電子鼻技術研究臭氧水處理對羅非魚魚片的新鮮度的影響

顏明月，陸玉芹，陳德慰*

（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004）

電子鼻技術研究臭氧水處理對羅非魚魚片的新鮮度的影響

顏明月，陸玉芹，陳德慰*

（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004）

采用電子鼻PEN3系統對經不同臭氧水處理的羅非魚肉進行檢測。對傳感器進行相關性分析與Loadings分析，由W1C、W5S、W1S、W1W、W2S、W2W和W3S組成新的傳感器陣列。對優化后的傳感器陣列進行主成分分析，結合揮發性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）值、硫代巴比妥酸反應物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）值綜合評價臭氧水處理對羅非魚魚片的新鮮度的影響。結果表明，利用電子鼻技術得到羅非魚魚片的貯藏品質區分結果與TVB-N值、TBARS值0級動力學分析結果基本一致；1 mg/L臭氧水處理5 min不能明顯地減緩羅非魚魚片在貯藏期新鮮度下降，5 mg/L臭氧水處理10 min能明顯地減緩羅非魚魚片在貯藏期新鮮度下降。

電子鼻；臭氧水處理；羅非魚；新鮮度

羅非魚是我國主要養殖水產品，是世界水產業的重點科研培養的淡水養殖魚類，被譽為未來動物性蛋白質的主要來源之一。早在20世紀初期，國外就開始將臭氧應用于水產品保鮮中。在國內，臭氧已被廣泛的應用于產品加工中。

在貯藏過程中，水產品的新鮮度因微生物作用和生化反應的進行而不斷下降。目前評價臭氧水處理對羅非魚魚肉品質的影響已有研究[1-2]，但評價方法主要包括理化測定、微生物檢測和感官評價等，其中微生物檢測是評價新鮮度常用的指標。揮發性鹽基氮（total vola tile basic nitrogen，TVB-N）值是評價水產品新鮮度最為廣泛的指標之一，并可用于揭示微生物腐敗情況。脂質變質是由于不飽和脂肪酸氧化。不飽和脂肪酸對氧敏感，可發生自動氧化作用。脂肪氧化產生的許多揮發性化合物可能與感官特性有很好的相關性[3]。在水產品貯藏過程中脂質氧化產生的揮發性氣味物質已經被作為評價水產品腐敗變質的指標之一。但是評價魚的新鮮度的傳統方法，費時費力，操作繁瑣，因此，采用方便快捷的物理方法來確定魚的新鮮度是必要的。氣味是判斷水產品質量的重要指標之一。電子鼻是一種新穎的能對氣味進行感知、分析、識別和檢測的人工嗅覺系統，雖僅獲得一個整體信息，不能獲得氣體中各組成成分的具體含量等定量信息，但具有便于攜帶、操作簡單、檢測準確快速重復性好等優點[4-5]，目前已被廣泛地應用于食品新鮮度檢測中。

國外將電子鼻應用于檢測食品新鮮度的研究開始比較早。Korel等[6]采用電子鼻和色差儀分別對經0%、4%和8%的乳酸鈉處理并分別放置在1.7 ℃與7.2 ℃條件下貯藏12 d的羅非魚魚片進行檢測，結果表明，可利用電子鼻和色差儀根據羅非魚魚片的氣味和顏色對其進行分類。Balasubramanian等[7]采用電子鼻并結合微生物檢測對牛肉新鮮度進行研究，結果表明，電子鼻可以100%正確鑒別新鮮和變質的牛肉樣品。國內將電子鼻應用于檢測食品新鮮度的研究開始比較晚。Du等[8]采用電子鼻可區分－20、4、10 ℃條件下貯藏的不同感官新鮮度的大西洋鮭魚片。黃潔等[9]采用電子鼻檢測低溫貯藏羅非魚魚片獲得電子鼻響應值，并結合貯藏過程中羅非魚肉pH值與TVB-N值變化，建立羅非魚貯藏時間預測模型。洪雪珍等[10]采用電子鼻檢測不同冷藏時間的牛肉，結合感官評價、TVB-N和微生物含量分析，表明電子鼻可區分不同新鮮度的牛肉。劉壽春等[11]采用電子鼻采集貯藏過程中羅非魚魚片電子鼻響應值，結合感官評價、微生物和理化分析，表明電子鼻可快速檢測羅非魚魚片的品質劣變進程。但是將電子鼻應用于研究臭氧水處理對羅非魚魚片新鮮度的影響的研究少有報道。

