基于灰色關(guān)聯(lián)度分析肉味香精電子鼻響應(yīng)值與感官評(píng)分之間的相關(guān)性

魏代巍，魏超昆，張惠玲

（寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院，寧夏食品微生物應(yīng)用技術(shù)與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750000）

美拉德反應(yīng)是指氨基（氨基酸、肽或蛋白質(zhì)等）和羰基（還原糖等）相互之間的生化反應(yīng)，也被定義為非酶促褐變反應(yīng)，一般出現(xiàn)于食品熱加工和貯藏過(guò)程中。美拉德反應(yīng)中，反應(yīng)底物對(duì)最終形成的風(fēng)味物質(zhì)影響較大，當(dāng)半胱氨酸作為反應(yīng)底物時(shí)，可以產(chǎn)生2-甲基-3-呋喃硫醇、二糠硫醇等具有肉香味的化合物；谷氨酸為反應(yīng)底物時(shí)，產(chǎn)生丁二酸、琥珀酸等具有鮮味和“Kokumi味”的化合物；甘氨酸作為反應(yīng)底物時(shí)，產(chǎn)生2-乙基吡嗪、2-乙酰基呋喃等具有烤香味的物質(zhì)。用美拉德反應(yīng)制備肉味香精，已被廣泛用于食品風(fēng)味的改善。

谷氨酸作為一種常見(jiàn)的食品風(fēng)味劑，主要用于改善肉類(lèi)食品的鮮味。谷氨酸參與半胱氨酸-木糖美拉德反應(yīng)體系后，會(huì)使得產(chǎn)物風(fēng)味有從烤肉風(fēng)味向肉湯風(fēng)味轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。在Cao Changchun等的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，甘氨酸參與的半胱氨酸-木糖美拉德反應(yīng)體系也具有類(lèi)似的趨勢(shì)。因此，通過(guò)調(diào)控半胱氨酸-還原糖-其他氨基酸美拉德反應(yīng)體系可以模擬制備烤肉、肉湯風(fēng)味香精。

目前，主要采用人工感官來(lái)對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味進(jìn)行評(píng)價(jià)，但其主觀隨意性較強(qiáng)，重復(fù)性、穩(wěn)定性較差。電子鼻通過(guò)傳感器、信號(hào)采集單元和模式識(shí)別模擬人的嗅覺(jué)功能，來(lái)對(duì)氣味進(jìn)行感知、分析和判斷，具有檢測(cè)范圍廣、檢測(cè)速度快、靈敏度高等特點(diǎn)。以電子鼻代替感官評(píng)價(jià)，具有客觀、快捷、重現(xiàn)性好、無(wú)疲勞感等特點(diǎn)。 Barbri等用電子鼻對(duì)沙丁魚(yú)新鮮度和揮發(fā)性成分進(jìn)行快速檢測(cè)；張迪雅等利用氣相色譜-質(zhì)譜分析儀和電子鼻研究不同加熱溫度下不同部位牛肉揮發(fā)性物質(zhì)的氣味，發(fā)現(xiàn)造成它們之間差異的主要原因是醛類(lèi)和醇類(lèi)物質(zhì)的含量和種類(lèi)不同；陳修紅等用電子鼻對(duì)不同種類(lèi)的花椒油樣品進(jìn)行分析和區(qū)分。有關(guān)電子鼻分析食品風(fēng)味與感官評(píng)價(jià)之間的相互關(guān)聯(lián)分析研究還較為有限，孟舒雨等研究獅子頭電子鼻響應(yīng)值與感官評(píng)價(jià)之間的相關(guān)性；楊濤等研究不同小麥品種餅干電子鼻響應(yīng)值與感官評(píng)價(jià)之間的相關(guān)性。通過(guò)建立二者之間的數(shù)學(xué)模型，使對(duì)食品風(fēng)味的感官評(píng)價(jià)可以用客觀方法進(jìn)行衡量，能夠避免人工評(píng)價(jià)的缺陷。

灰色關(guān)聯(lián)度分析是一種多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源、生長(zhǎng)情況預(yù)測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品綜合評(píng)價(jià)及中藥質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面被廣泛應(yīng)用。本研究以通過(guò)美拉德反應(yīng)制備出的肉味香精為研究對(duì)象，應(yīng)用電子鼻和感官評(píng)價(jià)對(duì)其風(fēng)味分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上分別建立肉味香精的烤肉風(fēng)味和肉湯風(fēng)味與電子鼻響應(yīng)值之間的相關(guān)性。

