基于電子鼻對不同發酵階段蟹醬 加熱前后特征風味的分析

黃 鶴,耿麗晶,陳 博,王 冠,劉 冰,陳冠男,王筱瑜

(錦州醫科大學食品科學與工程學院,遼寧錦州 121001)

蟹醬是以新鮮的海蟹為原料,經搗碎、加鹽腌制、發酵制成的一種糊狀發酵鮮味調料,是我國沿海地區常用的調味料之一,在烹飪中可用于各種新鮮蔬菜、肉類、湯類等菜肴的調味增鮮,也可單獨將蟹醬蒸熟佐餐食用[1]。蟹醬發酵風味形成的監測,一般主要依靠人工感官鑒定和理化指標來進行,感官鑒定對鑒定人員認知要求高且主觀隨意性強,而理化指標的檢測較費時、費力。電子鼻是仿照生物嗅覺系統,利用氣體傳感器陣列的響應曲線來識別氣味的一種電子系統,可對樣品中揮發成分的整體信息進行分析。利用電子鼻進行風味分析,既可避免主觀影響,又簡單、省時。且其與光譜儀、色譜儀等分析儀器最大的區別在于其得到的不是被測組分的定性或定量結果,而是樣品中揮發性成分的整體信息[2-5]。

近年來關于蟹醬的研究主要集中于菌種的分離純化鑒定[6]及常溫保鮮技術[7]等方面,而鮮見關于蟹醬風味的相關研究。本文利用PEN3電子鼻快速檢測不同發酵階段的蟹醬加熱前后風味的變化情況,結合主成分分析(principal component analysis,PCA)、傳感器載荷分析(loadings analysis,LA)和線性判別式分析(linear discriminant analysis,LDA),對不同發酵階段的蟹醬進行歸類,以期利用快速檢測手段針對蟹醬發酵程度做無損檢測分析,達到助力于生產品質監控的目的,同時為進一步研究蟹醬的風味形成機理提供了基礎信息。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮低值海蟹(Charybdisjaponica) 寬度4～6 cm,錦州水產批發市場;食鹽 市售。

YP600型電子天平 上海第二天平儀器廠;PEN3型便攜式電子鼻 德國Airsense公司,該電子鼻傳感器陣列由10個金屬氧化物傳感器構成,各傳感器性能詳見表1。

表1 PEN3型電子鼻標準傳感器陣列性能Table 1 Properties of standard sensors on PEN3 electronic nose

1.2 實驗方法

1.2.1 蟹醬的制備及樣品采集

1.2.1.1 制醬 原料蟹洗凈瀝水→去殼、鰓、胃囊等污物→搗碎至組織均勻→放入發酵罐→加入其重量20%的食鹽,拌勻腌漬→壓緊抹平表面,加蓋密封,每天攪拌一次。

1.2.1.2 樣品處理 取不同發酵天數(0、4、8、12、16、20、24、28 d)蟹醬樣品,每天清晨攪拌后取樣。準確稱取各階段樣品各10.0 g于50 mL螺紋口樣品瓶中,室溫平衡1 h。同時稱取各階段樣品10 g于100 mL燒杯,加入20 mL蒸餾水煮制5 min,冷卻后轉移至螺紋口樣品瓶中,室溫平衡1 h。

1.2.2 電子鼻檢測 傳感器室流量300 mL/min,測量樣品流量300 mL/min,清洗時間100 s,測試時間80 s,頂空溫度25 ℃。每個樣品平行測試3 次,取傳感器處于最穩定信號時間點進行分析。

1.2.3 數據分析 電子鼻測量數據利用PEN3型電子鼻內部WinMuster 1.6.2軟件進行主成份分析、線性判別分析及傳感器載荷分析;實驗結果采用“平均值±標準差”形式表示,采用SPSS 22.0軟件和Excel 2007軟件進行數據處理。

