基于電子鼻對不同發(fā)酵階段蟹醬 加熱前后特征風味的分析

黃 鶴,耿麗晶,陳 博,王 冠,劉 冰,陳冠男,王筱瑜

(錦州醫(yī)科大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧錦州 121001)

蟹醬是以新鮮的海蟹為原料,經(jīng)搗碎、加鹽腌制、發(fā)酵制成的一種糊狀發(fā)酵鮮味調(diào)料,是我國沿海地區(qū)常用的調(diào)味料之一,在烹飪中可用于各種新鮮蔬菜、肉類、湯類等菜肴的調(diào)味增鮮,也可單獨將蟹醬蒸熟佐餐食用[1]。蟹醬發(fā)酵風味形成的監(jiān)測,一般主要依靠人工感官鑒定和理化指標來進行,感官鑒定對鑒定人員認知要求高且主觀隨意性強,而理化指標的檢測較費時、費力。電子鼻是仿照生物嗅覺系統(tǒng),利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)曲線來識別氣味的一種電子系統(tǒng),可對樣品中揮發(fā)成分的整體信息進行分析。利用電子鼻進行風味分析,既可避免主觀影響,又簡單、省時。且其與光譜儀、色譜儀等分析儀器最大的區(qū)別在于其得到的不是被測組分的定性或定量結(jié)果,而是樣品中揮發(fā)性成分的整體信息[2-5]。

近年來關(guān)于蟹醬的研究主要集中于菌種的分離純化鑒定[6]及常溫保鮮技術(shù)[7]等方面,而鮮見關(guān)于蟹醬風味的相關(guān)研究。本文利用PEN3電子鼻快速檢測不同發(fā)酵階段的蟹醬加熱前后風味的變化情況,結(jié)合主成分分析(principal component analysis,PCA)、傳感器載荷分析(loadings analysis,LA)和線性判別式分析(linear discriminant analysis,LDA),對不同發(fā)酵階段的蟹醬進行歸類,以期利用快速檢測手段針對蟹醬發(fā)酵程度做無損檢測分析,達到助力于生產(chǎn)品質(zhì)監(jiān)控的目的,同時為進一步研究蟹醬的風味形成機理提供了基礎(chǔ)信息。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮低值海蟹(Charybdisjaponica) 寬度4～6 cm,錦州水產(chǎn)批發(fā)市場;食鹽 市售。

YP600型電子天平 上海第二天平儀器廠;PEN3型便攜式電子鼻 德國Airsense公司,該電子鼻傳感器陣列由10個金屬氧化物傳感器構(gòu)成,各傳感器性能詳見表1。

表1 PEN3型電子鼻標準傳感器陣列性能Table 1 Properties of standard sensors on PEN3 electronic nose

1.2 實驗方法

1.2.1 蟹醬的制備及樣品采集

1.2.1.1 制醬 原料蟹洗凈瀝水→去殼、鰓、胃囊等污物→搗碎至組織均勻→放入發(fā)酵罐→加入其重量20%的食鹽,拌勻腌漬→壓緊抹平表面,加蓋密封,每天攪拌一次。

1.2.1.2 樣品處理 取不同發(fā)酵天數(shù)(0、4、8、12、16、20、24、28 d)蟹醬樣品,每天清晨攪拌后取樣。準確稱取各階段樣品各10.0 g于50 mL螺紋口樣品瓶中,室溫平衡1 h。同時稱取各階段樣品10 g于100 mL燒杯,加入20 mL蒸餾水煮制5 min,冷卻后轉(zhuǎn)移至螺紋口樣品瓶中,室溫平衡1 h。

1.2.2 電子鼻檢測 傳感器室流量300 mL/min,測量樣品流量300 mL/min,清洗時間100 s,測試時間80 s,頂空溫度25 ℃。每個樣品平行測試3 次,取傳感器處于最穩(wěn)定信號時間點進行分析。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 電子鼻測量數(shù)據(jù)利用PEN3型電子鼻內(nèi)部WinMuster 1.6.2軟件進行主成份分析、線性判別分析及傳感器載荷分析;實驗結(jié)果采用“平均值±標準差”形式表示,采用SPSS 22.0軟件和Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 電子鼻對蟹醬特征風味的響應(yīng)

