基于智能感官與人工感官評價的中國三大干腌火腿風味特性分析

彭金月,姜 水,高韶婷,劉 源,*

(1.南京農業大學食品科技學院,江蘇南京 210095;2.上海交通大學農業與生物學院,上海 200240;3.上海海洋大學食品學院,上海 200240)

干腌火腿是一種歷史悠久、風味獨特的高質量傳統肉制品,廣受消費者歡迎。世界上的干腌火腿主要集中分布在中國與地中海地區。由于地域文化與飲食習慣的差異,各地干腌火腿具有其獨特的風味。中式干腌火腿以外觀精致,風味濃郁,色澤鮮明而著稱[1]。其中,“北腿”如皋火腿、“南腿”金華火腿和“云腿”宣威火腿被認為是中式干腌火腿的代表[2]。

干腌火腿以豬前、后腿作為原料,經歷洗曬、修整、發酵和漫長的成熟后制作而成。獨特的加工與成熟工藝催生了大量的生化反應,包括美拉德反應、Strecker降解、蛋白質和脂質的氧化反應等,形成了干腌火腿復雜的特征香氣與滋味[3-9]。由于原料和工藝控制的差異,干腌火腿被分為不同等級。如傳統的金華火腿分級主要依靠“三簽法”進行,而該方法存在主觀性強和重復性低的缺點,無法適應規模化生產的要求。近年來,已有研究學者開始探索新的干腌火腿分級方法,如采用氣相色譜質譜聯用技術結合多元統計分析方法檢測干腌火腿中揮發性成分,實現了對不同年份、等級和產地干腌火腿的鑒定與區分[10-11]。在前期研究中,利用全二維氣相色譜-飛行時間質譜聯用(High-resolution time-of-flight mass spectrometry,GC×GC/HR-TOFMS)技術對金華火腿、如皋火腿和宣威火腿香氣成分進行檢測,發現不同干腌火腿之間的香氣種類有較大差異[12]。利用核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)技術對干腌火腿滋味物質進行分析,發現不同品牌干腌火腿間游離氨基酸以及低分子量水溶性滋味物質也存在較大差異[13]。以上研究表明,通過對干腌火腿的揮發性成分和滋味成分組成的評價,能夠實現對不同等級干腌火腿的區分。但傳統的分析方法存在成本昂貴、數據量大、耗時長等弊端,因此亟需建立一種干腌火腿快速、準確鑒別的方法。

智能感官技術是一種模擬動物體感官系統的新型檢測技術,如電子鼻、電子舌等。典型的電子鼻和電子舌包括具有選擇性和交叉響應性的傳感器陣列,結合模式識別和多元統計分析方法能夠實現對待檢測樣品整體香氣特征和滋味特征進行快速評價。由于電子鼻和電子舌等智能感官技術具有無需復雜的前處理、方便快捷等優點,近年來,在肉品分級、品質鑒定、種類鑒別、無損檢測等方面得到了廣泛應用[14-18]。針對中式干腌火腿品級鑒定中的應用也已有所報道,如宋雪、Xia等[19-20]使用電子鼻技術實現了不同產地干腌火腿香氣輪廓的鑒定和區分。但目前這些研究也僅僅采用了電子鼻技術對金華、宣威和一些小眾干腌火腿的品級鑒定,而綜合采用電子鼻和電子舌技術分別從香氣和滋味輪廓方面對我國三大干腌火腿不同品級的鑒定尚未見報道。

本研究使用電子鼻和電子舌結合人工感官評價,對金華、如皋、宣威三大干腌火腿進行香氣和滋味評價,探究產地和成熟時間對干腌火腿風味的影響規律,以期為我國干腌火腿的生產與品質管控提供理論依據與數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金華火腿 浙江金字火腿股份有限公司,按照1、2、3年陳火腿分為1級(J1)、優級(JY)、特級(JT)產品;宣威火腿與如皋火腿 分別采購于云南宣泰火腿有限公司和江蘇如皋火腿有限公司,分別購入了1、2、3年陳火腿,分別以X1、X2、X3、R1、R2、R3表示。

Fox 4000電子鼻 法國Alpha MOS公司;ASTREE電子舌 法國Alpha MOS公司;ISO9001型電子天平 賽多利斯科學儀器有限公司;A11 basic分析研磨機 德國IKA公司;Avanti J-26XP高效離心機 美國Beckman Coulter有限公司;高速勻漿機 德國IKA公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 參考譚椰子等[11]的方法,取回干腌火腿樣品后選取股二頭肌部位肌肉,剔除多余的脂肪和筋膜,真空包裝后凍藏于-80 ℃冰箱中。分析前將火腿樣品置于4 ℃冰箱中過夜解凍,在潔凈的試驗臺上切成約1 cm3的小塊,加入液氮冷凍并用研磨機粉碎成粉末,用于后續分析。

