基于灰色關聯度分析肉味香精電子鼻響應值與感官評分之間的相關性

魏代巍，魏超昆，張惠玲

（寧夏大學食品與葡萄酒學院，寧夏食品微生物應用技術與安全控制重點實驗室，寧夏 銀川 750000）

美拉德反應是指氨基（氨基酸、肽或蛋白質等）和羰基（還原糖等）相互之間的生化反應，也被定義為非酶促褐變反應，一般出現于食品熱加工和貯藏過程中。美拉德反應中，反應底物對最終形成的風味物質影響較大，當半胱氨酸作為反應底物時，可以產生2-甲基-3-呋喃硫醇、二糠硫醇等具有肉香味的化合物；谷氨酸為反應底物時，產生丁二酸、琥珀酸等具有鮮味和“Kokumi味”的化合物；甘氨酸作為反應底物時，產生2-乙基吡嗪、2-乙酰基呋喃等具有烤香味的物質。用美拉德反應制備肉味香精，已被廣泛用于食品風味的改善。

谷氨酸作為一種常見的食品風味劑，主要用于改善肉類食品的鮮味。谷氨酸參與半胱氨酸-木糖美拉德反應體系后，會使得產物風味有從烤肉風味向肉湯風味轉變的趨勢。在Cao Changchun等的研究中同樣發現，甘氨酸參與的半胱氨酸-木糖美拉德反應體系也具有類似的趨勢。因此，通過調控半胱氨酸-還原糖-其他氨基酸美拉德反應體系可以模擬制備烤肉、肉湯風味香精。

目前，主要采用人工感官來對產品風味進行評價，但其主觀隨意性較強，重復性、穩定性較差。電子鼻通過傳感器、信號采集單元和模式識別模擬人的嗅覺功能，來對氣味進行感知、分析和判斷，具有檢測范圍廣、檢測速度快、靈敏度高等特點。以電子鼻代替感官評價，具有客觀、快捷、重現性好、無疲勞感等特點。 Barbri等用電子鼻對沙丁魚新鮮度和揮發性成分進行快速檢測；張迪雅等利用氣相色譜-質譜分析儀和電子鼻研究不同加熱溫度下不同部位牛肉揮發性物質的氣味，發現造成它們之間差異的主要原因是醛類和醇類物質的含量和種類不同；陳修紅等用電子鼻對不同種類的花椒油樣品進行分析和區分。有關電子鼻分析食品風味與感官評價之間的相互關聯分析研究還較為有限，孟舒雨等研究獅子頭電子鼻響應值與感官評價之間的相關性；楊濤等研究不同小麥品種餅干電子鼻響應值與感官評價之間的相關性。通過建立二者之間的數學模型，使對食品風味的感官評價可以用客觀方法進行衡量，能夠避免人工評價的缺陷。

灰色關聯度分析是一種多因素統計分析方法，在農產品產地溯源、生長情況預測、農產品綜合評價及中藥質量評價等方面被廣泛應用。本研究以通過美拉德反應制備出的肉味香精為研究對象，應用電子鼻和感官評價對其風味分別進行評價，在此基礎上分別建立肉味香精的烤肉風味和肉湯風味與電子鼻響應值之間的相關性。

圖 1 電子鼻檢測結果的PCAFig. 1 PCA plot of meat flavors based on electronic nose signals data

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

-半胱氨酸（純度99%）、-谷氨酸（純度98%）、-木糖（純度98%） 上海麥克林科技有限公司；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉 北京生化藥物試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

PHSJ-5型pH計 上海雷磁儀器有限公司；FA2004型電子天平 上海儀電科學儀器股份有限公司；ZNCLGS190*90型恒溫油浴鍋 鞏義市科瑞儀器有限公司；DF-11型冷凍干燥機 常州愛華儀器制造有限公司；PEN3型電子鼻 德國Airsense公司。

1.3 方法

1.3.1 美拉德反應產物的制備

向30 mL、pH 7、0.2 mol/L磷酸緩沖溶液中加入木糖10 g/100 mL、半胱氨酸0.67 g/100 mL、谷氨酸1.67、3.33、5.00、6.67、8.33、10.00、11.67 g/100 mL，分別編號1～7，使其混合均勻后加入20 mL安瓿瓶中，在110 ℃條件下反應90 min。美拉德反應產物在-80 ℃預凍24 h后經冷凍干燥機凍干，4 ℃冰箱冷藏備用。