本實驗主要采用電子鼻PEN3系統對經不同臭氧水處理的羅非魚魚片進行檢測，優化傳感器陣列組合，對優化后的傳感器陣列進行主成分分析（principle component analysis，PCA），結合TVB-N值、硫代巴比妥酸反應物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）值綜合評價經臭氧水處理的羅非魚魚片在貯藏過程中新鮮度的變化情況，探討臭氧水處理對羅非魚魚片新鮮度的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本實驗用羅非魚均從百貨超市購買，每尾羅非魚的質量為（500±50）g，暫養2 h。參考GB/T 27636—2011《凍羅非魚片加工技術規范》[12]對羅非魚進行宰殺。無任何處理為對照組。臭氧水質量濃度及處理時間設計為：1 mg/L、5 min，2.5 mg/L、10 min，5 mg/L、10 min。將臭氧水處理組和對照組用封口袋封裝并標記放入（1±1）℃冰箱內貯藏。分別于第 0、3、6、9、12、15天取樣并對樣品進行TVB-N值與TBARS值檢測，分別于第 0、3、6、7、8、9、12、15天取樣進行電子鼻檢測。

鹽酸、氫氧化鈉、硼酸、三氯乙酸（trichloroacetic acid，TCA）、硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）等均為分析純；1,1,3,3-四乙氧基丙烷為色譜純。

1.2 儀器與設備

PEN3便攜式電子鼻 德國Airsense公司；臭氧發生器廣州市鑫環電器科技有限公司；電子天平 諸暨市超澤衡管設備有限公司；冰箱 廣東容聲冰箱有限公司。

1.3 方法

1.3.1 TVB-N值測定

參考SC/T 3032—2007《水產品中揮發性鹽基氮的測定》[13]進行樣品TVB-N值測定。每組均進行3 次平行實驗。

1.3.2 TBARS值

依據Faustman等[14]的方法測定羅非魚肉的TBARS值。取5 g剪碎的魚肉到加入25 mL 20% TCA，20 mL 蒸餾水，均質。靜置1 h，2 000 r/min離心10 min，濾紙過濾。取8 mL 濾液于50 mL具塞試管中，加入2 mL 0.01 mol/L TBA，沸水中水浴25min，取出冷卻至室溫，在532 nm波長處測吸光度。每組實驗重復3次。丙二醛含量由1,1,3,4 -四乙氧基丙烷標準曲線確定。

1.3.3 電子鼻檢測

參考Huang Lin等[15]的方法，并略有修改隨機選取5.00 g魚肉放入25 mL燒杯中，用保鮮膜將燒杯密封，室溫條件下放置30 min使樣品的氣體揮發達到一定濃度。用檢測探頭插入燒杯頂空采集氣體，檢測時間60 s，參數獲取時間間隔為1 s，清洗時間100 s，傳感器流速600 mL/min。每組均進行3次平行實驗。

PEN3型電子鼻有W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W W3S共10個不同的傳感器，每個傳感器對不同的物質具有最大的響應值，見表1[16]。

表1 PEN3的標準傳感器陣列Table1 Response feature of the sensor array

1.4 數據分析

應用SPSS軟件（Version 17.0）、Excel對數據進行分析處理，Winmuster軟件對電子鼻檢測數據進行采集與處理，主要分析方法有：PCA、載荷分析（Loadings）。