1.2.2 感官評價 參考宋雪等[19]的方法并稍作修改。采用定量描述分析法(Quantitative descriptive analysis,QDA)對火腿樣品進行人工感官分析。前期參照GB/T 16291.1-2012方法對招募的感官員進行氣味感官實驗培訓,篩選出14位感官員(21～25歲)參與感官實驗。參照GB/T 16861-1997討論確定感官描述詞,最終以肉香味、腌制味、酸味、油脂味和清香五個指標對火腿香氣進行9點標度法評分(1=極弱,9=極強),感官描述詞匯表如表1。每種火腿精確稱取(4.00±0.01) g置于10 mL螺旋口頂空瓶內并用封口膜密封,采用三位隨機數進行樣本編號,在室溫下呈送給感官員。試驗過程中要求感官員開蓋嗅聞3次,每次持續1～2 s,之后在感官評價表上對各感官指標進行評分。

表1 干腌火腿感官描述詞匯表

1.2.3 電子鼻分析 參照Xia等[20]的方法,并加以調整。具體試驗參數為:精確稱取(1.00±0.01) g待測樣品于10 mL電子鼻自動進樣瓶中,在50 ℃條件下平衡400 s;氣流流速恒定為150 mL/min,載氣為潔凈空氣;進樣體積500 μL,1 s內進樣完成,注射溫度60 ℃,采集傳感器響應曲線趨于平穩(約120 s)的響應數值,每個樣品分析之間間隔10 min。每種火腿檢測10個平行樣本,并設置3次重復試驗。

1.2.4 電子舌分析 參考Bai等[18]的方法并根據前期優化試驗確定了最終試驗參數。精確稱量每種樣品各(20.00±0.50) g于100 mL超純水中勻漿5～10 min,之后在4 ℃條件下靜置2 h,再將樣品分裝入50 mL離心管中,在4 ℃,轉速10000 r/min條件下離心30 min后過濾,以濾液∶水=1∶15的比例用超純水稀釋,取80 mL進行電子舌檢測。選取儀器配置的7根傳感器信號趨于穩定時(約在120 s)的數值進行數據分析。每種火腿檢測10個平行樣本,并設置3次重復試驗。

1.3 數據處理

使用儀器自帶軟件Alpha Soft進行數據處理,采用PCA和SIMCA法對電子鼻和電子舌試驗數據進行分析。通過PCA對電子鼻18根傳感器和電子舌7根傳感器的響應值進行降維處理,利用第一、第二主成分繪制散點圖;SIMCA為二值判別法,確定一類樣本為標準樣本構建模型后,可對其他樣本進行判別,其判別效果通過驗證得分來體現,驗證得分=(正確識別非標準樣品集的個數/其他類樣本的總個數)×100,驗證得分越接近100,表明該模型可靠性越高,對標準樣品的判別效果越好[21]。

2 結果與分析

2.1 香氣人工感官評價結果

人工感官評價結果(表2)顯示,肉香、腌制味和油脂香的感官評分明顯高于酸味和清香兩個指標,說明這三種香味是火腿的特征香氣。金華與宣威1年陳的火腿肉香味評分整體較2年、3年低,但在如皋不同年份火腿樣品的評分中并未發現該規律。腌制味的感官評分結果顯示,JY與X2腌制味顯著高于J1和X1(P<0.05)。同時,宣威和如皋的3年陳火腿的肉香味、2年陳火腿的腌制味評分之間也存在顯著差異(P<0.05)。已有報道指出,不同干腌火腿的原料、氣候、成熟時間以及加工方式等條件的區別,會導致干腌火腿中的蛋白質和脂肪水解程度不同,進而使得不同干腌火腿香氣成分種類以及濃度存在差異[22]。隨著發酵時間的延長,干腌火腿中的大多香氣活性物質的含量呈現上升趨勢,特別是酸類、飽和醛類、酯類和內酯類,促使干腌火腿的肉香味與腌制味更為濃郁,其特征香氣隨成熟時間的增加逐漸形成[23]。而無論是不同年份還是不同品牌的火腿,其酸味、油脂香與清香的評分沒有顯著差異。

表2 三大干腌火腿香氣人工感官評價結果比較(n=14)

