电子鼻技术在小黄鱼新鲜度检测中的应用

白丽娟,齐　馨,陈　洋,金　嫘

(辽宁医学院食品科学与工程学院,辽宁锦州 121001)



电子鼻技术在小黄鱼新鲜度检测中的应用

白丽娟,齐馨,陈洋,金嫘*

(辽宁医学院食品科学与工程学院,辽宁锦州 121001)

采用电子鼻获取不同保藏条件和时间的小黄鱼的气味信息,通过对数据进行主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA)并结合挥发性盐基氮(TVB-N)、菌落总数和三甲胺含量的变化进行分析,建立一种利用电子鼻技术判别小黄鱼新鲜度的方法。结果表明,无论冷冻、冰鲜还是常温保藏,随着保藏时间的延长,电子鼻传感器的响应强度逐渐增大。不同保藏条件气味变化呈现一定趋势,即冰鲜和常温保藏时气味响应强度增大,区分明显;且电子鼻分析结果与理化指标结果基本一致。因此电子鼻技术可以用来检测不同新鲜度的小黄鱼。

电子鼻,小黄鱼,新鲜度,应用

小黄鱼(small yellow croaker),硬骨鱼纲,石首鱼科,俗称“黄花鱼”,为传统“四大海产”之一,主要分布于我国渤海、黄海、东海及朝鲜西海岸等地,为中国重要的经济鱼类[1]。小黄鱼含有丰富的蛋白质、微量元素、维生素、不饱和脂肪酸、矿物质和丰富的微量元素硒,肉质鲜嫩、味道鲜美,营养价值很高,是世界上最有益健康的鱼之一。

小黄鱼经常以鲜销和冷冻销售为主,因此在保藏、运输以及市场销售过程中容易受到环境温度、微生物以及酶等因素影响,鱼肉中多不饱和脂肪酸、蛋白质等组成会发生腐败变质现象[2],随着小黄鱼保藏时间的延长,在鱼肉中积累的代谢产物会挥发出特有难闻的气味,并伴随着品质下降,人们食用后会影响身体健康。采取感官评价和理化指标测定等方法已被广泛应用于水产品鲜度、品质的测定,但是感官评价会受到个体差异和主观随意性等因素影响,准确性较差;理化指标在检测过程中不能达到快速检测的目的,都限制了在小黄鱼在保藏、运输和销售过程中进行的新鲜度检测[3-5]。

近年来新兴的电子鼻技术采用不同感应器得到的不是样品挥发性成分定性和定量结果,而是分析样品中挥发性特征成分的整体信息,能够客观、准确、快捷地模仿人类的嗅觉功能,且具有重复性好、不损伤样品等特点,因此越来越受到科研人员的重视[6]。本文运用电子鼻技术测定了-18 ℃冷冻、冰鲜保存和25 ℃室温条件以及保藏不同时间小黄鱼肉挥发性气味的变化规律,结合理化指标预测其在不同温度条件下的货架期,为快速检测和控制小黄鱼品质提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

新鲜小黄鱼购自锦州市林西路水产批发市场;平板计数琼脂杭州滨和微生物试剂有限公司;酚酞、无水硫酸钠、氧化镁、碳酸镁、碳酸钾、氢氧化钠、无水甲苯氯化钠、甲醛、盐酸等均为分析纯。

MIR-253型恒温培养箱SANYO公司;DZ-400/2L型真空包装机天际食品机械有限公司;JHT-C/S超净工作台上海基星生物科技有限公司;HA-300MD型数显立式压力蒸汽灭菌锅日本;半微量定氮装置厦门海标科技有限公司;WFJ 2100可见分光光度计尤尼柯(上海)仪器有限公司;PEN3型便携式电子鼻系统德国Airsense公司。

1.2实验方法

1.2.1样品预处理将买来的新鲜小黄鱼随机分成三组,一组为防止在冻藏中的干耗和空气的氧化而保护鱼面,冻结的鱼体轻微地在水中浸一下或洒水,以在鱼体表面产生冰膜后保藏在-18 ℃冰箱中,一组放入碎冰中泡沫箱保存,另一组25 ℃烘箱保存作对照。将冷冻和冰鲜保藏的样品0～7 d取样,对照组0～2 d取样,采用鲜海水鱼GB/T 18108-2008的取样方法[7],每天取2尾实验用鱼,清洗、去鳞、去内脏,沿脊骨剖切,先取25 g肉样检测菌落总数,后用绞肉机搅碎,进行电子鼻分析、挥发性盐基氮(TVB-N)及 三甲胺(TMA)测定。

