電子鼻分析鎮江香醋發酵和陳釀階段的氣味變化

鄭吳偉，胡夢陽，梁 言，田 敏，李攀恒，高 冰，祁勇剛，胡 勇*

（湖北工業大學 工業發酵湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430068）

鎮江香醋是我國四大名醋之一，以“酸、甜、鮮、香”風味交融為特點，已成為國內外人民最受歡迎的調味品之一[1-3]。鎮江香醋除了為美食中增添鮮味外，還具有營養保健的功效。鎮江香醋中含有多種有機酸、醇類、醛類、酮類、酯類、氨基酸、蛋白質、礦物質等營養成分[4-5]，此外具有降血壓、降血脂、分解乳酸消除疲勞、助消化和防治肝病的功效[6-8]，因而具有很好的研究價值。

電子鼻是由氣味傳感器、數據處理設備和分析軟件等組成的設備，通過模擬人嗅覺系統對樣品進行捕獲和檢測。電子鼻檢測所顯示的圖譜又稱為氣味指紋圖譜，其反映的是總氣味的宏觀信息，再與經學習建立的數據庫中的圖譜進行比較并判別分析，類似于人體的嗅覺系統對氣味做出的判斷過程[9-12]。近年來，電子鼻分析技術在醋中的應用主要用于鑒別不同種類的醋，如何計龍等[13]使用電子鼻對釀造食醋與配制食醋的區分辨識，宋小青等[14]使用電子鼻對不同品牌食醋的識別等。上述研究關于電子鼻的應用對象多為檢測機構，而針對醋廠內部優化釀造工藝和品質監控的研究較少。

目前，食醋廠對醋醅的發酵成熟以及醋液陳釀好敗壞的判斷多依賴老師傅的多年經驗，該技藝學習周期長且每個人對氣味分辨能力不同因而誤差也較大，但電子鼻[15-16]具有操作簡單、檢測快速、準確穩定、易攜帶等特點，可以客觀的判斷氣味變化，以及輔助監控醋醅發酵進程和辨別醋液陳釀的好敗壞。對食醋和醋醅的揮發物檢測還有氣相色譜（gas chromatography，GC）以及氣相色譜-質譜聯用儀（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）[17-19]，但這類設備價格昂貴、檢測時間長且無法攜帶，因此較難在醋廠中推廣應用。

本實驗通過電子鼻對醋醅發酵和醋液陳釀過程中氣味的檢測分析，并運用主成分分析（principal component analysis，PCA）、線性判別分析（linear discrimination analysis，LDA）、傳感器區別因子載荷和累計方差貢獻率分析對氣味數據進行處理分析，探究鎮江香醋發酵和陳釀過程中的氣味變化，為電子鼻輔助鎮江香醋質量監控的可能性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗的測試樣品取自鎮江香醋的丹陽市丹玉醋業釀造廠。本研究10個醋醅樣品中，8個都是取自同一批次，發酵時間分別為1 d、3 d、8 d、13 d、14 d、16 d、17 d、21 d；另2個樣品為實驗室凍藏一年和兩年的發酵第14天的醋醅。取樣方法為取上表面以下約5 cm的醋醅放到密封袋中，存放在實驗室冷凍柜中待測。10個醋液樣品存于密封瓶中放在冷藏柜中待測，其中包括1個未經煎醋處理的正常新醋樣品，該樣品經過煎醋和陳釀得到第1天煎醋、30 d陳釀、90 d陳釀樣本；5年陳釀、7年陳釀、10年陳釀為醋廠內存放的其他批次的陳醋；另外包括3個不同批次敗壞醋（批次間相距50～60 d，且均陳釀30 d）。

1.2 儀器與設備

PEN3型便攜式電子鼻：德國Airsense公司。內包含10個不同的金屬氧化物傳感器陣列，每個傳感器響應每一類特殊氣味，分別為1號W1C（芳香笨類）、2號W5S（氮氧化合物）、3號W3C（芳香氨類）、4號W6S（氫氣）、5號W5C（芳香烷烴類）、6號W1S（甲烷類）、7號W1W（硫化物）、8號W2S（醇類）、9號W2W（有機硫化物）、10號W3S（烷烴類）。

1.3 方法

1.3.1 檢測條件

醋醅和食醋樣品各取1 g于10 mL的頂空瓶中，醋液樣品各取1 g并用蒸餾水稀釋5倍于10 mL頂空瓶中，在25℃的恒溫水浴箱中富集30 min后，采用頂空抽樣的方法用電子鼻檢測。電子鼻的檢測參數為：樣品測定間隔1 s，清洗時間240 s，自動調零時間10 s，樣品準備時間5 s，樣品測定時間80 s，內部空氣流量400 mL/min，進樣流量400 mL/min。

1.3.2 數據分析方法

用PEN3電子鼻自帶的WinMuster軟件對測量結果進行分析，其分析方法分別為：主成分分析法（PCA）[20]、傳感器區別貢獻率分析法（Loadings）[21]、線性判別法（LDA）[22]。

