孟子晴,趙改名*,祝超智,張繼才,張桂艷,茹昂,田瑋
1(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州,450003)2(國(guó)家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系昆明綜合試驗(yàn)站,云南 昆明, 650000)3(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 牧醫(yī)工程學(xué)院,河南 鄭州, 450003)
Qualityevaluationmethodofsmokedbeefbasedonelectronicnoseandfuzzymathematicssensoryevaluationmethod
MENG Ziqing1,ZHAO Gaiming1*,ZHU Chaozhi1,ZHANG Jicai2,ZHANG Guiyan1,RU Ang1,TIAN Wei3
1(College of Food Science and Technology, Henan agricultural university, Zhengzhou 450003, China)2(Kunming Comprehensive Experimental Station of National Beef Cattle Industry Technology System, Kunming 650000, China)3(College of Veterinary Medicine, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450003, China)
ABSTRACTThe quality evaluation system of smoked beef made from six smoked liquids was established using electronic nose sniffing fingerprint analysis, electronic tongue flavor fingerprint analysis, fuzzy mathematical sensory evaluation, linear multiple regression equation, and gray correlation analysis method. The results showed that the cumulative contribution rate of the main components was 89.802% and 86.903% for electronic nose test and electronic tongue test, respectively, which could reflect the overall information of the sample. Moreover, the sensory scores of the six smoke liquids were in order Oil-H>H>C-10-11>C-10-7>C-10-10> blank in the fuzzy mathematical sensory evaluation. And the correlation and linear regression equation between the sensor of the electronic nose and the fuzzy mathematical sensory evaluation was established. The correlation coefficients between the sensors of the electronic nose and the sensory scores obtained from fuzzy mathematics were between 0.806 4 and 0.832 6, both greater than 0.80. Based on the above test, the smoked beef produced by adding Oil-H smoke liquid was the best. This study established the direct connection between electronic nose and fuzzy mathematical sensory evaluation method, which provided technical support to optimize the smoking beef and improve the evaluation accuracy of smoking beef quality.
Keywordssmoked beef; smoke fluid; electronic nose; electronic tongue; fuzzy mathematical sensory evaluation method; grey correlation
風(fēng)味是煙熏類產(chǎn)品等肉制品品質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),主要通過氣味、滋味對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行評(píng)判[1-2]。電子鼻是模擬人鼻子進(jìn)行產(chǎn)品品質(zhì)評(píng)價(jià)的模擬生物嗅覺系統(tǒng)[3-4],已應(yīng)用于食品質(zhì)量評(píng)估[5-6]、變質(zhì)識(shí)別[7]、摻假鑒定[8]、分辨肉品類[9]等方面。電子舌是可以模擬人舌頭獲得滋味信息的新型檢測(cè)儀器[10],能夠反映不同檢測(cè)對(duì)象整體特征的差異[11],可用于食品新鮮度、純度鑒定以及添加劑成分定量分析等[12-14]。感官評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)產(chǎn)品品質(zhì)的重要方法,模糊數(shù)學(xué)能夠把感官評(píng)價(jià)的屬性定量化,一定程度上減小主觀因素造成的差異。有研究報(bào)道模糊數(shù)學(xué)感官分析法已用于食品品質(zhì)評(píng)價(jià)與優(yōu)化,如焦云鵬等[15]通過模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)法對(duì)魚肉香腸品質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化,金雪花等[16]通過模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)不同大豆品種的豆?jié){品質(zhì)。目前,煙熏牛肉工藝優(yōu)化的相關(guān)報(bào)道極少以風(fēng)味為導(dǎo)向或第一重要因素,主要是評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)手段的缺乏造成的,利用電子鼻、電子舌、模糊數(shù)學(xué)對(duì)熏牛肉風(fēng)味分析與品質(zhì)評(píng)價(jià)方法未見報(bào)道。
本研究利用電子鼻嗅聞指紋分析、電子舌滋味指紋分析、模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)、線性多元回歸方程對(duì)熏牛肉品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),建立電子鼻與模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)之間的聯(lián)系與品質(zhì)評(píng)價(jià)方程,為利用電子鼻等技術(shù)優(yōu)化煙熏工藝的可行性和準(zhǔn)確性提供技術(shù)支撐,為電子鼻等價(jià)替代感官分析評(píng)價(jià)熏牛肉品質(zhì)提供參考。
樣品牛肉部位取肩肉,取樣于云南昆明某研究院,為30個(gè)月的閹云嶺牛(1/2婆羅門牛×1/4莫累灰牛×1/4云南黃牛)。蔥、姜以及調(diào)味料購(gòu)買于鄭州某大型商超,試劑為分析純,煙熏液信息見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與煙熏液信息Table 1 Test design and information of smoke liquid
冷凍離心機(jī)(AL104),梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;超級(jí)恒溫槽(GHY-30100),凡帝朗科技公司;高速冷凍離心機(jī)(ALLEGRA-64R),BECKMANCOULTER公司;電子鼻(PEN3),德國(guó)AIRSENSE公司;電子舌(ISENSO),上海昂申智能科技有限公司。
新鮮原料肉清洗血水、瀝干,去掉筋膜,切成15 cm×15 cm×15 cm的大塊,用凈水浸泡洗凈。各試驗(yàn)組添加等量清水以及等量鮮姜、大蔥、食鹽、白糖、花椒、八角、桂皮、小茴香等輔料。水沸騰后煮肉,及時(shí)撇凈油、浮沫,30 min后每隔20 min翻1次。煮沸時(shí)間2.5 h后把肉撈出,靜置1 h。然后表面涂抹1%煙熏液,在50 ℃烘箱中烘10 min,再于表面涂抹1%煙熏液,在50 ℃烘箱中烘10 min,待測(cè)。
1.4.1 電子舌測(cè)定方法
參考孟舒雨等[17]方法進(jìn)行測(cè)定。將熏牛肉在料理機(jī)中攪碎,然后取15 g肉沫與150 mL超純水放入250 mL的錐形瓶中,50 ℃水浴加熱20 min。加熱之后,把上清液轉(zhuǎn)移到離心管中,用冷凍離心機(jī)5 000 r/min、4 ℃離心15 min,然后過濾,在取適量液體倒入燒杯待測(cè)。
1.4.2 電子鼻測(cè)定方法
參考武蘇蘇等[18]方法,略有改動(dòng)。將制作好的熏牛肉用料理機(jī)攪碎,把15 g肉沫放入250 mL的錐形瓶然后用保鮮膜密封,40 ℃水浴加熱5 min后立即測(cè)定。參數(shù)設(shè)置:頂空進(jìn)樣,清洗時(shí)間60 s,傳感器歸零時(shí)間5 s,樣品準(zhǔn)備時(shí)間5 s,數(shù)據(jù)采集時(shí)間80 s。
1.4.3 感官評(píng)價(jià)方法
參考王瓊等的方法[19],略有改動(dòng)。培訓(xùn)10名(5男5女)學(xué)生,對(duì)熏牛肉進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)等級(jí)為差、一般、好、很好,評(píng)價(jià)指標(biāo)為色澤、質(zhì)地、氣味、滋味、回味。評(píng)價(jià)員要保證身體健康、無感覺缺陷;不嗜煙酒,品評(píng)前1 h內(nèi)不進(jìn)食等;禁止相互討論;評(píng)價(jià)每個(gè)樣品后用清水漱口。
1.4.4 模糊數(shù)學(xué)模型理論依據(jù)
1.4.4.1 因素集、評(píng)語集和加權(quán)集的建立
因素集由評(píng)判指標(biāo)構(gòu)成,色澤(U1)、質(zhì)地(U2)、氣味(U3)、滋味(U4)、回味(U5)構(gòu)成因素集為U={U1,U2,U3,U4,U5}[22]。
評(píng)語集由評(píng)價(jià)指標(biāo)反饋信息構(gòu)成,包含評(píng)價(jià)等級(jí)信息。很好(V1)、好(V2)、一般(V3)、差(V4)構(gòu)成評(píng)語集V={V1,V2,V3,V4}[22]。

