基于Heracles Ⅱ超快速氣相電子鼻對(duì)不同加工方式牛奶的快速鑒別

高雅慧,徐 良,董亞欣,李子杰

(1.江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無錫 214122;2.江南大學(xué)生物工程學(xué)院,江蘇無錫 214122)

牛奶富含豐富的礦物質(zhì),是人體鈣的最佳來源,因此被稱之為人類的“白色血液”[1]。隨著食品技術(shù)快速發(fā)展,除了食物本身的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值外,食物的風(fēng)味也備受關(guān)注[2-4]。牛奶相關(guān)產(chǎn)品主要包括鮮牛奶、純牛奶、奶粉以及添加了不同風(fēng)味物質(zhì)的牛奶。其加工方式包括巴氏殺菌法、超高溫滅菌法及噴霧干燥法[5-6]。巴氏殺菌法在國(guó)際上有兩種加工方式,一種是將生牛乳加熱到62～65 ℃,保持30 min;另一種是將生牛乳加熱到65～90 ℃,保持15 s。超高溫滅菌是將生牛乳加熱至135～150 ℃,保持4～15 s[6]。研究表明,巴氏奶比超高溫滅菌奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值要高,因?yàn)槌邷販缇臍⒕鷾囟冗_(dá)到了美拉德反應(yīng)的溫度,會(huì)流失部分的營(yíng)養(yǎng)元素,如維生素及乳糖等[5]。雖然奶粉經(jīng)加熱處理后氨基酸的利用率有了不同程度的降低且維生素也遭到破壞,但便于保存和攜帶。

氣味的檢測(cè)方式包括感官分析技術(shù)、氣相色譜技術(shù)、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、電子鼻、氣相色譜嗅辨聯(lián)用技術(shù)、氣相色譜質(zhì)譜嗅辨聯(lián)用技術(shù)[7]。感官分析技術(shù)需要較多且具備專業(yè)能力的工作人員進(jìn)行主觀分析,但是不可以進(jìn)行定量分析;色譜及質(zhì)譜技術(shù)可以對(duì)成分進(jìn)行分離和定性定量,但是數(shù)據(jù)分析較為復(fù)雜;嗅辨技術(shù)需要專業(yè)素養(yǎng)較高的嗅辨員來完成,因此運(yùn)行起來會(huì)比較繁瑣[8]。傳統(tǒng)的電子鼻是通過陣列傳感器對(duì)氣味的感知產(chǎn)生電信號(hào)傳輸?shù)诫娔X中形成數(shù)據(jù)[9]。由于傳感器的種類有限,因此對(duì)化合物的鑒定就有了一定的局限性。

Heracles II超快速氣相電子鼻是一種新型的氣味分析儀器,利用了氣相的分離原理,將分離的色譜峰作為影響因子,通過化學(xué)計(jì)量學(xué)得到主成分分析,建立各種模型。同時(shí),結(jié)合正構(gòu)烷烴進(jìn)行校準(zhǔn),將保留時(shí)間換算成保留指數(shù),通過Aro Chem Base數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行定性分析[10]。與以往的傳統(tǒng)型電子鼻相比,氣相輸出信號(hào)替代了傳感器型電子鼻中有限的傳感信號(hào),可以分離出更多的化合物信號(hào),同時(shí)通過保留指數(shù)的定性能夠給出一些未知化合物的風(fēng)味信息,以便于進(jìn)一步深入研究其性質(zhì)。超快速氣相電子鼻已成功應(yīng)用于花椒油[11]、沙蔥醬[12]、白酒[13]等樣品的氣味分析。本研究為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同加工方式牛奶的快速鑒別,以巴氏奶、超巴氏奶、超高溫滅菌奶、奶粉這四種不同加工方式的牛奶作為研究對(duì)象,對(duì)其氣味進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)分析,為后期的風(fēng)味研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

