利用電子鼻解析采后深州蜜桃品質(zhì)變化

岳盈肖，閆子茹，趙江麗，程玉豆，王永霞，關(guān)軍鋒,*

（1.河北工程大學(xué)生命科學(xué)與食品工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所，河北 石家莊 050050；3.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

風(fēng)味是果實(shí)品質(zhì)的主要組成部分，其中，揮發(fā)性氣味，特別是香氣物質(zhì)的影響至關(guān)重要。果實(shí)采收后，揮發(fā)性物質(zhì)代謝因果實(shí)成熟度及貯藏條件差異而發(fā)生不同變化。電子鼻作為一種基于氣體傳感器系統(tǒng)的無損檢測(cè)設(shè)備，它包括一系列具有特異性的電化學(xué)傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別系統(tǒng)，能夠識(shí)別揮發(fā)性物質(zhì)的氣味[1]。結(jié)合電子鼻分析數(shù)據(jù)，通過聚類分析及建立相關(guān)預(yù)測(cè)模型等方法，可用于水果品種鑒別、成熟度鑒定、品質(zhì)分級(jí)、質(zhì)量預(yù)測(cè)、病害識(shí)別等[2-5]。有研究表明，采用感官、理化指標(biāo)建立基于電子鼻檢測(cè)的無損預(yù)測(cè)模型，可對(duì)不同冷藏溫度下水蜜桃發(fā)生的冷害等級(jí)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速檢測(cè)[6]。采用電子鼻可有效區(qū)分不同桃品種資源[7]。根據(jù)電子鼻傳感器陣列的響應(yīng)及桃質(zhì)量指數(shù)，建立多元線性質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，其驗(yàn)證結(jié)果表明，電子鼻可對(duì)桃品質(zhì)進(jìn)行可靠評(píng)估[8]。

深州蜜桃為河北名貴特產(chǎn)，具有悠久的栽培歷史，皮薄個(gè)大，果型美，色澤艷，汁甜如蜜，有鮮桃之魁的美稱，深受廣大消費(fèi)者的喜愛。該品種果實(shí)成熟期集中于8 月底至9 月初，此時(shí)氣溫較高，果實(shí)采收后后熟較快，不耐貯藏，易腐爛發(fā)霉[9]。因此，對(duì)采后貯藏期內(nèi)深州蜜桃品質(zhì)進(jìn)行快速、科學(xué)的評(píng)價(jià)顯得尤為重要。本研究的目的在于探討不同成熟度深州蜜桃果實(shí)常溫貯藏期間電子鼻分析結(jié)果與品質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系，以期為深州蜜桃果實(shí)采后品質(zhì)的無損檢測(cè)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

深州蜜桃8 月27 日、9 月3 日采自河北省深州市果園，采摘當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，挑選大小均勻、無病蟲害和機(jī)械損傷的果實(shí)，于常溫（25 ℃±1 ℃）條件下過夜，散去田間熱。次日，使用意大利DA-Meter 水果成熟度檢測(cè)儀對(duì)單果進(jìn)行成熟度（用IAD值表示）檢驗(yàn)，并按照IAD值范圍分為4 級(jí)，IAD值越小表示果實(shí)的成熟度越高。Ⅰ級(jí)：1.2≤IAD值＜1.6；Ⅱ級(jí)：0.8≤IAD值＜1.2；Ⅲ級(jí)：0.4≤IAD值＜0.8；Ⅳ級(jí)：IAD值＜0.4。8月27日采收的深州蜜桃按成熟度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)，9 月3 日采收的深州蜜桃定為Ⅳ級(jí)。之后，將果實(shí)直接裝入紙箱，于溫度25 ℃±1 ℃、相對(duì)濕度80%條件下存放，并在貯藏0、6、12 d 進(jìn)行常規(guī)品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。

1.1.2 儀器與設(shè)備

DA-Meter 水果成熟度檢測(cè)儀，意大利Bologna大學(xué)專利產(chǎn)品；GY-4 型果實(shí)硬度計(jì)，浙江托普儀器有限公司；PAL-1 型手持?jǐn)?shù)字糖度計(jì)，日本愛拓公司；CR-400 型全自動(dòng)色差儀，日本美能達(dá)公司；HWF-1 型CO2紅外線分析器，江蘇省金壇市科析儀器有限公司；GC9790Ⅱ氣相色譜儀，浙江福立分析儀器有限公司；PEN3 便攜型電子鼻，德國Airsense 公司。