2 結果與分析

2.1 電子鼻對鎮江香醋的醋醅和醋液的特征響應

電子鼻原理：當傳感器接觸到與之敏感區域對應的揮發物時，電阻率G發生改變，隨之電阻率G與初始電阻率G0的比值G/G0也發生變化。G/G0數值大小與響應氣體濃度成正比，若沒有與感應器對應的響應氣體或響應氣體濃度低于檢測限則G/G0數值接近于1。為了保證電子鼻測量數據的穩定性和精確度，每次測量前都進行清洗和標準化。傳感器對醋醅揮發性物質的響應結果見圖1。從圖1可以看出，在75s左右電子鼻對醋醅和醋液的響應值趨于平穩，因此實驗取70～75 s作為分析時間段。

圖1 傳感器對醋醅揮發性物質的響應Fig.1 Response of sensors to volatile substances of Cupei

由圖1可知，醋醅發酵過程中，5個傳感器對應的響應值其大小和排序一直在變化，其中6號（甲烷類）響應值變化最明顯，隨著發酵的進行先升高再降低又升高，可能反映微生物組成的種類豐度變化。隨著發酵的進行，8號（醇類）響應值變化規律與6號（甲烷類）相似但變化幅度相對較小，2號（氮氧化合物）、7號（硫化物）響應值都是先小幅度升高后趨于穩定，9號（有機硫化物）響應值無明顯變化；電子鼻對10個醋醅樣品的揮發物有響應的傳感器型號相同，都是2（氮氧化合物）、6（甲烷類）、7（硫化物）、8（醇類）、9（有機硫化物）號；發酵8天的醋醅揮發物濃度（40＜G/G0＜200）比其他時間點的醋醅樣品大，這可能由于醋醅中微生物的數目隨時間變化趨勢是先增加達到峰值并穩定一段時間后再逐漸減小，而第8天時微生物數目處于峰值，產生代謝產物的速率最快，因此也產生了大量揮發物。

另外，通過比較不同年份的第14天醋醅樣品可知，3個樣品揮發物響應曲線相似度極高，傳感器響應值排序都是7＞2＞6＞9＞8號，說明丹玉香醋在較長時間（2年內）醋醅釀造過程較為穩定。綜上所述，說明電子鼻可以準確、穩定的識別醋醅發酵進程中氣味圖譜的變化。

圖2為10個醋液樣本其G/G0值關于時間的響應曲線。比較第1天煎醋和未煎醋可知，煎醋過程中，7號（硫化物）傳感器對應的揮發成分變化較小，但其它各傳感器檢測的物質出現整體降低，其中6號（甲烷類）傳感器對應的揮發成分出現劇烈下降，說明煎醋導致了揮發成分損失。

比較各樣品響應曲線可知，10個醋液樣品其響應值較大的感應器均是2（氮氧化合物）、6（甲烷類）、7（硫化物）、8（醇類）、9（有機硫化物）號，表明氣味組成的核心物質沒有消失；醋液陳釀過程中，6號（甲烷類）響應值變化幅度最明顯，先升高再降低又升高，其他各傳感器響應值變化幅度較小，在某一數值上下波動，可能由于陳釀過程中，有機酸和醇生成酯類，不穩定物質的分解和揮發，風味物質和水的締合等多種因素導致醋液揮發物組成處于動態變化。

敗壞醋與6個煎醋樣品比較可知，3個敗壞醋的測量結果及其相似，但與正常醋樣均有明顯差異，表現為其6號傳感器的響應值明顯增加約為6個煎醋樣品的兩倍，說明敗壞醋甲烷類揮發物明顯增加，即電子鼻可以識別醋液陳釀過程中是否發生損敗壞。

新醋（圖2，第1天沒煎醋）樣本為發酵結束（21天）的醋醅經前批二淋醋淋澆制得，其揮發物響應排序是2＞6＞7＞9＞8號而（21天）的醋醅揮發物響應排序是2＞6＞7＞8＞9號，8、9號傳感器響應值排序在21天醋醅和新醋中有所變化，可能由于8、9號響應的揮發物在淋醋液中的易揮發程度不同造成，而響應值較大的2、6、7號排序相同，表明不同批次之間套淋對醋液品質影響較小，也說明同一時期的醋醅釀造過程較為穩定。

綜上所述，可以認為2（氮氧化合物）、6（甲烷類）、7（硫化物）、8（醇類）、9（有機硫化物）號是鎮江香醋的特征識別傳感器，生產中若出現2、6、7、8、9號中某些沒有響應或較強的1、3、4、5、10號傳感器有響應都說明生產可能出現質量問題。

