基于灰色關(guān)聯(lián)分析4種酸肉電子鼻與感官評分之間相關(guān)性

吳慧琳，李苗云，朱瑤迪，郝云鵬，肖康，趙改名，任宏榮，孫靈霞

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

酸肉是我國貴州、湖南、廣西等地少數(shù)民族的特色發(fā)酵肉制品[1]，是通過將豬肉與米粉或小米、鹽、辣椒粉等拌勻，在室溫環(huán)境自然發(fā)酵而成，其發(fā)酵時間約為2～3個月[2]，酸肉由于營養(yǎng)豐富、風(fēng)味獨(dú)特，是一種深受少數(shù)民族喜愛的發(fā)酵肉制品[3]。在酸肉發(fā)酵過程中，微生物將原料中的蛋白質(zhì)、脂肪及碳水化合物等大分子物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生游離氨基酸及脂肪酸，產(chǎn)生揮發(fā)性及非揮發(fā)性成分，從而賦予酸肉獨(dú)特的風(fēng)味和口感[4-5]。由于文化及地域差異，不同地區(qū)不同民族的酸肉加工工藝存在差異，其發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)也存在較大差異[6]。

人體的不同嗅覺感受器細(xì)胞只對某一種氣味產(chǎn)生受體，每個受體檢測有限數(shù)量的氣味物質(zhì)。電子鼻技術(shù)沒有特定的受體(細(xì)胞和傳感器)，由氣敏傳感器陣列的不同具有不同選擇性、信號采集單元和模式識別軟件，通過接收的電信號經(jīng)傳導(dǎo)分析，對不同的氣味物質(zhì)表達(dá)一定的信號，從而模仿人類鼻子嗅覺功能的結(jié)構(gòu)[7]。電子鼻通過模擬人的嗅覺功能，經(jīng)由氣敏傳感器傳達(dá)食物加熱過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)，對氣味進(jìn)行感知、分析和判斷，具有測定速度快、測定范圍廣、敏感度高等特點(diǎn)[8-9]。以電子鼻代替人體嗅覺器官對食物風(fēng)味評定，具有快速、簡便、安全、無疲勞感等特點(diǎn)[10]，被廣泛應(yīng)用于肉制品的摻假摻偽[11-12]、肉品新鮮度[13-14]及肉制品中微生物的檢測[15-16]等方面。易宇文等[17]研究了東坡肘子電子鼻風(fēng)味與感官之間的相關(guān)性；孟舒雨等[18]研究獅子頭電子鼻風(fēng)味與感官之間的相關(guān)性；有關(guān)電子鼻與肉制品感官特性之間的綜合性分析研究內(nèi)容還較為有限。

灰色關(guān)聯(lián)分析是通過灰色因素即不確定因素來決定主次因素及其關(guān)聯(lián)度的評價方法[19]。灰色分析在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)綜合評價[20]、農(nóng)作物產(chǎn)地追溯[21]及生長性狀預(yù)測[22]方面被廣泛應(yīng)用，在食品方面的應(yīng)用鮮有報道。目前對電子鼻在發(fā)酵肉制品方面的應(yīng)用集中在不同發(fā)酵肉制品的區(qū)分檢測，而對同一發(fā)酵酸肉，經(jīng)不同熱加工處理后肉制品風(fēng)味檢測的報道較少。電子鼻數(shù)據(jù)與感官評分之間缺乏關(guān)聯(lián)性，對樣品感官風(fēng)味上的評價缺少統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)。因此，本試驗(yàn)擬利用電子鼻對不同熱加工后4種酸肉的揮發(fā)性風(fēng)味進(jìn)行檢測，同時采用灰色關(guān)聯(lián)分析建立酸肉感官風(fēng)味與蛋白質(zhì)傳感器響應(yīng)值之間的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小判斷影響酸肉電子鼻風(fēng)味的感官主要因素，從而判斷4種酸肉在不同熱加工處理后其揮發(fā)性風(fēng)味品質(zhì)之間的差異性，為酸肉工業(yè)規(guī)模化熱處理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試樣品：編號A，苗族酸肉，原輔料豬肉、鹽、米粉，產(chǎn)品名稱湖南湘西酸肉農(nóng)家自制酸肉沅陵特產(chǎn)五花肉粉蒸肉；編號B，傣族酸肉，原輔料豬肉、鹽、大蒜，產(chǎn)品名稱云南版腌制泰國香腸豬肉腸；編號C，辣椒酸肉，原輔料豬肉、鹽、辣椒粉，產(chǎn)品名稱貴州黔東南腌肉黎平錦平特產(chǎn)微酸中辣酸肉；編號D，小米酸肉，原輔料豬肉、鹽、小米，產(chǎn)品名稱隆安土特產(chǎn)都結(jié)酸肉。