2 結果與分析

2.1 臭氧水處理對羅非魚魚片TVB-N值的影響

TVB-N值是蛋白質在酶和細菌的作用下分解產生的氨以及胺類等堿性含氮揮發性化合物，這些物質是魚類腐敗后腥味的主要來源。TVB-N值是評價水產品鮮度的重要指標之一。GB 2733—2005《鮮、凍動物性水產品衛生標準》[17]中限定，淡水魚的TVB-N限量值為20 mg/100 g。一般認為，如果食品的某種品質的變化是由化學反應引起的，其反應產物質量濃度隨著時間變化而降低或是升高，用該品質變化表示的貨架壽命數據大多遵循0級或是1級模式[18]。羅非魚魚片在貯藏期間TVB-N值變化與貯藏時間之間的關系遵循0級動力學方程，作經不同處理的羅非魚魚片的TVB-N值對貯藏時間的變化曲線，求其0級動力學方程，如圖1所示。隨著貯藏時間延長，4 組羅非魚魚片TVB-N值均呈上升趨勢。在整個貯藏期間，對照組TVB-N值增加最為顯著，且始終高于臭氧水處理組。相同的貯藏時間，5 mg/L、10 min臭氧水處理組TVB-N值最小。對照組，1 mg/L、5 min，2.5 mg/L、10 min，5 mg/L、10 min的R2分別為0.98、0.98、0.99、0.98。

圖1 貯藏過程中羅非魚片TVB-N值變化Fig.1 Changes in TVB-N value of tilapia during storage

TVB-N值大于20 mg/100 g表明羅非魚魚片已變質，通過求得的0級動力學方程計算可得，對照組，1 mg/L、5 min，2.5 mg/L、10 min，5 mg/L、10 min變質肉最大可接受的貯藏時間為7.5、9.0、10.4、11.6 d。

2.2 臭氧水處理對羅非魚魚片TBARS值的影響

不飽和脂肪酸的氧化產物醛類可與硫代巴比妥酸生成有色化合物，TBARS值可反映脂肪深層氧化程度。普遍研究認為，TBARS值處于0.20～0.66 mg/kg時，為良質肉；超過1 mg/kg時，為變質肉，被認為已嚴重氧化，產品不能食用[19]。羅非魚魚片在貯藏期間TBARS值變化與貯藏時間之間的關系遵循0級動力學方程，做經不同處理的羅非魚魚片的TBARS值對貯藏時間的變化曲線，求其0級動力學方程，如圖2所示。對照組、1 mg/L、5 min，2.5 mg/L、10 min，5 mg/L、10 min的R2分別為0.98、0.98、0.99、0.99。

以TBARS值大于0.66 mg/kg，表明品質下降，屬非良質肉，通過求得的0級動力學方程計算可得，對照組，1 mg/L、5 min，2.5 mg/L、10 min，5 mg/L、10 min最大可接受的貯藏時間分別為8.9、7.7、7.1、6.9 d。

結合TVB-N值與TBARS值，對照組，1 mg/L、5 min，2.5 mg/L、10 min，5 mg/L、10 min羅非魚魚片品質最大可接受的貯藏時間平均值分別為8.2、8.4、8.8、9.3 d。

圖2 貯藏過程中羅非魚魚片TBARS值變化Fig.2 Changes in TBARS value of tilapia during storage

2.3 電子鼻分析

2.3.1 電子鼻對羅非魚肉氣味特征的響應

分別對不同臭氧水處理的羅非魚魚片進行電子鼻分析。檢測羅非魚魚片氣味特征，獲得電子鼻10 個傳感器的響應圖。圖3是典型電子鼻響應曲線，橫坐標表示數據采集時間，縱坐標表示傳感器電導率比值G/G0，圖中每一條曲線分別代表一個傳感器，曲線的變化情況對應相對電阻率變化情況。由圖3可知，傳感器相對電阻率先增大后減小逐漸趨于穩定，因此選取48～52 s的數據進行分析。電子鼻對羅非魚魚片的揮發性氣味有明顯的響應，且不同的傳感器對羅非魚的揮發性氣味的響應各不相同。表明可利用電子鼻PEN3系統檢測經臭氧水處理的羅非魚魚片氣味變化情況。

圖3 典型電子鼻響應曲線Fig.3 Typical response curves of electronic nose for tilapia during storage