圖2 傳感器對醋液揮發性物質的響應Fig.2 Response of sensors to volatile substances of vinegar

2.2 鎮江香醋的醋醅和醋液的主成分分析

在Correlation的矩陣模式下，取8個同一批次的不同發酵時間醋醅樣品進行主成分分析，結果見圖3。由圖3可知，第一主成分方差貢獻率為91.11%，第二主成分方差貢獻率為8.77%，其和為99.88%（＞85%），說明該方法有效。第1天的醋醅與其他日期的醋醅距離最遠，說明第1天醋醅的氣味組成與其他日期的差別最大，這可能是由于第1天的醋醅剛接種醋母不久，此時微生物種類和豐度小，代謝緩慢，致使氣味組成與其他天的醋醅差別較大。第16、17天和第13、14天，這兩組樣品發酵時間距離很近，但能明顯區分，說明每一天醋醅發酵的變化，電子鼻都能準確識別。

圖3 醋醅的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of Cupei

對6個不同年份陳醋樣品和3個敗壞醋進行PCA，結果見圖4。由圖4可知，第一主成分方差貢獻率為87.80%，第二主成分貢獻率為10.30%，其和為98.10%（＞85%），說明該方法有效。第1天的醋與其他時間的醋距離較遠，可能由于醋中有機酸類和醇類反應生成的酯類較少，其他促進風味的反應也進行較少，導致其與其他醋液氣味組成差異較大。在PCA中，3個敗壞醋彼此很接近（其中2個相互重疊），但與正常30 d陳釀醋和其他陳醋明顯分離，說明PCA能明顯區分敗壞醋和正常醋。

圖4 醋液的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of vinegar

2.3 鎮江香醋的醋醅和醋液的線性判別分析

醋醅和醋液的線性判別分析結果分別見圖5和圖6。由圖5可知，醋醅第一、第二主成分方差貢獻率分別為87.68%、7.14%，其和為94.92%，醋液第一、第二主成分方差貢獻率分別為79.56%、19.22%，其和為98.78%，說明該方法有效。對比LDA與PCA結果可知，醋醅的LDA中，第16、17天出現小部分重疊，但PCA能明顯分開，說明PCA對醋醅的區分優于LDA；LDA中，3個敗壞醋彼此很接近（其中2個相互重疊），且敗壞醋和第1天陳釀醋液分布在圖的兩端，其他醋分散在圖的中間，各個醋樣都能明顯區分，相對PCA醋樣分布更分散，對敗壞醋區分更好，說明LDA對敗壞醋的區分優于PCA。PCA和LDA也可以區分正常醋和變質醋，說明該方法提高了電子鼻檢出敗壞醋的準確率。3個敗壞醋在PCA和LDA中彼此很接近，提示敗壞可能源于相似的污染。

圖5 醋醅的線性判別分析Fig.5 Linear discriminant analysis of Cupei

圖6 醋液的線性判別分析Fig.6 Linear discriminant analysis of vinegar

2.4 鎮江香醋的醋醅和醋液的載荷傳感器貢獻率分析

醋醅和醋液的載荷傳感器貢獻率分析結果分別見圖7和圖8。醋醅載荷分析（圖7）表明，6號（甲烷類）、8號（醇類）號對第一主成分的貢獻較大，且6號＞8號；2號（氮氧化合物類）、7號（硫化物類）、9號（有機硫化物類）對第二主成分的貢獻較大，且2號＞7號＞9號。

圖7 醋醅的載荷傳感器貢獻率分析Fig.7 Analysis of the contribution rate by loading sensor in Cupei

圖8 醋液的載荷傳感器貢獻率分析Fig.8 Analysis of the contribution rate by loading sensor in vinegar

醋液載荷分析（見圖8）中，6號（甲烷類）、7號（硫化物類）、8號（醇類）、9號（有機硫化物類）對第一主成分方差貢獻較大，且6號＞8號＞7號＞9號；2號（氮氧化合物類）、7號（硫化物類）、9號（有機硫化物類）對第二主成分起關鍵貢獻作用，且7號＞9號＞2號。圖7和圖8說明6、2號和6、7號分別是醋醅和醋液氣味圖譜重點觀察比較對象。

3 結論

研究表明，丹玉鎮江香醋的生產較為穩定，發酵過程中揮發物濃度和排序在不斷變化，且第8天醋醅的揮發物濃度最大。煎醋導致揮發成分發生較大變化，陳釀過程中揮發物濃度和排序在不斷變化，敗壞醋的甲烷類揮發物濃度明顯增大。醋醅和醋液的揮發物組成類似，主要是2號氮氧化合物類、6號甲烷類、7號硫化物類、8號醇類、9號有機硫化物類。LDA和PCA能分別區分醋醅和醋液樣品，但PCA對醋醅的區分優于LDA，LDA對敗壞醋的區分優于PCA。PCA結果表明，醋醅中6號（甲烷類）和2號（氮氧化合物類）分別對第一、二主成分貢獻率最大，醋液中6號（甲烷類）和7號（硫化物類）分別對第一、二主成分貢獻率最大。