魚肉餡貨架期預測的電子鼻評價與研究

王盼，張坤生，任云霞

（天津市食品生物技術重點實驗室，天津商業(yè)大學食品工程系，天津300134）

魚肉餡貨架期預測的電子鼻評價與研究

王盼，張坤生*，任云霞

（天津市食品生物技術重點實驗室，天津商業(yè)大學食品工程系，天津300134）

本實驗研究了不同的儲存溫度下鯉魚肉餡的的品質變化。對鯉魚肉餡在不同的貯存溫度（-4、2、8℃）和貯存時間下理化指標TVB-N、菌落總數進行測定，建立2個指標的級動力學模型，與Arrhenius方程有很高的擬合度，魚肉餡的貨架期可以通過揮發(fā)鹽基氮的預測模型得到準確的預測。用電子鼻對魚肉餡的揮發(fā)性氣味的變化進行分析，對獲得的數據進行傳感器信號和主成分（PCA）分析，以樣品響應的穩(wěn)定值為特征值進行信號分析和處理表明S2（氨氧化物）、S3（氨類）2個傳感器的響應信號的變化曲線符合1級動力學模型，揮發(fā)鹽基氮和菌落總數與S2傳感器的變化曲線趨勢是一致的。PCA分析表明揮發(fā)性氣味隨貯存時間的延長而發(fā)生改變，這種變化是非常顯著的。通過分析可以看出電子鼻對揮發(fā)性氣味的分析與理化指標有良好的對應性。

魚肉餡；貨架期；電子鼻；動力學模型

鯉魚，別名鯉子，鯉科，學名Cyprinuscarpio。鯉魚是在亞洲原產的溫帶性淡水魚。喜歡生活在平原上的暖和湖泊，或水流緩慢的河川里。鯉魚的種類很多，約有2 900種。鯉魚的蛋白質含量高，并能供給人體必需的氨基酸、礦物質、VA和VD，鯉魚的脂肪多為不飽和脂肪酸，能很好的降低膽固醇，可以防治動脈硬化、冠心病。鯉魚在儲存過程中易受多種因素的限制而發(fā)生腐敗變質，在儲存期間鯉魚的各種指標會發(fā)生變化，感官評價由于人為的因素參考性很差，理化指標動力學模型在預測肉類貨架期方面有廣泛的應用[1-4]。電子鼻又稱人工嗅覺分析系統(tǒng)，是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新穎的技術，它模仿了生物的嗅覺功能，可以快速的檢測食品的揮發(fā)性氣味，測定的范圍很廣，是可靠的科研儀器，功能非常強大，電子鼻在食品保鮮方面的應用是非常廣泛的[5-9]。

本實驗是對不同儲存期和儲存溫度下的鯉魚肉餡進行電子鼻分析、TVB-N和菌落總數測定、感官評價，探索電子鼻分析與理化指標之間的關系。

1 材料與方法

1.1 原材料、試劑與設備

1.1.1 原材料

實驗所用的鯉魚購于農貿市場，進行刮鱗，去皮、去內臟、去尾、除刺。然后把得到的魚切小塊，在絞肉機中絞成肉泥。然后把加工成的肉泥分成3等分，進行調餡，然后裝入袋中，真空包裝，分別貯存于-4、2、8℃條件下，每隔1天取樣進行電子鼻分析、TVB-N和菌落總數測定、感官評價。每種貯藏條件下的樣品的每個指標測定3次，取平均值。