圖 1 電子鼻檢測(cè)結(jié)果的PCAFig. 1 PCA plot of meat flavors based on electronic nose signals data

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

-半胱氨酸（純度99%）、-谷氨酸（純度98%）、-木糖（純度98%） 上海麥克林科技有限公司；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉 北京生化藥物試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

PHSJ-5型pH計(jì) 上海雷磁儀器有限公司；FA2004型電子天平 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；ZNCLGS190*90型恒溫油浴鍋 鞏義市科瑞儀器有限公司；DF-11型冷凍干燥機(jī) 常州愛(ài)華儀器制造有限公司；PEN3型電子鼻 德國(guó)Airsense公司。

1.3 方法

1.3.1 美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的制備

向30 mL、pH 7、0.2 mol/L磷酸緩沖溶液中加入木糖10 g/100 mL、半胱氨酸0.67 g/100 mL、谷氨酸1.67、3.33、5.00、6.67、8.33、10.00、11.67 g/100 mL，分別編號(hào)1～7，使其混合均勻后加入20 mL安瓿瓶中，在110 ℃條件下反應(yīng)90 min。美拉德反應(yīng)產(chǎn)物在-80 ℃預(yù)凍24 h后經(jīng)冷凍干燥機(jī)凍干，4 ℃冰箱冷藏備用。

1.3.2 電子鼻測(cè)定

用分析天平稱取0.1 g樣品，置于20 mL頂空瓶中，螺帽中帶有特氟隆/硅隔膜，加入5 mL蒸餾水溶解，樣品在25 ℃下平衡30 min。電子鼻傳感器通常由10 個(gè)不同的金屬氧化物構(gòu)成，每根感應(yīng)器對(duì)某一大類(lèi)化學(xué)物質(zhì)的響應(yīng)顯著，如表1所示。

表 1 PEN3型電子鼻各傳感器的響應(yīng)特性Table 1 Response characteristics of sensors used in PEN3 electronic nose

電子鼻檢測(cè)參照宮雪等的方法，并作修改。采樣時(shí)間1 s/組，傳感器清洗時(shí)間300 s，歸零時(shí)間10 s，流速300 mL/min，分析采樣時(shí)間120 s。采用直接頂空吸氣法，在室溫25 ℃條件下對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)樣品重 復(fù)3 次。

1.3.3 感官評(píng)價(jià)

挑選9 名食品專業(yè)的學(xué)生組成感官評(píng)定小組，對(duì)肉味香精進(jìn)行感官評(píng)分，評(píng)分指標(biāo)為肉湯味、烤肉味、鮮味、焦糖味、醇厚感、總體接受性，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表 2 肉味香精感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criteria for sensory evaluation for meat flavors

1.3.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析

1.3.4.1 確定分析數(shù)列

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論和分析方法的要求，將7 組樣品視為一個(gè)整體，即為灰色系統(tǒng)。而電子鼻的各傳感器作為灰色系統(tǒng)的子系統(tǒng)，把傳感器的響應(yīng)值作為一個(gè)因素進(jìn)行分析計(jì)算。選擇參考數(shù)列時(shí)，感官評(píng)分記為，=[（1）,（2）,（3）,…,（）]，其中為肉味香精樣品編號(hào)，=1,2,3,…,7。選擇比較數(shù)列時(shí)，電子鼻傳感器響應(yīng)值記為Y，Y=[Y（1）,Y（2）,Y（3）,…,Y（）]，其中為電子鼻傳感器編號(hào)，=1,2,3,…,10。

1.3.4.2 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中：ε（）為第組樣品的子序列Y與母序列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；minmin|（）-Y（）|為兩級(jí)最小差值；maxmax|（）-Y（）|為兩級(jí)最大差值； |（）-Y（）|為母序列與子序列的絕對(duì)差值；為分辨系數(shù)，為了減小|（）-Y（）|太大而引起的失真，引入，取值范圍為0～1，在本研究中，取0.5，此時(shí)，灰色關(guān)聯(lián)度大于0.6，結(jié)果較好。

1.3.4.3 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度是所有灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的算術(shù)平均數(shù)，按照式（2）計(jì)算。

式中：r為母序列與子序列Y之間的灰色關(guān)聯(lián)度；為子序列的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，=7。

