基于灰色關聯分析4種酸肉電子鼻與感官評分之間相關性

吳慧琳，李苗云，朱瑤迪，郝云鵬，肖康，趙改名，任宏榮，孫靈霞

(河南農業大學 食品科學技術學院，河南 鄭州 450002)

酸肉是我國貴州、湖南、廣西等地少數民族的特色發酵肉制品[1]，是通過將豬肉與米粉或小米、鹽、辣椒粉等拌勻，在室溫環境自然發酵而成，其發酵時間約為2～3個月[2]，酸肉由于營養豐富、風味獨特，是一種深受少數民族喜愛的發酵肉制品[3]。在酸肉發酵過程中，微生物將原料中的蛋白質、脂肪及碳水化合物等大分子物質發酵產生游離氨基酸及脂肪酸，產生揮發性及非揮發性成分，從而賦予酸肉獨特的風味和口感[4-5]。由于文化及地域差異，不同地區不同民族的酸肉加工工藝存在差異，其發酵產生的揮發性風味物質也存在較大差異[6]。

人體的不同嗅覺感受器細胞只對某一種氣味產生受體，每個受體檢測有限數量的氣味物質。電子鼻技術沒有特定的受體(細胞和傳感器)，由氣敏傳感器陣列的不同具有不同選擇性、信號采集單元和模式識別軟件，通過接收的電信號經傳導分析，對不同的氣味物質表達一定的信號，從而模仿人類鼻子嗅覺功能的結構[7]。電子鼻通過模擬人的嗅覺功能，經由氣敏傳感器傳達食物加熱過程中產生的揮發性物質，對氣味進行感知、分析和判斷，具有測定速度快、測定范圍廣、敏感度高等特點[8-9]。以電子鼻代替人體嗅覺器官對食物風味評定，具有快速、簡便、安全、無疲勞感等特點[10]，被廣泛應用于肉制品的摻假摻偽[11-12]、肉品新鮮度[13-14]及肉制品中微生物的檢測[15-16]等方面。易宇文等[17]研究了東坡肘子電子鼻風味與感官之間的相關性；孟舒雨等[18]研究獅子頭電子鼻風味與感官之間的相關性；有關電子鼻與肉制品感官特性之間的綜合性分析研究內容還較為有限。

灰色關聯分析是通過灰色因素即不確定因素來決定主次因素及其關聯度的評價方法[19]。灰色分析在農產品品質綜合評價[20]、農作物產地追溯[21]及生長性狀預測[22]方面被廣泛應用，在食品方面的應用鮮有報道。目前對電子鼻在發酵肉制品方面的應用集中在不同發酵肉制品的區分檢測，而對同一發酵酸肉，經不同熱加工處理后肉制品風味檢測的報道較少。電子鼻數據與感官評分之間缺乏關聯性，對樣品感官風味上的評價缺少統一的評價標準。因此，本試驗擬利用電子鼻對不同熱加工后4種酸肉的揮發性風味進行檢測，同時采用灰色關聯分析建立酸肉感官風味與蛋白質傳感器響應值之間的關聯性，根據關聯度大小判斷影響酸肉電子鼻風味的感官主要因素，從而判斷4種酸肉在不同熱加工處理后其揮發性風味品質之間的差異性，為酸肉工業規模化熱處理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試樣品：編號A，苗族酸肉，原輔料豬肉、鹽、米粉，產品名稱湖南湘西酸肉農家自制酸肉沅陵特產五花肉粉蒸肉；編號B，傣族酸肉，原輔料豬肉、鹽、大蒜，產品名稱云南版腌制泰國香腸豬肉腸；編號C，辣椒酸肉，原輔料豬肉、鹽、辣椒粉，產品名稱貴州黔東南腌肉黎平錦平特產微酸中辣酸肉；編號D，小米酸肉，原輔料豬肉、鹽、小米，產品名稱隆安土特產都結酸肉。

設備： AL104電子分析天平，梅特勒-托利多儀器上海有限公司；CU-420(HZW21)恒溫水浴槽，上海一恒科學儀器有限公司；格蘭仕微波爐，廣東格蘭仕微波爐生活電器制造有限公司；電烤箱、電磁爐，廣東美的廚房電器制造有限公司；X-64R高速冷凍臺式離心機，美國貝克曼公司；PEN3電子鼻，德國Airsense公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

參照達迪拉·買買提等[23]及韋婕妤等[24]的方法，稍作修改。酸肉經過清除表面輔料后，將傣族酸肉、辣椒酸肉切厚為1 cm的薄片，苗族酸肉、小米酸肉由于發酵處理方式不同加工前不需進行其他預處理。