1.1.2 試劑與設備

瓊脂：生化試劑，天津市福晨化學試劑廠；牛肉膏：生化試劑，北京奧博星生物技術有限責任公司；蛋白胨：生化試劑，天津市英博生化試劑有限公司；1.0%氧化鎂混懸液；2.0%硼酸吸收液；1∶1的0.01%次甲基藍和0.02%次甲基紅混合指示劑；電子天平：上海精天電子儀器有限公司；Pen3便攜式電子鼻：德國AIRSENSE公司；梅特勒-托利多pH計：梅特勒-托利多中國；通風廚：佛山市三水區(qū)科藝實驗室設備研制廠；恒溫搖床振蕩器：哈爾濱市東明醫(yī)療儀器廠；恒溫恒濕培養(yǎng)箱：廣東省醫(yī)療器械廠；K360凱式定氮儀：瑞典BUCHI公司；酸式滴定管、燒杯、容量瓶等。

1.2 電子鼻系統(tǒng)

電子鼻是人們通過模仿生物的嗅覺系統(tǒng)而研制的一個電子“嗅覺”系統(tǒng)，由傳感器陣列及自動化模式識別系統(tǒng)所構成的，是評價分析對象整體特性的現代化分析檢測儀器[10-11]。電子鼻可以對樣品中揮發(fā)性成分的整體信息進行快速測定。原理圖見下面：

圖1 電子鼻的簡單原理圖Fig.1 Simpleschematic diagraMof an electronic nose

其中，電子鼻包含S1（芳香苯類）、S2（氨氧化物）、S3（氨類）、S4（氫氣）、S5（烷烴）、S6（甲烷）、S7（硫化氫）、S8（乙醇）、S9（硫化氫類）和S10（芳香烷烴）共10個金屬氧化物傳感器陣列。響應值為傳感器接觸到樣品揮發(fā)物后的電導率G與傳感器在氣體經過標準活性炭過濾后的電導率G0的比值（G/G0）。

1.3 試驗方法

1.3.1 TVB-N的測定

準確稱取樣品10 g于750mL管中，加入100mL純水，用磁力攪拌器進行攪拌，浸泡30min后過濾，濾液置于冰箱備用。吸取5.0mL樣品濾液于體積為300.0mL消化管中，加入5mL氧化鎂混懸液，迅速放人自動定氮儀蒸餾，待儀器自動蒸餾，鹽酸滴定后計算并打印結果。同時做空白試驗。每個樣品重復3次，最后結果取平均值。

1.3.2 菌落總數的測定

按GB/T 4789.2—2010方法測定。

1.3.3 電子鼻分析

采用PEN3電子鼻測定。

稱取5g切碎的肉餡裝入10mL小瓶內，加蓋密封，平衡30min后進行檢測，每個樣品制備重復3次[12-13]。

1.3.4 感官評價

對產品總體質量進行感觀評定，評定小組由10人組成，從外觀、口感、組織結構3個方面進行評價，滿分為5分，取3個方面的平均值做記錄，作為感觀評價結果。

1.3.5 數據處理

用spss17.0進行數據處理，P＜0.05為顯著差異。

1.4 預測方法

貯藏過程的品質可用化學反映動力學來表示[14-15]，基本公式為：

式中：A表示某種指標的濃度，t為時間，k為速率常數，n為反映級數，大多數的食品符合0級或1級動力學模型。溫度對反應速率常數會有一定的影響作用，符合Arrhenius方程：

其中：ko為頻率因子，E為反應活化能，kJ/mol，R為氣體常數（8.314 J/mol·K）

用上式對貯存過程中各個指標的反應速率常數與溫度的關系進行考察，將不同溫度下的反應速率常數取自然對數后，對1/T作圖，得反應活化能E和ko，由式（1）和式（2）可知，±dA/dt=k×An=koe-E/RTAn。若反應動力學能級選擇1級，則F（A）=kt=koe-E/RT×t=lnA-lnAo，t=（lnA-lnAo）/koe-E/RT。

2 結果與討論

2.1 理化指標分析

2.1.1 TVB-N的分析

由圖2可以看出，揮發(fā)鹽基氮的量隨著儲存時間的延長呈現增長的趨勢，揮發(fā)鹽基氮在貯藏初期增長的較為緩慢，隨著儲存時間的延長，增長的幅度越來越大，揮發(fā)鹽基氮是肉類由于酶和細菌的作用，在腐敗過程中蛋白質分解產生氨及胺類等堿性含氮物質。