圖1A～圖1D分別為電子鼻檢測煮制前及煮制后未發(fā)酵蟹醬和發(fā)酵28 d蟹醬的傳感器響應(yīng)曲線,如圖1,曲線普遍在75～80 s最為平穩(wěn),因此特征值提取時間點設(shè)定為75～80 s。同時圖中可看出,電子鼻的R7(無機硫化物、萜類)、R9(有機硫化物)、R6(甲基類)傳感器對蟹醬樣品的響應(yīng)值較大,而其余7個傳感器的響應(yīng)值都在1左右且變化極小。傳感器響應(yīng)值越大,表明蟹醬中該傳感器代表的某類物質(zhì)濃度越大。因此可以說明,在發(fā)酵各階段以及煮制前后,蟹醬的特征風味均可能來自于無機硫化物、有機硫化物及甲基類物質(zhì)或其相關(guān)成分。

圖1 電子鼻對蟹醬風味的響應(yīng)曲線Fig.1 Response curves of electronic nose to crab paste flavor注:A為煮制前發(fā)酵0 d蟹醬響應(yīng)曲線、B為煮制前發(fā)酵28 d蟹醬響應(yīng)曲線、 C為煮制后發(fā)酵0 d蟹醬響應(yīng)曲線、D為煮制后發(fā)酵28 d蟹醬響應(yīng)曲線。

圖2A、圖2B分別為煮制前后蟹醬的電子鼻傳感器響應(yīng)值隨發(fā)酵時間變化情況。蟹醬在煮制前,R7、R9和R6傳感器響應(yīng)值總體隨發(fā)酵過程而發(fā)生了波動式的減小,4 d后開始明顯變化;而對于煮制后蟹醬3組傳感器響應(yīng)值則表現(xiàn)總體為隨發(fā)酵過程而逐漸增大,發(fā)酵第12 d尤為突出,發(fā)生急速增大而后減小;對比發(fā)酵前后響應(yīng)值變化可知,煮制后R7、R9和R6傳感器響應(yīng)值比煮制前有所增大。揮發(fā)性的含硫化合物閾值較低,對食品整體風味有重要貢獻。其主要來自于原料中蛋氨酸等含硫氨基酸的降解,或由海產(chǎn)品肌肉組織中的谷胱甘肽轉(zhuǎn)化形成[6]。研究表明,蟹肉的揮發(fā)性風味物質(zhì)中含有直鏈和雜環(huán)含硫化合物,表現(xiàn)為類洋蔥或熟卷心菜味,且雜環(huán)硫化物是在加熱過程中大量形成的,大多數(shù)海產(chǎn)品經(jīng)加熱后會產(chǎn)生二甲基二硫和二甲基三硫[8-14]。

圖2 各傳感器對蟹醬的響應(yīng)值變化情況Fig.2 Changes of the sensor response value of crab paste注:A為煮制前蟹醬響應(yīng)值變化、B為煮制后蟹醬響應(yīng)值變化;圖中不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.2 PCA結(jié)果

PCA是將多變量線性轉(zhuǎn)換選出較少重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法,可對傳感器獲取的多指標信息進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維,并對特征向量進行線性分類,最終在PCA圖上顯示主要的兩維圖,貢獻率越大,越能更好地反映樣品信息[15]。

由圖3A可知,煮制前蟹醬的第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)的貢獻率分別為97.66%和1.58%,累積貢獻率為99.24%,表明兩個主成分基本代表了樣品的主要信息特征。發(fā)酵各階段蟹醬樣品皆能較好地區(qū)分開,且各組在PC1上呈現(xiàn)一定的變化趨勢,其中發(fā)酵0 d和4 d的蟹醬氣味范圍較為接近,且與其他幾組明顯分開,表明發(fā)酵過程中,蟹醬特征風味物質(zhì)是在發(fā)酵4 d以后開始明顯變化的,這與圖2A結(jié)果一致。如圖3B,對煮制后的蟹醬PCA分析表明,PC1和PC2的貢獻率分別為94.38%和3.94%,累積貢獻率為98.32%,表明兩主成分可以代表樣品主要信息特征。各階段樣品能較好區(qū)分開,但沒有明顯的變化趨勢,無法反映煮制后各階段蟹醬風味的變化規(guī)律,試用LDA方法進行進一步分析。

