◎ 張慧恩，陳培云，張 建，梅婷婷，沈 楠，黃珂嘉

（浙江萬里學院，浙江 寧波 315100）

食品分析是高等院校食品類專業(yè)的核心課程，涵蓋食品一般成分分析檢測、食品添加劑分析檢測、食品中有毒有害成分檢測等內(nèi)容以及常見的食品分析方法，如原子光譜法、色譜法和質(zhì)譜法等。該課程的目標是培養(yǎng)學生對食品質(zhì)量控制的高度認識和重視，加深他們對食品基本成分的了解與掌握，引導其全面了解行業(yè)中應用的各種分析檢測方法，使其具備在食品研發(fā)、生產(chǎn)、儲運等過程中進行分析和檢驗工作的能力。同時，該課程旨在培養(yǎng)學生具有探索性解決食品質(zhì)量問題的基本思維方式和能力[1]。

實驗教學是食品分析課程的重要組成部分，對于培養(yǎng)學生實際操作能力和解決實際問題能力起著不可替代的作用。然而，目前食品分析實驗教學中存在一些主要問題。①實驗教學內(nèi)容傳統(tǒng)單一，驗證性實驗所占比例較高，綜合性和設(shè)計性實驗的比例較低等[2]。②社會對食品真實性、食品摻假、食品溯源等問題的關(guān)注，是實驗教學的盲點[3]。③分析測試方法老舊，主要依賴傳統(tǒng)的化學分析法和光學分析法，許多院校受限于硬件設(shè)施，無法充分運用食品行業(yè)常用的色譜分析和質(zhì)譜分析法等，導致實驗教學效果不佳，很難滿足食品行業(yè)對專業(yè)人才的高要求。針對上述問題，本研究對食品分析實驗教學進行了一些探索性的改革，設(shè)計了食品分析課程的綜合實驗，并取得了良好的實踐效果。

1 食品分析課程綜合實驗設(shè)計思路

目前，食品分析實驗課程開設(shè)的實驗項目主要以測定食品中某一組分（如水分、粗蛋白、粗脂肪等）為主，這類驗證性實驗雖然有利于學生掌握基本實驗技能，但是缺乏系統(tǒng)性和綜合性，很難讓學生的理論知識在實驗中得到升華，也很難通過實驗全方位地凸顯食品分析在食品檢驗、食品品質(zhì)評價方面的作用。

當今，國內(nèi)外食品工業(yè)科技發(fā)展迅速，眾多新興方法和技術(shù)應用到食品科學領(lǐng)域，并發(fā)揮了重要作用。特別是食品組學，其可以綜合食品分析的各類檢測分析結(jié)果，通過多元統(tǒng)計結(jié)合多種分析方法，對食品安全、食品質(zhì)量、食品真實性、食品溯源和食品風味等進行分析研究，闡明食品品質(zhì)變化的規(guī)律[4]。因此，本研究設(shè)計的食品分析課程綜合實驗，就是以常規(guī)分析實驗為基礎(chǔ)，將各個基礎(chǔ)單元實驗的結(jié)果數(shù)據(jù)綜合起來，并且結(jié)合食品組學的分析方法，以全方位地分析食品品質(zhì)。

2 食品分析課程綜合實驗的內(nèi)容安排

食品成分復雜，分析檢測的內(nèi)容眾多，許多分析方法都是以分析化學為基礎(chǔ)，如分光光度法、滴定法等，反復講解容易降低學生的學習興趣，導致學生思維混亂。因此，科學合理地安排實驗教學內(nèi)容至關(guān)重要。目前，虛擬仿真技術(shù)已被廣泛應用于各個領(lǐng)域，利用互聯(lián)網(wǎng)遠程操作教學實驗項目，可以突破時間和空間的限制，有效解決實驗儀器設(shè)備不足的問題，提升食品分析的實驗內(nèi)容[5]。此外，教師可以利用互聯(lián)網(wǎng)上的資源，尤其可以將與食品組學相關(guān)的數(shù)據(jù)處理網(wǎng)站、物質(zhì)鑒定網(wǎng)站，引入實驗教學中，以拓展實驗的深度和廣度，讓互聯(lián)網(wǎng)為教學賦能。

