基于電子鼻的桑葚采后品質預測

石國英，高思宇，韋靜靜，房皓，黃曉杰

(遼寧醫學院 食品科學與工程學院，遼寧 錦州，121001)

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基于電子鼻的桑葚采后品質預測

石國英，高思宇，韋靜靜，房皓，黃曉杰*

(遼寧醫學院 食品科學與工程學院，遼寧 錦州，121001)

摘要以桑葚為研究對象，以失重率、腐爛指數和感官評分為指標，結合電子鼻檢測，探究20℃和4℃貯藏條件下桑葚果實品質變化規律。結果表明：失重率、腐爛指數均隨著貯藏時間的延長而呈現不同程度的增加，而感官評分逐漸下降。桑葚果實揮發性氣體成分隨著貯藏時間的延長也發生了明顯的變化。利用PCA、LDA方法能有效區分桑葚果實的貯藏期，總體來看，電子鼻分析結果與感官分析的結果基本一致，即電子鼻可用于快速評價桑葚品質。

關鍵詞溫度；貯藏期；主成分分析；線性判別分析；負荷加載分析

桑葚(mulberry fruit)，又稱桑果、桑棗，為?？坡淙~喬木桑樹的成熟果穗，每年4～6月份果實成熟[1]。桑葚味甘性寒，酸甜汁多，營養豐富，富含鞣酸、蘋果酸、多種維生素和人體必需的氨基酸及Zn、K、Mg、P等微量礦質元素，成熟桑葚含有豐富的花色苷化合物，具有良好的保健功能[2]。桑葚最大弱點是不耐貯藏，采收后極易失水、衰老腐敗。桑葚果實貯藏過程中隨果實衰老其揮發性物質也會發生改變，因此，建立基于電子鼻檢測桑葚果實揮發物質來判斷其品質具有可行性。

電子鼻技術是基于傳感器陣列對不同種類氣味的特定響應，結合化學計量學方法進行判別、聚類分析，具有快速、無損、重復性好的特點，廣泛用于果蔬新鮮度、成熟度判別、病害檢測等[3]。張鵬[4]等利用電子鼻對不同貨架期內的富士蘋果揮發性物質進行檢測，結果顯示電子鼻可快速判別不同貨架期的蘋果。胡桂仙[5]等利用電子鼻對柑橘的成熟度進行了無損檢測分析，建立了電子鼻響應與成熟度之間的關系，證明了電子鼻能夠檢測區分不同成熟度的柑橘。朱丹實[6]等通過電子鼻技術結合感官分析對鮮切菠蘿的貯藏品質變化進行研究，研究結果顯示電子鼻分析結果與感官分析的結果基本一致，即電子鼻可用于快速評價菠蘿貯藏品質。樊麗[7]等利用電子鼻和氣相色譜-質譜聯用技術研究嘎啦蘋果在20 ℃貯藏期間芳香品質的變化，結果表明，通過線性判別分析可以將不同貯藏期的蘋果區分開。近年來，電子鼻在果蔬品質評價中的應用越來越廣泛，但關于電子鼻對桑葚品質評價的研究還未見報道。本研究在20℃和4℃條件下貯藏桑葚，通過電子鼻對不同貯藏溫度下桑葚果實的揮發性氣體進行檢測，結合理化、感官指標的測定，分析其變化趨勢，利用主成分分析(PCA)、線性判別分析(LDA)和負荷加載(Loadings)方法研究了電子鼻對不同貯藏溫度下果實區分效果。

1材料與方法

1.1材料與儀器

桑葚，2015年6月采自遼寧錦州北普陀山； 紫外可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司；TGL-16G高速離心機，飛鴿牌系列；MIR-254-PC低溫保存箱，松下健康醫療器械株式會社；PEN3型便攜式電子鼻，德國Airsense公司。