人工感官香氣評分的PCA結果(圖1)顯示,JT、X2與X3的香氣輪廓十分接近,清香和肉香味是其主要香氣特征。雖然在酸味的評分上,各干腌火腿之間沒有明顯差異,但此PCA分析結果中,1年陳/1級干腌火腿(J1、X1、R1)的香氣均有酸味較強而肉香味較弱的趨勢。說明新腿(成熟時間在8～12個月的干腌火腿一般稱為新腿)由于成熟時間尚短,特征香氣積累尚且不足,與優質干腌火腿香氣存在差距[22]。

圖1 三大干腌火腿香氣人工感官評分的PCA結果

在本研究中,不同產地的干腌火腿香氣不能被感官員明顯區分。雖然前期研究表明,不同品牌干腌火腿的香氣成分之間存在差異,如乙醛僅在宣威火腿中被檢出,9-十六烯酸和十五醛僅在金華火腿中被檢出等;但主要的香氣活性物質均相似,包含6-二甲基吡嗪、己醛、2-庚酮、3-甲基硫代丙醛和2-戊基呋喃等物質,使得不同產地的干腌火腿香氣存在相似性[12]。

2.2 電子鼻結果分析

2.2.1 電子鼻數據的PCA結果 從電子鼻18根傳感器中提取最大響應信號(波峰或波谷)作為特征值構建原始數據矩陣,用于后續的多元統計分析和模型建立。為了對電子鼻數據進行可視化分析,采用PCA法對9種干腌火腿各10個平行樣品的電子鼻數據矩陣進行降維處理,二維散點圖如圖2所示。由圖2可知,第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)累計貢獻度達到99.80%,包含了原始數據大部分有效信息。另外,不同干腌火腿的樣本點均沒有出現重疊,說明電子鼻可以有效區分不同產地和成熟時間的干腌火腿樣品,且區分效果優于人工感官評價結果。根據“三簽法”的評判標準,通常將金華火腿分為特級、優級和一級,其中特級和優級代表了金華火腿的優質產品。X2和R3火腿與金華火腿的特級(JT)、優級樣品(JY)的樣品點距離較近,說明這些干腌火腿的香氣輪廓較為相似。而1年陳干腌火腿與其他年份的香氣輪廓相似度較低,樣品點分布相對較遠。該結果與人工感官評價結果互相印證,說明成熟時間對干腌火腿香氣形成的重要性。此外,除1年陳以外,其他年份干腌火腿的香氣輪廓均比較接近,與宋雪等[19]發現的金華與宣威兩產地干腌火腿香氣具有一定相似性的結論一致,可能原因是兩地干腌火腿的生產工藝存在相似性。

圖2 三大干腌火腿樣品香氣輪廓主成分分析圖

2.2.2 基于電子鼻數據建立干腌火腿SIMCA判別模型 研究中共獲得270個數據集(3次重復×10次平行×9種火腿),按照2∶1的比例將電子鼻數據集隨機分為訓練集與驗證集,訓練集用于建立SIMCA判別模型,驗證集用于測試所建模型性能。分別選取不同年份/等級的火腿樣本作為標準樣本建立等級判別模型,發現以各產地中最優/成熟時間最長的干腌火腿JT、R3、X3作為標準樣本建立的干腌火腿等級判別模型判別效果最佳,結果如圖3a～3c所示。在金華火腿的SIMCA判別模型中,未知樣本的驗證得分為78,部分特級和優級金華火腿樣本發生誤判,說明JT與JY火腿香氣具有相似性,這在圖2中各干腌火腿香氣輪廓的分布情況得到了驗證,且與姚璐等[24]的研究結果中顯示的這兩個等級的干腌火腿香氣相近的結論相一致。而利用GC-MS分析出的不同等級的金華火腿香氣成分差異較大[25],這可能與傳感器對不同香氣成分的響應敏感度以及不同香氣成分在總體香氣中的貢獻程度有關。宣威和如皋火腿的SIMCA模型均能對非標準樣本精確判別,模型對未知樣本(未參與建模的干腌火腿樣本,圖示為黑色圓點)也有良好的判別效果,作為標準樣本的R3、X3樣本均在模型接受區域內,而其他兩個年份干腌火腿均能被很好地識別,驗證集驗證得分均達到100。以上結果說明電子鼻能夠很好地區分宣威和如皋火腿不同年份的干腌火腿樣本。