設(shè)備： AL104電子分析天平，梅特勒-托利多儀器上海有限公司；CU-420(HZW21)恒溫水浴槽，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；格蘭仕微波爐，廣東格蘭仕微波爐生活電器制造有限公司；電烤箱、電磁爐，廣東美的廚房電器制造有限公司；X-64R高速冷凍臺式離心機(jī)，美國貝克曼公司；PEN3電子鼻，德國Airsense公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

參照達(dá)迪拉·買買提等[23]及韋婕妤等[24]的方法，稍作修改。酸肉經(jīng)過清除表面輔料后，將傣族酸肉、辣椒酸肉切厚為1 cm的薄片，苗族酸肉、小米酸肉由于發(fā)酵處理方式不同加工前不需進(jìn)行其他預(yù)處理。

分別經(jīng)微波、烤制、蒸煮及油炸等處理四種熱加工。(1)微波加熱：取4種預(yù)先準(zhǔn)備好的肉樣，1 400 W微波爐連續(xù)加熱3 min，數(shù)顯溫度計(jì)測定肉中心溫度達(dá)80 ℃取出，冷卻至室溫以吸水紙吸干表面水分，稱重備用。(2)蒸煮加熱：蒸汽鍋將水加熱至沸騰，將肉樣置于蒸籠，120 ℃蒸制25 min，數(shù)顯溫度計(jì)測定肉中心溫度達(dá)80 ℃取出，冷卻至室溫以吸水紙吸干表面水分，稱重備用。(3)油炸加熱：大豆油(浸沒肉樣)加熱至180 ℃，將肉入鍋油炸，數(shù)顯溫度計(jì)測定肉中心溫度達(dá)80 ℃取出，冷卻至室溫，以吸水紙吸干表面油及水分，稱重備用。(4)烤制加熱：功率1 800 W，50 ℃預(yù)熱電烤箱，酸肉分別置于烤箱進(jìn)行3階段烤制：50 ℃ 5 min，100 ℃ 5 min，150 ℃ 10 min；數(shù)顯溫度計(jì)測定肉中心溫度達(dá)80 ℃取出，冷卻至室溫以吸水紙吸干表面水分，稱重備用；分別將不同處理的4種酸肉進(jìn)行編號處理。

1.2.2 電子鼻測定

PEN3型電子鼻傳感器含有10種金屬氧化物半導(dǎo)體型化學(xué)傳感元件，每種傳感元件對應(yīng)的敏感物質(zhì)類型不同。W1C對芳香成分苯類靈敏，W5S對氮氧化合物靈敏，W3C對氨類、芳香成分靈敏，W6S對氫化合物有選擇性，W5C對短鏈烷烴、芳香成分靈敏，W1S對甲基類靈敏，W1W對無機(jī)硫化物靈敏，W2S對醇、醛、酮類靈敏，W2W對芳香成分、有機(jī)硫化物靈敏，W3W對長鏈烷烴靈敏。參考米瑞芳等[25]，準(zhǔn)確稱取10 g樣品于250 mL錐形瓶中，保鮮膜3層密封，40 ℃恒溫平衡5 min，利用PEN3型電子鼻傳感器對樣品進(jìn)行檢測。

電子鼻的檢測采用頂空方式進(jìn)樣，每個樣品重復(fù)4次，篩選3個理想的數(shù)據(jù)作為平行。載氣為空氣，速度為300 mL·min-1，設(shè)置清洗時間為110 s，傳感器歸零時間為10 s，樣品準(zhǔn)備時間5 s，采樣時間80 s，選取65～75 s階段進(jìn)行信息采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.3 感官評價

參考盧雪松等[26]、陳曦等[27]以及GB/T 22210—2008《肉及肉制品感官評價規(guī)范》的方法并加以修改制定發(fā)酵酸肉感官評分標(biāo)準(zhǔn)。分別對經(jīng)微波、蒸煮、油炸、烤制等加熱前處理的苗族、傣族、辣椒、小米酸肉進(jìn)行感官評價。

