利用HeraclesⅡ超快速氣相電子鼻對不同品牌UHT全脂牛奶的快速鑒別研究

高雅慧，邱士鴻，朱逸浩，徐良，董亞欣，李子杰

（1.江南大學食品學院江蘇無錫214122；2.江南大學生物工程學院江蘇無錫214122）

0 引 言

UHT全脂牛奶是通過超高溫瞬時滅菌法加工而成的保質期時間較長的一種液態牛奶[1]。全脂牛奶的脂肪含量一般會在3.0%以上，并且脂溶性的維生素存在于牛奶的脂肪當中。同時牛奶之所以有特別的香氣，也是脂肪中的揮發性成分在起著一定的作用。

目前市場上液態牛奶的加工方式主要有兩種，包括巴氏滅菌法和超高溫瞬時滅菌法[1-3]。同時，由牛奶加工而成的副產品也是多種多樣，例如奶酪、酸奶、發酵乳等。每個人喜好的不同會選擇不同的產品；然而對于同一種產品，人們對品牌的選擇也是不盡相同。本實驗針對于5種不同品牌的UHT全脂液態牛奶，通過電子鼻的檢測尋找它們之間的差異。

傳統的電子鼻由于傳感器類別的限制，對化合物的鑒定具有一定的限制性[4]。然而超快速氣相電子鼻是利用兩根不同極性的氣相色譜柱對氣味物質進行分離，通過氫離子火焰檢測器進行檢測，檢測出來的色譜峰視為貢獻因子，即替代了傳統電子鼻中的氣體傳感器陣列信號，對化合物的檢測局限性便大大降低了。通過化學計量學統計法對數據進行主成分判別分析，所得色譜峰可以通過峰面積進行定量分析，同時結合正構烷烴和Kovats保留指數定性庫還可以對色譜峰化合物進行定性分析[5]。另外，超快速氣相電子鼻對樣品前處理的要求簡單且方便、檢測速度快、過程簡單易操作，因此成為了氣味檢測技術的首選儀器之一。本實驗將通過超快速氣相電子鼻對國內外不同品牌的UHT全脂牛奶進行風味物質成分測定和綜合性評價研究。

1 材料和方法

1.1 材料

正構烷烴nC6~nC16混合標品，美國RESTEK有限公司；德運全脂滅菌純牛奶（200 mL利樂磚包裝），Murray Goulburn Co-operative Co.Ltd；蒙牛全脂滅菌純牛奶（250 mL利樂磚包裝），內蒙古蒙牛乳業股份有限公司；光明全脂滅菌純牛奶（250 mL利樂磚包裝），光明乳業股份有限公司；衛崗全脂滅菌純牛奶（250 mL利樂磚包裝），南京衛崗乳業有限公司；伊利全脂滅菌純牛奶（250 mL利樂磚包裝），內蒙古伊利實業集團股份有限公司。所有產品均采購于市場，每一種純牛奶均挑選5個不同生產批次，做樣前將5個不同生產批次的純牛奶充分混勻后取樣。樣品編號信息見表1。

表1 樣品編號信息

1.2 儀器與設備

HeraclesⅡ超快速氣相電子鼻，法國Alpha M.O.S公司；PAL RSI全自動頂空進樣器，瑞士CTC公司；ML204電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；100-1 000μL移液器，艾本德（中國）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

將5個不同批次的同一品牌的純牛奶充分混勻，取5 mL于20 mL頂空進樣瓶中，加蓋密封待測，每個樣品準備4個平行。用nC6~nC16正構烷烴標液進行校正，計算保留指數，使用AroChemBase數據庫對各化合物進行定性分析。

1.3.2 電子鼻檢測參數

本實驗使用全自動超快速氣相色譜電子鼻HeraclesⅡ對5種不同品牌的純牛奶進行檢測，分析參數如表2所示。電子鼻的氣相部分含有兩根不同極性的色譜柱，分別為MXT-5和MXT-1701，柱長10 m，柱徑180μm。其中，MXT-5是弱極性色譜柱，MXT-1701是中極性色譜柱。色譜峰信息通過Alphasoft進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 主成分分析（PCA）