圖3 各發(fā)酵階段蟹醬的主成分分析Fig.3 PCA analysis of crab paste during different fermentation periods注:A為煮制前蟹醬PCA結(jié)果、B為煮制后蟹醬PCA結(jié)果。

2.3 LDA結(jié)果

LDA是研究樣品所屬類型的一種統(tǒng)計方法,利用所有傳感器的信號,以提高分類準確性,更加注重樣品在空間中的分布狀態(tài)及彼此之間的距離分析[16]。

由圖4A可知,第一判別函數(shù)(LDA1)和第二判別函數(shù)(LDA2)的貢獻率分別為96.30%和1.97%,累積貢獻率達到98.27%,隨著發(fā)酵的進行,LDA圖中樣品的分布呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢,可以達到區(qū)分各階段發(fā)酵蟹醬的目的。其中0 d和4 d距離較近,主要體現(xiàn)在LDA2上且與其他組距離較遠,說明發(fā)酵前4 d蟹醬風味變化不明顯;8～16 d時風味變化速率明顯增大,且在LDA1上變化明顯,說明在8～16 d蟹醬風味變化較快;而20～28 d在LDA1和LDA2上均變化明顯,且與之前的風味物質(zhì)區(qū)分較大,表明在發(fā)酵后期蟹醬風味豐度逐漸增加,產(chǎn)生風味物質(zhì)種類更多。圖4B表明,LDA1和LDA2的貢獻率分別為63.02%和25.61%,累積貢獻率為88.63%,由圖可以看出煮制后發(fā)酵0～8 d的蟹醬在LDA1上是逐漸減小的,而在12 d前后有一個急劇的增大又減小的變化,16～24 d之間蟹醬煮制后風味特征差異較小,28 d樣品在LDA1和LDA2上均變化明顯,總體上來看,發(fā)酵各階段樣品能被較好地區(qū)分開,且有一定變化趨勢。

圖4 各發(fā)酵階段蟹醬的線性判別式分析Fig.4 LDA analysis of crab paste during different fermentation periods注:A為煮制前蟹醬LDA結(jié)果、B為煮制后蟹醬LDA結(jié)果。

2.4 LA結(jié)果

LA可以檢查PCA空間中傳感器對模型數(shù)據(jù)分布的影響,通常用來體現(xiàn)傳感器在識別模式中的重要程度,位點坐標表示其所在主成分上的比重,如坐標距離坐標零點較遠,則說明傳感器對檢測樣品的風味反應(yīng)較敏感,該傳感器是識別傳感器[17-18]。由圖5A可知,對煮制前的蟹醬,R10、R4、R5傳感器分布接近于零坐標,并且位置接近,說明其信號變化比較弱,貢獻率比較小,結(jié)合表1可知氫化物、短鏈烷烴對于PCA貢獻率較小;R1、R2、R3、R8傳感器在第1、第2主成分上都有一定貢獻,但結(jié)合圖2A傳感器響應(yīng)變化情況,表明苯類、氮氧化合物、氨類及醇醛酮類物質(zhì)在蟹醬中成分較穩(wěn)定,未隨發(fā)酵而產(chǎn)生明顯變化;R6傳感器在第1主成分上比重較大,R7、R9號傳感器在第1、第2主成分上貢獻率都比較大,是區(qū)別不同發(fā)酵階段蟹醬風味的主要傳感器,與上文2.1所述不同傳感器變化情況分析的結(jié)果相符,表明無機硫化物、有機硫化物及甲基類物質(zhì)是蟹醬發(fā)酵過程中產(chǎn)生的最主要揮發(fā)性成分。對于煮制后的蟹醬,如圖5B所示,R7傳感器在第1主成分上貢獻較大,表明煮制后蟹醬無機硫化物變化最為顯著;R6、R9號傳感器在第1、第2主成分上貢獻率都比較大,表明無機硫化物、有機硫化物及甲基類物質(zhì)是煮制后蟹醬的主要揮發(fā)性成分。

圖5 各發(fā)酵階段蟹醬傳感器載荷分析Fig.5 Loadings analysis of crab paste during different fermentation periods注:A為煮制前蟹醬LA結(jié)果、B為煮制后蟹醬LA結(jié)果。