1.3.4.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

以電子鼻傳感器中的W5S傳感器作為參照，分別計(jì)算不同谷氨酸添加量樣品的相對(duì)傳感器響應(yīng)值。傳感器響應(yīng)值的前處理結(jié)果如表3所示。

表 3 電子鼻傳感器的相對(duì)響應(yīng)值Table 3 Relative response values of electronic nose sensors

表 4 肉味香精感官評(píng)分Table 4 Sensory evaluation of meat flavors

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2021和Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、主成分分析（principal component analysis，PCA）以及對(duì)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行函數(shù)和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 肉味香精感官評(píng)分

由表4可知，2號(hào)樣品，即添加3.33 g/100 mL谷氨酸時(shí)，烤肉味、焦糖味評(píng)分最高。隨著谷氨酸添加量逐漸增加，烤肉味評(píng)分顯著降低（＜0.05），肉湯味評(píng)分顯著增加（＜0.05），當(dāng)谷氨酸添加量超過(guò)10.00 g/100 mL時(shí)，肉湯味評(píng)分顯著降低（＜0.05）。當(dāng)過(guò)量加入谷氨酸時(shí)，鮮味比較刺鼻，產(chǎn)生一些不愉快的氣味。結(jié)合烤肉味、肉湯味評(píng)分可知，2號(hào)樣品中的谷氨酸添加量最利于產(chǎn)生烤肉風(fēng)味，是烤肉風(fēng)味香精中谷氨酸最佳添加量；6號(hào)樣品谷氨酸添加量最有利于產(chǎn)生肉湯風(fēng)味，是肉湯風(fēng)味香精中谷氨酸最佳添加量。

2.2 肉味香精電子鼻檢測(cè)結(jié)果的PCA

PCA是對(duì)原始數(shù)據(jù)線性轉(zhuǎn)化的一種分析方法。為了更直觀比較各個(gè)組別間的差別，對(duì)不同谷氨酸添加量的樣本進(jìn)行PCA。由圖1可知，PC1的方差貢獻(xiàn)率為63.2%，PC2的方差貢獻(xiàn)率為28.3%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為91.5%，大于85%，能夠代表樣品的整體信息。7 個(gè)樣品大多分布在第1、3、4象限?？救怙L(fēng)味樣品（1、2、3號(hào)樣品）主要分布在第2象限，并且距離較近，表明它們之間風(fēng)味相似；肉湯風(fēng)味樣品（4、5、6號(hào)樣品）主要分布在3、4象限，烤肉、肉湯風(fēng)味樣品之間距離較遠(yuǎn)，表明烤肉、肉湯風(fēng)味具有明顯差異。7號(hào)樣品分布在第1象限，距離其他樣品較遠(yuǎn)，與其他樣品風(fēng)味差異明顯，這與其感官評(píng)分中總分最低相對(duì)應(yīng)（表4），導(dǎo)致它們之間差異的原因可能是谷氨酸添加量較多，產(chǎn)物具有較重的甜味和鮮味，導(dǎo)致綜合評(píng)分降低。

2.3 肉味香精感官評(píng)價(jià)與傳感器響應(yīng)值灰色關(guān)聯(lián)度分析

2.3.1 無(wú)量綱化處理

將7 組樣品的感官評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)為參考數(shù)列，電子鼻的10 根傳感器響應(yīng)值設(shè)為比較數(shù)列，將子序列與母序列進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。首先，采用均值化變換的方法對(duì)所有數(shù)列進(jìn)行無(wú)量綱化處理。先求出表3每個(gè)傳感器響應(yīng)值的樣本均值，再將實(shí)際值與該均值相比，結(jié)果如表5所示。

表 5 無(wú)量綱化處理結(jié)果Table 5 Dimensionless processing results

表 6 傳感器響應(yīng)值與烤肉風(fēng)味評(píng)分的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度Table 6 Correlation coefficients and degrees between sensor response values and sensory scores for barbecue-like flavor

表 7 傳感器響應(yīng)值與肉湯風(fēng)味評(píng)分的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度Table 7 Correlation coefficients and degrees between sensor response values and sensory scores for broth-like flavor

