基于超快速氣相電子鼻研究不同類型UHT牛奶的揮發(fā)性風(fēng)味特征

葉美霞，李 榮,*，姜子濤,2,*，王 穎，譚 津，湯書華

（1.天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津 300134；2.天津天獅學(xué)院食品工程學(xué)院，天津 301700）

超高溫滅菌（ultra high temperature，UHT）牛奶是采用超高溫瞬時(shí)滅菌技術(shù)處理的牛奶，這一熱處理會(huì)使大多數(shù)有害微生物和酶失活，因此UHT牛奶在常溫下保質(zhì)期可高達(dá)8 個(gè)月。根據(jù)UHT牛奶脂肪含量的不同，可分為全脂奶（脂肪含量＞3.0%）、低脂奶（脂肪含量1.0%～2.0%）和脫脂奶（脂肪含量＜0.5%）。揮發(fā)性成分的協(xié)同作用決定了UHT牛奶的香氣特性，也是衡量其風(fēng)味品質(zhì)的重要指標(biāo)，直接影響消費(fèi)者的整體感官體驗(yàn)。牛奶中揮發(fā)性成分的分析是獲取牛奶信息和區(qū)分不同類型牛奶的有效方法。脂類對(duì)天然牛奶風(fēng)味的形成和保存具有重要影響，如全脂牛奶和脫脂牛奶之間明顯的感官差異主要是由于脂肪中揮發(fā)性成分含量的不同所致。當(dāng)然，其他因素也會(huì)影響牛奶的揮發(fā)性成分，如有機(jī)與傳統(tǒng)牛奶在奶源地、奶牛飼養(yǎng)與品種、產(chǎn)奶控制及生產(chǎn)過(guò)程有所不同也會(huì)導(dǎo)致牛奶風(fēng)味成分不同。通過(guò)研究影響有機(jī)和傳統(tǒng)牛奶成分的相關(guān)因素以此區(qū)分二者。

電子鼻以模仿人類嗅覺(jué)感知為工作原理，對(duì)樣品中揮發(fā)性化合物進(jìn)行識(shí)別和分類，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的快速檢測(cè)。不同類型電子鼻包括傳感器電子鼻、質(zhì)譜電子鼻及超快速氣相電子鼻，它們廣泛應(yīng)用于食品、農(nóng)產(chǎn)品、中藥以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。目前，傳感器電子鼻常用包括金屬氧化物半導(dǎo)體、石英晶體微天平、表面聲波、導(dǎo)電聚合物、電化學(xué)、光學(xué)傳感器和仿生傳感器等多種類型傳感器，它們具有高重現(xiàn)性、高靈敏度、高信噪比、低能耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，但也有一些局限性，比如耗能高、耗時(shí)、漂移、環(huán)境大氣影響、傳感器冗余、選擇性以及信噪比等問(wèn)題，且傳感器電子鼻大多與其他儀器聯(lián)合使用?；谫|(zhì)譜的電子鼻因價(jià)格昂貴故其應(yīng)用相對(duì)較少。超快速氣相電子鼻結(jié)合了傳感器與快速氣相色譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，揮發(fā)性成分分離時(shí)間短，樣品分析速度快，同時(shí)配有Arochembase數(shù)據(jù)庫(kù)及兩根極性不同的色譜柱，可以精確分離樣品中的不同極性的揮發(fā)性成分，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)分離和鑒定化合物，并且可以單獨(dú)完成揮發(fā)性成分的定性、定量及樣品的統(tǒng)計(jì)分析。另外，其他方法如頂空固相微萃取、氣相色譜-質(zhì)譜等已被用于研究牛奶中揮發(fā)性成分，這些方法耗時(shí)、不靈活，且氣相色譜-質(zhì)譜雖然優(yōu)點(diǎn)眾多，但其樣品預(yù)處理及數(shù)據(jù)結(jié)果分析復(fù)雜，浪費(fèi)人力物力，在使用其進(jìn)行分析前極性很強(qiáng)的分析物需進(jìn)行衍生以增加其揮發(fā)性，這是該技術(shù)的主要限制。已有區(qū)分不同UHT牛奶中揮發(fā)性成分的研究多為UHT全脂及脫脂牛奶中的半定量或相對(duì)含量研究，在UHT有機(jī)全脂、低脂及有機(jī)低脂牛奶的揮發(fā)性成分的研究中鮮見(jiàn)報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)采用超快速氣相電子鼻技術(shù)鑒定UHT全脂、低脂和脫脂牛奶的揮發(fā)性風(fēng)味成分，通過(guò)外標(biāo)法進(jìn)行準(zhǔn)確定量；并結(jié)合主成分分析（principal component analysis，PCA）和多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（multi-layer perceptron neural network，MLP-NN）等多元統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)UHT牛奶的香氣特征進(jìn)行了分類預(yù)測(cè)。建立不同種類UHT牛奶分類及預(yù)測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確溯源的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

