電子鼻在干酪風(fēng)味檢測(cè)中的應(yīng)用

王 寵梁 琪甘伯中喬海軍張衛(wèi)兵

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

電子鼻在干酪風(fēng)味檢測(cè)中的應(yīng)用

王 寵1梁 琪1甘伯中1喬海軍2張衛(wèi)兵1

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

以不同種類(lèi)、不同成熟階段干酪產(chǎn)生的特征風(fēng)味化合物為依據(jù)，綜述電子鼻在識(shí)別干酪種類(lèi)、測(cè)定干酪成熟期、評(píng)價(jià)干酪質(zhì)量以及檢測(cè)干酪發(fā)酵劑等方面的應(yīng)用，并總結(jié)電子鼻的特點(diǎn)以及在干酪中的應(yīng)用前景。

電子鼻；干酪；風(fēng)味；識(shí)別；質(zhì)量評(píng)價(jià)

干酪以獨(dú)特的風(fēng)味深受人們的喜愛(ài)，它含有3 000多種風(fēng)味物質(zhì)，包括原料乳中的風(fēng)味化合物及成熟過(guò)程中基質(zhì)在酶和微生物作用下產(chǎn)生的風(fēng)味化合物［1］，這些風(fēng)味化合物的形成與干酪的種類(lèi)、使用的發(fā)酵劑有關(guān)［2］。目前中國(guó)有關(guān)干酪風(fēng)味研究的資料較少，對(duì)干酪風(fēng)味物質(zhì)的研究也主要集中在固相微萃氣質(zhì)聯(lián)用分析（SPME－GC－MS）和同時(shí)蒸餾萃取氣質(zhì)聯(lián)用分析（SDE－GC－MS）等方面，對(duì)干酪的特征風(fēng)味研究鮮有報(bào)道；而國(guó)外在干酪風(fēng)味研究方面已取得較大成果，并可對(duì)干酪中復(fù)雜的風(fēng)味成分進(jìn)行分析［3］。

電子鼻是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新穎的分析、識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜嗅味和揮發(fā)性成分的人工嗅覺(jué)裝置［4］，它克服了以往人工評(píng)價(jià)的主觀性及重復(fù)性差等缺點(diǎn)，同時(shí)也避免了使用GC、GC－MS及化學(xué)方法等費(fèi)用高、周期長(zhǎng)的劣勢(shì)，它能夠快速、精確檢測(cè)多種不同揮發(fā)性化合物，并且能識(shí)別、控制干酪加工過(guò)程和檢測(cè)干酪質(zhì)量，具備了傳統(tǒng)方法在檢測(cè)干酪風(fēng)味物質(zhì)方面無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)。

1 電子鼻的發(fā)展歷程及測(cè)定原理

1.1 電子鼻的發(fā)展歷程

1964年，Wilkens等［5］提出對(duì)嗅覺(jué)過(guò)程的電子模擬，這是有關(guān)電子鼻的最早報(bào)道，第二年Buck［6］利用氣味調(diào)制電導(dǎo)與接觸原理進(jìn)行了“電子鼻”的研究，Dravieks［7］利用接觸電勢(shì)的變化實(shí)現(xiàn)了氣體的測(cè)量，但是作為氣體分類(lèi)用的智能化學(xué)傳感器陣列的概念一直到1982年英國(guó)Persaud等［8］在利用SnO2氣體傳感器模仿哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理，對(duì)幾種有機(jī)揮發(fā)性氣體進(jìn)行類(lèi)別分析時(shí)提出了由氣敏傳感器陣列和模式識(shí)別系統(tǒng)組成的“人工鼻”的概念，開(kāi)創(chuàng)了電子鼻研究的先河。1987年英國(guó)Warwick大學(xué)召開(kāi)的第八屆歐洲化學(xué)傳感研究組織年會(huì)，重點(diǎn)提出了“模式識(shí)別”的概念，引起了學(xué)術(shù)界廣泛的興趣；1990年舉行了第一屆國(guó)際電子鼻學(xué)術(shù)會(huì)議，電子鼻的研究從此進(jìn)入快速發(fā)展階段。1993年，Pearce［9］等首次把傳感器應(yīng)用在啤酒檢測(cè)上，而且還很快鑒別出一種人為感染的啤酒和未被感染的酒。繼而英國(guó)Gardner等給出了電子鼻的定義［10］，即“電子鼻是由多個(gè)性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸?lèi)方法組成的具有識(shí)別單一和復(fù)雜氣味能力的裝置”，從此電子鼻的研究取得突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，并且出現(xiàn)了商品化的電子鼻，比較著名的有法國(guó)的 Alpha MOS、德國(guó)的 Airsense、瑞士的Smart Nose等公司提供的電子鼻設(shè)備，標(biāo)志著電子鼻技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段。