1.2實驗方法

1.2.1樣品處理

挑選大小，色澤，外形均勻一致的桑葚果實，每125g為一組裝于保鮮盒內，分別在20℃和4℃，相對濕度85%～90%條件下貯藏，20℃貯藏的果實每1d測定相關品質指標，4℃貯藏的果實每2d測定相關品質指標，每次測定重復3次。

1.2.2失重率的測定

(1)

1.2.3腐爛指數測定

參照陳學紅[8]等的方法測定，腐爛指數以桑葚果實表面發生汁液外漏、軟化或腐爛現象作為判斷依據。按腐爛面積將果實劃分為4級：0級，無腐爛；1級，果實有1～3個小腐爛斑點；2級，腐爛面積占果實面積的25%～50%；3級，腐爛面積大于果實面積的50%，按照公式計算果實腐爛指數：

(2)

1.2.4感官評價

取電子鼻檢測后的桑葚果實，由10位感官評定人員進行打分，采用五分制[9]，感官評分表見表1，結果取平均值。

表1　桑葚感官評分表

1.2.5電子鼻檢測

取貯藏的桑葚果實，回溫0.5h至室溫后，一個樣本(含5粒桑葚)放入250 mL燒杯中，并用保鮮膜封口，靜置15 min后用PEN3電子鼻測定桑葚的揮發性氣味。儀器設定條件為：傳感器清洗時間80 s，自動調零時間10 s，樣品準備時間10 s，樣品測試時間80 s，樣品測定間隔時間1s，自動稀釋0，內部流量300 mL/min，進樣流量300 mL/min。選取測定過程中趨于穩定的第50～52 s數據進行后續分析，每次測量前后，傳感器均要進行清洗和標準化，每個處理重復測定10次。PEN3型便攜式電子鼻傳感器性能描述見表2。

表2　電子鼻傳感器名稱與其響應物質

1.3數據處理

采用電子鼻Winmuster分析軟件進行主成分分析(principal component analysis，PCA)，線性判別分析(linear discrimination analysis，LDA)和負荷加載分析(loadings，LA)。SPSS軟件進行統計分析，P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異極顯著。

2結果與分析

2.1桑葚失重率的變化

失重率的變化直接影響到桑葚的新鮮度，由圖1可以看出，隨著貯藏時間的延長，溫度的升高，桑葚的內部呼吸作用和蒸騰作用加快，導致其失重率提高[10]。20℃貯藏的桑葚果實失水速度顯著高于(P<0.05)4℃貯藏果實，貯藏初期果實失重率升高明顯，貯藏3d失重率達到20.45%，而后失重率增加緩慢。4℃貯藏果實在貯藏初期失重率增加緩慢，貯藏6d失重率大幅度增加。

圖1　20℃和4℃貯藏條件下桑葚失重率的變化Fig.1　Changes in weight loss of mulberry fruits during storage at 20 ℃ and 4 ℃

2.2桑葚腐爛指數的變化

腐爛指數是衡量桑葚新鮮度的重要指標，桑葚室溫條件下容易腐爛。如圖2所示，20 ℃條件下貯藏桑葚果實的腐爛指數呈快速上升趨勢，貯藏3 d腐爛指數已經達到70.89%，而低溫有利于維持桑葚采后貯藏品質，4 ℃貯藏條件下，桑葚果實在貯藏前4 d差異不明顯，第6天開始，果實開始出現輕微腐爛，腐爛指數為10.23%，低溫有利于延長桑葚果實的貯藏期。

圖2　20℃和4℃貯藏條件下桑葚腐爛指數的變化Fig.2　Changes in decay rate of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

2.3桑葚感官品質的變化

感官形態是判斷桑葚果實采后品質特性變化最直觀的方式，隨著貯藏時間的延長，桑葚的感官評分呈現持續下降的趨勢。貯藏溫度越高，感官評分下降速率越快。20℃貯藏2d果實的感官評分為2.5分，4℃貯藏6 d果實的感官評分為2.9分，根據感官評定標準可知，此時果實已不具有食用價值。

