電子鼻技術(shù)對(duì)不同貯藏條件銀杏果揮發(fā)性組分的比較

吳彩娥，范龔健，李婷婷，陳 榕，吳海霞

(南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

電子鼻技術(shù)對(duì)不同貯藏條件銀杏果揮發(fā)性組分的比較

吳彩娥，范龔健，李婷婷，陳 榕，吳海霞

(南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

為了分析不同的貯藏條件銀杏果中揮發(fā)性組分的性質(zhì)，采用電子鼻對(duì)不同材料包裝和不同保鮮劑處理后的銀杏果揮發(fā)性氣味進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用不同材料包裝的銀杏果，傳感器主成分1和主成分2的累積方差貢獻(xiàn)率為99.44%，鑒別指數(shù)達(dá)到94；采用不同保鮮劑處理的銀杏果，傳感器主成分1和主成分2的累積方差貢獻(xiàn)率為99.48%，鑒別指數(shù)達(dá)到86。結(jié)果表明：采用不同包裝材料和不同保鮮劑處理的銀杏果在貯藏一段時(shí)間后氣味均有較大差異，運(yùn)用電子鼻能夠很好地將其區(qū)分。電子鼻對(duì)經(jīng)過(guò)不同材料包裝貯藏和不同保鮮劑處理貯藏的銀杏果揮發(fā)性氣味反應(yīng)靈敏，可以用于銀杏果氣味分析。

銀杏果；保鮮劑；包裝材料；電子鼻；主成分分析

銀杏(Ginkgo bilobaL.)為銀杏科(Ginkgoaceae)銀杏屬(Ginkgo)多年生落葉喬木。銀杏果采后在長(zhǎng)期的貯藏過(guò)程中發(fā)霉腐爛、失水硬化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因此常采用一定的貯藏保鮮技術(shù)以延長(zhǎng)貯藏期、提高貯藏品質(zhì)。通常銀杏果的貯藏效果均是通過(guò)其生理生化及貯藏品質(zhì)的變化情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，而從氣味的角度進(jìn)行分析研究的相對(duì)較少。果蔬的氣味與其品質(zhì)密切相關(guān)，銀杏果具有獨(dú)特的香味，通常所用的氣相色譜檢測(cè)法樣品前處理復(fù)雜，檢測(cè)周期長(zhǎng)、成本高，存在一定局限。電子鼻是一種新穎的檢測(cè)、識(shí)別和分析復(fù)雜嗅味和揮發(fā)性成分的人工嗅覺(jué)裝置[1]，可以根據(jù)各種不同的氣味檢測(cè)到不同的信號(hào)，并進(jìn)行判斷識(shí)別，將其聚類在多維空間，實(shí)現(xiàn)感官評(píng)價(jià)難以達(dá)到的量化[2]，其操作靈敏、快捷。目前電子鼻技術(shù)已在醫(yī)藥業(yè)、酒業(yè)、乳業(yè)、香精香料及貨架壽命評(píng)價(jià)[3-6]等方面得到了廣泛的應(yīng)用。許亞丹等[7]采用電子鼻技術(shù)進(jìn)行了摻假牛奶的檢測(cè)，者為等[8]利用電子鼻技術(shù)檢測(cè)了煙用香精香料的成分，韓邦興等[9]基于電子鼻技術(shù)分析了開(kāi)花對(duì)前胡氣味所產(chǎn)生的影響，佟懿等[10]則采用電子鼻技術(shù)建立了帶魚(yú)貨架期的預(yù)測(cè)模型；張曉華等[11-12]應(yīng)用電子鼻技術(shù)對(duì)蘋(píng)果的貯藏期進(jìn)行了研究，結(jié)果表明果實(shí)的香氣成分按照貯藏時(shí)間得到了很好地區(qū)分，反應(yīng)了采后果實(shí)質(zhì)量的變化過(guò)程，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了蘋(píng)果的貨架期。但目前有關(guān)電子鼻技術(shù)在銀杏果采后貯藏中的應(yīng)用未見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)利用電子鼻技術(shù)比較研究不同包裝材料和不同保鮮試劑處理并貯藏后的銀杏果所產(chǎn)生揮發(fā)性氣體成分的差異，為銀杏果貯藏方式及貯藏條件的選擇提供理論依據(jù)，為電子鼻在果蔬貯藏中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試樣品為銀杏主栽品種‘大佛指’。2009年10月6日采自于江蘇省泰興縣。采收的銀杏果于室溫下攤晾4d，除去空、癟果及蟲(chóng)果等，采用不同保鮮材料及不同保鮮劑處理，置于4℃條件下貯藏，貯藏140d時(shí)進(jìn)行測(cè)定。