1.2 電子鼻的測(cè)定原理

電子鼻是由傳感器陣列、信號(hào)處理、模式識(shí)別和結(jié)果輸出部件組成的氣味掃描儀。主要部件為半導(dǎo)體傳感器陣列，現(xiàn)在常用的主要有：金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器（MOS）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、導(dǎo)電聚合物氣敏傳感器（CP）、表面聲波傳感器（SAW）、石英微天平（QMB）［11］等。當(dāng)風(fēng)味物質(zhì)暴露于傳感器陣列時(shí)，將和傳感器相互作用，并且產(chǎn)生瞬間響應(yīng)，不同傳感器對(duì)特定風(fēng)味化合物靈敏度較高，而對(duì)其它化合物不太靈敏并且陣列中的每一個(gè)傳感器對(duì)特定風(fēng)味物質(zhì)有唯一的響應(yīng)圖譜，經(jīng)過(guò)模式識(shí)別系統(tǒng)將傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)錄入計(jì)算機(jī)中，再將這些信息與建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息加以比較，識(shí)別所感受氣體的氣味［12］。它與其它風(fēng)味檢測(cè)儀器（GC、GC－MS、HPLC等）不同的是，得到的是揮發(fā)性風(fēng)味化合物的“指紋圖譜”，即整體信息［13］，同時(shí)還可利用氣敏傳感器構(gòu)成陣列對(duì)多種氣體的交叉敏感性進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆治龇椒ǎ瑢?shí)現(xiàn)混合氣體分析。

2 電子鼻在干酪中的應(yīng)用

近年來(lái)電子鼻在干酪中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主要用在干酪成熟期測(cè)定，干酪識(shí)別，質(zhì)量評(píng)價(jià)以及發(fā)酵劑檢測(cè)等方面。