圖3 基于電子鼻數據結合SIMCA構建的三大干腌火腿的等級判別模型

圖3d整合了我國三大干腌火腿的所有樣本,從三大干腌火腿中各取60個樣本的電子鼻響應信號構建金華火腿的產地判別模型,之后用其余90個樣本作為驗證集驗證模型可靠性。結果顯示該模型對非金華火腿產地的樣品判別能力有限,驗證得分僅為63。從原始樣本來看,被誤判入可接受區域內的均為宣威、如皋的2年陳和3年陳干腌火腿樣本,一年陳樣本則落于模型接受區域外,這與圖2中各干腌火腿樣本香氣輪廓分布情況基本吻合,2年、3年陳樣本之間的香氣差異不明顯。

2.3 電子舌分析結果

2.3.1 基于電子舌數據的PCA結果 與電子鼻數據處理方式類似,從電子舌7根傳感器中提取最大響應信號(波峰或波谷)作為特征值構建原始數據矩陣,用于后續的多元統計分析和模型建立。并使用PCA法對9種干腌火腿各10個平行樣品的電子舌數據矩陣進行降維處理,形成二維散點圖(圖4)以實現電子舌數據可視化。如圖4所示,第一與第二主成分累計貢獻度達到94.23%,反映了原始數據的大部分有效信息。不同樣品的樣本點沒有出現重疊,說明電子舌能有效區分不同干腌火腿樣本。總體來看,1年陳的干腌火腿與其他年份的干腌火腿區分明顯。已有報道指出,在干腌火腿成熟過程中,會發生強烈的蛋白質水解和脂肪分解,無機鹽離子、游離氨基酸、有機酸、核苷酸衍生物和小肽含量增加,如成熟后的干腌火腿中的游離氨基酸可達到新腿的14～16倍,對成熟干腌火腿的滋味形成有著重要貢獻,也是造成不同干腌火腿樣本滋味差異的原因[7-9]。與電子鼻結果類似,金華火腿與宣威火腿的2年、3年樣本的滋味輪廓相似度較高。說明這兩個產地的干腌火腿整體風味比較類似。而如皋火腿的滋味輪廓則與其余兩個產地的干腌火腿區別較大。各干腌火腿間滋味輪廓差異較于香氣輪廓差異更明顯。

圖4 三大干腌火腿樣品滋味輪廓主成分分析圖

2.3.2 基于電子舌數據建立干腌火腿SIMCA判別模型 按照2∶1的比例將研究中獲得的270個數據集(3次重復×10次平行×9種火腿)隨機分為訓練集與驗證集,訓練集用于建立SIMCA判別模型,驗證集用于測試所建模型性能。與電子鼻處理方法對應,同樣選取各產地中最優或成熟時間最長的干腌火腿JT、R3、X3作為標準樣品建立干腌火腿等級判別模型,如圖5a～5c所示。判別結果顯示,三個產地的SIMCA判別模型均能實現對其他等級或年份干腌火腿樣本的精確判別。模型對未參與建模的各干腌火腿樣本(Unknown)也有良好的判別效果,驗證得分均達到100。以上結果說明,電子舌可以有效區分不同干腌火腿樣本的滋味特征,以其傳感器響應數據建立的干腌火腿等級區分模型可靠,能夠實現對優質干腌火腿產品的鑒別。

圖5 基于電子舌數據結合SIMCA構建的三大干腌火腿的等級判別模型

圖5d整合了9種干腌火腿樣品的電子舌數據,隨機從三大干腌火腿電子舌分析結果中各抽取85個樣本,以金華火腿作為標準樣本,構建金華火腿的產地判別模型,之后用未參與建模的87個樣本作為驗證。判別結果顯示,模型對宣威火腿的部分樣品,主要是X2與X3樣本誤判,驗證得分為85,說明金華火腿與X2、X3火腿有相似的滋味輪廓,不能被電子舌精確區分。

3 結論

人工感官結果顯示,肉香、腌制味和油脂味是干腌火腿的特征香氣,宣威的2年與3年陳火腿與金華火腿的特級與優級火腿具有較1年陳/1級火腿更為濃郁的肉香,三大火腿的1年陳/1級火腿都呈現酸味明顯而肉香味欠佳的特征。智能感官結果顯示,新腿(J1、X1與R1)的香氣和滋味都與其他年份火腿有較大差異,JT與JY的香氣輪廓十分接近,并且與R3香氣類似;金華火腿和宣威2年、3年陳的火腿滋味輪廓也十分相近;基于智能感官數據構建的年份判別模型可有效鑒別各產地成熟時間最長/最優火腿。而由于宣威和金華火腿風味的相似性,金華火腿的產地判別模型效果欠佳。智能感官結果與人工感官結果相印證,且區分效果優于人工感官評價結果。可見智能感官可部分替代人工感官以及傳統儀器分析,實現干腌火腿等級與產地的快速鑒定與區分。