不同保鮮材料包裝處理：銀杏果分別采用厚度為0.01mm聚乙烯(polyethylene，PE)塑料袋、0.03mm聚乙烯塑料袋、0.01mm聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)塑料袋、0.03mm聚氯乙烯塑料袋包裝。保鮮袋由國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程中心提供。

不同保鮮劑貯前處理：銀杏果在貯藏前分別用二氯異氰尿酸鈉熏蒸處理、G型二氧化氯片處理、葡萄保鮮片(緩釋SO2)處理、噻苯咪唑懸浮劑浸泡處理，并以0.03mm聚乙烯塑料袋進(jìn)行包裝，置于4℃條件下進(jìn)行貯藏，以不作處理為對(duì)照。保鮮劑由山東營(yíng)養(yǎng)源食品科技有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)基于法國(guó)Alpha MOS公司生產(chǎn)的Alpha MOS FOX 4000電子鼻(含有18個(gè)金屬氧化物傳感器組成的陣列，如圖1所示)。進(jìn)樣采用HS100自動(dòng)進(jìn)樣器，數(shù)據(jù)收集后，使用SOFT V12.3軟件進(jìn)行分析。

圖1 FOX 4000電子鼻工作原理示意圖Fig.1 Working mode of FOX4000 electronic nose

1.3 方法

樣品制備：取8顆銀杏果[質(zhì)量為(20.5±0.5g)]于150mL燒杯中，用保鮮膜將杯口蓋緊，在室溫下平衡1h，積累一定的揮發(fā)性物質(zhì)，然后采用自動(dòng)進(jìn)樣方式頂空采樣20mL進(jìn)行分析。不同處理的樣品分別進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)定。

分析條件：合成干燥空氣為載氣，流速150mL/min，注射體積20mL，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間120s，延滯時(shí)間180s。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品傳感器信號(hào)分析

圖2 銀杏果的電子鼻檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)圖Fig.2 Response signal of electronic nose

圖2例舉了0.01mm和0.03mm的PVC和PE包裝銀杏果的電子鼻原始數(shù)據(jù)。圖中每一個(gè)傳感器記錄其每一秒的變化數(shù)據(jù)，每條曲線代表一個(gè)傳感器在120s內(nèi)的響應(yīng)值變化，共有18條曲線，代表18個(gè)傳感器的原始數(shù)據(jù)，響應(yīng)強(qiáng)度的高低反映了傳感器對(duì)所測(cè)氣體成分的靈敏度。過(guò)低的響應(yīng)表明傳感器對(duì)樣品的敏感度不足，無(wú)法檢測(cè)，過(guò)高的響應(yīng)表明傳感器對(duì)樣品的響應(yīng)很強(qiáng)，易導(dǎo)致傳感器的疲勞和損壞。從圖2可以看出，電子鼻的18個(gè)傳感器對(duì)不同包裝材料處理銀杏果的響應(yīng)程度有很大的區(qū)別。傳感器對(duì)0.01mm PVC包裝和0.03mm PE包裝的銀杏果揮發(fā)性氣體成分比較敏感，響應(yīng)強(qiáng)度值較大，其峰值分別為0.25～0.9、0.2～0.8；而對(duì)0.03mm的PVC包裝和0.01mm的PE包裝的銀杏果揮發(fā)性氣體成分響應(yīng)強(qiáng)度值較小。根據(jù)每根傳感器的最大響應(yīng)強(qiáng)度值，可以進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)理分析處[13]。

2.2 樣品傳感器信號(hào)的雷達(dá)圖和柱狀圖分析

為了能更好的分析不同包裝材料貯藏的銀杏果氣味的區(qū)別，進(jìn)行了樣品的雷達(dá)圖和柱狀圖分析。雷達(dá)圖，又叫指紋圖，它是把18個(gè)傳感器按照間隔20°均勻排列在圓周上，將每個(gè)傳感器的最大響應(yīng)值取出并標(biāo)識(shí)[14]；柱狀圖，又叫直方圖，即把每個(gè)傳感器的最大響應(yīng)值以柱狀圖的形式表現(xiàn)出來(lái)，柱狀直方圖可直觀的顯示不同傳感器對(duì)于氣味的響應(yīng)情況[15]。

圖3 不同處理銀杏果的雷達(dá)指紋圖譜(a)和柱狀圖譜(b)Fig.3 Rader and bar code graphs of ginkgo fruits with different packaging and preservation treatments