1.2.2挥发性盐基氮的测定参考中华人民共和国水产行业标准SC/T 3032-2007中的水产品挥发性盐基氮的测定方法,根据消耗的盐酸溶液的体积计算TVB-N的含量。按照上述方法,每个样品做3组平行。

1.2.3菌落总数的测定采用食品安全国家标准 GB 4789.2-2010 中的食品微生物学检验菌落总数测定[8],按照上述方法,每个样品做3组平行。

1.2.4TMA分析根据GB/T 5009.179-2003《火腿中三甲胺氮的测定》的方法略有修改。准确称取试样(5.0000±0.0050) g置于100 mL容量瓶中,加蒸馏水至刻度并振荡15 min,过滤后取液5 mL置于25 mL有盖试管中。取5 mL水做空白实验,分别加入1 mL碳酸镁甲醛溶液、10 mL无水甲苯、3 mL饱和碳酸钾溶液,用力振摇1 min后静置5 min。将各甲苯层分别移入内有0.5 g无水硫酸钠的20 mL有盖试管中,脱水。取此液5 mL,加5 mL 苦味酸甲苯使用液,混匀,在波长410 nm处测其吸光度。每个样品做3组平行。

1.2.5电子鼻检测样品准备:精确称量保藏在不同温度下的小黄鱼肉样品2.00 g,剪碎后放入20 mL顶空进样瓶中,于30 ℃平衡5 min后直接将进样针头插入样品瓶采用顶空吸气法进行电子鼻分析实验。测定条件:传感器清洗时间120 s、传感器归零时间5 s、样品准备时间5 s、进样流量300 mL/min,检测时间80 s。完成1次检测后系统进行清零和标准化,然后再进行第2次顶空采样。统计分析10个不同选择性传感器的G/G0值;通过电子鼻Win muster分析软件对采集到数据进行分析。按照上述方法,每组实验重复3次[9-12]。

1.2.6数据处理方法采用Excel 2007及SPSS 22.0软件分析小黄鱼的理化鲜度指标;采用Win muster进行电子鼻数据分析。

2　结果与分析

2.1不同条件下保藏小黄鱼中挥发性盐基氮含量的变化

挥发性盐基氮是评价肉类鲜度的重要理化指标。分别在冷冻、冰鲜和常温条件下保藏的小黄鱼不同时间挥发性盐基氮含量的变化趋势如图1所示,冷冻保藏28 d,TVB-N值缓慢上升,第28 d TVB-N值最高为13.01 mg/100 g,未超过鲜海水鱼GB/T 18108-2008一级标准的要求(≤15 mg/100 g)[7],这与尹磊等的研究小黄鱼在冷冻条件下保藏50 d未发生腐败变质结果一致[13]。冰鲜保藏前4 d,小黄鱼的TVB-N含量上升比较缓慢,仍处于一级新鲜度标准,4 d后上升加剧,说明小黄鱼品质从第4 d开始下降较快,到第7 d TVB-N值已上升至29.43 mg/100 g,临界于三级标准要求(≤30 mg/100 g)。而室温保藏的小黄鱼0～2 d TVB-N值直线上升,1 d后TVB-N值为33.69 mg/100 g已经超过国家标准要求的12.3%,不能食用。

图1　不同保藏条件下小黄鱼挥发性盐基氮(TVB-N)的变化Fig.1　Change in TVB-N value of small yellow croaker during different storage

2.2不同条件下保藏小黄鱼中菌落总数的变化

微生物的生长和代谢是引起鱼类腐败的主要原因,检测分别保藏在冷冻、冰鲜和室温条件下的小黄鱼菌落总数变化如表1所示。

表1　不同保藏条件下小黄鱼菌落总数的变化Table 1　Change in total plate count of small yellow croaker during different storage