2.1 電子鼻在干酪成熟期測(cè)定中的應(yīng)用

隨著成熟時(shí)間的增加，干酪中的蛋白質(zhì)和脂肪等發(fā)生降解產(chǎn)生特定的風(fēng)味化合物。檢測(cè)蛋白質(zhì)、脂肪等理化指標(biāo)可以確定干酪的成熟期，但是所需時(shí)間較長(zhǎng)，費(fèi)用也較高。利用電子鼻的不同傳感器對(duì)干酪中的風(fēng)味成分產(chǎn)生特定響應(yīng)信號(hào)，可以對(duì)不同成熟期的干酪進(jìn)行區(qū)分。Trihaasa等［14］用8個(gè)MOS傳感器的電子鼻分析了4個(gè)不同批次96個(gè)Danish blue cheese（10℃儲(chǔ)存4周），證明了電子鼻的輸出信號(hào)能夠檢測(cè)干酪成熟過(guò)程中主要特征的變化，這種變化與pH 4.6可溶性氮、脂肪測(cè)定結(jié)果一致，驗(yàn)證干酪的不同成熟階段產(chǎn)生不同的風(fēng)味化合物，但是隨著成熟時(shí)間的增加風(fēng)味化合物含量會(huì)發(fā)生變化。電子鼻的QMB陣列與大量風(fēng)味化合物分子相結(jié)合，可以區(qū)分因成熟期不同而產(chǎn)生的不同的羰基化合物，Bargon等［15］利用這一原理測(cè)定 Emmental cheese中2－庚酮的含量，由此可以判斷干酪的成熟度。田懷香等［16］進(jìn)一步利用MOS傳感器的電子鼻對(duì)特定氣味組分產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)，測(cè)定不同成熟期（0，7，15，30，60，90d）Cheddar cheese，證明成熟60d的干酪產(chǎn)生了主要風(fēng)味化合物，從而基本形成了干酪的特征風(fēng)味。衣宇佳等［17］用 MOS傳感器的電子鼻分析干酪不同成熟階段的特征氣味，7～30d干酪在氣味上差別較小，但與成熟60～90d的干酪仍有一定差別，說(shuō)明30d之前干酪雖發(fā)生蛋白質(zhì)與脂肪的降解，但尚未形成干酪的特征風(fēng)味；成熟60d與90d氣味差別較小，貯存60d干酪已基本成熟。Contarini等［18］將電子鼻和GC－MS的測(cè)定結(jié)果做了對(duì)照，同時(shí)測(cè)定成熟20d和4個(gè)月的Ewe's cheese，驗(yàn)證了GC－MS會(huì)使很多揮發(fā)性物質(zhì)分解，而電子鼻能夠較準(zhǔn)確的測(cè)定干酪的成熟期。

電子鼻的傳感器與不同成熟期風(fēng)味化合物相結(jié)合產(chǎn)生不同的指紋圖譜，隨著指紋圖譜的變化可以確定干酪的成熟期，并且不需要測(cè)定風(fēng)味化合物。Benedetti等［19］用10個(gè)MOSFET和12個(gè)MOS傳感器的電子鼻測(cè)定Crescenza干酪的成期，證明了電子鼻預(yù)測(cè)干酪的貨架期與傳統(tǒng)的方法（測(cè)定酸度、顏色、質(zhì)構(gòu)等）預(yù)測(cè)結(jié)果相似。郭奇慧等［20］通過(guò)配有10MOS傳感器的電子鼻測(cè)定成熟期為1個(gè)月、6個(gè)月、2年的市售干酪樣品，用PCA方法進(jìn)行分析數(shù)據(jù)，不同成熟期的干酪樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)分布于各自區(qū)域并且沒(méi)有重疊，表明隨著干酪成熟時(shí)間的增加，樣品的揮發(fā)性成分發(fā)生較大變化。Drake等［21］用 MS/NCI傳感器的電子鼻測(cè)定11種不同公司生產(chǎn)的成熟6個(gè)月Cheddar cheese。由于不同成熟階段干酪產(chǎn)生的風(fēng)味化合物不同，所以風(fēng)味化合物質(zhì)量數(shù)不同，電子鼻利用風(fēng)味化合物的質(zhì)量數(shù)可以區(qū)分不同成熟階段的干酪。

2.2 電子鼻在干酪識(shí)別中的應(yīng)用

干酪根據(jù)產(chǎn)地、原料乳品質(zhì)、加工工藝不同可分為不同品種。每一種干酪都有其特殊的風(fēng)味，所以對(duì)特征風(fēng)味化合物的分析是電子鼻在干酪中應(yīng)用的基礎(chǔ)。

Pillonel等［22，23］用 MS傳感器的電子鼻測(cè)定來(lái)自歐洲不同國(guó)家（奧地利、法國(guó)、芬蘭、德國(guó)和瑞士）的20個(gè)Emmental cheese（成熟期為2.5～4個(gè)月），采用PCA和DFA分析方法對(duì)樣品進(jìn)行分類(lèi)，不同產(chǎn)地干酪的PCA分析數(shù)據(jù)落入不同區(qū)域并且每種干酪都有一兩處特殊的區(qū)域，分辨率達(dá)到90%～100%。

