基于Heracles Ⅱ超快速气相电子鼻对不同加工方式牛奶的快速鉴别

高雅慧,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)

牛奶富含丰富的矿物质,是人体钙的最佳来源,因此被称之为人类的“白色血液”[1]。随着食品技术快速发展,除了食物本身的营养价值外,食物的风味也备受关注[2-4]。牛奶相关产品主要包括鲜牛奶、纯牛奶、奶粉以及添加了不同风味物质的牛奶。其加工方式包括巴氏杀菌法、超高温灭菌法及喷雾干燥法[5-6]。巴氏杀菌法在国际上有两种加工方式,一种是将生牛乳加热到62～65 ℃,保持30 min;另一种是将生牛乳加热到65～90 ℃,保持15 s。超高温灭菌是将生牛乳加热至135～150 ℃,保持4～15 s[6]。研究表明,巴氏奶比超高温灭菌奶的营养价值要高,因为超高温灭菌的杀菌温度达到了美拉德反应的温度,会流失部分的营养元素,如维生素及乳糖等[5]。虽然奶粉经加热处理后氨基酸的利用率有了不同程度的降低且维生素也遭到破坏,但便于保存和携带。

气味的检测方式包括感官分析技术、气相色谱技术、气相色谱质谱联用技术、电子鼻、气相色谱嗅辨联用技术、气相色谱质谱嗅辨联用技术[7]。感官分析技术需要较多且具备专业能力的工作人员进行主观分析,但是不可以进行定量分析;色谱及质谱技术可以对成分进行分离和定性定量,但是数据分析较为复杂;嗅辨技术需要专业素养较高的嗅辨员来完成,因此运行起来会比较繁琐[8]。传统的电子鼻是通过阵列传感器对气味的感知产生电信号传输到电脑中形成数据[9]。由于传感器的种类有限,因此对化合物的鉴定就有了一定的局限性。

Heracles II超快速气相电子鼻是一种新型的气味分析仪器,利用了气相的分离原理,将分离的色谱峰作为影响因子,通过化学计量学得到主成分分析,建立各种模型。同时,结合正构烷烃进行校准,将保留时间换算成保留指数,通过Aro Chem Base数据库进行定性分析[10]。与以往的传统型电子鼻相比,气相输出信号替代了传感器型电子鼻中有限的传感信号,可以分离出更多的化合物信号,同时通过保留指数的定性能够给出一些未知化合物的风味信息,以便于进一步深入研究其性质。超快速气相电子鼻已成功应用于花椒油[11]、沙葱酱[12]、白酒[13]等样品的气味分析。本研究为实现对不同加工方式牛奶的快速鉴别,以巴氏奶、超巴氏奶、超高温灭菌奶、奶粉这四种不同加工方式的牛奶作为研究对象,对其气味进行化学计量学分析,为后期的风味研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

生牛乳 无锡市黄巷奶牛场;正构烷烃nC6～nC16混合标品 美国RESTEK有限公司。

Heracles II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;Mobile Minor离心喷雾干燥机 基伊埃工程技术(中国)有限公司;PT-20C-R管板组合式超高温杀菌机 日本Powerpoint International公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 生牛乳经过管板式杀菌机加热63 ℃,保持30 min,得到巴氏奶(样品编号1);生牛乳经过管板式杀菌机加热75 ℃,保持15 s,得到超巴氏奶(样品编号2);生牛乳经过管板式杀菌机加热140 ℃,保持5 s,得到超高温灭菌奶(样品编号3);生牛乳经过离心喷雾干燥,进风温度160 ℃,出风温度80 ℃,得到奶粉(样品编号4)。生牛乳经过不同加工方式后,样品保存于4 ℃冷藏冰箱,待检测。奶粉取3克,用20 mL的温水溶解,混合均匀,待测。分别取经过四种加工方式得到的牛奶5 mL于20 mL顶空进样瓶中,加盖密封准备检测,每个样品准备4个平行。

1.2.2 气相电子鼻检测参数 样品使用全自动超快速气相色谱电子鼻HeraclesII进行检测分析,分析参数如表1所示。HeraclesII的气相部分有两根色谱柱,型号分别为MXT-5和MXT-1701,柱长10 m,柱径180 μm。MXT-5是弱极性色谱柱,MXT-1701是中极性色谱柱。

表1 分析参数Table 1 Analysis parameters

1.3 数据处理

对电子鼻采集的样品数据运用仪器Alphasoft软件中多变量统计分析,来实现主成分分析、样品间区别指数分析和主成分载荷图分析;结合保留指数和AroChemBase数据库对未知化合物进行定性分析。

2 结果与分析

2.1 主成分分析(PCA)