2 結果與討論

2.1 電子鼻對蟹醬特征風味的響應

圖1A～圖1D分別為電子鼻檢測煮制前及煮制后未發酵蟹醬和發酵28 d蟹醬的傳感器響應曲線,如圖1,曲線普遍在75～80 s最為平穩,因此特征值提取時間點設定為75～80 s。同時圖中可看出,電子鼻的R7(無機硫化物、萜類)、R9(有機硫化物)、R6(甲基類)傳感器對蟹醬樣品的響應值較大,而其余7個傳感器的響應值都在1左右且變化極小。傳感器響應值越大,表明蟹醬中該傳感器代表的某類物質濃度越大。因此可以說明,在發酵各階段以及煮制前后,蟹醬的特征風味均可能來自于無機硫化物、有機硫化物及甲基類物質或其相關成分。

圖1 電子鼻對蟹醬風味的響應曲線Fig.1 Response curves of electronic nose to crab paste flavor注:A為煮制前發酵0 d蟹醬響應曲線、B為煮制前發酵28 d蟹醬響應曲線、 C為煮制后發酵0 d蟹醬響應曲線、D為煮制后發酵28 d蟹醬響應曲線。

圖2A、圖2B分別為煮制前后蟹醬的電子鼻傳感器響應值隨發酵時間變化情況。蟹醬在煮制前,R7、R9和R6傳感器響應值總體隨發酵過程而發生了波動式的減小,4 d后開始明顯變化;而對于煮制后蟹醬3組傳感器響應值則表現總體為隨發酵過程而逐漸增大,發酵第12 d尤為突出,發生急速增大而后減小;對比發酵前后響應值變化可知,煮制后R7、R9和R6傳感器響應值比煮制前有所增大。揮發性的含硫化合物閾值較低,對食品整體風味有重要貢獻。其主要來自于原料中蛋氨酸等含硫氨基酸的降解,或由海產品肌肉組織中的谷胱甘肽轉化形成[6]。研究表明,蟹肉的揮發性風味物質中含有直鏈和雜環含硫化合物,表現為類洋蔥或熟卷心菜味,且雜環硫化物是在加熱過程中大量形成的,大多數海產品經加熱后會產生二甲基二硫和二甲基三硫[8-14]。

圖2 各傳感器對蟹醬的響應值變化情況Fig.2 Changes of the sensor response value of crab paste注:A為煮制前蟹醬響應值變化、B為煮制后蟹醬響應值變化;圖中不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.2 PCA結果

PCA是將多變量線性轉換選出較少重要變量的一種多元統計分析方法,可對傳感器獲取的多指標信息進行數據轉換和降維,并對特征向量進行線性分類,最終在PCA圖上顯示主要的兩維圖,貢獻率越大,越能更好地反映樣品信息[15]。

由圖3A可知,煮制前蟹醬的第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)的貢獻率分別為97.66%和1.58%,累積貢獻率為99.24%,表明兩個主成分基本代表了樣品的主要信息特征。發酵各階段蟹醬樣品皆能較好地區分開,且各組在PC1上呈現一定的變化趨勢,其中發酵0 d和4 d的蟹醬氣味范圍較為接近,且與其他幾組明顯分開,表明發酵過程中,蟹醬特征風味物質是在發酵4 d以后開始明顯變化的,這與圖2A結果一致。如圖3B,對煮制后的蟹醬PCA分析表明,PC1和PC2的貢獻率分別為94.38%和3.94%,累積貢獻率為98.32%,表明兩主成分可以代表樣品主要信息特征。各階段樣品能較好區分開,但沒有明顯的變化趨勢,無法反映煮制后各階段蟹醬風味的變化規律,試用LDA方法進行進一步分析。

圖3 各發酵階段蟹醬的主成分分析Fig.3 PCA analysis of crab paste during different fermentation periods注:A為煮制前蟹醬PCA結果、B為煮制后蟹醬PCA結果。