表2 感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standards of ensory evaluation
權(quán)重集由是各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)占總體評(píng)價(jià)的比重表示,權(quán)重量組成權(quán)重域稱為模糊向量,用X表示[17]。
1.4.4.2 矩陣確立與轉(zhuǎn)換
熏牛肉不同指標(biāo)的評(píng)價(jià)所得票數(shù)除以評(píng)價(jià)人數(shù)可以得到模糊關(guān)系矩陣R。模糊關(guān)系評(píng)價(jià)集是由權(quán)重集X與模糊關(guān)系矩陣R組合而成,記為:Y=X×R,則第i個(gè)樣品評(píng)價(jià)結(jié)果可以表示為Yi=X×Ri(i為1~10)[23]。
根據(jù)感官評(píng)價(jià)的特殊性,認(rèn)定評(píng)價(jià)等級(jí)集K={9,7,4,1},通過計(jì)算得到模糊綜合評(píng)價(jià)總分T,計(jì)算公式為T=Y×K。
1.4.5 灰色關(guān)聯(lián)度分析
基于灰色數(shù)學(xué)系統(tǒng)理論與食品中應(yīng)用要求進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析[20-21],通過數(shù)據(jù)無量綱化等過程計(jì)算電子鼻傳感器和感官評(píng)價(jià)之間關(guān)聯(lián)度。
1.4.5.1 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算
將所有樣品作為灰色系統(tǒng),電子鼻不同傳感器作為灰色系統(tǒng)的子系統(tǒng),傳感器的響應(yīng)值作為系統(tǒng)里的因素計(jì)算[17]。感官評(píng)分為參考數(shù)列記為Y0;比較數(shù)列記為Yi(x),Yi為樣品的電子鼻傳感器響應(yīng)值。按照公式(1)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù):
(1)
式中:x為不同組別;Yi為不同組別電子鼻傳感器響應(yīng)值;εi(x)為第x組樣品的子序列Yi與母序列Y0的關(guān)聯(lián)系數(shù);minimink|Y0(x)-Yi(x)|為兩級(jí)最小差值;maximaxk|Y0(x)-Yi(x)|為兩級(jí)最大差值;|Y0(x)-Yi(x)|為母序列與子序列的絕對(duì)差值;ρ為分辨系數(shù),ρ的取值范圍為0~1,ρ取0.5。當(dāng)ρ=0.5時(shí),灰色關(guān)聯(lián)度大于0.6,結(jié)果較好。
1.4.5.2 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度
關(guān)聯(lián)系數(shù)的算數(shù)平均數(shù)為關(guān)聯(lián)度,按照公式(2)計(jì)算:
(2)
式中:ri為母序列Y0與子序列Yi之間的關(guān)聯(lián)度;N為子序列數(shù)據(jù)的數(shù)量。
電子鼻、電子舌自帶軟件的主成分分析功能分析熏牛肉檢測(cè)樣品數(shù)據(jù)的聚集程度和區(qū)別指數(shù);利用Excel 2010計(jì)算模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)定、灰色關(guān)聯(lián)度。
利用電子舌系統(tǒng)分析軟件主成分分析模式對(duì)6個(gè)熏牛肉樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立以主成分1、2分別為橫、縱坐標(biāo)的二維圖。由圖1可以得出主成分1的貢獻(xiàn)率為60.498%,主成分2的貢獻(xiàn)率為26.405%,主成分1、2的累積貢獻(xiàn)率為86.903%,大于85%,說明主成分1、2已包含了較多信息,能夠反映熏牛肉樣品的整體信息。由圖1縱坐標(biāo)可以看出,所有熏牛肉樣品的分布區(qū)域和1號(hào)樣品的分布區(qū)域分離較遠(yuǎn),且各個(gè)試驗(yàn)組的數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)聚集,說明電子舌能夠很好地區(qū)別不同熏牛肉之間的差別。另外,有研究表面電子舌可以很好地區(qū)分不同類型糖樣品、比較甜菊糖甜味強(qiáng)度,并且結(jié)果與感官評(píng)價(jià)一致[24]。圖1顯示各熏牛肉試驗(yàn)組在滋味上與1號(hào)空白試驗(yàn)組樣品差別明顯;2號(hào)、3號(hào)熏牛肉樣品分布區(qū)域較近,說明兩者在滋味上有一定的相似性。