研究所用的36 種UHT牛奶，均采購(gòu)于天津市各大超市。樣品均在保質(zhì)期內(nèi)，保質(zhì)期長(zhǎng)短對(duì)牛奶風(fēng)味的影響未做考證。樣品編號(hào)及信息見(jiàn)表1。為便于分類比較，根據(jù)牛奶樣品的含脂量，將樣品分為3 類（即全脂、低脂和脫脂奶）5 種（即全脂、有機(jī)全脂、低脂、有機(jī)低脂、脫脂奶）。

表1 樣品編號(hào)及信息Table 1 Codes and information of milk samples tested in this study

正構(gòu)烷烴C～C混合標(biāo)準(zhǔn)品 美國(guó)RESTEK有限公司；乙醇、正丁醇、丙酮、二甲基硫醚、氯仿、正丙醇、2-甲基呋喃、2-丁醇、3-甲基丁醛、2-戊酮、2,3-戊二酮、3-戊醇、3-甲基-1-丁醇、吡嗪、環(huán)戊酮、2-己酮、己醛、乙酸丁酯、糠醛、異戊酸乙酯、2-庚酮、環(huán)己酮、苯甲醛、5-甲基糠醛、2-辛酮、檸檬烯、-松油烯、2-壬酮、壬醛、2,6-二甲基苯酚、2-十一酮、癸醛、-癸內(nèi)酯等標(biāo)準(zhǔn)品 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Heracles II超快速氣相電子鼻 法國(guó)Alpha MOS公司；AUY120萬(wàn)分之一電子天平 日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)品的配制

1.0 mg/mL各標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液的制備：分別稱量每種標(biāo)準(zhǔn)品0.100 0 g于小燒杯中用水或乙醇溶解，轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中定容，得到33 種牛奶揮發(fā)性風(fēng)味成分的標(biāo)準(zhǔn)溶液。根據(jù)檢測(cè)需要，將標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液稀釋至不同濃度。

1.3.2 超快速氣相電子鼻測(cè)定參數(shù)的確定

采用頂空進(jìn)樣，分別對(duì)樣品量、孵化溫度、升溫程序、進(jìn)樣速度以及孵化時(shí)間進(jìn)行單因素測(cè)定，考察樣品色譜峰數(shù)量和峰面積，以確定最佳測(cè)定參數(shù)；其他參數(shù)均為系統(tǒng)自帶。

1.3.3 UHT牛奶的揮發(fā)性成分分析

1.3.3.1 定性分析

按照1.3.2節(jié)確定的條件對(duì)各樣品進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品平行3 次。采用正構(gòu)烷烴（C～C）標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)Kovats保留指數(shù)結(jié)合Arochem Base數(shù)據(jù)庫(kù)及文獻(xiàn)報(bào)道，確定UHT牛奶的揮發(fā)性成分組成。

1.3.3.2 定量分析

采用1.3.2節(jié)中確定的條件進(jìn)行測(cè)定。對(duì)1.3.3.1節(jié)方法中確定的各樣品中相對(duì)峰面積大于1%的33 種揮發(fā)性成分采用外標(biāo)法進(jìn)行定量分析。將1.0 mg/mL各標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液稀釋為5 個(gè)梯度質(zhì)量濃度，每個(gè)質(zhì)量濃度3 次平行計(jì)算峰面積平均值，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，求出UHT牛奶樣品中各揮發(fā)性成分含量，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.3.4 氣味活性值計(jì)算

