基于电子鼻和电子舌对牛奶加热程度及风味变化的评价

宋慧敏1，芦晶2，吕加平2，赵伟丽，李东花，朱永明

(1.黑龙江立高仪器设备有限公司，哈尔滨150028;2.中国农业科学院农产品加工研究所，北京100193;3.东北农业大学食品学院，哈尔滨150030)

基于电子鼻和电子舌对牛奶加热程度及风味变化的评价

宋慧敏1，芦晶2，吕加平2，赵伟丽3，李东花3，朱永明3

(1.黑龙江立高仪器设备有限公司，哈尔滨150028;2.中国农业科学院农产品加工研究所，北京100193;3.东北农业大学食品学院，哈尔滨150030)

采用电子鼻和电子舌人工智能感官评价技术对不同热处理牛奶的气味和滋味进行测定，利用主成分分析法（PCA）和判别因子法（DFA）对检测结果进行分析。结果显示：不同热处理牛奶样品的风味存在显著差异，且随热处理程度不同而呈现一定规律，同时，将电子鼻和电子舌两种技术结合起来能更好的鉴别不同热处理样品，可很灵敏的将不同温度和时间处理的牛奶识别开来，并且能对其他牛奶样品的加热程度进行粗略预测。

电子鼻；电子舌；牛奶；风味；热处理

0 引 言

众所周知食品品质优良与滋气味息息相关，热处理对牛奶风味影响较大。电子鼻和电子舌能从样品的响应信号得到“指纹识别数据”[1]，为主观评价提供理论依据。

电子鼻分析样品挥发成分的整体信息[2-3]。电子舌对样品味觉能做出总体评价[4]。电子鼻在牛奶中主要分析掺假[5]，品质的识别[6-7]，污染情况的判断[8-9]，不同热处理方式和脂肪含量的区分[10]，以及其他乳制品的风味特征[11-14]。电子舌主要应用在不同品牌牛奶的识别[15-17]、品质的检测[18-19]、掺假的判断[20]，在线检测理化指标[21]等。

由于电子鼻检测样品气味，电子舌检测样品滋味，仅依靠其一难以代表样品整体风味。因此，本文采用电子鼻和电子舌相结合监测不同加热程度牛奶风味，对牛奶的加热程度进行综合评价，精确区分巴氏杀菌和UH T灭菌奶。

1 实 验

1.1 材料及仪器

牛奶。AH 100D均质机，DK-S24型电热恒温水浴锅，小试UHT设备（实验室自行组装），PEN 3.5电子鼻（具有10种不同的金属氧化物传感器），AsrreeⅡ/ LS16电子舌等。

1.2 样品制备

将新鲜牛奶进入小试UHT杀菌处理，通过调节压力控制温度，更换加热管道的长度来控制保温时间，对牛奶进行100，115，130，140℃的5 s处理（简写为100-5，115-5，130-5，140-5）和115℃的5，10，20，30 s热处理（简写为115-5，115-10，115-20，115-30）。利用水浴锅进行65℃（30 m in）、75℃（15 s）和85℃（10 s）三个巴氏杀菌处理（简写为65-30，73-15，80-10），样品处理结束后迅速用冰浴冷却并保藏于4℃冰箱中待测。

1.3 电子鼻测定

取10 m L不同热处理的牛奶放置于电子鼻专用的玻璃瓶中，封盖后在室温下平衡30 m in,用电子鼻进行测定。

电子鼻采用顶空进样方式，每个样品重复4次，筛选结果理想的3个作为平行。载气为空气，速度为300 m L/m in。顶空获取时间为60 s，延滞180 s，选取48～52 s较平稳的阶段进行信息采集，用仪器自带软件进行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）。

1.4 电子舌测定

样品在4 500 r/m in下离心20 m in后，除去脂肪，吸取1 m L牛奶，用80 m L超纯水稀释，放在专用烧杯中，待测。

样品与校准溶液（超纯水）交替检测，每个样品测定7次，选取较稳定的后4次测定数据进行分析。用仪器自带软件进行判别因子分析（Discriminant Function Analysis，DFA）。

1.5 数据处理

电子鼻采用主成分分析（PCA），是将所提取的传感器多指标的信息进行数据转换和降维的一种分析方法。电子舌采用判别因子法（DFA）进行数据分析，判别因子法是指对原始数据向量进行线性变换，使得各类样品能够更好区分，常用于建立样本数据库后，对未知样本进行定性判别。