本研究以食品組學為主線，串起了食品分析的多個基礎(chǔ)實驗。①設(shè)計了探索黃酒酒齡物質(zhì)的綜合性、研究性實驗，包括黃酒中總糖的測定、黃酒中總酸的測定、氨基酸自動分析儀測定黃酒中游離氨基酸、固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用測定黃酒中風味物質(zhì)等。②通過食品組學的分析方法，借助MS-DIAL 和MetaboAnalyst平臺，對所有測得的數(shù)據(jù)進行綜合分析，以研究探索黃酒的酒齡標志物。其中，黃酒總糖的測定、總酸的測定作為基礎(chǔ)分析實驗，由學生實際操作完成；游離氨基酸的測定和風味物質(zhì)的測定，采用虛實結(jié)合的方式開展。在此過程中，學生通過虛擬仿真實驗，學習樣品前處理方法以及氣質(zhì)聯(lián)用儀、氨基酸自動分析儀等儀器的操作方法，并在虛擬仿真系統(tǒng)中完成樣品的測定。這部分的數(shù)據(jù)由教師提供，并由教師在開發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)時錄入系統(tǒng)中。具體實驗項目內(nèi)容安排及課時如圖1。

圖1 實驗課程內(nèi)容安排及課時數(shù)圖

3 食品分析課程綜合實驗的實驗方法

食品中總糖的測定、總酸的測定等基礎(chǔ)技能實驗，是食品分析實驗教學的基礎(chǔ)，也是學生掌握食品分析基本技能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。學生通過親自實驗操作，可以熟悉實驗室環(huán)境、儀器設(shè)備和實驗步驟，培養(yǎng)實驗技能和操作的熟練度，對于學生今后從事食品分析工作或相關(guān)研究，具有重要意義。

隨著時代的進步和科技的不斷發(fā)展，新興技術(shù)手段在食品分析領(lǐng)域得到廣泛應用。這些新技術(shù)手段包括但不限于高效液相色譜（HPLC）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、核磁共振（NMR）等。面對當今新的食品安全問題，如食品真實性、食品溯源、食品安全風險評估等，這些技術(shù)的引入和應用，為食品分析提供了更加精確、高效和全面的方法。其中，食品組學技術(shù)是一種綜合應用多種分析技術(shù)的方法，其結(jié)合了代謝組學、蛋白質(zhì)組學和基因組學等多個層面的分析，通過高通量數(shù)據(jù)的獲取和綜合分析，可以揭示食品中的關(guān)鍵成分和其相互作用，為食品分析和質(zhì)量控制提供保障[6]。

當然，通過一次綜合實驗想讓學生學會組學的所有方法是不現(xiàn)實的，教師可以通過設(shè)計一個綜合性實驗，讓學生初步了解和掌握組學的基本思想與方法。食品組學的難點在于如何綜合分析和解讀這些數(shù)據(jù)。為解決這個問題，本實驗引入了一些先進的數(shù)據(jù)分析工具平臺：MS-DIAL 和MetaboAnalyst。其中，MSDIAL 是一種開源的用于數(shù)據(jù)獨立分析的軟件，主要用于氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）和液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）的非靶向代謝組學分析。其可以處理各類型的質(zhì)譜原始數(shù)據(jù)，并進行復雜的數(shù)據(jù)處理，包括峰檢測、峰對齊、歸一化、統(tǒng)計分析等，MS-DIAL 的界面見圖2。MS-DIAL 的主要特點：可支持多種數(shù)據(jù)格式，包括Thermo、Waters、Agilent、Bruker 等常見的質(zhì)譜數(shù)據(jù)格式；提供豐富的數(shù)據(jù)處理功能，包括峰檢測、峰對齊、歸一化、統(tǒng)計分析等；提供豐富的代謝物數(shù)據(jù)庫，可以進行代謝物的鑒定和注釋；提供友好的圖形用戶界面，使用者可以方便地進行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果查看?？傊?，MS-DIAL 是一種強大的代謝組學分析工具，已被廣泛應用于食品科學、生物醫(yī)學和環(huán)境科學等領(lǐng)域。其包含質(zhì)譜比對、化合物信息、峰散點圖等多個可視化窗口，界面操作便捷，數(shù)據(jù)信息量大[7-8]。