賈宗艷等［24］用配備6個(gè)MOS傳感器的電子鼻鑒定出4種不同Swiss cheese（脫脂、33%脂肪、全脂、標(biāo)準(zhǔn)），分析了干酪中主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，并且將電子鼻分析結(jié)果與SPME－GC－FID分析結(jié)果做比較，SPME分析主要揮發(fā)性風(fēng)味化合物，當(dāng)揮發(fā)性風(fēng)味化合物數(shù)目超過(guò)30種時(shí)分類(lèi)就會(huì)失敗［25］；而電子鼻能夠準(zhǔn)確分析復(fù)雜的揮發(fā)性成分。蘆莜菲等［26］進(jìn)一步利用E－Nose－1000型電子鼻識(shí)別3種原味干酪（cheddar干酪、mozzarella干酪、gouda干酪）和兩種再制干酪（片狀cheddar再制干酪、cheddar煙熏味再制干酪），3種原味干酪的主成分分析圖分布于不同區(qū)域，可以很容易區(qū)分不同干酪；cheddar干酪和cheddar再制干酪的主成分分析圖差別較大，故用電子鼻很容易區(qū)分。

不同種類(lèi)干酪都有其特征風(fēng)味化合物。電子鼻對(duì)干酪的識(shí)別主要利用不同干酪風(fēng)味化合物的指紋圖譜不同即風(fēng)味化合物的數(shù)據(jù)分析結(jié)果落入不同的區(qū)域［27］，由此識(shí)別不同種類(lèi)的干酪，而GC－MS等只能得到風(fēng)味化合物的響應(yīng)峰，由峰高和峰面積確定主要風(fēng)味化合物，并不能得知其特征氣味且準(zhǔn)確識(shí)別干酪。

2.3 電子鼻在干酪質(zhì)量評(píng)估中的應(yīng)用

干酪質(zhì)量是由感官特性和人工嗅覺(jué)評(píng)定，但是在一定程度上包含了很多人為因素，具有不可重復(fù)性。電子鼻測(cè)定干酪的頂空風(fēng)味化合物、氣味特征以及與干酪相關(guān)的化合物等評(píng)價(jià)干酪質(zhì)量。Harper等［28］描述了電子鼻和感官閾值分析測(cè)定揮發(fā)性化學(xué)成分的異同，電子鼻測(cè)定的是頂空瓶上部揮發(fā)性化合物，并且配備的MOS氣態(tài)傳感器與干酪風(fēng)味化合物之間發(fā)生響應(yīng)，信號(hào)能夠準(zhǔn)確描述干酪的風(fēng)味化合物特征，而感官評(píng)價(jià)會(huì)受咀嚼時(shí)產(chǎn)生揮發(fā)性成分的影響，只能用“A”、“B”等劃分干酪的等級(jí)，所以電子鼻比感官評(píng)價(jià)更能準(zhǔn)確測(cè)定揮發(fā)性化學(xué)成分，Patrick［29］對(duì)成熟一個(gè)月的Cheddar cheeses樣品進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，證明了干酪感官評(píng)價(jià)不適合為等級(jí)評(píng)定提供詳細(xì)的解釋?zhuān)噪娮颖窃诟衫业燃?jí)評(píng)估中發(fā)揮重要作用。

Patrick等［30］用含有 MOS氣態(tài)傳感器的電子鼻評(píng)估Cheddar cheeses干酪（1999年5月生產(chǎn)，成熟6個(gè)月）質(zhì)量和市場(chǎng)等級(jí)，將數(shù)據(jù)用ANOVA和PCA分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)干酪的等級(jí)是由干酪加工工藝和生產(chǎn)設(shè)備所引起的。Trihaas等［31］做了進(jìn)一步的證明，他們利用用12個(gè)CP傳感器的電子鼻預(yù)測(cè)兩個(gè)不同的乳品加工單位、相同方法制作的Danish blue cheese成熟過(guò)程（成熟5，8，12，20周）產(chǎn)生的風(fēng)味化合物，并且和GC－MS檢測(cè)結(jié)果作對(duì)照，對(duì)干酪質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估并且計(jì)算產(chǎn)品合格率。電子鼻和GC－MS評(píng)價(jià)結(jié)果相差不大并且能夠檢測(cè)出干酪中25種主要風(fēng)味化合物，并且它檢測(cè)速度快、費(fèi)用低、不像GC－MS那樣受提取條件、化學(xué)試劑和操作人員的熟練程度等影響，使檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定。