1.3.2 電子鼻測定

用分析天平稱取0.1 g樣品，置于20 mL頂空瓶中，螺帽中帶有特氟隆/硅隔膜，加入5 mL蒸餾水溶解，樣品在25 ℃下平衡30 min。電子鼻傳感器通常由10 個不同的金屬氧化物構成，每根感應器對某一大類化學物質的響應顯著，如表1所示。

表 1 PEN3型電子鼻各傳感器的響應特性Table 1 Response characteristics of sensors used in PEN3 electronic nose

電子鼻檢測參照宮雪等的方法，并作修改。采樣時間1 s/組，傳感器清洗時間300 s，歸零時間10 s，流速300 mL/min，分析采樣時間120 s。采用直接頂空吸氣法，在室溫25 ℃條件下對樣品進行檢測，每個樣品重 復3 次。

1.3.3 感官評價

挑選9 名食品專業的學生組成感官評定小組，對肉味香精進行感官評分，評分指標為肉湯味、烤肉味、鮮味、焦糖味、醇厚感、總體接受性，評分標準如表2所示。

表 2 肉味香精感官評分標準Table 2 Criteria for sensory evaluation for meat flavors

1.3.4 灰色關聯度分析

1.3.4.1 確定分析數列

根據灰色系統理論和分析方法的要求，將7 組樣品視為一個整體，即為灰色系統。而電子鼻的各傳感器作為灰色系統的子系統，把傳感器的響應值作為一個因素進行分析計算。選擇參考數列時，感官評分記為，=[（1）,（2）,（3）,…,（）]，其中為肉味香精樣品編號，=1,2,3,…,7。選擇比較數列時，電子鼻傳感器響應值記為Y，Y=[Y（1）,Y（2）,Y（3）,…,Y（）]，其中為電子鼻傳感器編號，=1,2,3,…,10。

1.3.4.2 計算灰色關聯系數

式中：ε（）為第組樣品的子序列Y與母序列的灰色關聯系數；minmin|（）-Y（）|為兩級最小差值；maxmax|（）-Y（）|為兩級最大差值； |（）-Y（）|為母序列與子序列的絕對差值；為分辨系數，為了減小|（）-Y（）|太大而引起的失真，引入，取值范圍為0～1，在本研究中，取0.5，此時，灰色關聯度大于0.6，結果較好。

1.3.4.3 計算灰色關聯度

灰色關聯度是所有灰色關聯系數的算術平均數，按照式（2）計算。

式中：r為母序列與子序列Y之間的灰色關聯度；為子序列的數據個數，=7。

1.3.4.4 數據來源

以電子鼻傳感器中的W5S傳感器作為參照，分別計算不同谷氨酸添加量樣品的相對傳感器響應值。傳感器響應值的前處理結果如表3所示。

表 3 電子鼻傳感器的相對響應值Table 3 Relative response values of electronic nose sensors

表 4 肉味香精感官評分Table 4 Sensory evaluation of meat flavors

1.4 數據處理

采用Origin 2021和Excel 2003軟件對數據進行方差分析、主成分分析（principal component analysis，PCA）以及對灰色關聯系數和灰色關聯度進行函數和數據分析。

2 結果與分析

2.1 肉味香精感官評分

由表4可知，2號樣品，即添加3.33 g/100 mL谷氨酸時，烤肉味、焦糖味評分最高。隨著谷氨酸添加量逐漸增加，烤肉味評分顯著降低（＜0.05），肉湯味評分顯著增加（＜0.05），當谷氨酸添加量超過10.00 g/100 mL時，肉湯味評分顯著降低（＜0.05）。當過量加入谷氨酸時，鮮味比較刺鼻，產生一些不愉快的氣味。結合烤肉味、肉湯味評分可知，2號樣品中的谷氨酸添加量最利于產生烤肉風味，是烤肉風味香精中谷氨酸最佳添加量；6號樣品谷氨酸添加量最有利于產生肉湯風味，是肉湯風味香精中谷氨酸最佳添加量。

2.2 肉味香精電子鼻檢測結果的PCA

PCA是對原始數據線性轉化的一種分析方法。為了更直觀比較各個組別間的差別，對不同谷氨酸添加量的樣本進行PCA。由圖1可知，PC1的方差貢獻率為63.2%，PC2的方差貢獻率為28.3%，累計方差貢獻率為91.5%，大于85%，能夠代表樣品的整體信息。7 個樣品大多分布在第1、3、4象限。烤肉風味樣品（1、2、3號樣品）主要分布在第2象限，并且距離較近，表明它們之間風味相似；肉湯風味樣品（4、5、6號樣品）主要分布在3、4象限，烤肉、肉湯風味樣品之間距離較遠，表明烤肉、肉湯風味具有明顯差異。7號樣品分布在第1象限，距離其他樣品較遠，與其他樣品風味差異明顯，這與其感官評分中總分最低相對應（表4），導致它們之間差異的原因可能是谷氨酸添加量較多，產物具有較重的甜味和鮮味，導致綜合評分降低。