2.3.2 電子鼻響應(yīng)值與感官指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度

7 組樣品烤肉風(fēng)味評(píng)分兩級(jí)最大差值55.19，肉湯風(fēng)味評(píng)分兩級(jí)最大差值58.50；烤肉風(fēng)味評(píng)分兩級(jí)最小差值27.74，肉湯風(fēng)味評(píng)分兩級(jí)最小差值30.14，將上述數(shù)值依次代入公式（1）可以得出傳感器響應(yīng)值與烤肉風(fēng)味評(píng)分和肉湯風(fēng)味評(píng)分的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，再將灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)代入公式（2）可以得出電子鼻傳感器響應(yīng)值與感官指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度。

由表6～7可知，電子鼻10 根傳感器響應(yīng)值與烤肉、肉湯風(fēng)味感官評(píng)分的灰色關(guān)聯(lián)度，除W1C、W2W、W3S灰色關(guān)聯(lián)度較低外，其余的傳感器灰色關(guān)聯(lián)度均在0.700以上。說(shuō)明烤肉、肉湯風(fēng)味感官評(píng)分與電子鼻響應(yīng)值之間存在較高的相關(guān)性。依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的差異，不同電子鼻傳感器對(duì)各風(fēng)味指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度不同，其中與烤肉風(fēng)味灰色關(guān)聯(lián)度最高的是W1W，灰色關(guān)聯(lián)度為0.854，傳感器W1W對(duì)硫化物類(lèi)敏感；與肉湯風(fēng)味灰色關(guān)聯(lián)度最高的是W2S，灰色關(guān)聯(lián)度為0.864，傳感器W2S對(duì)醇類(lèi)、醛酮類(lèi)敏感。

2.4 肉味香精感官評(píng)分與電子鼻傳感器響應(yīng)值的回歸模型

由電子鼻傳感器響應(yīng)值和感官評(píng)分的灰色關(guān)聯(lián)度分析可得，不同風(fēng)味、感官品質(zhì)在其所對(duì)應(yīng)的傳感器上的響應(yīng)值不同。所以，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的差異可分別建立電子鼻傳感器響應(yīng)值與烤肉評(píng)分、肉湯評(píng)分之間的相關(guān)關(guān)系。分別對(duì)烤肉風(fēng)味評(píng)分、肉湯風(fēng)味評(píng)分與電子鼻的10 根傳感器響應(yīng)值間的灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行回歸分析，代表烤肉風(fēng)味評(píng)分或肉湯風(fēng)味評(píng)分，、、、、、、、、、分別代表電子鼻的W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3W 10 個(gè)傳感器響應(yīng)值與對(duì)應(yīng)感官評(píng)分的灰色關(guān)聯(lián)度。 肉湯風(fēng)味評(píng)分與電子鼻傳感器響應(yīng)值灰色關(guān)聯(lián)度的回歸模型為=38.43-69.45-5.38+26.4+17.58+ 9.68；烤肉風(fēng)味評(píng)分與電子鼻傳感器響應(yīng)值灰色關(guān)聯(lián)度的回歸模型為=46.44-92.03-9.23+28.07+39.63，均通過(guò)檢驗(yàn)和檢驗(yàn)，其決定系數(shù)分別為0.980和0.998，說(shuō)明回歸方程具有較高的擬合度。

3 結(jié) 論

通過(guò)控制羰基與氨基的質(zhì)量比，可以模擬制備烤肉、肉湯風(fēng)味香精，由感官評(píng)分可知，當(dāng)添加3.33 g/100 mL谷氨酸時(shí)，美拉德反應(yīng)產(chǎn)物表現(xiàn)出濃郁的烤肉風(fēng)味，添加10.00 g/100 mL谷氨酸時(shí)，美拉德反應(yīng)產(chǎn)物表現(xiàn)出濃郁的肉湯風(fēng)味。根據(jù)PCA可以很好區(qū)分烤肉、肉湯風(fēng)味香精。電子鼻傳感器響應(yīng)值與香精烤肉、肉湯風(fēng)味感官評(píng)分的灰色關(guān)聯(lián)度除W1C、W2W、W3S外都在0.700以上，說(shuō)明用電子鼻響應(yīng)值代替感官評(píng)分具有可行性。在此基礎(chǔ)上建立香精烤肉、肉湯風(fēng)味感官評(píng)分與電子鼻傳感器響應(yīng)值灰色關(guān)聯(lián)度的回歸模型，分別為：=46.44-92.03-9.23+28.07+39.63，=38.43-69.45-5.38+26.4+17.58+9.68。通過(guò)數(shù)學(xué)模型可使感官評(píng)分更加客觀，對(duì)后期進(jìn)行工藝優(yōu)化具有重要意義。