3 結(jié)論

通過觀察蟹醬電子鼻傳感器響應(yīng)值變化及LA結(jié)果可知,蟹醬中含量變化較為明顯的揮發(fā)性成分可能是無機硫化物、有機硫化物及甲基類物質(zhì)或其相關(guān)成分,煮制過程有利于蟹醬風味物質(zhì)的釋放,且隨發(fā)酵的進行,煮制后蟹醬的風味物質(zhì)濃度逐漸增加。PCA、LDA結(jié)果表明電子鼻系統(tǒng)能夠很好地區(qū)分發(fā)酵各階段蟹醬樣品,且煮制前的各階段蟹醬呈現(xiàn)明顯變化趨勢,因此電子鼻系統(tǒng)可用作蟹醬發(fā)酵程度的快速檢測分析,對于實際生產(chǎn)中的品質(zhì)監(jiān)控有重要意義。

[1]許永安,廖登遠,劉海新,等.蟹醬的生產(chǎn)工藝技術(shù)[J].福建水產(chǎn),2001(3):33-38.

[2]Sai Xu,Zhiyan Zhou,Huazhong Lu,et al.Improved algorithms for the classification of rough rice using a bionic electronic nose based on pca and the wilks distribution sensors[J]. Sensors,2014(14):5486-5501.

[3]朱培逸,顧曉云,杜潔，等.基于KPCA和SOM網(wǎng)絡(luò)的電子鼻大閘蟹新鮮度評價[J].食品工業(yè),2017(2):200-203.

[4]Manuel Aleixandre,Jose Pedro Santos,Isabel Sayago,et al.A wireless and portable electronic nose to differentiate musts of different ripeness degree and grape varieties[J].sensors,2015(15):8429-8443.

[5]吳浩,劉源,顧賽麒,等.電子鼻、電子舌分析和感官評價在魚糜種類區(qū)分中的應(yīng)用[J].食品工業(yè)科技,2013,34(18):80-82,338.

[6]呂彥,孫業(yè)盈.蟹醬中度嗜鹽菌的分離、鑒定及特性研究[J].中國釀造,2012(7):32-35.

[7]王雅玥,郭燕茹,王錫昌,等.柵欄技術(shù)對常溫蟹醬的品質(zhì)影響[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2016(7):114-118.

[8]Landaud S,Helinck S,Bonnarme P.Formation of volatile sulfur compounds and metabolism of methionine and other sulfur compounds in fermented food[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2008,77(6):1191-1205.

[9]金燕. 蟹肉風味的研究[D].杭州:浙江工商大學(xué),2011.

[10]陳舜勝,蔣根棟.中華絨螯蟹蟹肉揮發(fā)性風味成分分析[J].食品科學(xué),2009,30(20):308-311.

[11]Chung H Y,Cadwllader K R.Aroma extract dilution analysis of blue crab claw meat volatiles[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,1994,42(12):2867-2870.

[12]Hofmann T,Schieberle P. Quantitative model studies on the effectiveness of different precursor systems in the formation of the intense food odorants 2-furfurylthiol and 2-methyl-3-furanthiol[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,1998,46(1):235-241.

[13]Chen D. Evolution of metabolomics profile of crab paste during fermentation[J].Food Chemistry,2016,(192):886-892.

[14]Cheok,C Y. Physicochemical properties and volatile profile of chili shrimp paste as affected by irradiation and heat.[J]Food Chemistry，2017,(216):10-18.

[15]韓姣姣,裘迪紅,宋紹華. 電子鼻檢測植物乳桿菌發(fā)酵草魚中的風味物質(zhì)[J]. 食品科學(xué),2012,33(10):208-211.

[16]Hui G H,Wu Y L,Ye D D,et al. Study of peach freshness predictive method based on electronic nose[J]. Food Control,2012,28:25-32.

[17]肖紅,謝晶.基于電子鼻技術(shù)判定冷卻豬肉新鮮度[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2010,36(7):169-172.

[18]Banerjee R,Tudu B,Shaw L,et al. Instrumental testing of teaby combining the responses of electronic nose and tongue[J].Food Engineering,2012,110:356-363.