圖2 MS-DIAL 質(zhì)譜數(shù)據(jù)處理結(jié)果查看界面圖

MetaboAnalyst (htps://metaboanalyst.ca/）是一個開放的功能強大的在線代謝組學數(shù)據(jù)分析平臺。其提供了一系列的工具和功能，可以幫助使用者處理、分析和解釋代謝組學數(shù)據(jù)，平臺界面見圖3。MetaboAnalyst 的主要特點和功能如下：①數(shù)據(jù)預處理。MetaboAnalyst 支持多種數(shù)據(jù)格式，包括質(zhì)譜和核磁共振數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)清洗、歸一化、變換和缺失值填充等預處理功能，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性。②統(tǒng)計分析。MetaboAnalyst 可以提供多種統(tǒng)計分析方法，包括主成分分析（PCA)、偏最小二乘判別分析（PLSDA）、t檢驗、方差分析等。使用者可以根據(jù)自己的需求，選擇適當?shù)姆椒ㄟM行數(shù)據(jù)分析。③功能分析。MetaboAnalyst 支持代謝物富集分析和通路分析，可以幫助用戶理解代謝物的生物功能和代謝途徑。同時，提供了多個數(shù)據(jù)庫和工具，包括KEGG、HMDB、Metscape 等，可用于注釋和解釋代謝物。④數(shù)據(jù)可視化。MetaboAnalyst 提供了豐富的數(shù)據(jù)可視化工具，如熱圖、箱線圖、散點圖等，可以幫助使用者直觀地展示和解釋分析結(jié)果[9]。此外，MetaboAnalyst 是一個免費的在線平臺，無須安裝任何軟件即可使用，已被廣泛應用于生物醫(yī)學、食品科學和環(huán)境科學等領(lǐng)域，為研究人員提供了一個方便、高效的代謝組學數(shù)據(jù)分析解決方案?？傊瑸榱烁玫卣故竞捅磉_數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可視化表達是非常重要的。通過使用MS-DIAL 和MetaboAnalyst 等工具，可以生成各種圖表和圖形，如熱圖、散點圖和通路圖等，從而直觀地展示數(shù)據(jù)分析結(jié)果，有助于學生更好地理解和解釋食品組學數(shù)據(jù)，提高他們的數(shù)據(jù)分析和解讀能力。

圖3 MetaboAnalyst 數(shù)據(jù)分析平臺圖

4 食品分析課程綜合實驗的實驗結(jié)果

學生利用MS-DIAL 和MetaboAnalyst 平臺，對實驗測得的數(shù)據(jù)和虛擬仿真實驗得到的結(jié)果進行分析。實驗樣品為3 種陳釀時間（0、3 年、5 年）的黃酒。

4.1 不同陳釀時間對黃酒總酸、總糖的影響

不同陳釀時間黃酒總酸的含量見圖4。在黃酒發(fā)酵的過程中，細菌會將糖分解成乳酸、醋酸、蘋果酸等有機酸。新制備或陳釀時間不長的黃酒，黃酒中的細菌和酵母會繼續(xù)代謝。其中，最主要的代謝過程是產(chǎn)生乳酸，還會同時產(chǎn)生其他有機酸。由于乳酸是黃酒中主要的有機酸成分，其含量的增加會導致黃酒的總酸含量逐漸增加，并且乳酸的產(chǎn)生也會促進蘋果酸、醋酸等有機酸的產(chǎn)生，故黃酒總酸含量會增加。當陳釀一定時間后，黃酒中的糖分幾乎分解完畢，大部分的酒精已經(jīng)產(chǎn)生，這時細菌主要的代謝過程轉(zhuǎn)向產(chǎn)生乳酸。因此，增速明顯小于前期。