生牛乳 無錫市黃巷奶牛場(chǎng);正構(gòu)烷烴nC6～nC16混合標(biāo)品 美國(guó)RESTEK有限公司。

Heracles II超快速氣相電子鼻 法國(guó)Alpha M.O.S公司;PAL RSI全自動(dòng)頂空進(jìn)樣器 瑞士CTC公司;Mobile Minor離心噴霧干燥機(jī) 基伊埃工程技術(shù)(中國(guó))有限公司;PT-20C-R管板組合式超高溫殺菌機(jī) 日本Powerpoint International公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備 生牛乳經(jīng)過管板式殺菌機(jī)加熱63 ℃,保持30 min,得到巴氏奶(樣品編號(hào)1);生牛乳經(jīng)過管板式殺菌機(jī)加熱75 ℃,保持15 s,得到超巴氏奶(樣品編號(hào)2);生牛乳經(jīng)過管板式殺菌機(jī)加熱140 ℃,保持5 s,得到超高溫滅菌奶(樣品編號(hào)3);生牛乳經(jīng)過離心噴霧干燥,進(jìn)風(fēng)溫度160 ℃,出風(fēng)溫度80 ℃,得到奶粉(樣品編號(hào)4)。生牛乳經(jīng)過不同加工方式后,樣品保存于4 ℃冷藏冰箱,待檢測(cè)。奶粉取3克,用20 mL的溫水溶解,混合均勻,待測(cè)。分別取經(jīng)過四種加工方式得到的牛奶5 mL于20 mL頂空進(jìn)樣瓶中,加蓋密封準(zhǔn)備檢測(cè),每個(gè)樣品準(zhǔn)備4個(gè)平行。

1.2.2 氣相電子鼻檢測(cè)參數(shù) 樣品使用全自動(dòng)超快速氣相色譜電子鼻HeraclesII進(jìn)行檢測(cè)分析,分析參數(shù)如表1所示。HeraclesII的氣相部分有兩根色譜柱,型號(hào)分別為MXT-5和MXT-1701,柱長(zhǎng)10 m,柱徑180 μm。MXT-5是弱極性色譜柱,MXT-1701是中極性色譜柱。

表1 分析參數(shù)Table 1 Analysis parameters

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)電子鼻采集的樣品數(shù)據(jù)運(yùn)用儀器Alphasoft軟件中多變量統(tǒng)計(jì)分析,來實(shí)現(xiàn)主成分分析、樣品間區(qū)別指數(shù)分析和主成分載荷圖分析;結(jié)合保留指數(shù)和AroChemBase數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)未知化合物進(jìn)行定性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析(PCA)

主成分分析法是一種降維的統(tǒng)計(jì)方法,它借助于一個(gè)正交變換,將分量相關(guān)的原來變量轉(zhuǎn)化成分量不相關(guān)的綜合變量,同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要從中選取較少的綜合變量盡可能多地反映原有變量的一種信息統(tǒng)計(jì)方法[10]。對(duì)四種不同處理方式的牛奶作PCA分析,結(jié)果如圖1所示。第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為99.923%,第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為0.0571%,兩者累積的總貢獻(xiàn)率為99.97%,表明此圖譜能夠較好地反應(yīng)出所測(cè)樣品中氣味數(shù)據(jù)的完整性。同時(shí),判別指數(shù)(discrimination index,DI)是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析PCA時(shí)用于表征樣品之間區(qū)分度的體現(xiàn)[14-15]。DI值在80～100之間表示該數(shù)據(jù)區(qū)分分析結(jié)果為有效結(jié)果,DI值越大效果越佳[16-17]。圖中PCA的判別指數(shù)為87,表明此樣品間的區(qū)分效果為有效區(qū)分。在主成分分析中,樣品之間的相對(duì)距離越近,表明樣品的整體氣味越近,則差異越小,反之差異則越大。從圖1中可以看出四種加工方式的樣本之間均存在著較為明顯的差異,其中奶粉與其他三種加工方式樣品的相對(duì)氣味距離均較遠(yuǎn),差異較大。超巴氏奶與超高溫滅菌奶的氣味距離相對(duì)較近,表明差異較小。

圖1 四種樣品的主成分分析圖Fig.1 Principal component analysis of the four samples注:1：巴氏奶；2：超巴氏奶；3：超高溫滅菌奶；4:奶粉；圖2同。

2.2 樣品間區(qū)別指數(shù)分析

區(qū)別指數(shù)是基于主成分分析圖中的兩個(gè)樣品組簇團(tuán)之間的相對(duì)距離計(jì)算而出的,兩個(gè)樣品組間簇團(tuán)距離越大同時(shí)樣品組內(nèi)的差異越小,則兩個(gè)樣品組的區(qū)別指數(shù)就越接近100%,即區(qū)別指數(shù)越大則表示樣品組間的區(qū)別越大,反之越小[18]。如表2所示,4號(hào)奶粉樣品與1號(hào)巴氏奶、2號(hào)超巴氏奶及3號(hào)超高溫滅菌奶的區(qū)別指數(shù)均較大,且與3號(hào)超高溫滅菌奶的差異最大。同時(shí),2號(hào)超巴氏奶與3號(hào)超高溫滅菌奶的區(qū)別指數(shù)最小,則表明差異最小。