圖1 不同樣品電子舌分析結(jié)果Fig.1 Electronic tongue analysis results of different samples
電子鼻能夠檢測(cè)出熏牛肉中香氣的復(fù)雜成分并進(jìn)行表征,是二十一世紀(jì)食品控制技術(shù)之一[25]。對(duì)熏牛肉樣品的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,以主成分1、2分別為橫、縱坐標(biāo)建立二維圖。由圖2可以看出主成分1的貢獻(xiàn)率為63.379%,主成分2的貢獻(xiàn)率為26.423%,主成分1和2的累積貢獻(xiàn)率為89.802%,大于85%,說明主成分1、2包含了很大信息量,能夠反映樣品的整體信息。
電子鼻有10個(gè)傳感器,用A~J分別對(duì)應(yīng)芳烴化合物、氮氧化合物、胺或芳香分子、氫化物、烯烴或芳族或極性分子、烷類、硫化合物、醇或部分芳香族化合物、芳烴化合物或硫的有機(jī)化合物、烷類和脂肪類。由圖2可知,B、K、F、G、H對(duì)PC1貢獻(xiàn)較大,D、E、J對(duì)主成分2貢獻(xiàn)較大。圖2中主成分1的方差貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于主成分2的方差貢獻(xiàn)率,表明熏牛肉樣品間在主成分1上差異較大;而熏牛肉樣品縱坐標(biāo)上的距離很大,但方差貢獻(xiàn)率比主成分1小,實(shí)際差異不大。由圖3可以看出,1號(hào)樣品的分布區(qū)域與2號(hào)樣品的分布區(qū)域有重疊,說明在氣味上1號(hào)熏牛肉樣品與2號(hào)熏牛肉樣品差距小,2號(hào)樣品較好地保持了牛肉原本風(fēng)味。5號(hào)、6號(hào)樣品的分布區(qū)域分離較近,說明5、6號(hào)熏牛肉在氣味上比較接近。3號(hào)樣品位于第1主成分中橫坐標(biāo)的最右側(cè),說明3號(hào)樣品中與其他試驗(yàn)組在第1主成分上差別很大。