分別經微波、烤制、蒸煮及油炸等處理四種熱加工。(1)微波加熱：取4種預先準備好的肉樣，1 400 W微波爐連續加熱3 min，數顯溫度計測定肉中心溫度達80 ℃取出，冷卻至室溫以吸水紙吸干表面水分，稱重備用。(2)蒸煮加熱：蒸汽鍋將水加熱至沸騰，將肉樣置于蒸籠，120 ℃蒸制25 min，數顯溫度計測定肉中心溫度達80 ℃取出，冷卻至室溫以吸水紙吸干表面水分，稱重備用。(3)油炸加熱：大豆油(浸沒肉樣)加熱至180 ℃，將肉入鍋油炸，數顯溫度計測定肉中心溫度達80 ℃取出，冷卻至室溫，以吸水紙吸干表面油及水分，稱重備用。(4)烤制加熱：功率1 800 W，50 ℃預熱電烤箱，酸肉分別置于烤箱進行3階段烤制：50 ℃ 5 min，100 ℃ 5 min，150 ℃ 10 min；數顯溫度計測定肉中心溫度達80 ℃取出，冷卻至室溫以吸水紙吸干表面水分，稱重備用；分別將不同處理的4種酸肉進行編號處理。

1.2.2 電子鼻測定

PEN3型電子鼻傳感器含有10種金屬氧化物半導體型化學傳感元件，每種傳感元件對應的敏感物質類型不同。W1C對芳香成分苯類靈敏，W5S對氮氧化合物靈敏，W3C對氨類、芳香成分靈敏，W6S對氫化合物有選擇性，W5C對短鏈烷烴、芳香成分靈敏，W1S對甲基類靈敏，W1W對無機硫化物靈敏，W2S對醇、醛、酮類靈敏，W2W對芳香成分、有機硫化物靈敏，W3W對長鏈烷烴靈敏。參考米瑞芳等[25]，準確稱取10 g樣品于250 mL錐形瓶中，保鮮膜3層密封，40 ℃恒溫平衡5 min，利用PEN3型電子鼻傳感器對樣品進行檢測。

電子鼻的檢測采用頂空方式進樣，每個樣品重復4次，篩選3個理想的數據作為平行。載氣為空氣，速度為300 mL·min-1，設置清洗時間為110 s，傳感器歸零時間為10 s，樣品準備時間5 s，采樣時間80 s，選取65～75 s階段進行信息采集，對數據進行統計分析。

1.2.3 感官評價

參考盧雪松等[26]、陳曦等[27]以及GB/T 22210—2008《肉及肉制品感官評價規范》的方法并加以修改制定發酵酸肉感官評分標準。分別對經微波、蒸煮、油炸、烤制等加熱前處理的苗族、傣族、辣椒、小米酸肉進行感官評價。

色澤：色澤均勻，瘦肉鮮紅，肥肉乳白，11～15分；色澤均勻，整體顏色偏暗，瘦肉淡紅，6～10分；色澤較均勻，基本顏色暗淡，1～5分。

風味：濃厚發酵香味，熟制肉香味，無其他異味，17～25分；適當發酵香味，熟制肉香味不明顯，無其他異味，9～16分；無發酵香味/淡淡發酵香味，無明顯熟制肉香味，有異味，1～8分。

口感：獨特且適宜的酸味，咸鮮適中，口感協調柔和，20～30分；酸味稍重，口感基本協調但不柔和，10～19分；無酸味，口感不協調不柔和，1～9分。

組織結構：組織形態致密，軟硬適中，有良好的彈性和咀嚼性，7～10分；組織形態較好，稍軟/稍硬，有一定彈性和咀嚼性，4～6分；組織形態不佳，軟/硬，有一定彈性和咀嚼性，1～3分。

總體可接受性：可接受性高，14～20分；可以接受，6～13分；難以接受，1～5分。

1.2.4 灰色關聯度分析

基于灰色系統理論及分析方法的要求，將16個樣品作為一個整體，即為灰色系統，電子鼻不同的傳感器作為灰色系統的子系統，將傳感器的響應值作為一個因素進行分析[28]。

選擇參考數列，記為Y0,Y0(x)=[Y0(1)，Y0(2)，Y0(3)，…，Y0(x)]，x為酸肉樣品，x=1,2,3，…，16。

選擇比較數列，記為Yi,Yi(x)=[Yi(1)，Yi(2)，Yi(3)，…，Yi(x)]，Yi為樣品電子鼻傳感器響應值，Yi=1,2,3，…，10，x=1,2,3，…，16。Ye,Ye(x)=[Ye(1)，Ye(2)，Ye(3)，…，Ye(x)]，Ye為樣品電子鼻傳感器響應值，Ye=1,2,3,4,5,6，x=1,2,3，…，16。