氣味活性值（odorant activity value，OAV）是評(píng)價(jià)各種揮發(fā)性成分對(duì)樣品香氣貢獻(xiàn)的重要指標(biāo)，通過(guò)濃度除以其水中氣味閾值確定，氣味閾值參考文獻(xiàn)[13-14]。OAV大于1的揮發(fā)性成分被認(rèn)為是主要香氣成分，以同一類香氣的成分的OAV加和繪制香氣雷達(dá)圖，判別不同種類UHT牛奶的香氣特性。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析采用無(wú)監(jiān)督的PCA和有監(jiān)督的MLP-NN方法建立多元模型，對(duì)不同品牌及種類UHT牛奶樣品進(jìn)行分類預(yù)測(cè)。選用36 個(gè)樣品各3 個(gè)平行共108 組樣品，定量的33 個(gè)揮發(fā)性成分的含量數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA及MLP-NN分析。

PCA是通過(guò)降維使用少量因子表征樣本特征響應(yīng)的方法，用一組相關(guān)變量的觀測(cè)值揭示樣本和變量之間的相互關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)采用PCA對(duì)不同品牌UHT牛奶進(jìn)行分類，并根據(jù)特征值大于1、PC累計(jì)百分比大于85%及特征值分布折線圖突變點(diǎn)3 個(gè)原則選取PC個(gè)數(shù)；為了更好分類效果，選取協(xié)方差矩陣進(jìn)行分析。通過(guò)Origin 2018繪制PCA圖解釋樣品分組、相似性或差異性，顯示類似樣品類型的分組或聚類。

MLP-NN是一種由輸入層、隱藏層和輸出層組成的前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用反向傳播的學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)得到最佳分類及預(yù)測(cè)結(jié)果。本研究利用IBM SPSS 26.0建立了包括1 個(gè)輸入層、1 個(gè)隱藏層和1 個(gè)輸出層的MLP-NN模型。采用的數(shù)據(jù)集為36 個(gè)樣品的3 個(gè)平行，共108 個(gè)數(shù)據(jù)中33 個(gè)成分的含量為特征值，故輸入層有33 個(gè)神經(jīng)單元；選取數(shù)據(jù)集中70%為訓(xùn)練集，30%為測(cè)試集對(duì)樣品進(jìn)行批次訓(xùn)練，為了提升權(quán)重參數(shù)的收斂速度和效果，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。隱藏層包含4 個(gè)神經(jīng)單元。輸出層設(shè)置為5 種UHT牛奶，故輸出層有5 個(gè)神經(jīng)單元。為了提高分類準(zhǔn)確率，選用梯度下降算法為優(yōu)化算法訓(xùn)練并建立多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。其他參數(shù)均按照程序原始設(shè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)最優(yōu)條件及參數(shù)

按照1.3.2節(jié)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別考察不同參數(shù)對(duì)UHT牛奶色譜峰數(shù)量、峰面積及基線平穩(wěn)程度的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定Table 2 Determination of experimental parameters

由表2可知，隨著樣品量增加，樣品出峰數(shù)量變化不大，但色譜峰面積逐漸增大，5.0 mL時(shí)出峰較完全，確定5.0 mL為最佳樣品量；隨著孵化溫度升高出峰數(shù)量和峰面積大幅增長(zhǎng)，在90 ℃時(shí)色譜峰面積最高、出峰數(shù)量最多，確定90 ℃為最佳孵化溫度；根據(jù)色譜峰基線更加平穩(wěn)及各揮發(fā)性成分區(qū)分度，確定以0.5 ℃/s升溫至80℃，維持0 s，再以3 ℃/s升溫至250 ℃，維持30 s為最佳升溫程序；隨著進(jìn)樣速率的增加，在150 μL/s時(shí)色譜峰數(shù)量最多、色譜峰基線平穩(wěn)，因此選定150 μL/s為最佳進(jìn)樣速率；孵化時(shí)間在10～20 min之間色譜峰數(shù)量基本沒(méi)變，25 min色譜峰數(shù)量有所增加但峰面積卻明顯減小，綜合考慮采用10 min為孵化時(shí)間。