表2 樣品間的區(qū)別指數(shù)Table 2 Difference index between samples

2.3 主成分載荷圖分析

載荷圖是在主成分分析的基礎(chǔ)上把第一和第二主成分的載荷點(diǎn)出一個(gè)二維圖用以直觀地顯示原來的變量,在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上區(qū)分不同樣品的同時(shí)給出造成差異的主要貢獻(xiàn)因子,因子越靠近樣品則表示其貢獻(xiàn)度越大[19]。Heracles II儀器載荷圖中的因子是色譜峰。篩選峰樣品區(qū)分較為明顯(Discrimination Power>0.900)且峰面積較大(Range>1000)分離效果好的色譜峰,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。經(jīng)過篩選色譜峰后,樣品整體分布趨勢(shì)與圖1未經(jīng)篩選的分布趨勢(shì)整體保持一致,則表明所選取的因子能夠代表樣品組整體的氣味信息,同時(shí)表3標(biāo)注了貢獻(xiàn)的色譜峰的保留時(shí)間信息。例如17.46-1:表示保留時(shí)間-色譜柱,其中色譜柱1為MXT-5色譜柱,色譜柱2為MXT-1701色譜柱。

圖2 主成分分析載荷圖Fig.2 Principal component loading analysis

表3 色譜峰及保留時(shí)間Table 3 Chromatographic peak and retention time

2.4 物質(zhì)定性分析

結(jié)合保留指數(shù)和Aro Chem Base數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)特異性化合物進(jìn)行定性及含量分析,不同加工方式牛奶的氣相色譜圖如圖3所示,可能含有的化合物見表4所示。閾值的大小代表了物質(zhì)氣味的強(qiáng)弱,相同含量的兩種物質(zhì),閾值越低則表示氣味越強(qiáng)烈。在表4物質(zhì)定性中假設(shè)各物質(zhì)含量相同的前提下,水介質(zhì)中氣味最強(qiáng)的物質(zhì)是1-辛烯(閾值是5×10-4)。同時(shí),由于儀器的檢測(cè)器是氫離子火焰檢測(cè)器,為質(zhì)量型檢測(cè)器,物質(zhì)含量的高低則表現(xiàn)在峰面積大小上,表4中列出了在各個(gè)保留時(shí)間上的峰面積,并通過峰面積大小對(duì)樣品含量的差別進(jìn)行排序。結(jié)果顯示隨著加工溫度升高,丙酮、2-丁醇、辛二烯、己酸和甲硫醚的含量也隨之增多。同時(shí),甲基環(huán)己烷羧酸、丙酮、2-丁醇和水芹烯在奶粉的加工工藝中出現(xiàn)了大量的損失。甲硫醚是牛乳產(chǎn)品中特有的有機(jī)化合物,且其嗅覺閾值較低,氣味強(qiáng)度較高,其含量稍高便會(huì)產(chǎn)生異味。如表4所示,甲硫醚在巴氏奶中的含量比在超巴氏和超高溫滅菌奶中的低,因此加工工藝對(duì)甲硫醚的含量產(chǎn)生了一定的影響,從而影響了樣品的整體風(fēng)味。

圖3 不同加工方式牛奶的氣相色譜圖分析Fig.3 Gas chromatogram analysis of milk in different processing methods注:圖中四條線從上到下依次為：巴氏奶、超巴氏奶、超高溫滅菌奶、奶粉。

表4 四種樣品物質(zhì)定性分析Table 4 Qualitative analysis of substances for four samples

3 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)不同加工方式牛奶(巴氏奶、超巴氏奶、超高溫滅菌奶和奶粉)的快速鑒別,本研究利用Heracles II超快速氣相電子鼻對(duì)不同加工方式牛奶中的揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行檢測(cè)。主成分分析、樣品間區(qū)別指數(shù)分析以及主成分載荷圖分析表明奶粉的整體風(fēng)味與巴氏奶、超巴氏奶、超高溫滅菌奶差異較大,而超巴氏奶與超高溫滅菌奶差異較小。通過對(duì)不同加工方式牛奶中的特異性化合物定性及含量分析,表明隨著加工溫度升高,丙酮、2-丁醇、辛二烯、己酸和甲硫醚的含量也隨之增多。同時(shí),甲基環(huán)己烷羧酸、丙酮、2-丁醇和水芹烯在奶粉的加工工藝中出現(xiàn)了大量的損失。此外,巴氏奶中甲硫醚的含量比在超巴氏奶和UHT奶中的含量有所降低,表明加工工藝對(duì)甲硫醚的含量產(chǎn)生較大影響。本研究將為快速鑒別不同加工方式的牛奶提供一定的理論依據(jù)。