灰色關聯系數公式：

εi(x)=

(1)

式(1)中：x為不同種類酸肉產品序號；Yi為不同種類酸肉的電子鼻傳感器響應值；εi(x)為第x種酸肉的子序列Yi與母序列Y0的關聯系數；minimink|Y0(x)-Yi(x)|為兩級最小差值，又記為Δmin；maximaxk|Y0(x)-Yi(x)|為兩級最大差值，又記為Δmax；|Y0(x)-Yi(x)|為母序列與子序列的絕對差值，又記為Δ(k)；ρ為分辨系數。為減小由于Δ(k)太大而引起的失真，引入分辨系數ρ[29]，ρ的取值范圍為0～1，在本研究中，ρ取0.5。當ρ取0.5 時，灰色關聯度大于0.6，結果較好[30]。

關聯系數的算術平均數為關聯度，計算公式：

(2)

式(2)中：ri為母序列Y0與子序列Yi之間的關聯度；N為子序列的數據個數。

以電子鼻傳感器中的W5S傳感器作為參照，分別計算不同產品的相對傳感器響應值(傳感器響應值/參照傳感器響應值)，并將此作為電子鼻傳感器響應值來源。傳感器響應值的前處理結果如表1所示。

表1 電子鼻傳感器相對響應值

1.3 數據統計與分析

電子鼻檢測數據的信號采集時間為80 s，取穩定狀態73～75 s數據作為分析點，采用PEN3自帶軟件進行數據處理。利用SPSS19.0對不同熱加工處理的數據進行方差分析和顯著性分析，并對采集的數據進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 酸肉感官評分

由表2可知，不同烹飪加工方式對4種酸肉感官品質存在一定影響，不同酸肉具有不同的加工適宜性。發酵酸肉本身存在獨特的風味，通過不同的加工處理，各組織成分發生一系列復雜的變化，賦予產品良好的食用品質，同時加熱可達到增香、去腥的作用。不同的加熱處理方式對苗族酸肉、辣椒酸肉、小米酸肉的色澤、氣味、口感、組織結構及總體可接受性無顯著差異(P>0.05)；傣族酸肉色澤存在顯著性差異(P<0.05)，氣味、口感、組織結構及總體可接受性無顯著性差異。綜合分析，苗族酸肉適應微波、油炸及烤制等加工方式；傣族酸肉適宜微波加工方式；辣椒酸肉適宜使用油炸方式；小米酸肉適宜使用蒸制及油炸方式。

表2 各處理酸肉的感官評分

注：處理編號1～4、5～8、9～12、3～16中同列無相同小寫字母，表示組間差異顯著(P<0.05)。

2.2 酸肉電子鼻風味主成分

2.2.1 酸肉電子鼻傳感器主成分

主成分分析是對樣品的原始數據向量進行線性轉化的一種分析方法，通過改變坐標軸來達到區分樣品的目的[31]。如圖1可知，a、b、c、d分別是4種酸肉經微波、蒸制、油炸及烤制等處理后其電子鼻主成分分析圖。利用SPSS對獲得16種酸肉樣品進行電子鼻氣味主成分分析，以主成分1為橫坐標，主成分2為縱坐標建立二維圖。

圖1中a主成分1與主成分2的累計方差貢獻率為91.541%(主成分1貢獻率為68.366%，主成分2貢獻率為23.175%)，說明主成分1與主成分2能概括較大的信息量，能反映樣品整體信息[32]。圖1中a中同一樣品在橫坐標及縱坐標上的聚集程度越大，說明樣品的重復性及穩定性相對較高，圖1中a中苗族酸肉經4種加熱方式處理后均可進行較明顯的區分。圖1中b主成分1方差貢獻率為87.087%，主成分2方差貢獻率為7.065%，主成分1與主成分2的累計貢獻率為94.152%，大于85%，傣族酸肉中主成分1與主成分2能描述較大的信息量，可反映樣品整體信息。圖1中c表示，主成分1方差貢獻率為83.872%，主成分2方差貢獻率為11.094%，主成分1與主成分2的累計貢獻率為94.966%。圖1中d表示，主成分1方差貢獻率為77.812%，主成分2方差貢獻率為10.479%，主成分1與主成分2的累計貢獻率為88.291%，圖1中同種加熱處理酸肉均分布較集中，不同加熱的樣品分布較散，說明其揮發性氣味物質差異顯著，可通過電子鼻對樣品進行較好的區分。

