電子鼻檢測植物乳桿菌發酵草魚中的風味物質

韓姣姣，裘迪紅*，宋紹華

(寧波大學生命科學與生物工程學院，浙江 寧波 315211)

電子鼻檢測植物乳桿菌發酵草魚中的風味物質

韓姣姣，裘迪紅*，宋紹華

(寧波大學生命科學與生物工程學院，浙江 寧波 315211)

利用電子鼻系統對添加植物乳桿菌發酵的草魚進行分析檢測。通過電子鼻系統動態采集草魚發酵過程中的揮發性成分，利用主成份分析和線性判斷分析進行數據分析。結果表明：草魚發酵前12h風味變化不大，發酵16h后草魚風味變化明顯，發酵結束時風味改變較小，這與感官鑒定相關性較高；線性判斷分析方法呈現出良好的單向趨勢，能更好地識別發酵不同階段的風味。同時采用Loadings分析方法可以得知，傳感器W1S、W1C、W3C、W2S作用相近。

電子鼻；主成分分析；線性判斷分析；草魚；發酵

草魚是淡水魚中比較典型的草食性魚類，肉嫩而不膩、韌性好、骨刺少、營養價值高。魚肉中有豐富的蛋白質，含水量也高，自身也帶有較多的微生物和酶，容易腐敗變質，而且魚肉的腥味較重[1]。乳酸菌廣泛應用于肉制品的發酵，乳酸菌發酵魚生產過程中所產生的乳酸能使產品的pH值下降，抑制病原菌及腐敗菌的生長，延長產品的貨架期[2]。而且乳酸菌生長代謝所產生的酶類能促進蛋白質等大分子的分解，提高人體所必需的氨基酸、維生素等的含量，并產生香味成分，促進產品特殊風味的形成[3]。

草魚發酵過程中所產生的揮發性風味成分決定著其感官品質，研究和分析草魚的揮發性風味物質對評價其感官品質及進一步改善草魚的發酵工藝具有十分重要的意義。近年來，對發酵魚風味的分析主要有感官鑒別法和氣相色譜-質譜(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)聯用測定法。但是感官評價易受鑒評人員健康狀況、年齡、情緒、環境等多種因素的影響，其主觀性強、重現性，難以形成標準。而采用GC-MS進行分析，雖然客觀、重復性好，但對儀器要求較高，檢測周期長，很難將獲得數據和樣本的氣味直接聯系起來。

電子鼻是20世紀90年代發展起來的一種分析、識別和檢測復雜氣味和大多數揮發性成分的儀器，它根據仿生學原理，由傳感器陣列和自動化模式識別系統組成[4]。它得到的不是被測樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結果，而是獲得樣品中揮發性成分的整體信息即“指紋”數據[5]。它能像人類的鼻子聞到待測樣品的總體氣味，檢測到不同的信號，然后將這些信號和經學習建立起的數據庫中的信號比較，對不同的氣味進行識別和判斷[6]。電子鼻檢測方便、快捷，具有客觀性好、重復性好、不易疲勞及不損傷樣品的特點，得到越來越廣泛的應用。在國內外，研究人員已經用電子鼻進行果蔬類[7-9]、酒類[10-11]、乳制品[12-13]的品質評價和鱈魚肉、鰱魚、對蝦[14-16]等水產品的研究。本實驗利用電子鼻分析技術對不同發酵階段草魚的風味進行檢測，并結合感官評定，進一步探索乳酸菌發酵魚的風味變化。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

草魚(鮮活、尾量1kg左右) 寧波市購；植物乳桿菌 自制；液體MRS培養基、種子培養基、發酵培養基(參照文獻[17]配制)。

立式高壓滅菌鍋 上海申安醫療器械廠；恒溫恒濕培養箱 寧波江南儀器廠；QHZ-12A組合式恒溫振蕩培養箱 江蘇省太倉市華美生化儀器廠；PEN3便攜式電子鼻(包含10個金屬氧化物傳感器陣列，各個傳感器的名稱及性能描述見表1) 德國Airsense 公司。

表1 PEN3的標準傳感器陣列Table 1 Details of 10 sensors for PEN3 portable electric nose

1.2 方法

1.2.1 發酵劑的制備

將篩選出的植物乳桿菌接種至液體MRS中，37℃搖床培養16h，活化后以合適接種量接種至種子培養基，然后在發酵培養基中培養至菌體濃度為1×107～1×108CFU/mL。