圖2 魚肉餡不同儲存溫度下的揮發(fā)鹽基氮Fig.2 Volatilebasic nitrogen of the carpMeat in different storage teMperatures

2.1.2 菌落總數的分析

菌落總數反應了食品被污染的程度。由圖3可以看出低溫可以抑制微生物的生長，使其生長速率變小。低溫只是抑制微生物增殖，溫度上升，細菌數會再度急劇增加。而且低溫微生物能夠在5℃左右或更低的溫度（甚至-20℃以下）下生長繁殖，如李斯特菌能在低于0℃下生存[16]。

圖3 魚肉餡不同儲存溫度下的菌落總數變化Fig.3 The totalnumber of colonies changeof the carpMeat in different storage teMperatures

2.1.3 感官評價的分析

感官評價是確定食品貨架期的關鍵因素，由圖4可以看出感官評價得分隨著貯存時間的延長不斷的下降。-4℃下保存的肉餡品質變化要明顯低于其它2個溫度。當感官評分為1.5時，貨架壽命已經達到終點。通過感官評價可知，肉餡在269K條件下的貯存期為42 d，在275K條件下的貯存期為17 d，在281 K條件下的貯存期為7 d。

2.1.4 理化指標的數據分析

對理化指標揮發(fā)鹽基氮和菌落總數進行回歸分析，得到2個指標的動力學模型參數，見表1。

由表1可知，對回歸方程進行比較，2個理化指標的反應速率常數隨著溫度的升高而上升，溫度越高，食品的保鮮時間就越短[10]。經分析發(fā)現，揮發(fā)鹽基氮和菌落總數反應動力學等級選擇1級。

圖4 不同儲存溫度下的感官評分Fig.4 Thesensory scoresof the carpMeat in different storage teMperatures

表1 理化指標品質變化動力學模型參數Table1 Thephysicaland cheMical indicatorsquality changes in kineticmodelparaMeters

2.1.5 理化指標動力學模型的建立

將2個化學指標不同溫度下的反應速率常數取自然對數后，對1/T作圖，得到：

揮發(fā)鹽基氮的反應速率常數lnk與溫度1/T的關系：Y=-10 778.796X+36.708，R=0.998

菌落總數的反應速率常數lnk與溫度1/T的關系：Y=-16 932.549X+57.807，R=0.979

由線性方程可得3個指標的反應活化能E和頻率因子ko，見表2。

表2 2個指標活化能和頻率因子的計算值Table2 Activation energy and frequency factor

鯉魚肉餡貯藏期間貨架期的預測模型包括揮發(fā)鹽基氮和菌落總數2個預測模型，這2個模型可以反應肉餡在儲存期間品質的變化，將建立的2個模型對魚肉餡在不同的儲存溫度下的貨架期進行預測，表3為模型的驗證結果，如下。

從表3可以看出，菌落總數預測的魚肉餡貨架期誤差過大，揮發(fā)鹽基氮預測的魚肉餡貨架期較為準確，因此實驗適宜采用揮發(fā)鹽基氮作為預測貨架期的指標。揮發(fā)鹽基氮預測模型為：t=1.662 9×10-16×e10778.796/T。