2 结果与讨论

2.1 利用电子鼻分析不同加热程度牛奶的气味

2.1.1 加热温度对牛奶气味特征的影响

图1为基于电子鼻对3个巴氏杀菌奶以及100， 115，130，140℃（5 s）4种加热处理的PCA分析结果。由图1可以看出，第一主成分的贡献率为99.08%，几乎包含了样品的全部信息，即第一主成分能够很好的将样品差异区分开。有文献指出[22]主成分总贡献率超过70%-85%，说明此方法适用。图1中的椭圆代表单一样品重复的整体信息特征，图形距离的远近代表样品间气味差异的大小。从图1中也可以看出不同温度处理的牛奶样品间存在着差异性，即使是巴氏杀菌奶之间也存在差异，65℃30 m in和75℃15 s，75℃15 s和85℃10 s的差异不显著，即该两组巴氏杀菌奶的气味接近，65℃30 m in和85℃10 s气味相似。经主成分分析得出：100℃和115℃5 s处理的牛奶与75℃15 s的巴氏杀菌奶间差异不显著，即这两个牛奶样品的气味与75℃15 s较为相近，尤其是100℃5 s处理的牛奶。随着温度的升高，加热程度的增强，4个高温处理样品的PCA图有规律的呈顺时针方向旋转，由此可预测5 s处理的其他温度的样品的PCA图，为电子鼻数据提供理论依据。

图1 加热温度对牛奶气味的影响

2.1.2 加热时间对牛奶气味特征的影响

图2为基于电子鼻对115℃（5，10，20，30 s）以及3个巴氏杀菌奶样品的主成分分析。总方差贡献率达到99.8%，第一、二主成分包含了样品的大部分信息，电子鼻能够很好的将不同处理组样品的气味分开。由图2中能看出，四个高温处理的样品的PCA图显示能够很好的区别分开，没有互相交集的部分，即四个样品间气味存在差异且较大。115℃5 s的样品与75℃15 s样品差异明显，但相对其他高温处理的样品差异较小，虽然加热的温度较75℃偏高，但是该样品加热时间较短，只有5 s，牛奶自身的香味物质程度较小，还没有即使形成其他气味物质如酯类、酮类、酸类等，观察整体PCA图可看见：随着时间的延长，4个高温样品的PCA图有规律的呈顺时针方向移动。

图2 加热时间对牛奶气味的影响

早期研究发现：在未加工的牛奶样品中发现了7种活性气味化合物，热处理后则含有15种气味化合物[23]。随着现代色谱分离及质谱技术的发展，固相微萃取与气谱-质谱（GC-MS）在风味提取及检测中的成功应用为牛奶风味的分离及高灵敏度检测成为可能。王万厚[24]等人研究发现：新鲜原料乳中可以检测到50种挥发性风味物质，其中酸类最多，牛奶经过UH T加热杀菌后挥发性风味物质增加到75种，酯类和酮类数量明显增加，其中甲基酮，3-羟基-2-呋喃酮，δ-葵内酯，γ-十二内酯是UHT乳中重要的挥发性风味物质，对形成UHT乳特有的风味起重要作用，而酯类是形成UHT乳风味最主要的化合物。内酯类与滋气味和风味有密切关系，在鲜乳中非常低的含量就可赋予良好的风味，如果含量过高，则会形成不良滋气味[25]。

在本实验中利用电子鼻监测到巴氏杀菌奶和其他高温奶之间的挥发性风味差异较大的原因可能是高温和长时间处理使牛奶中形成了大量的酯类和酮类等物质，进而造成风味的显著差异，而温度的高低和时间长短对新物质形成及其含量的大小起了至关重要的作用，所以，在PCA图中可观察到样品风味存在明显差异。另外，由于牛奶中含有大量的乳糖和蛋白质，高温促使其发生美拉德反应，生成一系列的美拉德反应产物，其中5-羟甲基糠醛具有挥发性，对牛奶的气味会产生一定的影响。同时牛奶中的巯基、游离氨基和游离脂肪酸等对牛奶的风味也会产生很大影响，尤其是巯基，对UHT奶所形成的蒸煮味起着重要作用。

2.2 利用电子舌分析不同热处理牛奶的滋味

2.2.1 加热温度对牛奶滋味特征的影响

图3为采用电子舌分别对100，115，130，140℃（5 s）热处理牛奶脱脂样品的风味进行分析得出的判别因子分析图，其中的四边形代表单一样品的整体信息特征，四边形的4个点代表了4个重复样品，从图中可以看出，样品的重复性较好，较为集中。样品间距离的远近代表样品间的差异是否明显。其中DF1为82.28%，DF2为16.774%，第一判别因子和第二判别因子涵盖了样品的绝大部分信息，4个样品能够区分开来，并且样品间各自独立，没有互相重叠，样品间有明显的差异，也就是说滋味有明显的区别，观察DFA图，100℃和115℃（5 s）处理的样品的DFA图分布在上半部分，130℃和140℃（5 s）处理的样品的DFA图分布在下半部分，即在加热时间相同的情况下，加热温度低其DFA图浮在上方，加热温度高则沉于下方，也就是加热温度是影响电子舌检测到的第二主成分的主要因素。