2.3.2 傳感器陣列優化

增大傳感器數目，產生的不利影響主要有：隨著傳感器增加，有效信息增加的同時也產生無用的冗余信息；數據量增大，增加數據處理技術和數據處理能力的要求[20-21]。因此對傳感器陣列進行優化處理可將一些傳感器去掉，消除初始陣列的冗余信息從而提高電子鼻的判別率。對傳感器進行相關性分析，結果如表2所示，傳感器W1C和W3C，W3C和W5C在0.01水平差異不顯著，W1C和W5C，W6S和W5C在0.05水平差異不顯著。

表2 傳感器間相關系數Table2 Correlation coeffi cients of ten sensors

采用Loadings分析對傳感器貢獻率進行分析，某一傳感器的響應值接近于零，則表明該傳感器的識別作用可以忽略不計；若某一傳感器的響應值越偏離零，則說明該傳感器的識別能力越強[22-23]。Loadings因子相似的傳感器可以用其中一個來代表其他的傳感器。由圖4可知，W1S、W1W、W2W傳感器對PC1的貢獻率較大，其中W1S傳感器貢獻率最大，W1W、W2W、W5S對PC2貢獻率較大，其中W1W傳感器貢獻率最大，W5C、W6S傳感器響應值接近于0，表明二者在此次實驗分析中，對結果貢獻率最低，在傳感器相關性分析中，W5C、W6S傳感器差異不顯著，因此去掉陣列中W5C、W6S傳感器。鐘賽意等[24]研究結果認為W1W與W2W傳感器是羅非魚貯藏過程中氣味劣變特征響應傳感器。王國超[25]采用PEN3型電子鼻對貯藏于－18 ℃不同時間的羅非魚魚片進行檢測，Loadings分析表明W1S 、W2S、W5S、W1W、W2W傳感器對結果貢獻率最大。因此去掉原有陣列中的W3C、W6S、W5C傳感器，由W1C、W5S、W1S、W1W、W2S、W2W和W3S組成新的陣列。

圖4 Loading傳感器貢獻率分析圖Fig.4 Loading analysis for contribution rates of different sensors

2.3.3 PCA

通過傳感器相關性分析與Loadings分析去掉原有陣列中的W3C、W6S、W5C傳感器，由W1C、W5S、W1S、W1W、W2S、W2W和W3S組成新的陣列，比較優化前與優化后電子鼻傳感器對羅非魚魚肉新鮮度區分能力方面的不同。

圖5 優化前傳感器陣列PCA圖Fig.5 PCA analysis of original sensory array

由圖5可知，對對照組、1 mg/L、5 min，2.5 mg/L、10 min，5 mg/L、10 min臭氧水處理的羅非魚魚片電子鼻響應值進行傳感器優化前后的PCA，優化前PC1與PC2累計貢獻率分別為99.78%、99.70%、99.73%、99.71%；優化后PC1與PC2累計貢獻率分別為97.63%、97.72%、98.54%、98.41%，雖然優化后主成分貢獻率略有下降但是各組數據的貢獻率均高于95%，表明2個主成分可代表樣品的主要信息特征，因此可用于代表羅非魚魚片的整體信息。對比優化前后傳感器陣列PCA圖可知（圖5、6），優化前有更多交叉重疊部分，表明優化后區分效果更顯著。

圖6 優化后傳感器陣列PCA圖Fig.6 PCA analysis of optimized sensory array

對優化后的傳感器陣列進行PCA，如圖6所示，分布距離相近表明揮發性氣味相近，分布距離遠表明揮發性氣味差異顯著。從圖6A看出，對照組羅非魚魚片0～12 d氣味響應值分布明顯分為兩部分，第一部分為0～8 d，第二部分為9～12 d，表明0～8d與9～12 d揮發性氣味差異顯著，8 d可用于表示魚肉新鮮度的躍變時間。如圖6B所示，1 mg/L、5 min羅非魚魚片氣味分布0～8 d距離較近，9 d均與0～8 d、12 d距離較遠，表明9 d與0～8 d、12 d揮發性氣味差異顯著，該組8 d后品質有一個躍變過程。如圖6C、D所示，此兩組羅非魚魚片0～12 d氣味響應值分布明顯分為兩部分，0～9 d為第一部分，12 d為第二部分，表明此兩組9 d后品質均有一個躍變過程，但5 mg/L、10 min組羅非魚魚片3～9 d重疊較多，可知3～9 d羅非魚魚片新鮮度變化緩慢。