2.2 UHT牛奶揮發(fā)性成分測(cè)定

2.2.1 定性分析

36 種樣品色譜圖見(jiàn)圖1，33 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖見(jiàn)圖2，揮發(fā)性成分見(jiàn)表3。

圖1 5 種UHT牛奶超快速氣相電子鼻色譜圖Fig.1 UFGC E-nose chromatograms of five UHT-treated milk samples

圖2 1.0 μg/mL質(zhì)量濃度下33 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品的超快速氣相電子鼻色譜圖Fig.2 UFGC E-nose chromatograms of 33 standards at a concentration of 1.0 μg/mL

圖1結(jié)果顯示，同一種類UHT牛奶的色譜圖在強(qiáng)度、保留時(shí)間以及形狀上有一定的相似性，不同種類則差距較大。

如表3所示，從全脂、有機(jī)全脂、低脂、有機(jī)低脂及脫脂牛奶中分別檢測(cè)出42、40、37、34 種和39 種揮發(fā)性成分，包括酮、醛、含硫化合物、醇、脂肪酸、萜烯及其他揮發(fā)性成分。29 種揮發(fā)性成分在所有UHT牛奶中都能夠檢測(cè)到，其中糠醛可作為區(qū)分UHT牛奶和巴氏滅菌奶的指標(biāo)，也可用來(lái)衡量牛奶保質(zhì)期。40 種揮發(fā)性成分在UHT牛奶相關(guān)研究文獻(xiàn)中有過(guò)報(bào)道，除此，有9 種揮發(fā)性成分首次在UHT牛奶中鑒定出，分別為乙偶姻、環(huán)戊酮、-3-己烯醛、異戊酸乙酯、-2-庚烯醛、-萜品烯、對(duì)甲酚、2,6-二甲基苯酚和-2-壬烯-1-醇，這可能是由檢測(cè)儀器、奶牛品種、飼料及牛奶加工過(guò)程的差異等因素導(dǎo)致。異丁醇、乙偶姻、1-戊醇、-3-己烯醛、癸醛只在UHT全脂類牛奶中檢測(cè)出；3-甲基庚烷、2,6-二甲基吡嗪、-2-壬烯-1-醇只在UHT低脂類牛奶中檢測(cè)出；-蒎烯、5-甲基糠醛、癸酸只在UHT脫脂類牛奶中檢測(cè)出，其中5-甲基糠醛是乳糖和蛋白質(zhì)經(jīng)美拉德反應(yīng)產(chǎn)生的5-羥甲基糠醛的熱降解產(chǎn)物，F(xiàn)errer等的測(cè)定結(jié)果說(shuō)明，5-羥甲基糠醛含量在牛奶中隨脂肪含量降低而升高，且脫脂牛奶中乳糖、蛋白質(zhì)含量均高于全脂牛奶；癸酸是檢測(cè)出的唯一一種脂肪酸，它來(lái)自乳糖和氨基酸的降解，Pan Minghui等的實(shí)驗(yàn)證明，使用超聲處理脫脂牛奶可顯著增加癸酸含量。不過(guò)，UHT有機(jī)全脂牛奶中未檢測(cè)出2-戊酮；UHT有機(jī)低脂牛奶中未檢測(cè)出乙醇、環(huán)戊酮及壬醛；UHT低脂類牛奶中未檢測(cè)出二甲基二硫化物，這可能是因?yàn)榕Ｄ藤A存時(shí)間過(guò)久導(dǎo)致二甲基二硫化物消失或降至痕量水平，也可能是還原性硫化合物被氧化；UHT脫脂類牛奶中未檢測(cè)出-2-庚烯醛、2-十一酮，由脫脂工藝中脂肪的去除所造成。另外，吡嗪、3-甲基-1-丁醇只在中國(guó)品牌的UHT牛奶中檢測(cè)到。

表3 UHT牛奶揮發(fā)性成分的定性定量分析結(jié)果Table 3 Results of qualitative and quantitative analyses of volatile components in UHT-treated milk

續(xù)表3

2.2.2 定量分析

按照1.3.3.2節(jié)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，由此求出UHT牛奶樣品中各揮發(fā)性成分含量及標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，已定量的33 個(gè)成分的質(zhì)量濃度與峰面積在一定范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.991 2～0.999 9之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.000 2～0.199 7之間，檢出限在0.010 8～6.110 1 ng/mL范圍內(nèi)。

