表現(xiàn)。通過(guò)篩選樣品差異較為顯著（Discrimination Power>0.900）且峰面積較大（Range>1000）分離效果好的色譜峰，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。通過(guò)色譜峰的篩選，樣品的整體分布趨勢(shì)與圖1中未經(jīng)過(guò)篩選的分布趨勢(shì)整體保持一致，則揭示了選取的貢獻(xiàn)因子能夠反映樣品組整體的氣味信息。圖2中標(biāo)注了貢獻(xiàn)色譜因子的保留時(shí)間信息，用于下一步的定性分析。例如30.63-1-A：表示保留時(shí)間-色譜柱-峰面積，其中色譜柱1為MXT-5色譜柱，色譜柱2為MXT-1701色譜柱。

圖2 主成分分析載荷圖

2.4 物質(zhì)定性分析

利用AroChemBase數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)色譜峰進(jìn)行保留指數(shù)定性，可能含有的化合物信息匯總于表4。物質(zhì)氣味的強(qiáng)弱由嗅覺(jué)閾值的大小來(lái)反映，兩種物質(zhì)含量相同的情況下，閾值越低說(shuō)明氣味越強(qiáng)烈。在表4物質(zhì)定性中，假設(shè)各物質(zhì)含量相同的前提下，水介質(zhì)中氣味最強(qiáng)的物質(zhì)是2-甲基-3-呋喃硫醇（閾值是2.5×10-6）。由于本研究使用的檢測(cè)器是屬于質(zhì)量型的氫離子火焰檢測(cè)器，物質(zhì)含量的高低直接表現(xiàn)為峰面積的大小，表4中列出了在各個(gè)保留時(shí)間物質(zhì)的含量及含量的高低。2-甲基-1-丁醇、巴豆酸甲酯、3-己酮、1-辛烯、辛烷和4-辛烯這些化合物在4號(hào)樣品中的含量都明顯較高，且遠(yuǎn)高于其余幾個(gè)樣品。同時(shí)，1號(hào)樣品中的這些化合物相對(duì)于其他幾個(gè)樣品的含量都較低。由表4可知正丙硫醇和2-甲基-3-呋喃硫醇是1號(hào)樣品的特定風(fēng)味化合物，丙酸是2號(hào)樣品的特定風(fēng)味化合物，庚烷、己-2-酮和3-甲基呋喃是5號(hào)樣品的特定風(fēng)味化合物。

表4 5種樣品物質(zhì)定性分析

3 結(jié) 論

HeraclesII超快速氣相電子鼻作為一種新型的風(fēng)味分析儀器，基于氣相的分離原理，將色譜峰作為影響因子，采用化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法進(jìn)行主成分分析，構(gòu)建多種模型。通過(guò)正構(gòu)烷烴校準(zhǔn)，能夠?qū)⒈Ａ魰r(shí)間轉(zhuǎn)化成保留指數(shù)，利用AroChemBase數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)化合物定性分析。同傳統(tǒng)型電子鼻相比，氣相輸出信號(hào)取代了傳感器型電子鼻中有限的傳感信號(hào)，能夠得到更多的化合物信號(hào)，同時(shí)對(duì)于一些未知化合物的風(fēng)味信息能夠通過(guò)保留指數(shù)的定性來(lái)得到，進(jìn)而深入研究其性質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)以5種不同品牌的UHT全脂牛奶作為研究對(duì)象，對(duì)其氣味進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)分析，成功實(shí)現(xiàn)了五種樣品的氣味差異性鑒別，還確定出不同品牌的UHT全脂牛奶的特定風(fēng)味化合物，為后期的風(fēng)味研究打下了基礎(chǔ)。