如圖3A所示，不同傳感器的反應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度有很大區(qū)別，顯示出銀杏果分析樣品在氣味上有明顯的不同，使用不同包裝材料進(jìn)行貯藏的銀杏果可被有效區(qū)分。由圖3B可知，不同傳感器對(duì)于不同處理的銀杏果，響應(yīng)存在明顯差異，說(shuō)明采用不同的保鮮劑處理后貯藏的銀杏果，其氣味存在較大差異，可以通過(guò)電子鼻技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。為了更直觀地區(qū)別不同處理的銀杏果，采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.3 樣品信號(hào)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

主成分分析(principle component analysis，PCA)是一種多元統(tǒng)計(jì)方法，PCA分析在對(duì)樣品特性一無(wú)所知的前提下，將傳感器所提取的多指標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，用較少的主成分來(lái)代替原來(lái)的多維向量，從一定視角來(lái)尋找樣品間的差異的一種算法，最后在PCA分析的散點(diǎn)圖上顯示主要的兩維散點(diǎn)圖[16]。在PCA轉(zhuǎn)換中，通過(guò)線性組合得到的新的綜合指標(biāo)，這些新的指標(biāo)被稱為主成分。主成分中方差貢獻(xiàn)了最大的視為第1主成分，貢獻(xiàn)率次之視為第2主成分。貢獻(xiàn)率越大，說(shuō)明主要成分可以較好地反映原來(lái)多指標(biāo)的信息，當(dāng)方差貢獻(xiàn)率累積達(dá)到85%以上就認(rèn)為所選的幾個(gè)主成分能夠反映原來(lái)指標(biāo)的信息。PCA分析已經(jīng)成為多數(shù)傳感型電子鼻常用的化學(xué)計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)處理方法[17]。

圖4 不同包裝材料銀杏果的PCA圖Fig.4 PCA plot for ginkgo fruits packaged with different materials

如圖4所示，不同包裝材料貯藏的銀杏果分別聚集在PCA圖的不同的區(qū)域，而相同包裝材料貯藏的各個(gè)樣品點(diǎn)較為集中的聚集在一處。主成分1(PC1)的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了98.26%，主成分2(PC2)的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了1.18%，傳感器主成分1(PC1)和主成分2(PC2)的累積方差貢獻(xiàn)率為99.44%，大于85%，說(shuō)明此PCA圖能很好地反映樣品的實(shí)際變化情況。鑒別指數(shù)(discrimination index，DI)代表不同包裝材料的銀杏果間的區(qū)別能力，DI最大值為100，DI在80～100之間就表明區(qū)分有效，其值越大，區(qū)分越好。圖中DI值為94，表明4種包裝材料處理的銀杏果經(jīng)過(guò)一段時(shí)間貯藏后，其氣味有較大的區(qū)別，利用電子鼻技術(shù)可以對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)。

圖5 不同保鮮劑處理銀杏果的PCA圖Fig.5 PCA plot for ginkgo fruits treated with different preservatives

如圖5所示，傳感器主成分1(PC1)反映了原始變量98.90%的信息，主成分2(PC2)反映了原始變量0.57%的信息，兩主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為99.48%，大于85%，說(shuō)明采用PCA分析能很好地反映樣品的實(shí)際情況。鑒別指數(shù)為86，在80～100范圍內(nèi)，表明運(yùn)用電子鼻技術(shù)可將不同保鮮劑處理并貯藏一段時(shí)間的銀杏果進(jìn)行有效區(qū)分。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)利用電子鼻技術(shù)，對(duì)不同包裝材料以及不同保鮮劑處理并貯藏的銀杏果樣品的揮發(fā)性組分進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析。結(jié)果表明，不同材料包裝的銀杏果經(jīng)過(guò)140d的貯藏后，電子鼻可以對(duì)其進(jìn)行有效區(qū)分，表明不同方式處理后的銀杏果氣味存在明顯差異，不同包裝材料對(duì)銀杏果的采后貯藏品質(zhì)有較大影響；而貯前采用不同保鮮劑處理的銀杏果經(jīng)過(guò)一段時(shí)間貯藏后，其氣味也存在一定差異，說(shuō)明電子鼻可以快速、方便地預(yù)測(cè)出不同保鮮劑處理對(duì)采后銀杏果使用效果間的差異。采用包裝材料或保鮮劑對(duì)銀杏果進(jìn)行處理，均可在一定程度上延長(zhǎng)銀杏果保藏期，延緩其品質(zhì)劣變，并對(duì)揮發(fā)性氣體成分產(chǎn)生影響，通過(guò)電子鼻技術(shù)可以對(duì)其氣味進(jìn)行檢測(cè)、分析。電子鼻技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)的新技術(shù)，如在實(shí)際應(yīng)用中將其與感官評(píng)定及其他生理生化指標(biāo)的測(cè)定相結(jié)合，將能為銀杏果采后貯藏方式的選擇及質(zhì)量評(píng)價(jià)提供一種快速便捷的新方法，為果蔬保鮮條件的檢測(cè)提供新途徑。

[1] 陳曉明, 李景明, 李艷霞, 等. 電子鼻在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2006, 25(4): 8-11.