主成分分析（Principal Components Analysis,PCA）又被稱之為主分量分析，目的在于利用降維的思路將多指標轉化為少數幾個綜合性的指標[6]。在統計學中，主成分分析是一種簡化數據集的技術，這個變換把數據變換到一個新的坐標系統中，使得任何數據投影的第一大方差在第一個坐標（被稱之為第一主成分）上，第二大方差在第二個坐標（別稱之為第二主成分）上，以此類推。主成分分析經常用減少數據集的維數，同時保持數據集對方差貢獻最大的特征。對5種不同品牌的UHT奶作PCA分析，結果如圖1所示：第一主成分的方差貢獻率為49.951%，第二主成分的方差貢獻率為32.495%，這兩個主成分的貢獻率之和達到了82.446%，超過80%，因此能夠很好地反映樣品的實際情況。同時，判別指數（discrimination index,DI）是用來表征樣品之間區分度大小的一種判斷方法[7-8]。DI值的有效區間是80至100，且值越大則表明數據的效果越佳[9-10]。圖1中PCA的判別指數是95，則表示5種樣品間的區分為有效區分，且區分效果較佳。

表2 電子鼻檢測參數

在主成分分析圖中，兩兩樣品之間的相對距離越近，則表示其整體的氣味信息越近，差異越小，反之則越大。從圖1分析所得這5種樣品之間均存在著較為明顯的差異，其中樣品3和5整體風味信息較為相近，差異較小，然而樣品2和4則與其他UHT奶的整體風味信息差異較大。

圖1 5種樣品的主成分分析圖

2.2 樣品間區別指數分析

區別指數（pattern discrimination index）是表征兩個樣品組重心之間的相對距離，該值越大同時樣品組內的差異越小，則兩個樣品組的區別指數就越接近100%[11]。如表3所示，4號樣品與1號、2號、3號和5號樣品的區別指數都較大，則表明差異較大，其中與2號樣品的差異最大。同時3號樣品和5號樣品的區別指數最小，則說明差異最小。

表3 樣品兩兩間相對距離表

2.3 主成分載荷圖分析

載荷圖（loading）是通過一個二維圖的形式直觀地顯現出主成分分析中的第一和第二主成分中的載荷變量，通過統計學區分造成不同樣品差異的主要貢獻因子，因子之間越接近則表明其貢獻率越大[12]。在快速氣相電子鼻HeraclesⅡ中，載荷圖中的因子則是色譜峰的表現。通過篩選樣品差異較為顯著（Discrimination Power>0.900）且峰面積較大（Range>1000）分離效果好的色譜峰，得到的實驗結果如圖2所示。通過色譜峰的篩選，樣品的整體分布趨勢與圖1中未經過篩選的分布趨勢整體保持一致，則揭示了選取的貢獻因子能夠反映樣品組整體的氣味信息。圖2中標注了貢獻色譜因子的保留時間信息，用于下一步的定性分析。例如30.63-1-A：表示保留時間-色譜柱-峰面積，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

2.4 物質定性分析

利用AroChemBase數據庫對色譜峰進行保留指數定性，可能含有的化合物信息匯總于表4。物質氣味的強弱由嗅覺閾值的大小來反映，兩種物質含量相同的情況下，閾值越低說明氣味越強烈。在表4物質定性中，假設各物質含量相同的前提下，水介質中氣味最強的物質是2-甲基-3-呋喃硫醇（閾值是2.5×10-6）。由于本研究使用的檢測器是屬于質量型的氫離子火焰檢測器，物質含量的高低直接表現為峰面積的大小，表4中列出了在各個保留時間物質的含量及含量的高低。2-甲基-1-丁醇、巴豆酸甲酯、3-己酮、1-辛烯、辛烷和4-辛烯這些化合物在4號樣品中的含量都明顯較高，且遠高于其余幾個樣品。同時，1號樣品中的這些化合物相對于其他幾個樣品的含量都較低。由表4可知正丙硫醇和2-甲基-3-呋喃硫醇是1號樣品的特定風味化合物，丙酸是2號樣品的特定風味化合物，庚烷、己-2-酮和3-甲基呋喃是5號樣品的特定風味化合物。

表4 5種樣品物質定性分析

3 結 論

HeraclesII超快速氣相電子鼻作為一種新型的風味分析儀器，基于氣相的分離原理，將色譜峰作為影響因子，采用化學計量學的方法進行主成分分析，構建多種模型。通過正構烷烴校準，能夠將保留時間轉化成保留指數，利用AroChemBase數據庫對化合物定性分析。同傳統型電子鼻相比，氣相輸出信號取代了傳感器型電子鼻中有限的傳感信號，能夠得到更多的化合物信號，同時對于一些未知化合物的風味信息能夠通過保留指數的定性來得到，進而深入研究其性質。本實驗以5種不同品牌的UHT全脂牛奶作為研究對象，對其氣味進行化學計量學分析，成功實現了五種樣品的氣味差異性鑒別，還確定出不同品牌的UHT全脂牛奶的特定風味化合物，為后期的風味研究打下了基礎。