圖2 不同樣品電子鼻分析結(jié)果Fig.2 Electronic nose analysis results of different samples
感官評(píng)價(jià)會(huì)因個(gè)體差異具有一定的差異和模糊性,利用模糊數(shù)學(xué)分析法可以對(duì)感官評(píng)價(jià)這類概念或事物進(jìn)行定量化、數(shù)學(xué)化分析。如表3所示,通過調(diào)查法對(duì)20位調(diào)查者對(duì)熏牛肉不同感官品質(zhì)指標(biāo)(色澤、質(zhì)地、氣味、滋味、回味)的權(quán)重在總體中所占重要性程度比率進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算,5個(gè)感官指標(biāo)的權(quán)重為0.2、0.1、0.3、0.3、0.1,轉(zhuǎn)化為權(quán)重集可以表示為X={0.2,0.1,0.3,0.3,0.1}。

表3 各因素重要性程度分析Table 3 Importance degree analysis of each factor

表4 不同煙熏液對(duì)熏牛肉感官評(píng)價(jià)等級(jí)分類評(píng)價(jià)Table 4 Sensory evaluation grades of smoked beef by different smoked liquids
由表4可知,以1號(hào)樣品的色澤為例,很好、好、一般、差的得票數(shù)分別為0、4、3、3,則得到集合U1={0,0.4,0.3,0.3},同理可得U2={0,0.1,0.5,0.4},U3={0,0.2,0.5,0.3},U4={0,0.3,0.6,0.1},U5={0,0.1,0.7,0.2}。U1~U5單因素模糊矩陣的評(píng)價(jià)結(jié)果寫成矩陣,即:
已知5個(gè)指標(biāo)的權(quán)重向量為X={0.2,0.1,0.3,0.3,0.1},根據(jù)公式Y(jié)=X×R,得到第一個(gè)熏牛肉樣品的評(píng)價(jià)結(jié)果:
即Y1={0,0.25,0.51,0.24}。同理可得Y2={0.27,0.55,0.16,0.02},Y3={0.64,0.19,0.17,0},Y4={0.14,0.25,0.45,0.02},Y5{0.07,0.24,0.48,0.21},Y6={0.06,0.44,0.35,0.20}。
模糊綜合評(píng)價(jià)總分T=Y×K,第θ個(gè)熏牛肉樣品的Y1={0,0.25,0.51,0.24}和評(píng)價(jià)等級(jí)集K={9,7,4,1}進(jìn)行計(jì)算得到第1個(gè)熏牛肉樣品的綜合評(píng)分:

熏牛肉的模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)綜合得分和描述見表5,綜合得分越高說明產(chǎn)品品質(zhì)越好。由表5可知,1號(hào)熏牛肉模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)綜合得分最低,為4.03,風(fēng)味描述為無煙熏味,口感較淺。5號(hào)熏牛肉和4號(hào)熏牛肉得分相對(duì)提高為4.44、4.83,煙熏風(fēng)味描述分別為煙熏味較好,說明4號(hào)熏牛肉樣品的品質(zhì)與5號(hào)熏牛肉樣品的品質(zhì)較為接近。3號(hào)熏牛肉的綜合得分是最高的,說明3號(hào)樣品品質(zhì)最佳,2號(hào)略低于3號(hào)樣品的綜合得分,煙熏風(fēng)味描述都為煙熏味帶有香甜滋味,說明2號(hào)樣品的風(fēng)味與3號(hào)樣品的風(fēng)味較為接近,但是略差于3號(hào)熏牛肉樣品。另外,由報(bào)道顯示不同品種大豆的豆?jié){感官品質(zhì)評(píng)價(jià)[16]、電子束輻照處理后的鱸魚品質(zhì)評(píng)價(jià)[26]都證明利用模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)法是食品中可行的一種評(píng)價(jià)方式。另外,專家小組進(jìn)行感官評(píng)定時(shí)可能會(huì)受到培訓(xùn)要求、人員流動(dòng)、個(gè)體差異性等原因的影響,造成一定程度上的局限性[25],模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)可以降低對(duì)感官人員的要求,通過大數(shù)據(jù)處理對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)與篩選,盡可能地減小感官人員個(gè)體主觀因素的差異性在總體中的影響程度。