貯藏前期，羅非魚魚片微生物含量較少，分解底物產生的揮發性氣味物質含量少，魚片因脂肪氧化等化學反應產生的揮發性氣味物質含量少，因此貯藏前期羅非魚魚片電子鼻響應值分布距離較近，新鮮度下降緩慢，魚肉品質變化不顯著。隨貯藏時間推移，微生物大量增殖，脂肪氧化程度加深，其氣味的變化逐漸增強，氣味響應值分布距離增大，表明羅非魚魚片新鮮度不斷下降。由TVB-N值與TBARS值0級動力學方程可知，對照組、1 mg/L、5 min，2.5 mg/L、10 min，5 mg/L、10 min羅非魚魚片品質最大可接受的貯藏時間平均值分別為：8.3、8.4、8.8、9.3 d。由PCA得到羅非魚魚片的貯藏品質區分結果與TVB-N值與TBARS值0級動力學分析結果基本一致，表明雖然PCA不能提供具體的羅非魚魚片品質最大可接受的貯藏時間，但是可將羅非魚魚片準確的區分為良質肉和非良質肉。

由電子鼻PCA可知1 mg/L、5 min臭氧水對羅非魚魚片進行處理并沒有能明顯地減緩羅非魚魚片在貯藏過程中新鮮度下降，5 mg/L、10 min臭氧水可明顯減緩羅非魚魚片在貯藏過程中新鮮度下降，這與TVB-N值與TBARS值0級動力學分析結果相一致。

3 結 論

分別建立TVB-N值、TBARS值與貯藏時間的0級動力學方程，求得對照組，1 mg/L、5 min，2.5 mg/L、10 min，5 mg/L、10 min羅非魚魚片品質最大可接受的貯藏時間平均值分別為8.3、8.4、8.8、9.3 d。

通過傳感器相關性分析與Loadings分析對電子鼻傳感器的陣列組合進行優化，由W1C、W5S、W1S、W1W、W2S、W2W和W3S組成新的傳感器陣列。

對優化后的傳感器陣列進行PCA，結果表明電子鼻可將貯藏過程中的羅非魚魚片區分為良質肉與非良質肉，羅非魚魚片品質躍變時間與TVB-N值、TBARS值0級動力學方程分析結果一致。1 mg/L臭氧水處理5 min不能明顯減緩羅非魚魚片在貯藏過程中新鮮度下降，5 mg/L臭氧水處理10 min可明顯減緩羅非魚魚片在貯藏過程中新鮮度下降。

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Application of Electronic Nose in Freshness Evaluation of Tilapia Fillets as Affected by Ozone Treatment

YAN Mingyue, LU Yuqin, CHEN Dewei*
(Institute of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

In this study, an electronic nose (PEN3) was used to investigate the fl avor of tilapia meat samples with different ozone water treatments. Correlation analysis and loading analysis were carried out on the W1C, W5S, W1S, W1W, W2S, W2W and W3S components constituting a new sensor array. The data were analyzed by principal component analysis (PCA) and total volatile basic nitrogen (TVB-N) and thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) were used as indicators to evaluate the freshness of tilapia fi llets. The results showed that the detection of electronic nose was basically consistent with the zero-grade reaction of TVB-N and TBARS analysis. The treatment with 5 mg/L ozone water for 10 min rather than with 1 mg/L ozone water for 5 min signifi cantly delayed freshness deterioration of tilapia fi llets during storage.

electronic nose; ozone treatment; tilapia; freshness

TS254.4

A

1002-6630（2015）20-0264-06

10.7506/spkx1002-6630-201520051

2015-01-09

國家星火計劃項目（2012GA790003）；南寧市科技攻關項目（20142306）；

廣西高校“廣西特色農產品精深加工及安全控制”重點實驗室項目

顏明月（1986—），女，碩士研究生，研究方向為水產品加工與貯藏。E-mail：yanmingyue@163.com

*通信作者：陳德慰（1975—），男，教授，博士，研究方向為水產品加工與保鮮。E-mail：chendw@gxu.edu.cn