含量較高的揮發(fā)性成分在UHT全脂牛奶中分別為丙酮（1 520～4 004 ng/mL）、乙醇（未檢出～1.044×10ng/mL）、-癸內(nèi)酯（49.47～2 434 ng/mL）；在UHT有機(jī)全脂牛奶中分別為丙酮（2 493～4 153 ng/mL）、-癸內(nèi)酯（26 7.7～1742 ng/mL）、乙醇（190.1～1 709 ng/mL）；在UHT低脂牛奶中分別為丙酮（2 587～2 999 ng/mL）、乙醇（51.76～1 432 ng/mL）、2-丁醇（186.4～671.1 ng/mL）；在UHT有機(jī)低脂牛奶中分別為丙酮（3 288 ng/mL）、2,6-二甲基苯酚（714.8 ng/mL）、-癸內(nèi)酯（440.8 ng/mL）；在UHT脫脂牛奶中分別為丙酮（1 632～3 019 ng/mL）、乙醇（105.0～2 201 ng/mL）、糠醛（未檢出～909.2 ng/mL）。丙酮在所有揮發(fā)性成分中含量最高，癸醛則最低；不同揮發(fā)性成分在不同種類及不同品牌UHT牛奶中含量差異顯著。

在3 類5 種UHT牛奶中隨著脂肪含量的降低，二甲基硫醚、酮類、醇類、-癸內(nèi)酯顯著減少，而萜烯類顯著增加。其中二甲基硫醚來(lái)自乳脂肪球膜蛋白，脂肪含量越高，UHT牛奶中巰基活性越大，脂肪球膜蛋白變性程度越大，形成的二甲基硫醚含量越高。同時(shí)，Al-Attabi等認(rèn)為，牛奶在脫脂的過(guò)程中二甲基硫醚會(huì)被氧化成二甲基砜，所以含量逐漸減少。酮類主要以甲基酮的形式存在，由飽和脂肪酸-氧化及-酮酸脫羧系列反應(yīng)合成，-癸內(nèi)酯由-羥基脂肪酸內(nèi)酯化形成，其含量也受脂肪的影響。因此，脂肪含量對(duì)UHT牛奶中二甲基硫醚、酮類、醇類、-癸內(nèi)酯的含量有較大影響。乳制品中萜烯類來(lái)自動(dòng)物食用的植物，可能在低脂及脫脂牛奶的加工過(guò)程中增加。UHT有機(jī)低脂牛奶中2,6-二甲基苯酚質(zhì)量濃度（714.8 ng/mL）高于其他牛奶（56.07 ng/mL），并首次在UHT牛奶中檢測(cè)出，可能和其他酚類化合物一樣，作為共軛物存在于牛奶中，也可能由其他酚類化合物轉(zhuǎn)化而來(lái)。UHT脫脂類牛奶中苯甲醛質(zhì)量濃度（104.4 ng/mL）高于其他類牛奶（92.76 ng/mL），苯甲醛是蛋白質(zhì)分解形成的苯丙氨酸通過(guò)Strecker水解形成，Lopez-fandino等認(rèn)為，蛋白質(zhì)的水解隨脂肪含量的降低而增強(qiáng)，因此脫脂牛奶中的蛋白水解作用比全脂牛奶更強(qiáng)。己醛在UHT脫脂類牛奶（84.51 ng/mL）中含量高于另外2 類UHT牛奶（70.22 ng/mL），這與Francis等的研究結(jié)果一致。另外，2 種UHT有機(jī)牛奶中丙酮含量高于其他3 種UHT牛奶，這應(yīng)該與奶牛飼料有關(guān)，因?yàn)檠芯匡@示，丙酮可以直接來(lái)源于飼料。

2.3 不同種類UHT牛奶揮發(fā)性香氣雷達(dá)特征圖分析

通過(guò)1.3.4節(jié)計(jì)算得出，11 種香氣成分的OAV大于1，即二甲基硫醚、2,3-戊二酮、3-甲基丁醛、3-甲基1-丁醇、己醛、異戊酸乙酯、2-辛酮、2-壬酮、壬醛、2-十一酮和-癸內(nèi)酯，利用OAV繪制不同種類UHT牛奶香氣雷達(dá)特征圖譜見(jiàn)圖3，中國(guó)和國(guó)外品牌的UHT全脂牛奶和UHT有機(jī)全脂牛奶香氣特征圖譜見(jiàn)圖4。