由表1可知,冷冻和冰鲜保藏初期菌落总数出现明显的延滞期,变化幅度较小,这是由于微生物刚进入较低温度的新环境生长缓慢。保藏后期菌落总数持续递增,其中冷冻保藏至28 d菌落总数无明显变化;冰鲜保藏增势明显,第7 d达到1.23×106CFU/g;室温保藏0～2 d中菌落总数剧增至3.58×108CFU/g,超过国家标准要求,没有继续检测。

2.3不同条件下保藏小黄鱼中三甲胺(TMA)的变化

三甲胺(TMA)也是评价海水鱼肉鲜度的重要指标之一[14]。图2表明,冷冻保藏的小黄鱼28 d后甲胺含量小于20 μg/g,鱼肉保持新鲜;冰鲜保藏6 d和室温保藏1 d后三甲胺含量超过35 μg/g,鱼肉开始腐败变质。

图2　不同保藏条件下小黄鱼三甲胺(TMA)的变化Fig.2　Change in TMA value of small yellow croaker during different storage

上述分别研究了冷冻、冰鲜和常温条件下保藏的小黄鱼的挥发性盐基氮、菌落总数、三甲胺的变化情况。结果发现冷冻保藏的小黄鱼在28 d内挥发性盐基氮、菌落总数、三甲胺三项理化指标均未发生显著变化,都在国家标准要求的一级鲜度范围内;冰鲜保存的小黄鱼三项指标均在第7 d低于国家标准的三级鲜度,即发生腐败变质,不能食用;而三项理化指标结果显示常温保藏小黄鱼2 d就严重腐败。

2.4电子鼻对小黄鱼不同保藏条件下挥发性气味的特征响应

2.4.1电子鼻对不同条件下保藏小黄鱼在0 d和 2 d时的特征响应PEN3型电子鼻含有10个不同的金属氧化物传感器,传感器阵列用于分析不同挥发性组分[15]。图3为电子鼻10个传感器分别对冷冻、冰鲜、常温保藏条件下小黄鱼在0 d 和2 d检测时55 s响应雷达图。图中每一条直线代表一个传感器,阴影代表55 s时鱼肉中挥发性成分通过传感器通道时的相对电阻率(G/G0),阴影越大代表感应器感应到的挥发性成分越明显。

图3　电子鼻传感器对不同条件保藏的 小黄鱼在55 s时的响应雷达图Fig.3　Polar plot of different sensors on 55 s to small yellow croaker during different storage 注:1：芳香苯类;2：氮氧化合物;3：氨类; 4：氢气;5：烷烃;6：甲烷;7：硫化氢; 8：醇类;9：有机芳香硫化物;10：芳香烷烃。

从图3中电子鼻传感器对新鲜鱼肉(0 d)的雷达图可以看出,在55 s时新鲜小黄鱼肉中挥发性成分稍微明显的是6号(甲烷类),其它几类都相差不大,且电阻率(G/G0)都在1附近,说明此时感应器不能区分新鲜鱼肉挥发性成分,可能因为新鲜致死的小黄鱼微生物数量较少,各种酶类暂未启动或者作用不强导致鱼肉内分解产物较少。小黄鱼经过2 d冷冻后氮氧化合物(2号传感器)气味略有增加,其他挥发性气味变化不明显。相对而言,冰鲜2 d的小黄鱼挥发性气味发生明显变化,以硫化氢(7号)和有机芳香硫化物(9号)略有增加,这是在肉的成熟过程中,在酶的作用下蛋白质分解,产生的含硫氨基酸在微生物的作用下进一步分解产生硫化氢和硫醇类物质导致的。电子鼻检测常温保存2 d的小黄鱼,雷达图显示鱼肉挥发性成分变化显著,此时主要以硫化氢(7号)、有机芳香硫化物(9号)和氮氧化合物(2号)为主要成分,说明蛋白质大量分解成含硫和氮氧化合物的小分子挥发性成分。结合理化指标可知,常温保存2 d 的小黄鱼已经腐败变质,两者反映结果一致。