色澤：色澤均勻，瘦肉鮮紅，肥肉乳白，11～15分；色澤均勻，整體顏色偏暗，瘦肉淡紅，6～10分；色澤較均勻，基本顏色暗淡，1～5分。

風(fēng)味：濃厚發(fā)酵香味，熟制肉香味，無其他異味，17～25分；適當(dāng)發(fā)酵香味，熟制肉香味不明顯，無其他異味，9～16分；無發(fā)酵香味/淡淡發(fā)酵香味，無明顯熟制肉香味，有異味，1～8分。

口感：獨(dú)特且適宜的酸味，咸鮮適中，口感協(xié)調(diào)柔和，20～30分；酸味稍重，口感基本協(xié)調(diào)但不柔和，10～19分；無酸味，口感不協(xié)調(diào)不柔和，1～9分。

組織結(jié)構(gòu)：組織形態(tài)致密，軟硬適中，有良好的彈性和咀嚼性，7～10分；組織形態(tài)較好，稍軟/稍硬，有一定彈性和咀嚼性，4～6分；組織形態(tài)不佳，軟/硬，有一定彈性和咀嚼性，1～3分。

總體可接受性：可接受性高，14～20分；可以接受，6～13分；難以接受，1～5分。

1.2.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析

基于灰色系統(tǒng)理論及分析方法的要求，將16個樣品作為一個整體，即為灰色系統(tǒng)，電子鼻不同的傳感器作為灰色系統(tǒng)的子系統(tǒng)，將傳感器的響應(yīng)值作為一個因素進(jìn)行分析[28]。

選擇參考數(shù)列，記為Y0,Y0(x)=[Y0(1)，Y0(2)，Y0(3)，…，Y0(x)]，x為酸肉樣品，x=1,2,3，…，16。

選擇比較數(shù)列，記為Yi,Yi(x)=[Yi(1)，Yi(2)，Yi(3)，…，Yi(x)]，Yi為樣品電子鼻傳感器響應(yīng)值，Yi=1,2,3，…，10，x=1,2,3，…，16。Ye,Ye(x)=[Ye(1)，Ye(2)，Ye(3)，…，Ye(x)]，Ye為樣品電子鼻傳感器響應(yīng)值，Ye=1,2,3,4,5,6，x=1,2,3，…，16。

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式：

εi(x)=

(1)

式(1)中：x為不同種類酸肉產(chǎn)品序號；Yi為不同種類酸肉的電子鼻傳感器響應(yīng)值；εi(x)為第x種酸肉的子序列Yi與母序列Y0的關(guān)聯(lián)系數(shù)；minimink|Y0(x)-Yi(x)|為兩級最小差值，又記為Δmin；maximaxk|Y0(x)-Yi(x)|為兩級最大差值，又記為Δmax；|Y0(x)-Yi(x)|為母序列與子序列的絕對差值，又記為Δ(k)；ρ為分辨系數(shù)。為減小由于Δ(k)太大而引起的失真，引入分辨系數(shù)ρ[29]，ρ的取值范圍為0～1，在本研究中，ρ取0.5。當(dāng)ρ取0.5 時，灰色關(guān)聯(lián)度大于0.6，結(jié)果較好[30]。

關(guān)聯(lián)系數(shù)的算術(shù)平均數(shù)為關(guān)聯(lián)度，計(jì)算公式：

(2)

式(2)中：ri為母序列Y0與子序列Yi之間的關(guān)聯(lián)度；N為子序列的數(shù)據(jù)個數(shù)。

以電子鼻傳感器中的W5S傳感器作為參照，分別計(jì)算不同產(chǎn)品的相對傳感器響應(yīng)值(傳感器響應(yīng)值/參照傳感器響應(yīng)值)，并將此作為電子鼻傳感器響應(yīng)值來源。傳感器響應(yīng)值的前處理結(jié)果如表1所示。

表1 電子鼻傳感器相對響應(yīng)值

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

電子鼻檢測數(shù)據(jù)的信號采集時間為80 s，取穩(wěn)定狀態(tài)73～75 s數(shù)據(jù)作為分析點(diǎn)，采用PEN3自帶軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用SPSS19.0對不同熱加工處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性分析，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 酸肉感官評分

