利用HeraclesⅡ超快速气相电子鼻对不同品牌UHT全脂牛奶的快速鉴别研究

高雅慧，邱士鸿，朱逸浩，徐良，董亚欣，李子杰

（1.江南大学食品学院江苏无锡214122；2.江南大学生物工程学院江苏无锡214122）

0 引 言

UHT全脂牛奶是通过超高温瞬时灭菌法加工而成的保质期时间较长的一种液态牛奶[1]。全脂牛奶的脂肪含量一般会在3.0%以上，并且脂溶性的维生素存在于牛奶的脂肪当中。同时牛奶之所以有特别的香气，也是脂肪中的挥发性成分在起着一定的作用。

目前市场上液态牛奶的加工方式主要有两种，包括巴氏灭菌法和超高温瞬时灭菌法[1-3]。同时，由牛奶加工而成的副产品也是多种多样，例如奶酪、酸奶、发酵乳等。每个人喜好的不同会选择不同的产品；然而对于同一种产品，人们对品牌的选择也是不尽相同。本实验针对于5种不同品牌的UHT全脂液态牛奶，通过电子鼻的检测寻找它们之间的差异。

传统的电子鼻由于传感器类别的限制，对化合物的鉴定具有一定的限制性[4]。然而超快速气相电子鼻是利用两根不同极性的气相色谱柱对气味物质进行分离，通过氢离子火焰检测器进行检测，检测出来的色谱峰视为贡献因子，即替代了传统电子鼻中的气体传感器阵列信号，对化合物的检测局限性便大大降低了。通过化学计量学统计法对数据进行主成分判别分析，所得色谱峰可以通过峰面积进行定量分析，同时结合正构烷烃和Kovats保留指数定性库还可以对色谱峰化合物进行定性分析[5]。另外，超快速气相电子鼻对样品前处理的要求简单且方便、检测速度快、过程简单易操作，因此成为了气味检测技术的首选仪器之一。本实验将通过超快速气相电子鼻对国内外不同品牌的UHT全脂牛奶进行风味物质成分测定和综合性评价研究。

1 材料和方法

1.1 材料

正构烷烃nC6~nC16混合标品，美国RESTEK有限公司；德运全脂灭菌纯牛奶（200 mL利乐砖包装），Murray Goulburn Co-operative Co.Ltd；蒙牛全脂灭菌纯牛奶（250 mL利乐砖包装），内蒙古蒙牛乳业股份有限公司；光明全脂灭菌纯牛奶（250 mL利乐砖包装），光明乳业股份有限公司；卫岗全脂灭菌纯牛奶（250 mL利乐砖包装），南京卫岗乳业有限公司；伊利全脂灭菌纯牛奶（250 mL利乐砖包装），内蒙古伊利实业集团股份有限公司。所有产品均采购于市场，每一种纯牛奶均挑选5个不同生产批次，做样前将5个不同生产批次的纯牛奶充分混匀后取样。样品编号信息见表1。

表1 样品编号信息

1.2 仪器与设备

HeraclesⅡ超快速气相电子鼻，法国Alpha M.O.S公司；PAL RSI全自动顶空进样器，瑞士CTC公司；ML204电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；100-1 000μL移液器，艾本德（中国）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

将5个不同批次的同一品牌的纯牛奶充分混匀，取5 mL于20 mL顶空进样瓶中，加盖密封待测，每个样品准备4个平行。用nC6~nC16正构烷烃标液进行校正，计算保留指数，使用AroChemBase数据库对各化合物进行定性分析。

1.3.2 电子鼻检测参数

本实验使用全自动超快速气相色谱电子鼻HeraclesⅡ对5种不同品牌的纯牛奶进行检测，分析参数如表2所示。电子鼻的气相部分含有两根不同极性的色谱柱，分别为MXT-5和MXT-1701，柱长10 m，柱径180μm。其中，MXT-5是弱极性色谱柱，MXT-1701是中极性色谱柱。色谱峰信息通过Alphasoft进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 主成分分析（PCA）