[2] 杜鋒, 雷鳴. 電子鼻及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué), 2003,24(5): 161-163.

[3] 鄒小波, 趙杰文. 電子鼻在飲料識(shí)別中的應(yīng)用研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2002, 18(3): 146-149.

[4] 劉志東, 郭本恒, 王蔭愉, 等. 電子鼻在乳品工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2007, 33(2): 102-107.

[5] 殷勇, 于慧春. 無(wú)封裝條件下牛奶存放質(zhì)量電子鼻分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2010, 41(3): 149-152.

[6] 朱麗敏, 倪元穎, VENZAL S, 等. 氣味指紋分析技術(shù)在食品質(zhì)控和風(fēng)味研究的應(yīng)用[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工: 學(xué)刊, 2005, 45(10): 72-76.

[7] 許亞丹, 王俊, 趙國(guó)軍, 等. 檢測(cè)摻假牛奶的電子鼻傳感器陣列的優(yōu)化[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, 19(4): 957-962.

[8] 者為, 王明鋒, 朱保昆, 等. 電子鼻在煙用香精香料檢測(cè)中的應(yīng)用[J].食品工業(yè), 2010(1): 93-95.

[9] 韓邦興, 陳乃富, 周曉坤, 等. 基于電子鼻技術(shù)分析開(kāi)花對(duì)前胡氣味的影響[J]. 食品科學(xué), 2010, 31(4): 132-134.

[10] 佟懿, 謝晶, 肖紅, 等. 基于電子鼻的帶魚(yú)貨架期預(yù)測(cè)模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(2): 356-360.

[11] 張曉華, 常偉, 李景明, 等. 電子鼻技術(shù)對(duì)蘋(píng)果貯藏期的研究[J]. 現(xiàn)代科學(xué)儀器, 2007, 17(6): 120-123.

[12] 張曉華, 張東星, 劉遠(yuǎn)方, 等. 電子鼻對(duì)蘋(píng)果貨架期質(zhì)量的評(píng)價(jià)[J].食品與發(fā)酵工業(yè), 2007, 33(6): 20-23.

[13] VESTERGAARD J S, MARTENS M, TURKKI P. Application of an electronic nose system for prediction of sensory quality changes of a meat product (pizza topping) during storage[J]. Food Science and Technology,2007, 40(6): 1095-1101.

[14] PERIS M, ESCUDER-GILABERT L. A 21st century technique for food control: electronic noses[J]. Analytica Chimica Acta, 2009, 638(1): 1-15.

[15] YU Huichun, WANG Jun. Discrimination of Longjing green-tea grade by electronic nose[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2007, 122(1):134-140.

[16] RAJAMA..KI T, ALAKOMI H L, RITVANEN T, et al. Application of an electronic nose for quality assessment of modified atmosphere packaged poultry meat[J]. Food Control, 2006, 17(1): 5-13.

[17] AMPUERO S, BOSSET J O. The electronic nose applied to dairy products: a review[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2003, 94(1):1-12.

Comparison of Volatile Components in Ginkgo Fruits Stored in Different Conditions by Electronic Nose

WU Cai-e，F(xiàn)AN Gong-jian，LI Ting-ting，CHEN Rong，WU Hai-xia
(College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

In order to analyze the properties of volatile components in ginkgo fruits stored in different conditions, an electronic nose FOX4000 was used to detect the volatile odors of ginkgo fruits treated with different preservatives and packaged with different materials after 140 days of storage at 4 ℃. The results indicated that the cumulative contribution rates of the fist and second principal components and discrimination index for ginkgo fruits with different material packaging treatments were 99.44% and 94, respectively, while those for ginkgo fruits with different preservative treatments were 99.48% and 86, respectively.Electronic nose allowed sensitive distinguishing among the significantly different volatile odors of ginkgo fruits due to the different preservation and packaging treatments.

ginkgo seeds；preservative；packaging material；electronic nose；principle component analysis (PCA)

S664.3；S609.3

A

1002-6630(2012)16-0167-04

2012-03-07

江蘇省科技支撐(農(nóng)業(yè))項(xiàng)目(BE2011381)；國(guó)家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201004015)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD)；江蘇高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目(蘇教科[2009]10號(hào))

吳彩娥(1962—)，女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称饭こ碳夹g(shù)及植物活性成分分析。E-mail：sxwucaie@163.com