由表2可知，不同烹飪加工方式對4種酸肉感官品質(zhì)存在一定影響，不同酸肉具有不同的加工適宜性。發(fā)酵酸肉本身存在獨(dú)特的風(fēng)味，通過不同的加工處理，各組織成分發(fā)生一系列復(fù)雜的變化，賦予產(chǎn)品良好的食用品質(zhì)，同時加熱可達(dá)到增香、去腥的作用。不同的加熱處理方式對苗族酸肉、辣椒酸肉、小米酸肉的色澤、氣味、口感、組織結(jié)構(gòu)及總體可接受性無顯著差異(P>0.05)；傣族酸肉色澤存在顯著性差異(P<0.05)，氣味、口感、組織結(jié)構(gòu)及總體可接受性無顯著性差異。綜合分析，苗族酸肉適應(yīng)微波、油炸及烤制等加工方式；傣族酸肉適宜微波加工方式；辣椒酸肉適宜使用油炸方式；小米酸肉適宜使用蒸制及油炸方式。

表2 各處理酸肉的感官評分

注：處理編號1～4、5～8、9～12、3～16中同列無相同小寫字母，表示組間差異顯著(P<0.05)。

2.2 酸肉電子鼻風(fēng)味主成分

2.2.1 酸肉電子鼻傳感器主成分

主成分分析是對樣品的原始數(shù)據(jù)向量進(jìn)行線性轉(zhuǎn)化的一種分析方法，通過改變坐標(biāo)軸來達(dá)到區(qū)分樣品的目的[31]。如圖1可知，a、b、c、d分別是4種酸肉經(jīng)微波、蒸制、油炸及烤制等處理后其電子鼻主成分分析圖。利用SPSS對獲得16種酸肉樣品進(jìn)行電子鼻氣味主成分分析，以主成分1為橫坐標(biāo)，主成分2為縱坐標(biāo)建立二維圖。

圖1中a主成分1與主成分2的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為91.541%(主成分1貢獻(xiàn)率為68.366%，主成分2貢獻(xiàn)率為23.175%)，說明主成分1與主成分2能概括較大的信息量，能反映樣品整體信息[32]。圖1中a中同一樣品在橫坐標(biāo)及縱坐標(biāo)上的聚集程度越大，說明樣品的重復(fù)性及穩(wěn)定性相對較高，圖1中a中苗族酸肉經(jīng)4種加熱方式處理后均可進(jìn)行較明顯的區(qū)分。圖1中b主成分1方差貢獻(xiàn)率為87.087%，主成分2方差貢獻(xiàn)率為7.065%，主成分1與主成分2的累計(jì)貢獻(xiàn)率為94.152%，大于85%，傣族酸肉中主成分1與主成分2能描述較大的信息量，可反映樣品整體信息。圖1中c表示，主成分1方差貢獻(xiàn)率為83.872%，主成分2方差貢獻(xiàn)率為11.094%，主成分1與主成分2的累計(jì)貢獻(xiàn)率為94.966%。圖1中d表示，主成分1方差貢獻(xiàn)率為77.812%，主成分2方差貢獻(xiàn)率為10.479%，主成分1與主成分2的累計(jì)貢獻(xiàn)率為88.291%，圖1中同種加熱處理酸肉均分布較集中，不同加熱的樣品分布較散，說明其揮發(fā)性氣味物質(zhì)差異顯著，可通過電子鼻對樣品進(jìn)行較好的區(qū)分。

酸肉在發(fā)酵成熟的過程中微生物分解脂肪、蛋白質(zhì)使產(chǎn)品具有特殊發(fā)酵香味。由圖1主成分分析結(jié)果可看出同種酸肉經(jīng)不同加熱處理后可通過電子鼻對其感官風(fēng)味進(jìn)行較好的區(qū)分。肉在熱處理過程中發(fā)生脂質(zhì)氧化、硫胺素降解及美拉德等反應(yīng)，形成肉類特有風(fēng)味，同時加熱可增加肉的香味物質(zhì)[33-34]。加熱方式的不同會導(dǎo)致肉制品風(fēng)味各異，蒸煮使肉中蛋白溶出，脂肪氧化、美拉德反應(yīng)增強(qiáng)。油炸使脂肪發(fā)生氧化，產(chǎn)生醛、酮、酚、酯等物質(zhì)，賦予肉良好的香味。沈銘聰?shù)萚35]通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用研究微波、蒸、煮條件下對鹽水鵝中脂肪酸和揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，結(jié)果表明，蒸制的鹽水鵝風(fēng)味最好，揮發(fā)性成分種類最多，其中烴、酯類含量較高。