1.2.2 樣品的制備

將草魚洗滌、去鱗、除內臟、剔骨后，切成小塊放入經滅菌的玻璃瓶中添加5%(m/m)的食鹽、3%白砂糖腌制4h后，無菌條件下取發酵培養基中的植物乳桿菌培養液，按魚肉質量的6%進行接種，密封后在35℃的恒溫培養箱中發酵20h。發酵過程中每隔4h用電子鼻測樣品魚揮發性物質的變化，稱取2g樣品魚，放入頂空瓶中密封備用。每個樣品重復測量5次。

1.2.3 電子鼻測定條件

由預實驗確定電子鼻的參數為：樣品氣體進樣速率300mL/min，載氣速率300mL/min，測量時間100s，因樣品氣味不同，清洗時間為400～1000s不等。

1.2.4 數據處理

對電子鼻的數據主要采用主成分分析(principal component analysis，PCA)，線性判別函數分析(linear discriminant analysis，LDA)和 loadings分析。

PCA是將所提取的10根傳感器的信息進行數據轉換和降維，并對降維后的特征向量進行線性分類，最后在PCA分析的散點圖上顯示主要的兩維散點圖[4]。PC1和PC2上包含了在PCA轉換中得到的第1主成分和第2主成分的貢獻率，貢獻率越大，說明主要成分可以較好反映原來樣品的整體信息。一般情況下，總貢獻率超過70%～85%，此方法即可使用。

LDA是判別樣品所屬類型的一種分析方法，通過計算未知樣品與各類已知樣品的馬氏距離，并考慮到樣品歸屬的先驗概率，針對每一組樣品計算出一個以原有變量為基礎的線性判別函數，再將要進行分類的樣本的相應指標代入判別函數，然后對未知樣品類型的樣品進行判別分類[18]。LDA分析時，利用了所有傳感器的信號以提高分類的準確性。LDA具有分類效果好，易實現等優點，所以成為電子鼻應用十分廣泛的一種方法，并都取得了良好的效果。

Loadings分析通常用來檢查在PCA空間中傳感器對模型數據分布的影響，可以識別傳感器響應在識別模式中的重要性。Loadings分析與PCA分析相似，都基于同樣的運算，傳感器在loadings分析中的方向與PCA散點分布的方向相一致。圖中在坐標(0,0)附近的傳感器對檢測樣品的風味反應不敏感，相反距離坐標(0,0)越遠的傳感器對檢測樣品的風味反應越敏感[19]，一些作用不大的傳感器可能對模型有負面的影響，所以分析時可以關閉。

1.2.5 感官評定發酵魚

發酵過程中每隔4h取一次樣，根據發酵魚風味感官鑒定標準(表2)，由感官鑒定小組(5男5女)按總分10分進行打分，以10人評分平均值作為樣品的最終得分。

表2 發酵草魚風味感官鑒定標準Table 2 Sensory evaluation standards for fermented grass carp

2 結果與分析

2.1 用PCA方法分析發酵不同時間的魚

圖1 草魚發酵過程中不同發酵時間的PCA分析Fig.1 PCA analysis during the fermentation of grass carp

從圖1可以看出，第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)的貢獻率分別是82.10%和12.33%，總貢獻率為94.43%，說明可以反應草魚不同發酵時間的信息。發酵前12h，草魚的風味差別不是很大。發酵16h后，草魚的風味發生了變化，發酵20h與16h的電子鼻分析情形相似，能夠明顯與其他發酵階段區分開。原因可能是草魚發酵過程中，植物乳桿菌及其他微生物生長代謝蛋白質、糖類、脂肪等物質，產生了揮發性有機酸類、含氮化合物、氨基酸、肽類及脂肪酸等成分，而蛋白質降解所產生的多肽和游離氨基酸是主要呈味物質和揮發性成分的前體；脂質的水解為脂質的氧化提供底物，可產生對發酵魚風味具有決定作用的醛、酮和醇類化合物[20-22]。

