宋慧敏1，蘆晶2，呂加平2，趙偉麗，李東花，朱永明

(1.黑龍江立高儀器設(shè)備有限公司，哈爾濱150028;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京100193;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱150030)

基于電子鼻和電子舌對(duì)牛奶加熱程度及風(fēng)味變化的評(píng)價(jià)

宋慧敏1，蘆晶2，呂加平2，趙偉麗3，李東花3，朱永明3

(1.黑龍江立高儀器設(shè)備有限公司，哈爾濱150028;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京100193;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱150030)

采用電子鼻和電子舌人工智能感官評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)不同熱處理牛奶的氣味和滋味進(jìn)行測(cè)定，利用主成分分析法（PCA）和判別因子法（DFA）對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：不同熱處理牛奶樣品的風(fēng)味存在顯著差異，且隨熱處理程度不同而呈現(xiàn)一定規(guī)律，同時(shí)，將電子鼻和電子舌兩種技術(shù)結(jié)合起來能更好的鑒別不同熱處理樣品，可很靈敏的將不同溫度和時(shí)間處理的牛奶識(shí)別開來，并且能對(duì)其他牛奶樣品的加熱程度進(jìn)行粗略預(yù)測(cè)。

電子鼻；電子舌；牛奶；風(fēng)味；熱處理

0 引 言

眾所周知食品品質(zhì)優(yōu)良與滋氣味息息相關(guān)，熱處理對(duì)牛奶風(fēng)味影響較大。電子鼻和電子舌能從樣品的響應(yīng)信號(hào)得到“指紋識(shí)別數(shù)據(jù)”[1]，為主觀評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

電子鼻分析樣品揮發(fā)成分的整體信息[2-3]。電子舌對(duì)樣品味覺能做出總體評(píng)價(jià)[4]。電子鼻在牛奶中主要分析摻假[5]，品質(zhì)的識(shí)別[6-7]，污染情況的判斷[8-9]，不同熱處理方式和脂肪含量的區(qū)分[10]，以及其他乳制品的風(fēng)味特征[11-14]。電子舌主要應(yīng)用在不同品牌牛奶的識(shí)別[15-17]、品質(zhì)的檢測(cè)[18-19]、摻假的判斷[20]，在線檢測(cè)理化指標(biāo)[21]等。

由于電子鼻檢測(cè)樣品氣味，電子舌檢測(cè)樣品滋味，僅依靠其一難以代表樣品整體風(fēng)味。因此，本文采用電子鼻和電子舌相結(jié)合監(jiān)測(cè)不同加熱程度牛奶風(fēng)味，對(duì)牛奶的加熱程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，精確區(qū)分巴氏殺菌和UH T滅菌奶。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

牛奶。AH 100D均質(zhì)機(jī)，DK-S24型電熱恒溫水浴鍋，小試UHT設(shè)備（實(shí)驗(yàn)室自行組裝），PEN 3.5電子鼻（具有10種不同的金屬氧化物傳感器），AsrreeⅡ/ LS16電子舌等。

1.2 樣品制備

將新鮮牛奶進(jìn)入小試UHT殺菌處理，通過調(diào)節(jié)壓力控制溫度，更換加熱管道的長(zhǎng)度來控制保溫時(shí)間，對(duì)牛奶進(jìn)行100，115，130，140℃的5 s處理（簡(jiǎn)寫為100-5，115-5，130-5，140-5）和115℃的5，10，20，30 s熱處理（簡(jiǎn)寫為115-5，115-10，115-20，115-30）。利用水浴鍋進(jìn)行65℃（30 m in）、75℃（15 s）和85℃（10 s）三個(gè)巴氏殺菌處理（簡(jiǎn)寫為65-30，73-15，80-10），樣品處理結(jié)束后迅速用冰浴冷卻并保藏于4℃冰箱中待測(cè)。

1.3 電子鼻測(cè)定

取10 m L不同熱處理的牛奶放置于電子鼻專用的玻璃瓶中，封蓋后在室溫下平衡30 m in,用電子鼻進(jìn)行測(cè)定。

電子鼻采用頂空進(jìn)樣方式，每個(gè)樣品重復(fù)4次，篩選結(jié)果理想的3個(gè)作為平行。載氣為空氣，速度為300 m L/m in。頂空獲取時(shí)間為60 s，延滯180 s，選取48～52 s較平穩(wěn)的階段進(jìn)行信息采集，用儀器自帶軟件進(jìn)行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）。