圖4 不同陳釀時間對總酸的影響圖

不同陳釀時間黃酒總糖的含量見圖5。黃酒在陳釀過程中，總糖含量會逐漸減少。其中，主要原因是黃酒中的糖分會隨著時間的推移被細菌和酵母分解成酒精和二氧化碳。同時，隨著糖分的降解，黃酒中的總糖含量會逐漸減少。因此，陳年的黃酒總糖含量一般會比新鮮的黃酒要低。黃酒在陳放過程中，黃酒中的糖分被分解成酒精和其他化合物，逐漸成熟和復雜化，可增加黃酒的復雜性和風味特點。

圖5 不同陳釀時間對總糖的影響圖

4.2 不同陳釀時間對游離氨基酸的影響

黃酒的游離氨基酸含量在陳放過程中會發(fā)生變化，從圖6 可見，陳年黃酒中的游離氨基酸含量比新鮮的黃酒高，且隨著陳放時間的增長，其含量逐漸增加。這是由于細菌和酵母在黃酒陳放過程中，會產(chǎn)生多種多樣的代謝產(chǎn)物，包括各種游離氨基酸。隨著陳放時間的增長，游離氨基酸的種類會逐漸增加，繼而形成復雜的氨基酸。

圖6 不同陳釀時間對游離氨基酸的影響圖

4.3 不同陳釀期黃酒揮發(fā)性成分的定性及定量分析

學生通過虛擬仿真實驗，得到3 種不同陳釀期黃酒樣品揮發(fā)性成分，原始數(shù)據(jù)文件通過MS-DIAL 利用公開的圖譜庫進行檢索，并輸出圖譜數(shù)據(jù)繪圖（見圖7），共定性鑒別出114 種揮發(fā)性成分，并根據(jù)峰面積得到各物質(zhì)的相對含量。按照其化學結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同，可分為8 類，包括酯類、醇類、萜烯類、烷類、酮醛類、有機酸類、酚類和其他類。其中，醇類含量最高占69.07%；酚類種類最少有6 種，占9.85%；酯類種類最多有32 種，占9.30%；其他依次為有機酸類5.24%、萜烯類4.25%、酮醛類0.60%、其他0.53%、烷類0.24%。其中，異戊醇含量最高，占36.99%，在3 個陳釀期黃酒中均存在，異戊醇使酒體口感微甜偏苦，可賦予酒體辛辣味和白蘭地的香氣[10]；苯乙醇含量次之，占28.85%，其具有柔和、香甜、持久的氣味，可賦予酒體芳香氣味[11]；2，4－二叔丁基苯酚含量位于第3 位，占7.99%；其余風味物質(zhì)占比皆小于2%，如芳樟醇占1.94%，其具有清新的鈴蘭花香氣[12]；乳酸占1.91%，有刺激性氣味，是酒體酸味的主要來源之一。

圖7 不同黃酒SPME-GC/MS 圖譜圖

4.4 不同陳釀時間黃酒成分的主成分分析

通過Metaboanalyst 平臺，結(jié)合總糖、總酸、氣質(zhì)聯(lián)用、氨基酸分析等數(shù)據(jù)，對3 種不同陳釀期的黃酒進行主成分分析，分析結(jié)果顯示如圖8。由圖8 可知，主成分PC1 的載荷為37.7%，主成分PC2 的載荷為17.9%，前2 個主成分的載荷為55.6%，大于40%，可以代表黃酒中主要的物質(zhì)。此外，從圖8 可知，3 種黃酒在PC1 和PC2 方向上能清楚地區(qū)分開來，在95%置信區(qū)間上，y0 和y3 有部分重合、y5 與其他兩組沒有重合，說明不同陳釀期的黃酒在所含物質(zhì)上，具有顯著差異。

圖8 主成分分析PCA 得分圖

4.5 偏最小二乘分析（PLS-DA）3 種儲存期黃酒的揮發(fā)性風味物質(zhì)

為綜合分析不同黃酒的物質(zhì)差異，學生建立了PLS-DA 模型，結(jié)果見圖9。模型中的2 個主成分代表55.3%的原始數(shù)據(jù)，能反映樣品的信息。以主成分1和主成分2 為橫縱坐標，同一陳釀期的樣品都在95%的置信區(qū)間內(nèi)，3 組置信區(qū)間沒有重合，說明模型優(yōu)于PCA 分析結(jié)果。在主成分1 上，y0、y3、y5 儲存期黃酒有明顯區(qū)別；在主成分2 上，3 個黃酒得分基本相近。這說明主成分1可以用來區(qū)別3個陳釀期的黃酒，主成分2 不易用來區(qū)別3 個陳釀期的黃酒。