主成分分析法是一种降维的统计方法,它借助于一个正交变换,将分量相关的原来变量转化成分量不相关的综合变量,同时根据实际需要从中选取较少的综合变量尽可能多地反映原有变量的一种信息统计方法[10]。对四种不同处理方式的牛奶作PCA分析,结果如图1所示。第一主成分的方差贡献率为99.923%,第二主成分的方差贡献率为0.0571%,两者累积的总贡献率为99.97%,表明此图谱能够较好地反应出所测样品中气味数据的完整性。同时,判别指数(discrimination index,DI)是数据统计软件分析PCA时用于表征样品之间区分度的体现[14-15]。DI值在80～100之间表示该数据区分分析结果为有效结果,DI值越大效果越佳[16-17]。图中PCA的判别指数为87,表明此样品间的区分效果为有效区分。在主成分分析中,样品之间的相对距离越近,表明样品的整体气味越近,则差异越小,反之差异则越大。从图1中可以看出四种加工方式的样本之间均存在着较为明显的差异,其中奶粉与其他三种加工方式样品的相对气味距离均较远,差异较大。超巴氏奶与超高温灭菌奶的气味距离相对较近,表明差异较小。

图1 四种样品的主成分分析图Fig.1 Principal component analysis of the four samples注:1：巴氏奶；2：超巴氏奶；3：超高温灭菌奶；4:奶粉；图2同。

2.2 样品间区别指数分析

区别指数是基于主成分分析图中的两个样品组簇团之间的相对距离计算而出的,两个样品组间簇团距离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%,即区别指数越大则表示样品组间的区别越大,反之越小[18]。如表2所示,4号奶粉样品与1号巴氏奶、2号超巴氏奶及3号超高温灭菌奶的区别指数均较大,且与3号超高温灭菌奶的差异最大。同时,2号超巴氏奶与3号超高温灭菌奶的区别指数最小,则表明差异最小。

表2 样品间的区别指数Table 2 Difference index between samples

2.3 主成分载荷图分析

载荷图是在主成分分析的基础上把第一和第二主成分的载荷点出一个二维图用以直观地显示原来的变量,在统计学意义上区分不同样品的同时给出造成差异的主要贡献因子,因子越靠近样品则表示其贡献度越大[19]。Heracles II仪器载荷图中的因子是色谱峰。筛选峰样品区分较为明显(Discrimination Power>0.900)且峰面积较大(Range>1000)分离效果好的色谱峰,实验结果如图2所示。经过筛选色谱峰后,样品整体分布趋势与图1未经筛选的分布趋势整体保持一致,则表明所选取的因子能够代表样品组整体的气味信息,同时表3标注了贡献的色谱峰的保留时间信息。例如17.46-1:表示保留时间-色谱柱,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Fig.2 Principal component loading analysis

表3 色谱峰及保留时间Table 3 Chromatographic peak and retention time

2.4 物质定性分析

结合保留指数和Aro Chem Base数据库对特异性化合物进行定性及含量分析,不同加工方式牛奶的气相色谱图如图3所示,可能含有的化合物见表4所示。阈值的大小代表了物质气味的强弱,相同含量的两种物质,阈值越低则表示气味越强烈。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1-辛烯(阈值是5×10-4)。同时,由于仪器的检测器是氢离子火焰检测器,为质量型检测器,物质含量的高低则表现在峰面积大小上,表4中列出了在各个保留时间上的峰面积,并通过峰面积大小对样品含量的差别进行排序。结果显示随着加工温度升高,丙酮、2-丁醇、辛二烯、己酸和甲硫醚的含量也随之增多。同时,甲基环己烷羧酸、丙酮、2-丁醇和水芹烯在奶粉的加工工艺中出现了大量的损失。甲硫醚是牛乳产品中特有的有机化合物,且其嗅觉阈值较低,气味强度较高,其含量稍高便会产生异味。如表4所示,甲硫醚在巴氏奶中的含量比在超巴氏和超高温灭菌奶中的低,因此加工工艺对甲硫醚的含量产生了一定的影响,从而影响了样品的整体风味。

图3 不同加工方式牛奶的气相色谱图分析Fig.3 Gas chromatogram analysis of milk in different processing methods注:图中四条线从上到下依次为：巴氏奶、超巴氏奶、超高温灭菌奶、奶粉。

表4 四种样品物质定性分析Table 4 Qualitative analysis of substances for four samples

3 结论

为了实现不同加工方式牛奶(巴氏奶、超巴氏奶、超高温灭菌奶和奶粉)的快速鉴别,本研究利用Heracles II超快速气相电子鼻对不同加工方式牛奶中的挥发性有机化合物进行检测。主成分分析、样品间区别指数分析以及主成分载荷图分析表明奶粉的整体风味与巴氏奶、超巴氏奶、超高温灭菌奶差异较大,而超巴氏奶与超高温灭菌奶差异较小。通过对不同加工方式牛奶中的特异性化合物定性及含量分析,表明随着加工温度升高,丙酮、2-丁醇、辛二烯、己酸和甲硫醚的含量也随之增多。同时,甲基环己烷羧酸、丙酮、2-丁醇和水芹烯在奶粉的加工工艺中出现了大量的损失。此外,巴氏奶中甲硫醚的含量比在超巴氏奶和UHT奶中的含量有所降低,表明加工工艺对甲硫醚的含量产生较大影响。本研究将为快速鉴别不同加工方式的牛奶提供一定的理论依据。