表3 2個指標模型的驗證結果Tab le3 Modelvalidation resu lts

2.2 電子鼻分析

2.2.1 電子鼻的信號分析

從傳感器直接采集的數據很多，為了量化這些數據，本實驗取各傳感器對不同儲存溫度和儲存時間的鯉魚樣品響應的穩(wěn)定值為特征值進行信號分析和處理，穩(wěn)定信號取3個連續(xù)的時間點（70 s~72 s）求平均值得到。將貯存于-4、2、8℃條件下，每隔1天取樣進行的電子鼻分析的信號進行處理，得出輸出信號與時間的變化關系，見圖5~圖7。從圖中可以看出，氣體傳感器輸出信號隨時間延長基本呈增大的趨勢，變化趨勢基本相同，相應的菌落總數和揮發(fā)鹽基氮的曲線見圖2~圖3。在3種溫度下儲存的樣品，隨著儲存時間的延長，樣品的品質逐漸變差，下降速度與溫度是相關的。對比傳感器的響應趨勢也與菌落總數和揮發(fā)鹽基氮的趨勢是一致的。S2（氨氧化物）、S3（氨類）2個傳感器隨著儲存時間的延長呈現規(guī)律的變化，S2傳感器響應值逐漸增大，S3傳感器響應值逐漸減少。

圖5 -4℃儲存?zhèn)鞲衅麝嚵许憫狥ig.5-4℃storage sensor array response

圖6 2℃儲存?zhèn)鞲衅麝嚵许憫狥ig.6 2℃storage sensor array response

圖7 8℃儲存?zhèn)鞲衅麝嚵许憫狥ig.7 8℃storage sensor array response

對S2（氨氧化物）、S3（氨類）2個傳感器的響應信號進行數據處理，得到不同的儲存溫度下2個傳感器響應信號隨時間的變化曲線，符合1級動力學模型，見下表4。

表4 傳感器的響應信號與時間的關系曲線Table4 Responseof thesensor signalversus tiMe curve

S2、S3 2個傳感器主要是對氨氧化物和胺類物質敏感，而揮發(fā)鹽基氮是肉類由于酶和細菌的作用，在腐敗過程中蛋白質分解產生氨及胺類等堿性含氮物質，所以S2、S3 2個傳感器與揮發(fā)鹽基氮和菌落總數2個指標有很大的關聯(lián)。結合表1和表3，預測貨架期的揮發(fā)鹽基氮和菌落總數2個指標與電子鼻S2、S32個傳感器的變化曲線均符合1級動力學模型，揮發(fā)鹽基氮和菌落總數與S2傳感器的變化曲線趨勢是一致的。

2.2.2 電子鼻的PCA分析

PCA分析是主成分分析方法，只能單獨使用，PCA圖上顯示的是二維圖。它是通過降維的方式來分析不同條件下?lián)]發(fā)性氣味的關系，當2個主成分的貢獻率大于85%時，模板有效。

從圖8~圖10可以看出，揮發(fā)性氣味隨貯存時間的延長而發(fā)生改變，不同的儲存溫度的PCA圖是不同的。樣品在-4℃下儲存的揮發(fā)性氣味的電子鼻PCA：第一主成分貢獻率為84.561%，第二主成分貢獻率為12.059%，總貢獻率為96.619%。貢獻率越大說明肉餡的氣味成分能較好的被區(qū)分。圖中顯示肉餡揮發(fā)性氣味隨時間的變化是非常明顯的。隨著貯藏時間的延長，樣品1 d~5 d天先延PC1軸向左，PC2軸向下，5 d~ 9 d天后延PC1軸向右，PC2軸向下，9 d~11 dPC1軸向左，PC2軸向上分布的。貯藏前7天氣味分布較接近，貯藏1 d~9 d氣味基本是沿PC2軸向下分布的，9 d~ 11 d主成分方向發(fā)生改變，這可能是由于在貯藏期間揮發(fā)性氣味被不斷釋放造成的。樣品在2℃下儲存的揮發(fā)性氣味的電子鼻PCA：第一主成分貢獻率為75.617%，第二主成分貢獻率為18.331%，總貢獻率為93.948%。隨著貯藏時間的延長，氣味主成分1 d～3 d先沿PC1軸向右，PC2軸向下分布，3 d～5 d沿PC1軸向左，PC2軸向上分布，5 d～7 d沿PC1軸向右，PC2軸向下分布，7 d～9 d沿PC1軸向左，PC2軸向下分布，9 d～11 d沿PC1軸向右，PC2軸向上分布，這種變化表示揮發(fā)性氣味的變化是非常顯著的。樣品在8℃下儲存的揮發(fā)性氣味的電子鼻PCA：第一主成分貢獻率為65.256%，第二主成分貢獻率為22.044%，總貢獻率為87.3%。隨著貯藏時間的延長，氣味主成分沿PC1軸向左，1 d～3 d先沿PC2軸向下分布，3 d～5 d沿PC2軸向上分布，5 d～9 d沿PC2軸向下分布，9 d～11 d沿PC2軸向上分布，可以看出肉餡中的揮發(fā)性氣味隨著時間的延長變化是非常明顯的。