2.2 用LDA方法分析發酵不同時間的魚

圖2 草魚發酵過程中不同發酵時間的LDA分析Fig.2 LDA analysis during the fermentation of grass carp

從圖2可以看出，兩判別式的總貢獻率為98.63%，判別式LD1和判別式LD2的貢獻率分別為97.64%和0.9900%。圖2顯示，草魚發酵過程中的揮發性風味物質呈現出良好的單向性，區分更明確。且發酵16h和20h的樣品和發酵0h的樣品中心距離較遠，說明草魚發酵前后發生了很大的變化，原因可能是乳酸菌在發酵草魚的過程中產生了醇、醛、酮、揮發性有機酸等物質，形成獨特的呈味物質，改善制品風味，去除了一定的魚腥味，因此與發酵前腥味較重的草魚相比風味變化很大。2.3 Loadings分析

圖3 草魚發酵過程中的Loadings分析Fig.3 Loadings analysis during the fermentation of grass carp

從圖3可知，這10個傳感器都離坐標(0,0)較遠，說明它們對樣品的揮發性物質反應敏感。在比例一定的條件下，測量各傳感器到原點的距離，結果見表3。相比而言，W1W離原點最近，W3S遠離坐標(0,0)，對樣品的貢獻率最大。而W1S、W1C、W3C、W2S到原點的距離值差別不大，說明他們有相似的負載因子，對樣品的響應值相似。

表3 傳感器到原點的距離Table 3 Distance between ten sensors and the origin

2.4 發酵過程中的感官得分變化

圖4 草魚發酵過程中的感官評分變化Fig.4 Sensory score during the fermentation of grass carp

由圖4可以看出，植物乳桿菌發酵草魚的過程中，從發酵開始到發酵12h魚的風味感官變化較小，發酵16h后魚的風味感官變化明顯，之后到發酵結束魚的風味感官變化不大。這表明電子鼻檢測草魚發酵過程的風味變化結果與感官評價結果較為一致。

3 結 論

本實驗利用電子鼻檢測了草魚發酵過程中揮發性風味物質的變化，同時結合感官評定表明，電子鼻與感官鑒評的結果有良好的相關性，因此用電子鼻檢測草魚發酵過程中的氣味變化是可行的。

采用PCA發現草魚發酵前12h風味變化不大，發酵16h后草魚風味變化明顯，發酵結束時較20h的風味改變較小。采用LDA能很好地區分發酵前后草魚風味的變化。通過比較PCA和LDA的分析圖可以發現電子鼻能夠較好區分發酵過程中風味的變化，而LDA方法比PCA方法更能準確判別發酵不同時間的草魚，區分效果更好。利用Loadings分析可知，這10個傳感器在檢測發酵過程中的風味變化作用都較大，而傳感器W1S、W1C、W3C、W2S的響應值相近，因此可以選擇利用其中的傳感器，這為更好地利用電子鼻的識別傳感器判斷發酵過程中魚風味的變化提供了重要依據。在今后的研究中，可以對電子鼻的傳感器進行優化與選擇，根據不同的條件選擇合適的傳感器陣列組合，從而達到更好的測定結果。

[1] 王磊, 劉學軍. 草魚肉發酵香腸的發酵工藝研究[J]. 食品工業科技,2011, 32(2)∶ 172-173.

[2] ARROYO-LOPEZ F N, DURAN-QUINTANA M C, RUIZ-BARBA J L, et al. Use of molecular methods for the identification of yeast associated with table olives[J]. Food Microbiol, 2006, 23(8)∶ 791-796.

[3] CAPLICE E, FITZGERALD G F. Food fermentation∶ role of microorganisms in food production and preservation[J]. International Journal of Food Microbiology, 1999, 50(1/2)∶ 131-149.

[4] 潘磊慶, 唐琳, 詹歌, 等. 電子鼻對芝麻油摻假的檢測[J]. 食品科學,2010, 31(20)∶ 318-319.

[5] PENZA M, CASSANO G, TORTORELLA F, et al. Classification of food, beverages and perfumes by WO3 thin-film sensors array and pattern recognition techniques[J]. Sensors and Actuators B∶ Chemical, 2001, 73(1)∶ 76-87.

[6] GHASEMI-VARNAMKHASTI M, MOHTASEBI S S, SIADAT M, et al. Meat quality assessment by electronic nose (machine olfaction technology)[J]. Sensors, 2009, 9(8)∶ 6058-6083.

[7] STIJIN S, JEROEN L, AMALIA Z B, et al. An electronic nose and a mass spectrometry-based electronic nose for assessing apple quality during shelf life[J]. Postharvest Biology and Technology, 2004, 31(1)∶ 19-20.