2.4.2利用电子鼻对不同条件下保藏小黄鱼2 d的对比分析在对电子鼻所取得的数据进行分析时,主成分分析(PCA)贡献率越大,说明其主要成分可以较好地反映样品多指标的信息[16-17]。如图4所示,随着保藏条件不同,样品的挥发性气味不断变化,PCA较好地区分了不同条件保藏2 d的小黄鱼,同时新鲜小黄鱼(0 d)和冷冻2 d的挥发性成分区分不明显,结果和理化指标一致。冷冻、冰鲜、室温三种保藏条件下,两个主成分PC1、PC2 之和均高于99%,说明两个主成分之和能够较全面的代表原有信息,电子鼻能够将不同条件下保藏2 d的样品很好地区分。

图4　小黄鱼在不同保藏条件下2 d的PCA主成分分析Fig.4　PCA analysis of response values from electronic nose to small yellow croaker during different storage on 2 d

线性判别法(LDA)分析利用了电子鼻所有传感器的信号以提高其分类的准确性,更加注重采集挥发性成分响应值在空间的分布状态及彼此之间的距离分析[18]。本实验采用冷冻、冰鲜、室温三种条件下保藏2 d的小黄鱼为样品进行测定后进行LDA分析。从图5中可以看出,第一主成分区分贡献率为95.10%,第二主成分区分贡献率为4.34%。第一、第二主成分总的区分贡献率达99.44%,样品组间区分明显且呈递增趋势,因此采用电子鼻可以区分不同条件下保藏2 d的小黄鱼。

图5　小黄鱼在不同保藏条件下2 d的LDA分析Fig.5　LDA analysis of response values from electronic nose to small yellow croaker during different storage on 2 d

2.4.3利用电子鼻对冰鲜保藏小黄鱼0～7 d的检测分析综合上述理化指标和电子鼻感应值可知冷冻保藏的小黄鱼在7 d仍处于GB/T 18108-2008一级标准,各项指标变化均不明显;常温保藏小黄鱼1 d后腐败变质,不可食用,不具有检测价值。因此,本实验选用冰鲜保藏的小黄鱼作为样本进行电子鼻检测,利用电子鼻检测小黄鱼的新鲜度。

从图6中可以看出,小黄鱼的挥发性特征成分随着保藏时间的变化而变化,且不同保藏时间的挥发性成分响应值没有重叠区域,区分度较好。沿PC轴看,随着保藏时间的延长,气味响应值的分布呈现一定的趋势。第1主成分贡献率为96.17%,第2主成分贡献率为2.34%,总贡献率为98.51%,能够很好地反映冰鲜保藏期间小黄鱼的品质变化。

图6　小黄鱼在冰鲜条件下0～7 d的PCA主成分贡献率Fig.6　PCA analysis of response values from electronic nose to small yellow croaker during 0～7 d storage

不同冰鲜保藏时间小黄鱼的LDA分析见图7,采用LDA分析能够看出样品存在一定差异,且不同保藏时间的小黄鱼气味存在一定趋势。判别式LD1和LD2的贡献率分别为73.50%和16.39%,总贡献率为89.89%,且小黄鱼的响应信号没有重叠区域,因此LDA分析也能区分不同保藏时间的样品。

图7　小黄鱼在冰鲜条件下0～7 d的LDA贡献率Fig.7　LDA analysis of response values from electronic nose to small yellow croaker during 0～7 d storage

通过电子鼻响应值的对比发现:冷冻2 d的小黄鱼和新鲜样品几乎没有区别,冰鲜小黄鱼的7 d内挥发性特征成分随着保藏时间的变化而变化,且挥发性成分响应值没有重叠区域,区分度较好,而常温保藏的小黄鱼气味变化区分显著,因此利用电子鼻能够较好的区分冰鲜和常温保藏的小黄鱼,对短期冷冻样品不适用。

3　结论

分别研究了冷冻、冰鲜和常温条件下保藏的小黄鱼的挥发性盐基氮、菌落总数、三甲胺和气味的变化情况。通过对冷冻、冰鲜和常温保藏的小黄鱼进行电子鼻检测和理化指标测定可知,常温保藏小黄鱼货架期为1 d,冰鲜保藏的小黄鱼一周内可以食用,而冷冻保藏28 d仍然处于一级鲜度。电子鼻能够快速检测小黄鱼在不同条件下的挥发性气味,区分不同条件下和不同时间保藏的样品,证实了电子鼻检测小黄鱼新鲜度的可行性,为指导小黄鱼新鲜度快速检验提供依据。

[1]赵春光.超市生鲜淡水水产品的加工(上)[J]. 北京水产,2005(2):43-45.