1.2 方法

1.2.1 成熟度、色度和內(nèi)部品質(zhì)的測(cè)定

取深州蜜桃單果，于果實(shí)縫合線兩側(cè)胴部取樣進(jìn)行測(cè)定。使用水果成熟度檢測(cè)儀測(cè)定水果成熟度，儀器經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)板校正后測(cè)定果實(shí)IAD值[10]；使用全自動(dòng)色差儀測(cè)定L、a、b 值，計(jì)算色度角H[11-12]；使用硬度計(jì)測(cè)定去皮硬度（單位：kg/cm2）；取果肉榨汁，使用糖度計(jì)測(cè)定可溶性固形物含量（SSC）；采用酸堿滴定法測(cè)定可滴定酸（TA）含量，以蘋果酸計(jì)。每次取樣重復(fù)3次，每次5 個(gè)果實(shí)。

1.2.2 呼吸速率和乙烯釋放速率的測(cè)定

分別于貯藏0、3、6、9、12 d 時(shí)，每個(gè)成熟度級(jí)別隨機(jī)選果18 個(gè)，分為3 個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)6 個(gè)果實(shí)，置于密閉容器中，密封30 min 時(shí)抽取氣體10 mL，用CO2紅外線分析器測(cè)定呼吸速率；密封3 h 時(shí)抽取氣體1 mL，使用氣相色譜儀測(cè)定乙烯濃度，計(jì)算乙烯釋放速率[13]。

1.2.3 電子鼻檢測(cè)

分別于貯藏0、3、6、9、12 d 取樣，密封40 min 后，進(jìn)行電子鼻檢測(cè)[14-16]。PEN3 電子鼻包含10 種傳感器，各傳感器的響應(yīng)特性見表1。電子鼻測(cè)定條件：氣體流量400 mL/min，清洗時(shí)間60 s，調(diào)零時(shí)間5 s，準(zhǔn)備時(shí)間5 s，測(cè)定時(shí)間120 s，取117～119 s 響應(yīng)值用于數(shù)據(jù)分析。

表1 PEN3 型電子鼻傳感器響應(yīng)特性Table 1 Response characteristics of PEN3 electronic nose sensor

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，SPSS 20軟件進(jìn)行Duncan 方差分析和相關(guān)性分析；采用PEN3 便攜型電子鼻系統(tǒng)自帶的Winmuster 分析軟件進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 深州蜜桃不同貯藏時(shí)間成熟度、色度及內(nèi)在品質(zhì)指標(biāo)變化

DA-Meter 水果成熟度檢測(cè)儀是一種通過測(cè)量果實(shí)中葉綠素含量判斷水果成熟度的無損檢測(cè)儀器[17]。貯藏期間各成熟度級(jí)別深州蜜桃果實(shí)IAD值及色度角的變化結(jié)果見表2。

由表2 可見，隨著貯藏時(shí)間的延長，各組深州蜜桃果實(shí)的IAD值、色度角（H）均逐漸降低，并趨向一致，果實(shí)表面顏色逐漸變黃。不同成熟度的深州蜜桃果實(shí)在貯藏第6 天時(shí)H 值無顯著差異；第12 天時(shí)，各成熟度果實(shí)的IAD值無顯著差異，I、II、III 級(jí)成熟度果實(shí)的H 值無顯著差異。

表2 深州蜜桃貯藏期間成熟度和色度角變化Table 2 Changes of maturity and hue angle of Shenzhou honey peaches during storage

由表3 可見，深州蜜桃果實(shí)的硬度、SSC 及TA含量均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，并以硬度下降最為明顯，貯藏6 d 內(nèi)果實(shí)成熟度越低，硬度下降幅度越大，第6、12 天硬度值均無顯著差異。這表明，采后深州蜜桃果實(shí)逐步成熟衰老，果實(shí)品質(zhì)下降。

表3 深州蜜桃貯藏期間硬度、SSC、TA 含量的變化Table 3 Changes of firmness,SSC and TA contents of Shenzhou honey peaches during storage

2.2 深州蜜桃果實(shí)呼吸速率和乙烯釋放速率變化

貯藏期內(nèi)各個(gè)成熟度深州蜜桃果實(shí)的呼吸速率隨貯藏期延長呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)（圖1）。各組深州蜜桃果實(shí)的乙烯釋放速率表現(xiàn)為先快速升高后逐漸下降的趨勢(shì)，均在第3 天時(shí)達(dá)到最大值（圖2）。不同成熟度果實(shí)的呼吸速率和乙烯生成速率變化較為相似，并有交叉現(xiàn)象。相對(duì)來說，Ⅲ級(jí)成熟度果實(shí)具有較高的呼吸速率和乙烯釋放速率。

圖1 不同成熟度深州蜜桃果實(shí)貯藏期間呼吸速率變化Fig.1 Changes of respiration rates of Shenzhou honey peaches with different maturity during storage

圖2 不同成熟度深州蜜桃果實(shí)貯藏期間乙烯釋放速率變化Fig.2 Changes of ethylene production rates of Shenzhou honey peaches with different maturity during storage