表5 模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)的綜合得分和熏牛肉煙熏風(fēng)味描述Table 5 Bacon fuzzy mathematics sensory evaluation comprehensive scores and smoking flavor description of smoked beef
電子鼻可以模擬食品的整體風(fēng)味輪廓。模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)法考慮了多種因素對(duì)整體效果的貢獻(xiàn),能夠較為客觀、準(zhǔn)確、科學(xué)地進(jìn)行品質(zhì)評(píng)價(jià),減小因評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、個(gè)人喜好等原因帶來的誤差。通過多元線性回歸建立熏肉品質(zhì)評(píng)價(jià)方法,將反應(yīng)風(fēng)味的電子鼻數(shù)據(jù)與通過模糊數(shù)學(xué)建立的感官綜合評(píng)分體系進(jìn)行聯(lián)系,利用電子鼻檢測(cè)計(jì)算品質(zhì)評(píng)價(jià)得分。利用多元線性回歸得到的風(fēng)味評(píng)價(jià)熏牛肉品質(zhì)方程如下:
y=-33.72-125.56x1+115.96x3+56.59x9
式中:x1、x3、x9分別為電子鼻第一、第三、第九傳感器的檢測(cè)數(shù)值。

灰色關(guān)聯(lián)度可以表征在變化過程中的關(guān)系,2個(gè)因素變化態(tài)勢(shì)一致,則認(rèn)為兩者關(guān)聯(lián)較大;反之,關(guān)聯(lián)度較小。無量綱化處理電子鼻傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果見表6,計(jì)算電子鼻傳感器與感官評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)度,見表7。
由表7可知,電子鼻傳感器與模糊數(shù)學(xué)得到的感官評(píng)分之間的管理系數(shù)為0.806 4~0.832 6,大于0.80,反映出電子鼻傳感器所測(cè)數(shù)值與模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)整體得分兩者之間關(guān)聯(lián)較大。尤其是傳感器9、4、8、1、10等與模糊數(shù)學(xué)得到的感官評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)之間關(guān)聯(lián)系數(shù)較高,說明這幾個(gè)傳感器代表的芳烴化合物或硫的有機(jī)化合物、氫化物、醇或部分芳香族化合物、芳烴化合物等風(fēng)味物質(zhì)對(duì)感官評(píng)分關(guān)聯(lián)較大。電子鼻與模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)價(jià)之間擁有較高的灰色關(guān)聯(lián)度度來看,電子鼻能夠一定程度上代表熏肉品質(zhì),為進(jìn)一步優(yōu)化煙熏工藝、評(píng)價(jià)熏肉品質(zhì)提供參考。還有研究得出,電子鼻可以鑒別質(zhì)量等級(jí)相近的白酒樣品[27]、荔枝樣品[16],也有研究結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法探討非線性識(shí)別方法,這些均說明電子鼻也可反映樣品的品質(zhì)。

表6 電子鼻傳感器數(shù)據(jù)歸一化值Table 6 Normalized values of electronic nose sensor data

表7 電子鼻傳感器與感官評(píng)價(jià)之間的關(guān)聯(lián)度Table 7 Correlation coefficients between electronic nose sensors and sensory evaluation
(1)3號(hào)熏牛肉模糊數(shù)學(xué)感官評(píng)分最高,說明試驗(yàn)范圍內(nèi),相同濃度下(2%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))紅箭牌Oil-H煙熏液最優(yōu);
(2)利用電子鼻等風(fēng)味檢測(cè)構(gòu)建了熏肉品質(zhì)評(píng)價(jià)方法:y=-33.72-125.56x1+115.96x3+56.59x9,模型相關(guān)系數(shù)R=0.845,判定系數(shù)R2=0.715,為利用電子鼻等檢測(cè)方法優(yōu)化熏牛肉生產(chǎn)工藝和評(píng)價(jià)品質(zhì)提供了簡(jiǎn)便、快捷的方法;
(3)電子鼻數(shù)據(jù)與模糊數(shù)學(xué)感官綜合評(píng)分體系之間具有較高關(guān)聯(lián)度,相關(guān)度為0.806 4~0.832 6,均大于0.80,為電子鼻等價(jià)代替感官評(píng)價(jià)進(jìn)行優(yōu)化熏牛肉煙熏工藝與品質(zhì)的可行性和準(zhǔn)確性提供理論支撐。