2.4電子鼻檢測結果

2.4.1電子鼻雷達圖

對不同溫度貯藏條件下的桑葚果實氣味變化進行電子鼻檢測，雷達結果如圖4和圖5所示。雷達圖是利用電子鼻的不同傳感器所檢測到的不同類型揮發物質的特征圖。10個坐標軸代表10個傳感器，傳感器的響應值越高就越向圓心靠近[4]。由圖4和圖5可知，傳感器1、2、3、6、7、8、9對桑葚鮮果氣味有響應，20℃貯藏的桑葚果實貯藏初期，雷達圖的外形和面積明顯減小，貯藏2d僅傳感器7有較大響應值，貯藏末期雷達圖面積變化不明顯，這與果實的理化指標變化一致。4℃貯藏果實在貯藏初期，雷達圖的外形和面積變化不明顯，貯藏6d后面積顯著減小，這可能是果實因衰老而特征香氣損失，整個貯藏過程中，傳感器2對果實揮發性物質均有相應，這與20℃貯藏結果不同。不同貯藏溫度、不同貯藏時間桑葚特征雷達圖的不同傳感器響應值均有差異，因此，利用電子鼻區分不同溫度貯藏條件下的桑葚果實是可行的。

圖3　20℃和4℃貯藏條件下桑葚感官評分的變化Fig.3　Changes in sensory evaluation of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

圖4　20 ℃貯藏條件下桑葚果實揮發性物質的雷達圖Fig.4　Radars charts of the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20 ℃

圖5　4 ℃貯藏條件下桑葚果實揮發性物質的雷達圖Fig.5　Radars charts of the volatile substance of mulberry fruits during storage at 4 ℃

2.4.2主成分分析結果

主成分分析(PCA)是利用降維的思想，在損失較少信息的前提下將多個指標轉化為幾個綜合指標的統計方法，在PCA分析圖上顯示主要的兩維散點圖。能夠很好地展示樣品間的差異，可提高分析效率[11]。圖6是不同貯藏溫度下桑葚果實的PCA分析圖，20℃貯藏和4℃貯藏桑葚的主成分1和主成分2的貢獻率分別為98.62%和89.86%，1.28%和8.51%，總貢獻率分別為99.9%和98.37%，表明2個主成分已經基本代表了樣品的主要信息特征，電子鼻能夠對其貯藏時間加以區分。20℃貯藏的桑葚果實第0天和第1天的揮發性物質成分區域較為接近，說明20℃貯藏1 d桑葚果實揮發性物質變化不大，而貯藏2 d時揮發性物質成分區域與0、1 d距離較遠，3 d和4 d果實的揮發性物質成分區域與2 d距離較遠，說明桑葚果實揮發性物質在貯藏2、3 d有變化，可以作為新鮮度變化的拐點，3 d和4 d果實的揮發性物質成分區域有部分重疊，說明果實在第3天已經出現衰老腐爛。4℃貯藏的桑葚果實0、4、6、8 d的揮發性物質成分區域可以明顯區分開來，而2 d的揮發性物質成分區域與0、4 d有部分重疊，說明果實在4℃貯藏前4 d揮發性物質變化不大，用PCA分析可以對不同貯藏期的桑葚果實進行區分。

a-20 ℃貯藏；b-4 ℃貯藏圖6　20℃和4℃貯藏條件下桑葚果實揮發性物質的PCA分析Fig.6　PCA analysis for the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

2.4.3線性判別分析結果

線性判別分析(LDA)是將所獲取的信息數據經線性組合而構造的判別函數，其可以最大限度地區分不同的樣本集[12]。圖7是不同貯藏溫度下桑葚果實的LDA分析圖，20℃貯藏和4℃貯藏桑葚的主成分1和主成分2的貢獻率分別為81.16%和95.46%，15.25%和2.02%，總貢獻率分別為96.41%和97.48%，表明2個判別式已經基本代表了樣品的主要信息特征，20℃貯藏的桑葚果實第3天和第4天有部分重疊，這與PCA分析結果一致。4 ℃貯藏的桑葚果實橢圓區域在圖7-b中有較好的變化趨勢，隨著貯藏時間延長，橢圓區域沿橫軸向左遷移，且幾乎不重疊，說明LDA分析能很好地區分不同貯藏溫度下桑葚果實的揮發性成分。

a-20 ℃貯藏；b-4 ℃貯藏圖7　20 ℃和4 ℃貯藏條件下桑葚果實揮發性物質的LDA分析Fig.7　LDA analysis for the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20 ℃ and 4 ℃