圖8 -4℃儲存揮發(fā)性氣味的分析Fig.8-4℃storageanalysisof volatileodor

圖9 2℃儲存揮發(fā)性氣味的分析Fig.9 2℃storageanalysisof volatileodor

3 結論

1）通過對魚肉餡在不同貯存溫度下的電子鼻、TVB-N、菌落總數進行分析，建立符合條件的動力學模型，結果表明TVB-N均能較好的反應魚肉餡在貯存過程中品質的變化，并建立指標的1級動力學模型，并預測了魚肉餡的貨架期，TVB-N預測貨架期的模型為t=1.662 9×10-16×e10778.796/T（其中T為溫度，K）。

圖10 8℃儲存揮發(fā)性氣味的分析Fig.10 8℃storageanalysisofvolatileodor

2）通過電子鼻分析可知，通過對不同儲存溫度和儲存時間的鯉魚樣品響應的穩(wěn)定值為特征值進行信號分析和處理表明S2（氨氧化物）、S3（氨類）兩個傳感器的響應信號的變化曲線符合1級動力學模型，揮發(fā)鹽基氮和菌落總數與S2傳感器的變化曲線趨勢是一致的。PCA分析表明揮發(fā)性氣味隨貯存時間的延長而發(fā)生改變，這種變化是非常顯著的。

3）通過上面的分析，可以看出電子鼻對揮發(fā)性氣味的分析與理化指標有良好的對應性，本實驗可以預測鯉魚肉餡的貨架期，并且結合電子鼻技術對揮發(fā)性氣味的變化進行分析，解決了感官評價的一些限制因素。

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Evaluation and Research of the Fish Meat Shelf Life Prediction of Electronic Nose

WANGPan，ZHANGKun-sheng*，RENYun-xia
（Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology，Departmentof Food Engineering，Tianjin Universityof Commerce，Tianjin 300134，China）

This study is the carp meat quality changes in the different storage temperatures.Carp meat is in differentstorage temperature（-4，2，8℃）and thephysicaland chemicalindicatorsin thestorage time including the TVB-N，totalnumberofcolonieswere determined toestablish a dynamicmodelof the two indicators，and they are fitwith the Arrheniusequationhigh.By the equation the shelf life of fishmeat can getan accurate forecast. Volatileodorof fishmeatof theelectronic noseanalysisofdataobtained froMthe sensorsignalsand theprincipal component（PCA）analysis，the sample response of the stable value of the eigenvalues for signal analysis and processingshow thatS2（nitrogen oxide），S3（ammonia）responseofthesensorsignalcurveof thekineticmodel，the curve trend is consistentwith the volatile basic nitrogen and sulfur and S2 sensor.PCA analysis showed that the volatile components change in storage time，this change is very significant.Volatile odor of fishmeatof the electronicnoseanalysisis fitwith thephysicaland chemicalindicators.

carpmeat；the shelf life；electronic nose；the kineticmodel

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.18.086

2014-09-24

國家科技支撐計劃重點項目（2012BAD37B06）

王盼（1986—），女（漢），碩士研究生，研究方向：食品加工與貯藏。

*通信作者：張坤生（1957—），男（漢），教授，博士，研究方向：食品加工與貯藏。