圖3 5 類UHT牛奶香氣雷達(dá)圖Fig.3 Aroma radar chart of five kinds of UHT-treated milk

圖4 中國(guó)和國(guó)外品牌UHT全脂牛奶（A）和UHT有機(jī)全脂牛奶（B）香氣雷達(dá)圖Fig.4 Aroma radar charts of Chinese-made and imported UHTtreated whole milk (A) and UHT-treated organic whole milk (B)

圖3表明，3 類5 種UHT牛奶都具有蔬菜味、奶油味、草香味、水果味及麥芽味。蔬菜味由二甲基硫醚賦予，其為UHT牛奶中發(fā)現(xiàn)的最重要的香氣成分之一，也是UHT牛奶中最具氣味活性的化合物；奶香味由2,3-戊二酮、2-辛酮、2-壬酮及-癸內(nèi)酯共同賦予；草香味由己醛賦予，這有助于牛奶的新鮮風(fēng)味；水果味則是由異戊酸乙酯、壬醛和2-十一酮產(chǎn)生的柑橘、桃子等水果甜香；麥芽味由3-甲基丁醛、3-甲基-1-丁醇共同賦予。在3 類5 種UHT牛奶中，蔬菜味的OAV分別平均為131.30、156.34、122.60、124.74、94.63；奶香味的OAV分別平均為126.82、167.13、92.92、95.83、73.94，2 種香味的OAV都是隨著脂肪含量的減少逐漸降低，這是因?yàn)闆Q定2 種氣味的二甲基硫醚、2,3-戊二酮及-癸內(nèi)酯的含量逐漸減少所致，且UHT有機(jī)全脂牛奶中奶香味及蔬菜味的OAV均大于UHT全脂牛奶，是由于UHT有機(jī)牛奶源于更優(yōu)質(zhì)的飼料。青草味的OAV分別為14.72、12.71、10.67、10.70、16.90，UHT脫脂類牛奶的OAV最高，UHT低脂類牛奶最低，是因?yàn)榧喝┰赨HT脫脂類牛奶中含量最高，在UHT低脂類牛奶中含量最低。水果味的OAV分別為84.24、107.33、107.26、117.43、78.89，UHT脫脂類牛奶的OAV最低，主要是UHT脫脂類牛奶中不含2-十一酮導(dǎo)致。麥芽味的OAV分別為15.53、8.53、3.27、1.55、9.95，在3 類5 種UHT牛奶中差異較大，主要是3-甲基-1-丁醇含量差異導(dǎo)致。

圖4A表明，中國(guó)和國(guó)外品牌的UHT全脂牛奶中各香氣的OAV差異不大，說(shuō)明中國(guó)和國(guó)外品牌的UHT全脂牛奶香味較接近。UHT有機(jī)全脂牛奶中中國(guó)品牌的麥芽味及青草味香氣的OAV較高，因?yàn)橹袊?guó)品牌中3-甲基-1-丁醇、己醛含量較高；而國(guó)外品牌中蔬菜味、奶香味及水果味香氣的OAV遠(yuǎn)高于中國(guó)品牌，由于國(guó)外品牌中二甲基硫醚、2,3-戊二酮、-癸內(nèi)酯及壬醛的含量較高導(dǎo)致。中國(guó)和國(guó)外品牌的UHT有機(jī)全脂牛奶香氣差距較大，這可能由飼料差異造成。

2.4 基于品牌進(jìn)行PCA分類

按照1.3.5.1節(jié)采用PCA對(duì)同一類不同品牌UHT牛奶的揮發(fā)性成分進(jìn)行分類研究，以確定不同品牌UHT牛奶樣品之間的差異及產(chǎn)生的原因，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同品牌UHT牛奶PCA分類Fig.5 PCA classification of UHT-treated milk samples