[8] 胡桂仙, 王俊, 海錚, 等. 不同儲藏時間柑橘電子鼻檢測研究[J]. 浙江農業學報, 2006, 18(6)∶ 458-461.

[9] AMALIA Z B, JEROEN L, STIJN S. Electronic nose systems to study shelf life and cultivar effect on tomato aroma profile[J]. Sensrs and Actuators B, 2004, 97(2/3)∶ 324-333.

[10] ZHANG Qinqyi, ZHANG Shunping, XIE Changsheng, et al. Characterization of Chinese vinegars by electronic nose[J]. Sensors and Actuators B∶ Chemical, 2006, 119(2)∶ 538-546.

[11] 史志存, 李建平. 電子鼻及其在白酒識別中的應用[J]. 儀表技術與傳感器, 2000(1)∶ 34-37.

[12] PETERSON D G, REINECCIUS G A. Determination of the aroma impact compounds in heated sweet cream butter[J]. Flavour and Fragrance Journal, 2003, 18(4)∶ 320-324.

[13] 葛武鵬, 李元瑞, 陳瑛, 等. 牛羊奶酸奶揮發性風味物質固相微萃取GC/MS 分析[J]. 農業機械學報, 2008, 39(11)∶ 64-69.

[14] MANUELA O C, GABRIELA V, GUSTAVO P. A practical approach for fish freshness determinations using a portable electronic nose[J]. Sensors and Actuators, 2001, 80(2)∶ 149-154.

[15] 付湘晉, 許時嬰, 王璋, 等. 電子鼻檢測白鰱魚腥味[J]. 浙江大學學報, 2010, 36(3)∶ 316-321.

[16] 韓麗, 趙勇, 朱麗敏, 等. 不同保藏方式南美白對蝦的電子鼻分析[J].食品工業科技, 2008, 29(11)∶ 240-242.

[17] 于修鑑. 乳酸菌高密度培養及濃縮型發酵劑研究[D]. 南京∶ 南京工業大學, 2004.

[18] 黃燕, 吳平. SAS統計分析及應用[M]. 北京∶ 機械工業出版社, 2006∶315.

[19] 周亦斌. 基于電子鼻的西紅柿與黃酒的檢測與評價研究[D]. 杭州∶ 浙江大學, 2005.

[20] 曾令彬. 臘魚加工中微生物菌群、理化特性及揮發性成分的研究[D]. 武漢∶ 華中農業大學, 2008.

[21] 李應華, 蘇巧艷. 發酵香腸中乳酸菌的應用研究[J]. 肉類加工, 2009(5)∶ 21-22.

[22] 譚汝成, 歐陽加敏, 盧曉莉, 等. 接種植物乳桿菌和戊糖片球菌發酵對魚鲊品質的影響[J]. 食品科學, 2007, 28(12)∶ 269-271.

Electronic Nose Detection of Aroma Compounds during Fermentation of Grass Carp by Lactobacillus plantarum

HAN Jiao-jiao，QIU Di-hong*，SONG Shao-hua
(College of Life Science and Biotechnology, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

An electronic nose (PEN3) was used to analyzeLactobacillus plantarumfermented grass carp. The volatile composition of fermented grass carp was dynamically sampled using a PEN3 system and then data analysis was conducted by using principal component analysis (PCA) and linear discrimination analysis (LDA).The results showed that the flavor of fermented changed slightly during the first 12 h of fermentation, but changed distinctly during the following 4 h, and changed little during the final 4 h. A high correlation between electronic nose output signal and sensory evaluation score was found. The flavor of fermented grass carp changed in a unidirectional manner duringLactobacillus plantarumfermentation as demonstrated by LDA, which allowed better identification of the flavor of fermented grass carp at different stages of fermentation. Meanwhile,it was found through loadings analysis that sensors W1S, W1C, W3C and W2S had similar effectiveness for identifying the flavor of fermented grass carp.

electronic nose；principal component analysis (PCA)；linear discrimination analysis (LDA)；grass carp；fementation

TS254.4

A

1002-6630(2012)10-0208-04

2011-05-19

寧波大學人才工程項目(2010442)

韓姣姣(1986—)，女，碩士研究生，研究方向為水產品加工與貯藏。E-mail：504059575@qq.com

*通信作者：裘迪紅(1966—)，女，副教授，博士，研究方向為食品安全與質量控制。E-mail：qiudihong@nbu.edu.cn