圖9 偏最小二乘法判別分析PLS-DA 結(jié)果圖

PLS-DA 中，主成分1 的投影重要度（variable importance for the projection，VIP）反映了各變量對整體的貢獻度。當VIP 大于1.5 時，說明變量對整體的貢獻度高，可以作為潛在的黃酒酒齡標志物差異[13]。如圖10 所示，選取VIP 值最高的前15 個數(shù)據(jù)，其作為酒齡標志物與陳釀時間成正比，即隨陳釀時間的增加而增加，且標志物在每個年份中應該兩兩差異顯著（p＜0.05）。因此，本實驗一共篩選出符合上述條件的物質(zhì)4 種，即化合物CAS：638-53-9 十三烷酸、CAS：143-07-7 月桂酸、CAS：334-48-5 正癸酸、CAS：112-05-0 正壬酸，這4 種物質(zhì)可作為黃酒的酒齡標志物。圖11 為上述4 種物質(zhì)在不同陳釀期的變化情況。

圖10 VIP 貢獻度圖

圖11 十三烷酸（a)，月桂酸（b)，正癸酸（c)，正壬酸（d）含量變化圖

5 教學效果

在傳統(tǒng)的驗證性實驗基礎(chǔ)上，本實驗引入了食品組學、MSDIAL、MetaboAnalyst 等新概念、新方法和新內(nèi)容，創(chuàng)新性地構(gòu)建了一個具有開放性、探索性和挑戰(zhàn)性的綜合實驗項目。該項目主要針對食品專業(yè)的本科三年級學生，他們通過之前的專業(yè)課程學習，已經(jīng)掌握了實施該項目所需的基礎(chǔ)知識和實驗技巧。問卷調(diào)查顯示，92%學生對課程非常滿意；64%學生認為課程有難度，具有挑戰(zhàn)性；46%的學生表示，通過本實驗能夠認識前沿理論技術(shù)和方法，開闊了知識視野。該實驗項目對教學和學生都有較大的益處：①提升了教學內(nèi)容的前沿性和實用性，使教學內(nèi)容更加貼近當前的科學研究和實際應用。②新概念、新方法可以激發(fā)學生的學習興趣和動力，使他們更加主動地參與學習和實驗，提高學習的積極性和主動性。③可以培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)分析、問題解決和創(chuàng)新思維等綜合能力，提高學生的專業(yè)素養(yǎng)和競爭力，為他們未來的科研和職業(yè)發(fā)展，打下堅實的基礎(chǔ)。

食品分析實驗課程在食品科學本科教學中，扮演著重要的角色，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的實驗教學內(nèi)容已不能滿足社會和行業(yè)對專業(yè)人才的需求。在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，食品分析實驗教學改革，可以充分利用虛擬實驗和在線資源平臺，為學生提供更多的實驗資源和實驗場景，豐富實驗內(nèi)容和實驗方法。學生可以通過虛擬實驗進行模擬實驗操作，加深對實驗原理和步驟的理解。同時，通過在線大數(shù)據(jù)分析平臺，學生可以更深入地分析和解讀食品分析實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)樣品中的潛在規(guī)律和關(guān)聯(lián)性，提高數(shù)據(jù)分析的準確性和效率。此外，通過引入多學科的知識和方法，能夠培養(yǎng)學生的綜合思考和解決問題的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

6 結(jié)語

在大數(shù)據(jù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，新技術(shù)的引入為傳統(tǒng)的實驗教學帶來了更多的機遇。相關(guān)教育者需要思考如何充分利用這些技術(shù)和資源，為實驗教學注入新的活力，實現(xiàn)信息技術(shù)與傳統(tǒng)教學的有機融合，以達到更好的教學效果。為了實現(xiàn)這一目標，相關(guān)教育者需要在實踐中不斷探索和研究，尋找最佳的教學方法和策略。只有不斷地加以創(chuàng)新和改進，才能使實驗教學取得滿意的效果。