圖5結(jié)果表明，不同品牌UHT牛奶之間存在顯著差異。如圖5A所示，包括5 個(gè)中國(guó)品牌與6 個(gè)國(guó)外品牌的PCA分類結(jié)果，其中PC1和PC2總貢獻(xiàn)率達(dá)到90.3%，說(shuō)明采用PCA可以區(qū)分中外品牌的UHT全脂牛奶。由表3可知，中國(guó)品牌中含有吡嗪、3-甲基-1-丁醇、1-戊醇，而國(guó)外品牌則不含；另外，中國(guó)品牌UHT全脂牛奶中環(huán)戊酮、糠醛含量較高，而國(guó)外品牌中2-丁醇含量較高。如圖5B所示，其中PC1和PC2總貢獻(xiàn)率為93.4%，說(shuō)明PCA可以對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，以PC1為區(qū)分軸時(shí)D3-w與其他樣品距離較遠(yuǎn)，是因?yàn)镈3-w中乙醇含量遠(yuǎn)高于其他樣品；其他樣品在以PC2為區(qū)分軸時(shí)也有差距，因?yàn)楸?,3-戊二酮、糠醛、-癸內(nèi)酯含量差異明顯。如圖5C所示，其中PC1和PC2總貢獻(xiàn)率為94.7%，說(shuō)明PCA可以對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，在以PC1為區(qū)分軸時(shí)所有樣品都被區(qū)分開，其中I-w距離其他樣品相對(duì)較遠(yuǎn)，因?yàn)镮-w的乙醇含量是其他樣品的2 倍以上；另外，其他樣品都含有2,6-二甲基苯酚，而I-w中不含；所有樣品中2-丁醇和-癸內(nèi)酯含量差異顯著。

如圖5D所示，其中PC1和PC2的總貢獻(xiàn)率達(dá)到93.2%，表明PCA可以對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，3 個(gè)樣品在以PC1為區(qū)分軸時(shí)區(qū)分開，L1-ow與B6-ow、M-ow在以PC2為區(qū)分軸時(shí)距離相對(duì)較遠(yuǎn)。3 個(gè)樣品中乙醇、丙酮、2-丁醇、2,3-戊二酮、-癸內(nèi)酯含量較大且差異顯著；另外，僅L1-ow中不含環(huán)戊酮，且其2,6-二甲基苯酚含量遠(yuǎn)高于另外2 個(gè)樣品。

如圖5E所示，其中PC1和PC2總貢獻(xiàn)率為89.8%，說(shuō)明PCA可以對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，N-lf與其他樣品在以PC1為區(qū)分軸距離較大，G2-lf與其他樣品在以PC2為區(qū)分軸距離較大，因?yàn)橹挥蠳-lf中不含2-戊酮、乙酸丁酯，且其乙醇、檸檬烯含量較高，分別是其他樣品的10 倍和3 倍以上；另外G2-lf中2-丁醇、糠醛含量與其他樣品差異較大。

如圖5F所示，其中PC1和PC2貢獻(xiàn)率達(dá)到98.6%，說(shuō)明PCA可對(duì)其進(jìn)行分類，在以PC1為區(qū)分軸時(shí)B4-s、B4-s、C5-s全都被區(qū)分開，在以PC2為區(qū)分軸時(shí)C5-s距離B4-s、B4-s較遠(yuǎn)。是因?yàn)? 個(gè)樣品中乙醇、5-甲基糠醛、-癸內(nèi)酯含量差異較大；另外，吡嗪、環(huán)戊酮及糠醛僅存在于B4-s、B5-s中，且B4-s、B5-s中己醛、乙酸丁酯、環(huán)己酮的含量將近C5-s的2 倍。

以上分析表明，PCA能夠通過(guò)揮發(fā)性成分的差異大小，可將同一種類不同品牌的UHT牛奶進(jìn)行區(qū)分，并且能夠?qū)Σ煌瑖?guó)家UHT牛奶進(jìn)行溯源分析。

2.5 多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

使用1.3.5.2節(jié)建立的MLP-NN模型對(duì)36 種中3 類5 種UHT牛奶的108 組樣本進(jìn)行50 次分類及預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。MLP-NN模型在50 次預(yù)測(cè)中給出的各揮發(fā)性成分正態(tài)化重要性平均排序見(jiàn)圖6。