2.3 主成分分析（PCA）

采用主成分分析法將10 種傳感器的信號(hào)結(jié)果降維成第1 主成分（PC1）和第2 主成分（PC2），4 組深州蜜桃果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)的PC1 貢獻(xiàn)率均大于99%（圖3），充分涵蓋了樣品的主要信息，說明各組數(shù)據(jù)在PC1 上的分布特征為決定區(qū)分效果的主要因素。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3 個(gè)成熟度的深州蜜桃在貯藏期間的揮發(fā)性物質(zhì)區(qū)域雖不能實(shí)現(xiàn)完全分離，但其在PC1上的特征值可以明顯將圖分為兩個(gè)區(qū)域：貯藏初值和第3、6 天的揮發(fā)性物質(zhì)特征值均較小，而貯藏第9 天和第12 天的揮發(fā)性物質(zhì)特征值較大。這表明，揮發(fā)性物質(zhì)組成在貯藏6 d 后發(fā)生了較大的變化。Ⅳ級(jí)成熟度蜜桃貯藏期內(nèi)相鄰測(cè)定間的揮發(fā)性物質(zhì)區(qū)域相互交叉但其在PC1 上的特征值逐漸增大，貯藏期的揮發(fā)性成分逐步發(fā)生變化（圖3）。

圖3 基于電子鼻的深州蜜桃氣味PCA 分析結(jié)果Fig.3 PCA analysis results of Shenzhou honey peaches by electronic nose

2.4 線性判別分析（LDA）

采用線性判別分析著重對(duì)深州蜜桃果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)的組間差異進(jìn)行分析。由圖4 可見，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3 級(jí)成熟度深州蜜桃果實(shí)的LD1、LD2 總貢獻(xiàn)率分別為92.54%、92.48%和94.59%，貯藏0～6 d 揮發(fā)性物質(zhì)特征區(qū)域無交叉，第9 天和第12 天的揮發(fā)性物質(zhì)特征區(qū)域接近或部分有重疊；Ⅳ級(jí)成熟度果實(shí)LD1和LD2 的總貢獻(xiàn)率為77.54%，揮發(fā)性物質(zhì)特征區(qū)域完全分離。這表明，利用電子鼻檢測(cè)可將蜜桃貯藏期分為6 d 前和6 d 后。LD1 上Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)這3 組蜜桃貯藏第3、6、9、12 天揮發(fā)性物質(zhì)的特征值接近，且與初始值相比明顯向0 點(diǎn)靠近，說明3 d 之后的風(fēng)味物質(zhì)明顯增多；Ⅳ組蜜桃的特征值隨貯藏時(shí)間的延長依次向零點(diǎn)靠近。

圖4 基于電子鼻的深州蜜桃氣味LDA 分析結(jié)果Fig.4 LDA analysis results of Shenzhou honey peaches by electronic nose

2.5 電子鼻傳感器響應(yīng)分析

雷達(dá)圖可以反映電子鼻各傳感器的響應(yīng)值大小，雷達(dá)圖由內(nèi)至外代表對(duì)應(yīng)傳感器的響應(yīng)值增強(qiáng)。由圖5 可見，各組深州蜜桃果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)的雷達(dá)圖分布均隨貯藏時(shí)間的延長向外擴(kuò)散，成熟度Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)的蜜桃在0 d、3 d 和6 d 時(shí)各傳感器的響應(yīng)值變化均較小，第9 天時(shí)明顯增大；第12 天時(shí)的響應(yīng)值，Ⅱ、Ⅲ兩組仍增大明顯，Ⅰ級(jí)則變化較小。Ⅳ級(jí)蜜桃0～3 d 響應(yīng)值變化較小，6 d、9 d 和12 d 響應(yīng)值逐漸變大。這表明，貯藏過程中蜜桃的揮發(fā)性物質(zhì)組成發(fā)生了變化，不同成熟度果實(shí)變化規(guī)律不盡相同。深州蜜桃揮發(fā)性成分在電子鼻傳感器W1W、W5S、W2W、W1S 的響應(yīng)比較強(qiáng)，其中W1W 的變化最明顯。

圖5 貯藏過程中不同成熟度深州蜜桃果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)的特征雷達(dá)圖Fig.5 The characteristic radar charts of volatile components in Shenzhou honey peaches during storage

利用載荷分析對(duì)各傳感器的區(qū)分作用進(jìn)行分析，PC1 的占比均在99%以上，PC1 特征值越大對(duì)區(qū)分越有效，分布越靠近原點(diǎn)（0,0）附近的傳感器對(duì)樣品的區(qū)分作用越小。4 組樣品的傳感器Loading 分析結(jié)果表明，傳感器在區(qū)分不同成熟度深州蜜桃果實(shí)上有差別，其中W1W、W2W、W5S、W1S、W2S 這5 種傳感器具有明顯的區(qū)分作用，W1W 對(duì)應(yīng)的PC1 特征值最大，為用于深州蜜桃氣味區(qū)分的主要傳感器（圖6）。這一結(jié)果與雷達(dá)圖（圖5）結(jié)果接近。