2.4 電子鼻在檢測(cè)干酪發(fā)酵劑種類(lèi)中的應(yīng)用

干酪中的風(fēng)味化合物主要是由干酪中的微生物分解乳糖、乳脂肪和蛋白質(zhì)產(chǎn)生的［32］。利用電子鼻測(cè)定不同微生物分解乳糖、脂肪、蛋白質(zhì)產(chǎn)生的芳香化合物，可以推測(cè)出起始發(fā)酵劑的種類(lèi)。Laurent［33］利用MS傳感器的電子鼻測(cè)定Gruyere干酪中分離出的34株標(biāo)準(zhǔn)菌株和62株干酪乳桿菌，將菌株在高壓滅菌乳中培養(yǎng)10d后，不同菌株產(chǎn)生的芳香化合物不同。電子鼻將風(fēng)味化合物分子按質(zhì)量比進(jìn)行分離后，測(cè)定分子的準(zhǔn)確質(zhì)量，從而確定化合物的組成［34］，所以電子鼻可用于區(qū)別干酪樣品的菌群和檢測(cè)產(chǎn)生芳香化合物的菌株。Fergal［35］等進(jìn)而根據(jù)成熟干酪產(chǎn)生的特征風(fēng)味化合物，推導(dǎo)出不同干酪的起始發(fā)酵劑。

分解干酪最主要的微生物是乳酸菌，需要篩選一類(lèi)基因型相近的菌株，單獨(dú)分解干酪后由產(chǎn)生的芳香化合物分析菌株分解干酪的過(guò)程，最后還需鑒定菌株。目前尚未有關(guān)各種發(fā)酵劑分解干酪的代謝過(guò)程，所以此方法還需進(jìn)一步成熟。

3 展望

與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比，電子鼻在不需要前處理并且極少使用有機(jī)溶劑的條件下快速測(cè)定樣品氣味的整體信息，產(chǎn)生“指紋”圖譜，提供樣品的隱含性質(zhì)，避免了人體感官測(cè)定中的主觀因素及其它的人為誤差，提高了測(cè)定的精確度，而且可以避免人工測(cè)定嗅味中因吸入樣品對(duì)健康帶來(lái)的影響，是一種新穎的、“綠色”的仿生檢測(cè)技術(shù)，在干酪識(shí)別、主要風(fēng)味物質(zhì)測(cè)定、質(zhì)量評(píng)價(jià)中有較大貢獻(xiàn)。但是電子鼻技術(shù)至今尚不能定量測(cè)定芳香化合物的含量，如果將電子鼻與質(zhì)譜連用，既能測(cè)定干酪中風(fēng)味化合物種類(lèi)，又能測(cè)定其含量，這將會(huì)是干酪風(fēng)味化合物測(cè)定中的又一次進(jìn)步。

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Application of electronic nose in detecting cheese flavor

WANG Chong1LIANG Qi1GAN Bo－zhong1QIAO Hai－jun2ZHANG Wei－bing1

1.College of Food Science and Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou，Gansu730070，China；2.College of Natural Sciences，Gansu Agricultural University，Lanzhou，Gansu730070，China

It summarizes the electronic nose use cheese flavor compounds to recognize different kinds of cheese，detect the shelf－life，control the quality of cheese，at the same time，analyze microbiological parameters of cheese.The prospect of electronic nose applied in cheese and summarizes the characteristics of electronic nose.

electronic nose；cheese；flavor；distinguish；quality control

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.068

教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：210225）；甘肅省高等學(xué)校研究生導(dǎo)師科研項(xiàng)目（編號(hào)：1002－12）

王寵（1986－），女，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。E－mail：chongw0606＠163.com

梁琪

2011－11－01