主成分分析（Principal Components Analysis,PCA）又被称之为主分量分析，目的在于利用降维的思路将多指标转化为少数几个综合性的指标[6]。在统计学中，主成分分析是一种简化数据集的技术，这个变换把数据变换到一个新的坐标系统中，使得任何数据投影的第一大方差在第一个坐标（被称之为第一主成分）上，第二大方差在第二个坐标（别称之为第二主成分）上，以此类推。主成分分析经常用减少数据集的维数，同时保持数据集对方差贡献最大的特征。对5种不同品牌的UHT奶作PCA分析，结果如图1所示：第一主成分的方差贡献率为49.951%，第二主成分的方差贡献率为32.495%，这两个主成分的贡献率之和达到了82.446%，超过80%，因此能够很好地反映样品的实际情况。同时，判别指数（discrimination index,DI）是用来表征样品之间区分度大小的一种判断方法[7-8]。DI值的有效区间是80至100，且值越大则表明数据的效果越佳[9-10]。图1中PCA的判别指数是95，则表示5种样品间的区分为有效区分，且区分效果较佳。

表2 电子鼻检测参数

在主成分分析图中，两两样品之间的相对距离越近，则表示其整体的气味信息越近，差异越小，反之则越大。从图1分析所得这5种样品之间均存在着较为明显的差异，其中样品3和5整体风味信息较为相近，差异较小，然而样品2和4则与其他UHT奶的整体风味信息差异较大。

图1 5种样品的主成分分析图

2.2 样品间区别指数分析

区别指数（pattern discrimination index）是表征两个样品组重心之间的相对距离，该值越大同时样品组内的差异越小，则两个样品组的区别指数就越接近100%[11]。如表3所示，4号样品与1号、2号、3号和5号样品的区别指数都较大，则表明差异较大，其中与2号样品的差异最大。同时3号样品和5号样品的区别指数最小，则说明差异最小。

表3 样品两两间相对距离表

2.3 主成分载荷图分析

载荷图（loading）是通过一个二维图的形式直观地显现出主成分分析中的第一和第二主成分中的载荷变量，通过统计学区分造成不同样品差异的主要贡献因子，因子之间越接近则表明其贡献率越大[12]。在快速气相电子鼻HeraclesⅡ中，载荷图中的因子则是色谱峰的表现。通过筛选样品差异较为显著（Discrimination Power>0.900）且峰面积较大（Range>1000）分离效果好的色谱峰，得到的实验结果如图2所示。通过色谱峰的筛选，样品的整体分布趋势与图1中未经过筛选的分布趋势整体保持一致，则揭示了选取的贡献因子能够反映样品组整体的气味信息。图2中标注了贡献色谱因子的保留时间信息，用于下一步的定性分析。例如30.63-1-A：表示保留时间-色谱柱-峰面积，其中色谱柱1为MXT-5色谱柱，色谱柱2为MXT-1701色谱柱。

图2 主成分分析载荷图

2.4 物质定性分析

利用AroChemBase数据库对色谱峰进行保留指数定性，可能含有的化合物信息汇总于表4。物质气味的强弱由嗅觉阈值的大小来反映，两种物质含量相同的情况下，阈值越低说明气味越强烈。在表4物质定性中，假设各物质含量相同的前提下，水介质中气味最强的物质是2-甲基-3-呋喃硫醇（阈值是2.5×10-6）。由于本研究使用的检测器是属于质量型的氢离子火焰检测器，物质含量的高低直接表现为峰面积的大小，表4中列出了在各个保留时间物质的含量及含量的高低。2-甲基-1-丁醇、巴豆酸甲酯、3-己酮、1-辛烯、辛烷和4-辛烯这些化合物在4号样品中的含量都明显较高，且远高于其余几个样品。同时，1号样品中的这些化合物相对于其他几个样品的含量都较低。由表4可知正丙硫醇和2-甲基-3-呋喃硫醇是1号样品的特定风味化合物，丙酸是2号样品的特定风味化合物，庚烷、己-2-酮和3-甲基呋喃是5号样品的特定风味化合物。

表4 5种样品物质定性分析

3 结 论

HeraclesII超快速气相电子鼻作为一种新型的风味分析仪器，基于气相的分离原理，将色谱峰作为影响因子，采用化学计量学的方法进行主成分分析，构建多种模型。通过正构烷烃校准，能够将保留时间转化成保留指数，利用AroChemBase数据库对化合物定性分析。同传统型电子鼻相比，气相输出信号取代了传感器型电子鼻中有限的传感信号，能够得到更多的化合物信号，同时对于一些未知化合物的风味信息能够通过保留指数的定性来得到，进而深入研究其性质。本实验以5种不同品牌的UHT全脂牛奶作为研究对象，对其气味进行化学计量学分析，成功实现了五种样品的气味差异性鉴别，还确定出不同品牌的UHT全脂牛奶的特定风味化合物，为后期的风味研究打下了基础。