圖1 不同熱加工方式處理下4種酸肉電子鼻的主成分分析

2.3 酸肉感官評價與電子鼻傳感器響應(yīng)值的灰色關(guān)聯(lián)度

2.3.1 無量綱化處理

將16個樣品的感官評價指標(biāo)設(shè)為參考數(shù)列，比較數(shù)列為電子鼻的10個傳感器響應(yīng)值，將母序列與子序列進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。首先采用均值化變換的方法對每個數(shù)列進(jìn)行無量綱化處理，結(jié)果如表3所示。

2.3.2 電子鼻傳感器響應(yīng)值與感官指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度計(jì)算

16種酸肉風(fēng)味Δmax風(fēng)味=19.15，Δmax總分=76.95；兩級最小差值Δmin風(fēng)味=13.05，Δmin總分=59.55，將其分別帶入公式(1)即可得到電子鼻傳感器響應(yīng)值分別與風(fēng)味、總分的關(guān)聯(lián)系數(shù)，再將灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)帶入公式(2)即可得到傳感器響應(yīng)值與感官指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，從而對其進(jìn)行排序。

由表4～5可知，電子鼻10個傳感器響應(yīng)值與樣品風(fēng)味關(guān)聯(lián)度均在0.85以上，與綜合感官評分關(guān)聯(lián)度均在0.91以上，說明電子鼻與風(fēng)味及感官綜合評分之間存在較高的關(guān)聯(lián)性，說明了以電子鼻對產(chǎn)品風(fēng)味進(jìn)行評價的可行性。傳感器W1C與W3C與風(fēng)味、感官綜合評分的關(guān)聯(lián)度最高，傳感器W1C、W3C分別對芳香成分苯類、氮氧化合物靈敏，而樣品中芳香成分、苯類、氮氧化合物的敏感來源主要由原輔料發(fā)酵產(chǎn)生。

表3 電子鼻傳感器響應(yīng)值無量綱化處理

表4 傳感器響應(yīng)值與風(fēng)味的關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

表5 傳感器響應(yīng)值與總分的關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

2.4 感官品質(zhì)與電子鼻傳感器響應(yīng)值的回歸模型

從電子鼻與感官品質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)度分析可得，不同傳感器對風(fēng)味、感官品質(zhì)的影響能力不同，因此，可建立電子鼻傳感器分別與感官風(fēng)味、感官總分之間的關(guān)系，分別以感官風(fēng)味值、感官總分值與電子鼻的10個傳感器進(jìn)行回歸分析，y為感官風(fēng)味或感官總分，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10分別為電子鼻W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3W的10個傳感器。

感官風(fēng)味與電子鼻傳感器灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的回歸模型:y=-1.045X2-0.356X3-0.660X5-1.350X6-0.195X7+0.602X8+1.998X10；感官總分與電子鼻傳感器灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的回歸模型:y=-1.505X1-0.833X2+0.933X5-1.056X6-0.495X7+1.958X10,均通過F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)，其決定系數(shù)R2分別為0.999及0.998，說明感官風(fēng)味與電子鼻、感官總分與電子鼻之間的回歸方程具有較高的擬合度。

3 小結(jié)

電子鼻對不同熱加工處理的4種酸肉風(fēng)味及滋味的研究顯示，傳感器W1C、W3C、W6S、W5C對不同熱處理酸肉風(fēng)味的響應(yīng)值影響不顯著，其余6個傳感器對不同熱處理酸肉風(fēng)味的響應(yīng)值影響顯著，說明16種酸肉樣品的揮發(fā)性氣味成分差異顯著。在評價以微波、蒸煮、油炸及烤制等方式處理酸肉時，對其風(fēng)味、綜合評價時可分別采用電子鼻W5S、W6S、W1S、W1W、W2S、W2W等傳感器及W5S、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W等傳感器響應(yīng)值進(jìn)行分析。電子鼻對16種酸肉樣品的風(fēng)味分析結(jié)果表明，同種酸肉在經(jīng)微波、蒸制、油炸及烤制4種不同熱加工處理后其風(fēng)味存在明顯差異，可利用其對酸肉進(jìn)行綜合分析，對4種酸肉中的揮發(fā)性組分的影響及其作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。