酸肉在發酵成熟的過程中微生物分解脂肪、蛋白質使產品具有特殊發酵香味。由圖1主成分分析結果可看出同種酸肉經不同加熱處理后可通過電子鼻對其感官風味進行較好的區分。肉在熱處理過程中發生脂質氧化、硫胺素降解及美拉德等反應，形成肉類特有風味，同時加熱可增加肉的香味物質[33-34]。加熱方式的不同會導致肉制品風味各異，蒸煮使肉中蛋白溶出，脂肪氧化、美拉德反應增強。油炸使脂肪發生氧化，產生醛、酮、酚、酯等物質，賦予肉良好的香味。沈銘聰等[35]通過氣相色譜-質譜聯用研究微波、蒸、煮條件下對鹽水鵝中脂肪酸和揮發性風味物質，結果表明，蒸制的鹽水鵝風味最好，揮發性成分種類最多，其中烴、酯類含量較高。

圖1 不同熱加工方式處理下4種酸肉電子鼻的主成分分析

2.3 酸肉感官評價與電子鼻傳感器響應值的灰色關聯度

2.3.1 無量綱化處理

將16個樣品的感官評價指標設為參考數列，比較數列為電子鼻的10個傳感器響應值，將母序列與子序列進行灰色關聯度分析。首先采用均值化變換的方法對每個數列進行無量綱化處理，結果如表3所示。

2.3.2 電子鼻傳感器響應值與感官指標的關聯系數及關聯度計算

16種酸肉風味Δmax風味=19.15，Δmax總分=76.95；兩級最小差值Δmin風味=13.05，Δmin總分=59.55，將其分別帶入公式(1)即可得到電子鼻傳感器響應值分別與風味、總分的關聯系數，再將灰色關聯系數帶入公式(2)即可得到傳感器響應值與感官指標的關聯度，從而對其進行排序。

由表4～5可知，電子鼻10個傳感器響應值與樣品風味關聯度均在0.85以上，與綜合感官評分關聯度均在0.91以上，說明電子鼻與風味及感官綜合評分之間存在較高的關聯性，說明了以電子鼻對產品風味進行評價的可行性。傳感器W1C與W3C與風味、感官綜合評分的關聯度最高，傳感器W1C、W3C分別對芳香成分苯類、氮氧化合物靈敏，而樣品中芳香成分、苯類、氮氧化合物的敏感來源主要由原輔料發酵產生。

表3 電子鼻傳感器響應值無量綱化處理

表4 傳感器響應值與風味的關聯系數及關聯度

表5 傳感器響應值與總分的關聯系數及關聯度

2.4 感官品質與電子鼻傳感器響應值的回歸模型

從電子鼻與感官品質的灰色關聯度分析可得，不同傳感器對風味、感官品質的影響能力不同，因此，可建立電子鼻傳感器分別與感官風味、感官總分之間的關系，分別以感官風味值、感官總分值與電子鼻的10個傳感器進行回歸分析，y為感官風味或感官總分，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10分別為電子鼻W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3W的10個傳感器。

感官風味與電子鼻傳感器灰色關聯系數的回歸模型:y=-1.045X2-0.356X3-0.660X5-1.350X6-0.195X7+0.602X8+1.998X10；感官總分與電子鼻傳感器灰色關聯系數的回歸模型:y=-1.505X1-0.833X2+0.933X5-1.056X6-0.495X7+1.958X10,均通過F檢驗和t檢驗，其決定系數R2分別為0.999及0.998，說明感官風味與電子鼻、感官總分與電子鼻之間的回歸方程具有較高的擬合度。

3 小結

電子鼻對不同熱加工處理的4種酸肉風味及滋味的研究顯示，傳感器W1C、W3C、W6S、W5C對不同熱處理酸肉風味的響應值影響不顯著，其余6個傳感器對不同熱處理酸肉風味的響應值影響顯著，說明16種酸肉樣品的揮發性氣味成分差異顯著。在評價以微波、蒸煮、油炸及烤制等方式處理酸肉時，對其風味、綜合評價時可分別采用電子鼻W5S、W6S、W1S、W1W、W2S、W2W等傳感器及W5S、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W等傳感器響應值進行分析。電子鼻對16種酸肉樣品的風味分析結果表明，同種酸肉在經微波、蒸制、油炸及烤制4種不同熱加工處理后其風味存在明顯差異，可利用其對酸肉進行綜合分析，對4種酸肉中的揮發性組分的影響及其作用機理有待進一步研究。