表4108 組樣本50 次MLP-NN分類識(shí)別結(jié)果Table 4 Results of 50 cycles of MLP-NN classification and recognition for 108 samples

圖6 33 個(gè)成分正態(tài)化重要性排序?qū)Ρ葓DFig.6 Importance ranking of 33 normal components

如表4所示，50 次整體平均正確率為98.6%。其中UHT低脂牛奶被誤分為UHT全脂牛奶11 次，這可能是因?yàn)橛械腢HT低脂牛奶中脫脂程度較低，丙酮、正丁醇含量與UHT全脂牛奶總體接近導(dǎo)致；28 次分類正確率為100%。

圖6表明，由不同種類牛奶揮發(fā)性成分組成及含量差異導(dǎo)出的各成分正態(tài)化重要性平均排序結(jié)果為：2,6-二甲基苯酚、2-十一酮、3-戊醇、-萜品烯、5-甲基糠醛、環(huán)己酮、癸醛、壬醛及2-庚酮對(duì)分類結(jié)果影響程度較大。表3顯示，2-庚酮在UHT全脂類牛奶中含量高于其他類牛奶；3-戊醇在UHT低脂牛奶中含量高于其他類牛奶；2,6-二甲基苯酚在UHT有機(jī)低脂牛奶中含量遠(yuǎn)高于其他類牛奶；環(huán)己酮、-萜品烯在UHT脫脂牛奶中含量高于其他類牛奶；壬醛、2-十一酮分別在UHT有機(jī)低脂、脫脂牛奶中不存在；癸醛、5-甲基糠醛僅在UHT全脂類、脫脂牛奶中存在。其次，2-丁醇、正丙醇、2-壬酮等在5 種UHT牛奶中因含量的不同，對(duì)它們的區(qū)分也起到重要的作用。結(jié)果說(shuō)明已建立的MLP-NN模型對(duì)UHT牛奶種類的預(yù)測(cè)具備一定可信性，可快速、有效預(yù)測(cè)UHT牛奶類型。

3 結(jié)論

利用超快速氣相電子鼻技術(shù)從UHT牛奶中共測(cè)出49 種揮發(fā)性成分，其中29 種揮發(fā)性成分為UHT牛奶的共有成分。異丁醇、乙偶姻、1-戊醇、-3-己烯醛和癸醛只在UHT全脂牛奶中檢出；3-甲基庚烷、2,6-二甲基吡嗪、-2-壬烯-1-醇只在UHT低脂牛奶中檢測(cè)出；-蒎烯、5-甲基糠醛和癸酸只在UHT脫脂牛奶中檢測(cè)出。另外，UHT有機(jī)全脂牛奶中未檢測(cè)出2-戊酮；UHT有機(jī)低脂牛奶中未檢測(cè)出乙醇、環(huán)戊酮及壬醛；UHT低脂類牛奶中未檢測(cè)出二甲基二硫化物；UHT脫脂牛奶中未檢測(cè)出2-十一酮、-2-庚烯醛；有9 種揮發(fā)性成分首次在UHT牛奶中鑒定出。在UHT牛奶中，隨著脂肪含量的降低，二甲基硫醚、酮類、醇類和-癸內(nèi)酯顯著減少，而萜烯類顯著增加。UHT牛奶都具有蔬菜味、奶油味、草香味、水果味及麥芽味。奶香味、蔬菜味、麥芽味在UHT全脂牛奶中分布最廣泛；水果味在UHT低脂牛奶中分布最廣泛；青草味在UHT脫脂牛奶中分布最廣泛。多元統(tǒng)計(jì)分析中的PCA可將同一類不同品牌的UHT牛奶區(qū)分開，也可對(duì)不同國(guó)家UHT牛奶進(jìn)行溯源分析；MLP-NN模型可對(duì)UHT牛奶進(jìn)行分類，準(zhǔn)確率高達(dá)98.6%，并給出UHT牛奶各揮發(fā)性成分正態(tài)化重要性平均排序。所建立的超快速氣相電子鼻檢測(cè)與多元統(tǒng)計(jì)分析方法為不同品牌及種類UHT牛奶快速和準(zhǔn)確的分類，提供了重要的方法依據(jù)。