2.4.4載荷分析結果

載荷分析(Loadings，LA)用于判斷傳感器對揮發性氣味的貢獻率，傳感器的響應值越接近零，識別作用越小；越偏離零，識別能力越強[13]。圖8是不同貯藏溫度下桑葚果實的Loadings分析圖，桑葚果實在20 ℃和4 ℃下的Loadings分析，總貢獻率分別為99.9%、98.37%。對20 ℃貯藏的桑葚果實揮發性成分貢獻率最大的是W1W(7)和W1S(6)，W5S(2)和W2S(8)2個傳感器也有較大貢獻。對4 ℃貯藏的桑葚果實揮發性成分貢獻率最大的是W1W(7)和W2S(8)，W1S(6)傳感器也有較大貢獻。表明桑葚果實在貯藏過程中揮發性氣味中的萜烯類含量較高，芳香成分和醇類也占有一定比例。20 ℃和4 ℃貯藏的果實揮發性成分差異不大。

a-20 ℃貯藏；b-4 ℃貯藏圖8　20℃和4℃貯藏條件下桑葚果實揮發性物質的LA分析Fig.8　LA analysis for the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

3結論

桑葚果實在20 ℃和4 ℃貯藏過程中，其失重率、腐爛指數均隨著時間的延長而呈現不同程度的增加，而感官評分逐漸降低。桑葚果實揮發性氣體成分隨著貯藏時間的延長也發生了明顯的變化。利用PCA、LDA方法能有效區分桑葚果實的貯藏期，并同時運用于20 ℃和4 ℃貯藏果實。Loadings分析表明，傳感器W1W(7)、W2S(8)、W1S(6)和W5S(2)等在判斷不同貯藏期的桑葚果實品質上起到了較大的作用，主要傳感器相對電阻值隨貯藏時間體現一定變化規律。桑葚果實在20 ℃和4 ℃貯藏過程中，其理化指標的變化和揮發性氣體的變化趨勢一致，20 ℃貯藏的果實在第3天出現腐爛，而4℃貯藏的果實在第6天出現腐爛。

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Prediction of postharvest mulberry fruits quality by electronic nose

SHI Guo-ying, GAO Si-yu, WEI Jing-jing, FANG Hao, HUANG Xiao-jie*

(College of Food Science and Engineering, Liaoning Medical University, Jinzhou 121001, China)

ABSTRACTIn order to evaluate the quality of mulberry stored during 20 ℃ and 4 ℃, the changes of the weight loss, decay rate, sensory evaluation were measured. The volatile odor was determined by electronic nose. The results indicated that the weight loss and decay rate increased gradually and sensory evaluation decreased during storage at 20 ℃ and 4 ℃. And the volatile substance of mulberry also changed remarkable during storage. Electronic nose could identify mulberry stored at different temperature by PCA and LDA methods. Overall，results by electronic nose analysis were consisted with sensory analysis which indicated that electronic nose technique could be used in rapid evaluating quality of mulberry.

Key wordstemperature; storage periods; principal component analysis; linear discrimination analysis; loadings

收稿日期：2015-08-01，改回日期：2015-09-16

基金項目：2014年遼寧省大學生創新創業項目(201410160047)；2014年全國大學生創新創業訓練計劃項目；2014年遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2014325)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201603034

第一作者：本科生(黃曉杰副教授為通訊作者，E-mail:food_xiaojie@163.com)。