圖6 基于電子鼻的深州蜜桃氣味載荷分析結(jié)果Fig.6 Loading analysis results of Shenzhou honey peaches by electronic nose

2.6 相關(guān)性分析

通過SPSS 軟件對(duì)深州蜜桃各品質(zhì)指標(biāo)與電子鼻敏感傳感器主要響應(yīng)值（W1W、W2W、W5S、W1S、W2S 傳感器信號(hào)值）之間進(jìn)行相關(guān)性分析。由表4 可見，果實(shí)成熟度、色度角、硬度及SSC、TA 與W5S、W1S、W1W、W2S 和W2W 這5 個(gè)傳感器響應(yīng)信號(hào)值均具有極顯著負(fù)相關(guān)性（P＜0.01），這表明采用電子鼻檢測(cè)結(jié)果可以反映深州蜜桃成熟度和品質(zhì)的變化。

表4 電子鼻響應(yīng)信號(hào)值和深州蜜桃成熟度及品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性Table 4 The correlations of electronic nose response signals with maturity and quality of Shenzhou honey peaches

3 討論與結(jié)論

香氣成分合成的途徑各異，主要有脂肪酸、萜烯類、碳水化合物及氨基酸途徑等。桃果實(shí)香氣合成以脂肪酸代謝為主，經(jīng)脂氧合酶（LOX）途徑、β-氧化途徑生成醛、酯、醇等[18]。桃果實(shí)采后其感官香氣主要是輕薄的青草香味，之后水果芳香味逐漸濃郁，且富含“桃味”，主要香氣物質(zhì)由清香型（反-2-己烯醛、順-3-己烯醛）向果香型（C6-C12偶數(shù)碳原子的γ、δ 內(nèi)酯）轉(zhuǎn)變[19-20]，這是電子鼻測(cè)定其氣味變化的基礎(chǔ)。在本研究中，采用PCA 分析或LDA 分析均可對(duì)貯藏期內(nèi)不同成熟度深州蜜桃果實(shí)第0、6、12 天的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行區(qū)分。

乙烯作為植物成熟激素，在誘導(dǎo)和促進(jìn)呼吸躍變型果實(shí)成熟和衰老等生理過程中起到非常重要的作用，香氣物質(zhì)作為果實(shí)成熟生理指標(biāo)之一，與乙烯密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）氧化酶與LOX 共同調(diào)控乙烯的合成，進(jìn)而調(diào)節(jié)桃果實(shí)香氣的釋放[21]。同時(shí)，外源乙烯處理可增加桃果實(shí)中芳樟醇和γ-癸內(nèi)酯的合成量[22]。利用電子鼻技術(shù)可有效判定采后桃果實(shí)成熟衰老進(jìn)程[23]。本研究中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3 級(jí)成熟度深州蜜桃在LDA 分析中初值圖形位置與其他天數(shù)之間相隔較遠(yuǎn)，可能與乙烯釋放速率從初值到第3 天的躍變有關(guān)。已知，桃果實(shí)香氣物質(zhì)的合成與釋放受乙烯調(diào)控，當(dāng)兩者均達(dá)到較高水平時(shí)，果實(shí)處于最佳食用期，特別是香氣積累程度可以作為桃果實(shí)成熟的重要指標(biāo)[3]。貯藏期間，各成熟度深州蜜桃果實(shí)硬度、SSC 及TA 含量均逐漸降低，果實(shí)品質(zhì)下降，結(jié)合PCA 分析中樣品在坐標(biāo)圖中的不同區(qū)域分布，推薦深州蜜桃采后6 d 內(nèi)食用，此期間果實(shí)風(fēng)味最佳。

Narain 等[24]采用高分辨率氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，在桃中鑒定出揮發(fā)性成分包含醇、醛、烷、酯、酮、芳香烴、含硫化合物和一些雜類化合物等。這與本研究中W1W、W2W、W5S、W1S、W2S 測(cè)定不同化學(xué)成分的5 種傳感器在檢測(cè)中起主要作用相契合。通過相關(guān)性分析，電子鼻響應(yīng)信號(hào)和深州蜜桃各個(gè)品質(zhì)指標(biāo)間具有顯著相關(guān)關(guān)系，這與利用電子鼻響應(yīng)對(duì)不同成熟度存在差異的桃果實(shí)進(jìn)行品質(zhì)預(yù)測(cè)[25]的研究結(jié)果一致。本文研究結(jié)果可為無損預(yù)測(cè)貨架期內(nèi)深州蜜桃品質(zhì)變化、質(zhì)量評(píng)價(jià)及其香味指紋圖譜研究提供參考。