1.4 電子舌測(cè)定

樣品在4 500 r/m in下離心20 m in后，除去脂肪，吸取1 m L牛奶，用80 m L超純水稀釋，放在專用燒杯中，待測(cè)。

樣品與校準(zhǔn)溶液（超純水）交替檢測(cè)，每個(gè)樣品測(cè)定7次，選取較穩(wěn)定的后4次測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。用儀器自帶軟件進(jìn)行判別因子分析（Discriminant Function Analysis，DFA）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

電子鼻采用主成分分析（PCA），是將所提取的傳感器多指標(biāo)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維的一種分析方法。電子舌采用判別因子法（DFA）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判別因子法是指對(duì)原始數(shù)據(jù)向量進(jìn)行線性變換，使得各類樣品能夠更好區(qū)分，常用于建立樣本數(shù)據(jù)庫(kù)后，對(duì)未知樣本進(jìn)行定性判別。

2 結(jié)果與討論

2.1 利用電子鼻分析不同加熱程度牛奶的氣味

2.1.1 加熱溫度對(duì)牛奶氣味特征的影響

圖1為基于電子鼻對(duì)3個(gè)巴氏殺菌奶以及100， 115，130，140℃（5 s）4種加熱處理的PCA分析結(jié)果。由圖1可以看出，第一主成分的貢獻(xiàn)率為99.08%，幾乎包含了樣品的全部信息，即第一主成分能夠很好的將樣品差異區(qū)分開。有文獻(xiàn)指出[22]主成分總貢獻(xiàn)率超過70%-85%，說明此方法適用。圖1中的橢圓代表單一樣品重復(fù)的整體信息特征，圖形距離的遠(yuǎn)近代表樣品間氣味差異的大小。從圖1中也可以看出不同溫度處理的牛奶樣品間存在著差異性，即使是巴氏殺菌奶之間也存在差異，65℃30 m in和75℃15 s，75℃15 s和85℃10 s的差異不顯著，即該兩組巴氏殺菌奶的氣味接近，65℃30 m in和85℃10 s氣味相似。經(jīng)主成分分析得出：100℃和115℃5 s處理的牛奶與75℃15 s的巴氏殺菌奶間差異不顯著，即這兩個(gè)牛奶樣品的氣味與75℃15 s較為相近，尤其是100℃5 s處理的牛奶。隨著溫度的升高，加熱程度的增強(qiáng)，4個(gè)高溫處理樣品的PCA圖有規(guī)律的呈順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，由此可預(yù)測(cè)5 s處理的其他溫度的樣品的PCA圖，為電子鼻數(shù)據(jù)提供理論依據(jù)。

圖1 加熱溫度對(duì)牛奶氣味的影響

2.1.2 加熱時(shí)間對(duì)牛奶氣味特征的影響

圖2為基于電子鼻對(duì)115℃（5，10，20，30 s）以及3個(gè)巴氏殺菌奶樣品的主成分分析。總方差貢獻(xiàn)率達(dá)到99.8%，第一、二主成分包含了樣品的大部分信息，電子鼻能夠很好的將不同處理組樣品的氣味分開。由圖2中能看出，四個(gè)高溫處理的樣品的PCA圖顯示能夠很好的區(qū)別分開，沒有互相交集的部分，即四個(gè)樣品間氣味存在差異且較大。115℃5 s的樣品與75℃15 s樣品差異明顯，但相對(duì)其他高溫處理的樣品差異較小，雖然加熱的溫度較75℃偏高，但是該樣品加熱時(shí)間較短，只有5 s，牛奶自身的香味物質(zhì)程度較小，還沒有即使形成其他氣味物質(zhì)如酯類、酮類、酸類等，觀察整體PCA圖可看見：隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，4個(gè)高溫樣品的PCA圖有規(guī)律的呈順時(shí)針方向移動(dòng)。

圖2 加熱時(shí)間對(duì)牛奶氣味的影響

早期研究發(fā)現(xiàn)：在未加工的牛奶樣品中發(fā)現(xiàn)了7種活性氣味化合物，熱處理后則含有15種氣味化合物[23]。隨著現(xiàn)代色譜分離及質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，固相微萃取與氣譜-質(zhì)譜（GC-MS）在風(fēng)味提取及檢測(cè)中的成功應(yīng)用為牛奶風(fēng)味的分離及高靈敏度檢測(cè)成為可能。王萬厚[24]等人研究發(fā)現(xiàn)：新鮮原料乳中可以檢測(cè)到50種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，其中酸類最多，牛奶經(jīng)過UH T加熱殺菌后揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)增加到75種，酯類和酮類數(shù)量明顯增加，其中甲基酮，3-羥基-2-呋喃酮，δ-葵內(nèi)酯，γ-十二內(nèi)酯是UHT乳中重要的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，對(duì)形成UHT乳特有的風(fēng)味起重要作用，而酯類是形成UHT乳風(fēng)味最主要的化合物。內(nèi)酯類與滋氣味和風(fēng)味有密切關(guān)系，在鮮乳中非常低的含量就可賦予良好的風(fēng)味，如果含量過高，則會(huì)形成不良滋氣味[25]。