2.3 LDA結果

LDA是研究樣品所屬類型的一種統計方法,利用所有傳感器的信號,以提高分類準確性,更加注重樣品在空間中的分布狀態及彼此之間的距離分析[16]。

由圖4A可知,第一判別函數(LDA1)和第二判別函數(LDA2)的貢獻率分別為96.30%和1.97%,累積貢獻率達到98.27%,隨著發酵的進行,LDA圖中樣品的分布呈現出明顯的變化趨勢,可以達到區分各階段發酵蟹醬的目的。其中0 d和4 d距離較近,主要體現在LDA2上且與其他組距離較遠,說明發酵前4 d蟹醬風味變化不明顯;8～16 d時風味變化速率明顯增大,且在LDA1上變化明顯,說明在8～16 d蟹醬風味變化較快;而20～28 d在LDA1和LDA2上均變化明顯,且與之前的風味物質區分較大,表明在發酵后期蟹醬風味豐度逐漸增加,產生風味物質種類更多。圖4B表明,LDA1和LDA2的貢獻率分別為63.02%和25.61%,累積貢獻率為88.63%,由圖可以看出煮制后發酵0～8 d的蟹醬在LDA1上是逐漸減小的,而在12 d前后有一個急劇的增大又減小的變化,16～24 d之間蟹醬煮制后風味特征差異較小,28 d樣品在LDA1和LDA2上均變化明顯,總體上來看,發酵各階段樣品能被較好地區分開,且有一定變化趨勢。

圖4 各發酵階段蟹醬的線性判別式分析Fig.4 LDA analysis of crab paste during different fermentation periods注:A為煮制前蟹醬LDA結果、B為煮制后蟹醬LDA結果。

2.4 LA結果

LA可以檢查PCA空間中傳感器對模型數據分布的影響,通常用來體現傳感器在識別模式中的重要程度,位點坐標表示其所在主成分上的比重,如坐標距離坐標零點較遠,則說明傳感器對檢測樣品的風味反應較敏感,該傳感器是識別傳感器[17-18]。由圖5A可知,對煮制前的蟹醬,R10、R4、R5傳感器分布接近于零坐標,并且位置接近,說明其信號變化比較弱,貢獻率比較小,結合表1可知氫化物、短鏈烷烴對于PCA貢獻率較小;R1、R2、R3、R8傳感器在第1、第2主成分上都有一定貢獻,但結合圖2A傳感器響應變化情況,表明苯類、氮氧化合物、氨類及醇醛酮類物質在蟹醬中成分較穩定,未隨發酵而產生明顯變化;R6傳感器在第1主成分上比重較大,R7、R9號傳感器在第1、第2主成分上貢獻率都比較大,是區別不同發酵階段蟹醬風味的主要傳感器,與上文2.1所述不同傳感器變化情況分析的結果相符,表明無機硫化物、有機硫化物及甲基類物質是蟹醬發酵過程中產生的最主要揮發性成分。對于煮制后的蟹醬,如圖5B所示,R7傳感器在第1主成分上貢獻較大,表明煮制后蟹醬無機硫化物變化最為顯著;R6、R9號傳感器在第1、第2主成分上貢獻率都比較大,表明無機硫化物、有機硫化物及甲基類物質是煮制后蟹醬的主要揮發性成分。

圖5 各發酵階段蟹醬傳感器載荷分析Fig.5 Loadings analysis of crab paste during different fermentation periods注:A為煮制前蟹醬LA結果、B為煮制后蟹醬LA結果。

3 結論

通過觀察蟹醬電子鼻傳感器響應值變化及LA結果可知,蟹醬中含量變化較為明顯的揮發性成分可能是無機硫化物、有機硫化物及甲基類物質或其相關成分,煮制過程有利于蟹醬風味物質的釋放,且隨發酵的進行,煮制后蟹醬的風味物質濃度逐漸增加。PCA、LDA結果表明電子鼻系統能夠很好地區分發酵各階段蟹醬樣品,且煮制前的各階段蟹醬呈現明顯變化趨勢,因此電子鼻系統可用作蟹醬發酵程度的快速檢測分析,對于實際生產中的品質監控有重要意義。

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