2.3 肉味香精感官評價與傳感器響應值灰色關聯度分析

2.3.1 無量綱化處理

將7 組樣品的感官評價指標設為參考數列，電子鼻的10 根傳感器響應值設為比較數列，將子序列與母序列進行灰色關聯度分析。首先，采用均值化變換的方法對所有數列進行無量綱化處理。先求出表3每個傳感器響應值的樣本均值，再將實際值與該均值相比，結果如表5所示。

表 5 無量綱化處理結果Table 5 Dimensionless processing results

表 6 傳感器響應值與烤肉風味評分的灰色關聯系數和灰色關聯度Table 6 Correlation coefficients and degrees between sensor response values and sensory scores for barbecue-like flavor

表 7 傳感器響應值與肉湯風味評分的灰色關聯系數和灰色關聯度Table 7 Correlation coefficients and degrees between sensor response values and sensory scores for broth-like flavor

2.3.2 電子鼻響應值與感官指標的灰色關聯系數和灰色關聯度

7 組樣品烤肉風味評分兩級最大差值55.19，肉湯風味評分兩級最大差值58.50；烤肉風味評分兩級最小差值27.74，肉湯風味評分兩級最小差值30.14，將上述數值依次代入公式（1）可以得出傳感器響應值與烤肉風味評分和肉湯風味評分的灰色關聯系數，再將灰色關聯系數代入公式（2）可以得出電子鼻傳感器響應值與感官指標的灰色關聯度。

由表6～7可知，電子鼻10 根傳感器響應值與烤肉、肉湯風味感官評分的灰色關聯度，除W1C、W2W、W3S灰色關聯度較低外，其余的傳感器灰色關聯度均在0.700以上。說明烤肉、肉湯風味感官評分與電子鼻響應值之間存在較高的相關性。依據灰色關聯度的差異，不同電子鼻傳感器對各風味指標的灰色關聯度不同，其中與烤肉風味灰色關聯度最高的是W1W，灰色關聯度為0.854，傳感器W1W對硫化物類敏感；與肉湯風味灰色關聯度最高的是W2S，灰色關聯度為0.864，傳感器W2S對醇類、醛酮類敏感。

2.4 肉味香精感官評分與電子鼻傳感器響應值的回歸模型

由電子鼻傳感器響應值和感官評分的灰色關聯度分析可得，不同風味、感官品質在其所對應的傳感器上的響應值不同。所以，根據灰色關聯度的差異可分別建立電子鼻傳感器響應值與烤肉評分、肉湯評分之間的相關關系。分別對烤肉風味評分、肉湯風味評分與電子鼻的10 根傳感器響應值間的灰色關聯度進行回歸分析，代表烤肉風味評分或肉湯風味評分，、、、、、、、、、分別代表電子鼻的W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W、W3W 10 個傳感器響應值與對應感官評分的灰色關聯度。 肉湯風味評分與電子鼻傳感器響應值灰色關聯度的回歸模型為=38.43-69.45-5.38+26.4+17.58+ 9.68；烤肉風味評分與電子鼻傳感器響應值灰色關聯度的回歸模型為=46.44-92.03-9.23+28.07+39.63，均通過檢驗和檢驗，其決定系數分別為0.980和0.998，說明回歸方程具有較高的擬合度。

3 結 論

通過控制羰基與氨基的質量比，可以模擬制備烤肉、肉湯風味香精，由感官評分可知，當添加3.33 g/100 mL谷氨酸時，美拉德反應產物表現出濃郁的烤肉風味，添加10.00 g/100 mL谷氨酸時，美拉德反應產物表現出濃郁的肉湯風味。根據PCA可以很好區分烤肉、肉湯風味香精。電子鼻傳感器響應值與香精烤肉、肉湯風味感官評分的灰色關聯度除W1C、W2W、W3S外都在0.700以上，說明用電子鼻響應值代替感官評分具有可行性。在此基礎上建立香精烤肉、肉湯風味感官評分與電子鼻傳感器響應值灰色關聯度的回歸模型，分別為：=46.44-92.03-9.23+28.07+39.63，=38.43-69.45-5.38+26.4+17.58+9.68。通過數學模型可使感官評分更加客觀，對后期進行工藝優化具有重要意義。