在本實(shí)驗(yàn)中利用電子鼻監(jiān)測(cè)到巴氏殺菌奶和其他高溫奶之間的揮發(fā)性風(fēng)味差異較大的原因可能是高溫和長(zhǎng)時(shí)間處理使牛奶中形成了大量的酯類和酮類等物質(zhì)，進(jìn)而造成風(fēng)味的顯著差異，而溫度的高低和時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)新物質(zhì)形成及其含量的大小起了至關(guān)重要的作用，所以，在PCA圖中可觀察到樣品風(fēng)味存在明顯差異。另外，由于牛奶中含有大量的乳糖和蛋白質(zhì)，高溫促使其發(fā)生美拉德反應(yīng)，生成一系列的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物，其中5-羥甲基糠醛具有揮發(fā)性，對(duì)牛奶的氣味會(huì)產(chǎn)生一定的影響。同時(shí)牛奶中的巰基、游離氨基和游離脂肪酸等對(duì)牛奶的風(fēng)味也會(huì)產(chǎn)生很大影響，尤其是巰基，對(duì)UHT奶所形成的蒸煮味起著重要作用。

2.2 利用電子舌分析不同熱處理牛奶的滋味

2.2.1 加熱溫度對(duì)牛奶滋味特征的影響

圖3為采用電子舌分別對(duì)100，115，130，140℃（5 s）熱處理牛奶脫脂樣品的風(fēng)味進(jìn)行分析得出的判別因子分析圖，其中的四邊形代表單一樣品的整體信息特征，四邊形的4個(gè)點(diǎn)代表了4個(gè)重復(fù)樣品，從圖中可以看出，樣品的重復(fù)性較好，較為集中。樣品間距離的遠(yuǎn)近代表樣品間的差異是否明顯。其中DF1為82.28%，DF2為16.774%，第一判別因子和第二判別因子涵蓋了樣品的絕大部分信息，4個(gè)樣品能夠區(qū)分開來，并且樣品間各自獨(dú)立，沒有互相重疊，樣品間有明顯的差異，也就是說滋味有明顯的區(qū)別，觀察DFA圖，100℃和115℃（5 s）處理的樣品的DFA圖分布在上半部分，130℃和140℃（5 s）處理的樣品的DFA圖分布在下半部分，即在加熱時(shí)間相同的情況下，加熱溫度低其DFA圖浮在上方，加熱溫度高則沉于下方，也就是加熱溫度是影響電子舌檢測(cè)到的第二主成分的主要因素。

圖3 加熱溫度對(duì)滋味的影響

2.2.2 加熱時(shí)間對(duì)牛奶滋味分布的影響

圖4是利用電子舌對(duì)115℃（5，10，20，30 s）熱處理牛奶脫脂后的分析判別因子圖，從圖中看出樣品的重復(fù)性很好，能反應(yīng)出樣品的整體特征信息。其中DF1為96.221%，DF2為3.627%，第一判別因子DF1是四個(gè)樣品產(chǎn)生差異性的主要因素，為樣品差異性滋味提供了較大的貢獻(xiàn)。其中115℃20 s和30 s的兩個(gè)樣品的DFA圖有部分重疊，也就是兩樣品的滋味相對(duì)接近，在加熱時(shí)間較長(zhǎng)的過程中樣品的滋味變化不大，比較相似，但前文所述中利用電子鼻可以將他們區(qū)分開，利用電子舌也就是說電子鼻和電子舌的結(jié)合能夠更加有效的鑒別樣品。但115℃20 s和30 s樣品與115℃5 s和10 s樣品的DFA圖距離較遠(yuǎn)，滋味有明顯的區(qū)別，并且115℃5 s和10 s樣品主要呈現(xiàn)在DFA圖中的左側(cè)，而115℃20 s和30 s樣品呈現(xiàn)在DFA圖的右側(cè)，也就是說在同一加熱溫度條件下，加熱時(shí)間短的樣品的DFA圖傾向于左側(cè)，加熱時(shí)間長(zhǎng)的樣品的DFA圖偏于右側(cè)。加熱時(shí)間是引起DF1變化的主要因素。