[2]杨文鸽,薛长湖,徐大伦,等. 大黄鱼冰藏期间ATP关联物含量变化及其鲜度评价[J]. 农业工程学报,2007,23(6):217-222.

[3]韩方凯,黄星奕,穆丽君,等.基于电子舌技术的鱼新鲜度定性、定量分析[J].现代食品科技,2014(7):247-251,267.

[4]Concina I,Falasconi M,Gobbi E,et al. Early detectionof microbial contamination in processed tomatoes by electronic nose[J]. Food Control,2009,20(10):873-880.

[5]LI Xiuchen,GUE R L. Development and application of electronic nosesin freshness assessment of fishery product[J]. Journal of Fisheries of China,2002,26(3):275-280.

[6]吕日琴,黄星奕,辛君伟,等.鱼新鲜度检测方法研究进展[J].中国农业科技导报,2015,17(5):18-26.

[7]GB/T 18108-2008 鲜海水鱼[S]. 北京:中国标准出版社,2008.

[8]GB 4789.1-2010 食品安全国家标准 食品微生物学检验总则[S]. 北京:中国标准出版社,2010.

[9]申朝文. 基于电子鼻的鱼肉新鲜度评价方法的研究[D]. 广州:广东工业大学,2008:33-57.

[10]惠国华,陈裕泉.基于电子鼻的低温保藏草鱼品质预测方法研究[J]. 传感技术学报,2012,25(2):157-161.

[11]付湘晋,许时婴,王璋,等. 电子鼻检测白鲢鱼腥味[J]. 浙江大学学报:农业与生命科学版,2010,36(3):316-321.

[12]DI Natale C,Olafsdottir G,Einarsson S,et al. Comparison and integration of different electronicnoses for freshness evaluation of cod-fish fillets[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2001,77(1/2):572-578.

[13]尹磊,谢晶,张宁,等. 不同温度贮藏条件下小黄鱼的品质变化[J]. 食品科学,2015(22):156-160.

[14]王丹凤,王锡昌,刘源,等. 电子鼻分析猪肉中负载的微生物数量研究[J]. 食品科学,2010,31(6):148-150.

[15]侯巧娟,王锡昌,董若琰,等. 基于气味指纹预测养殖大黄鱼保藏过程中的品质变化[J].食品科学,2012,33(6):137-142.

[16]纪淑娟,张丽萍.基于电子鼻技术对于冷藏后南果梨货架期间气味变化的分析[J]. 食品科学,2012,33(7):123-126.

[17]赵梦醒,丁晓敏,曹荣,等. 基于电子鼻技术的鲈鱼新鲜度评价[J]. 食品科学,2013,34(6):143-147.

[18]佟懿,谢晶,肖红,等. 鲳鱼货架期预测模型的电子鼻评价与研究[J]. 水产学报,2010,34(3):367-374.

Application of electronic nose technology in small yellow croaker freshness

BAI Li-juan,QI Xin,CHEN Yang,JIN Lei*

(College of Food Science and Engineering,Liaoning Medical University,Jinzhou 121001,China)

The flavor change of small yellow croaker was evaluated by electronic nose during different storage periods. An electronic nose technology was established to evaluate the freshness of small yellow croaker,which was showed by principal component analysis(PCA)and linear discriminate analysis(LDA)coupled with TVB-N and total bacterial counts as well as tri-methylamine(TMA). The results showed that the flavor of small yellow croaker was changed with the extension of storage period of frozen,ice and the normal temperature. The response of electronic nose revealed a gradual increase as time goes on. The results of electronic nose were consistent with TVB-N analysis,TMA analysis and total bacterial count determination. Therefore,electronic nose could be used to identify the freshness of small yellow croaker.

electronic nose;small yellow croaker;freshness;application

2016-01-22

白丽娟(1979-),女,硕士，副教授,研究方向:食品科学,E-mail:bailijuan7887@163.com。

金嫘(1971-),女,博士,副教授,研究方向:食品科学,E-mail:65465215@qq.com。

科技部星火计划项目(2013GA650011)。

TS254.4

A

1002-0306(2016)14-0063-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.14.004