图3 加热温度对滋味的影响

2.2.2 加热时间对牛奶滋味分布的影响

图4是利用电子舌对115℃（5，10，20，30 s）热处理牛奶脱脂后的分析判别因子图，从图中看出样品的重复性很好，能反应出样品的整体特征信息。其中DF1为96.221%，DF2为3.627%，第一判别因子DF1是四个样品产生差异性的主要因素，为样品差异性滋味提供了较大的贡献。其中115℃20 s和30 s的两个样品的DFA图有部分重叠，也就是两样品的滋味相对接近，在加热时间较长的过程中样品的滋味变化不大，比较相似，但前文所述中利用电子鼻可以将他们区分开，利用电子舌也就是说电子鼻和电子舌的结合能够更加有效的鉴别样品。但115℃20 s和30 s样品与115℃5 s和10 s样品的DFA图距离较远，滋味有明显的区别，并且115℃5 s和10 s样品主要呈现在DFA图中的左侧，而115℃20 s和30 s样品呈现在DFA图的右侧，也就是说在同一加热温度条件下，加热时间短的样品的DFA图倾向于左侧，加热时间长的样品的DFA图偏于右侧。加热时间是引起DF1变化的主要因素。

电子舌配备的5个传感器可以分别对酸、甜、苦、咸、鲜这五种滋味作出评价，但由于甜和苦这两种滋味的成味物质较为复杂，因此仪器不能进行具体评价。牛奶中因为含有丰富的乳糖、蛋白质、脂肪以及一些无机盐如钠盐和钙盐等，在加热过程中蛋白质之间互相作用，蛋白质分解为肽段和氨基酸，与乳糖发生美拉德反应，与无机盐发生螯合作用等都会对牛奶的滋味产生很大的影响。脂肪水解为脂肪酸对牛奶的酸味会有一定的作用。钠盐和钙盐对咸味起了主要作用。乳糖影响甜味。由DFA图可以判断，加热温度对这些呈味物质有很大的影响。

图4 加热时间对滋味的影响

在上述分析的100，115，130，140℃（5 s）的PCA图中，能发现4个样品间存在差异，即感官气味有区别，但差异大小不一，130℃5 s样品和140℃5 s样品的PCA图有部分重叠，气味很相似，仅仅依靠电子鼻不能完全将他们区分开，需借助其他方式。通过电子舌能够将电子鼻不能完全区分开的样品区分开，电子鼻的操作过程较电子舌更为简便，操作时间更短，但电子鼻检测时获取的样品信息主要来自于奶制品的挥发性和半挥发性物质，而电子舌检测时获取的信息是来自于乳制品中的所有物质（包括挥发性，半挥发性，难挥发性物质等），因此电子舌较电子鼻能更完整获取样品信息，得到更精确的结果[26]。为了达到尽可能在短时间内将样品精确的区分的目的，可以将电子鼻和电子舌的结合以此来解决问题。

3 结 论

电子鼻和电子舌是通过模拟人体的鼻和舌灵敏的将感官很难区分的样品进行鉴别，通过电子鼻和电子舌的运用分析，可以直观的看到牛奶在不同的热处理条件下气味和滋味的差异性，但单一的运用电子鼻或电子舌对于一些气味或滋味极其相近的样品的区分会有难度，而将电子鼻和电子舌结合后能够对样品进行更加清晰的鉴别。并且利用电子鼻和电子舌分析不同热处理样品的气味和滋味，样品的主成分分析图和判别因子图会呈现一定的规律性，因此可以运用电子鼻和电子舌这两种仪器对牛奶的风味进行快速的判别评价，并可预测牛奶的加热程度，排除了人工判断误差的主观因素。将电子鼻和电子舌联合使用能够快速简便的区分高温处理乳和巴氏杀菌乳。

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Evaluation of the degree of heating milk and flavor changes using electronic nose and electronic tongue

SONG Hui-min1,LU Jing2,LV Jia-ping2,ZHAO Wei-li3,LI Dong-hua3,ZHU Yong-ming3
（1.Heilongjiang Ligao Instrument Co.,Ltd,Harbin 150028,China;2.Institute of agricultural products processing,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China;3.Department of Food Science,Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China)

The flavor of different heat treatments milk is measured with electronic nose and electronic tongue,and take advantage of principal component analysis(PCA)and discriminant function analysis(DFA)to analyze the smell and taste of milk,the flavor is different between different heat treatments milk,according to different heating degree,m ilks show the regularity.Comparing electronic nose with electronic tongue can distinguish milk that deal with different temperature and time,and other degree heat milk samples were tentatively forecast.

electronic nose；electronic tongue；milk；flavor；heat treatment

TS252.7

：A

：1001-2230（2016）02-0012-04

2015-07-08

国家科技支撑计划（2012BAD28B07）；（2013BAD18B10）。

宋慧敏(1988－)，女，硕士研究生，研究方向畜产品加工。

吕加平