電子舌配備的5個(gè)傳感器可以分別對(duì)酸、甜、苦、咸、鮮這五種滋味作出評(píng)價(jià)，但由于甜和苦這兩種滋味的成味物質(zhì)較為復(fù)雜，因此儀器不能進(jìn)行具體評(píng)價(jià)。牛奶中因?yàn)楹胸S富的乳糖、蛋白質(zhì)、脂肪以及一些無機(jī)鹽如鈉鹽和鈣鹽等，在加熱過程中蛋白質(zhì)之間互相作用，蛋白質(zhì)分解為肽段和氨基酸，與乳糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，與無機(jī)鹽發(fā)生螯合作用等都會(huì)對(duì)牛奶的滋味產(chǎn)生很大的影響。脂肪水解為脂肪酸對(duì)牛奶的酸味會(huì)有一定的作用。鈉鹽和鈣鹽對(duì)咸味起了主要作用。乳糖影響甜味。由DFA圖可以判斷，加熱溫度對(duì)這些呈味物質(zhì)有很大的影響。

圖4 加熱時(shí)間對(duì)滋味的影響

在上述分析的100，115，130，140℃（5 s）的PCA圖中，能發(fā)現(xiàn)4個(gè)樣品間存在差異，即感官氣味有區(qū)別，但差異大小不一，130℃5 s樣品和140℃5 s樣品的PCA圖有部分重疊，氣味很相似，僅僅依靠電子鼻不能完全將他們區(qū)分開，需借助其他方式。通過電子舌能夠?qū)㈦娮颖遣荒芡耆珔^(qū)分開的樣品區(qū)分開，電子鼻的操作過程較電子舌更為簡(jiǎn)便，操作時(shí)間更短，但電子鼻檢測(cè)時(shí)獲取的樣品信息主要來自于奶制品的揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)，而電子舌檢測(cè)時(shí)獲取的信息是來自于乳制品中的所有物質(zhì)（包括揮發(fā)性，半揮發(fā)性，難揮發(fā)性物質(zhì)等），因此電子舌較電子鼻能更完整獲取樣品信息，得到更精確的結(jié)果[26]。為了達(dá)到盡可能在短時(shí)間內(nèi)將樣品精確的區(qū)分的目的，可以將電子鼻和電子舌的結(jié)合以此來解決問題。

3 結(jié) 論

電子鼻和電子舌是通過模擬人體的鼻和舌靈敏的將感官很難區(qū)分的樣品進(jìn)行鑒別，通過電子鼻和電子舌的運(yùn)用分析，可以直觀的看到牛奶在不同的熱處理?xiàng)l件下氣味和滋味的差異性，但單一的運(yùn)用電子鼻或電子舌對(duì)于一些氣味或滋味極其相近的樣品的區(qū)分會(huì)有難度，而將電子鼻和電子舌結(jié)合后能夠?qū)悠愤M(jìn)行更加清晰的鑒別。并且利用電子鼻和電子舌分析不同熱處理樣品的氣味和滋味，樣品的主成分分析圖和判別因子圖會(huì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，因此可以運(yùn)用電子鼻和電子舌這兩種儀器對(duì)牛奶的風(fēng)味進(jìn)行快速的判別評(píng)價(jià)，并可預(yù)測(cè)牛奶的加熱程度，排除了人工判斷誤差的主觀因素。將電子鼻和電子舌聯(lián)合使用能夠快速簡(jiǎn)便的區(qū)分高溫處理乳和巴氏殺菌乳。

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Evaluation of the degree of heating milk and flavor changes using electronic nose and electronic tongue

SONG Hui-min1,LU Jing2,LV Jia-ping2,ZHAO Wei-li3,LI Dong-hua3,ZHU Yong-ming3
（1.Heilongjiang Ligao Instrument Co.,Ltd,Harbin 150028,China;2.Institute of agricultural products processing,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China;3.Department of Food Science,Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China)

The flavor of different heat treatments milk is measured with electronic nose and electronic tongue,and take advantage of principal component analysis(PCA)and discriminant function analysis(DFA)to analyze the smell and taste of milk,the flavor is different between different heat treatments milk,according to different heating degree,m ilks show the regularity.Comparing electronic nose with electronic tongue can distinguish milk that deal with different temperature and time,and other degree heat milk samples were tentatively forecast.

electronic nose；electronic tongue；milk；flavor；heat treatment

TS252.7

：A

：1001-2230（2016）02-0012-04

2015-07-08

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAD28B07）；（2013BAD18B10）。

宋慧敏(1988－)，女，碩士研究生，研究方向畜產(chǎn)品加工。

呂加平