基于智能感官与人工感官评价的中国三大干腌火腿风味特性分析

彭金月,姜 水,高韶婷,刘 源,*

(1.南京农业大学食品科技学院,江苏南京 210095;2.上海交通大学农业与生物学院,上海 200240;3.上海海洋大学食品学院,上海 200240)

干腌火腿是一种历史悠久、风味独特的高质量传统肉制品,广受消费者欢迎。世界上的干腌火腿主要集中分布在中国与地中海地区。由于地域文化与饮食习惯的差异,各地干腌火腿具有其独特的风味。中式干腌火腿以外观精致,风味浓郁,色泽鲜明而著称[1]。其中,“北腿”如皋火腿、“南腿”金华火腿和“云腿”宣威火腿被认为是中式干腌火腿的代表[2]。

干腌火腿以猪前、后腿作为原料,经历洗晒、修整、发酵和漫长的成熟后制作而成。独特的加工与成熟工艺催生了大量的生化反应,包括美拉德反应、Strecker降解、蛋白质和脂质的氧化反应等,形成了干腌火腿复杂的特征香气与滋味[3-9]。由于原料和工艺控制的差异,干腌火腿被分为不同等级。如传统的金华火腿分级主要依靠“三签法”进行,而该方法存在主观性强和重复性低的缺点,无法适应规模化生产的要求。近年来,已有研究学者开始探索新的干腌火腿分级方法,如采用气相色谱质谱联用技术结合多元统计分析方法检测干腌火腿中挥发性成分,实现了对不同年份、等级和产地干腌火腿的鉴定与区分[10-11]。在前期研究中,利用全二维气相色谱-飞行时间质谱联用(High-resolution time-of-flight mass spectrometry,GC×GC/HR-TOFMS)技术对金华火腿、如皋火腿和宣威火腿香气成分进行检测,发现不同干腌火腿之间的香气种类有较大差异[12]。利用核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)技术对干腌火腿滋味物质进行分析,发现不同品牌干腌火腿间游离氨基酸以及低分子量水溶性滋味物质也存在较大差异[13]。以上研究表明,通过对干腌火腿的挥发性成分和滋味成分组成的评价,能够实现对不同等级干腌火腿的区分。但传统的分析方法存在成本昂贵、数据量大、耗时长等弊端,因此亟需建立一种干腌火腿快速、准确鉴别的方法。

智能感官技术是一种模拟动物体感官系统的新型检测技术,如电子鼻、电子舌等。典型的电子鼻和电子舌包括具有选择性和交叉响应性的传感器阵列,结合模式识别和多元统计分析方法能够实现对待检测样品整体香气特征和滋味特征进行快速评价。由于电子鼻和电子舌等智能感官技术具有无需复杂的前处理、方便快捷等优点,近年来,在肉品分级、品质鉴定、种类鉴别、无损检测等方面得到了广泛应用[14-18]。针对中式干腌火腿品级鉴定中的应用也已有所报道,如宋雪、Xia等[19-20]使用电子鼻技术实现了不同产地干腌火腿香气轮廓的鉴定和区分。但目前这些研究也仅仅采用了电子鼻技术对金华、宣威和一些小众干腌火腿的品级鉴定,而综合采用电子鼻和电子舌技术分别从香气和滋味轮廓方面对我国三大干腌火腿不同品级的鉴定尚未见报道。

本研究使用电子鼻和电子舌结合人工感官评价,对金华、如皋、宣威三大干腌火腿进行香气和滋味评价,探究产地和成熟时间对干腌火腿风味的影响规律,以期为我国干腌火腿的生产与品质管控提供理论依据与数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

金华火腿 浙江金字火腿股份有限公司,按照1、2、3年陈火腿分为1级(J1)、优级(JY)、特级(JT)产品;宣威火腿与如皋火腿 分别采购于云南宣泰火腿有限公司和江苏如皋火腿有限公司,分别购入了1、2、3年陈火腿,分别以X1、X2、X3、R1、R2、R3表示。

Fox 4000电子鼻 法国Alpha MOS公司;ASTREE电子舌 法国Alpha MOS公司;ISO9001型电子天平 赛多利斯科学仪器有限公司;A11 basic分析研磨机 德国IKA公司;Avanti J-26XP高效离心机 美国Beckman Coulter有限公司;高速匀浆机 德国IKA公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 参考谭椰子等[11]的方法,取回干腌火腿样品后选取股二头肌部位肌肉,剔除多余的脂肪和筋膜,真空包装后冻藏于-80 ℃冰箱中。分析前将火腿样品置于4 ℃冰箱中过夜解冻,在洁净的试验台上切成约1 cm3的小块,加入液氮冷冻并用研磨机粉碎成粉末,用于后续分析。

1.2.2 感官评价 参考宋雪等[19]的方法并稍作修改。采用定量描述分析法(Quantitative descriptive analysis,QDA)对火腿样品进行人工感官分析。前期参照GB/T 16291.1-2012方法对招募的感官员进行气味感官实验培训,筛选出14位感官员(21～25岁)参与感官实验。参照GB/T 16861-1997讨论确定感官描述词,最终以肉香味、腌制味、酸味、油脂味和清香五个指标对火腿香气进行9点标度法评分(1=极弱,9=极强),感官描述词汇表如表1。每种火腿精确称取(4.00±0.01) g置于10 mL螺旋口顶空瓶内并用封口膜密封,采用三位随机数进行样本编号,在室温下呈送给感官员。试验过程中要求感官员开盖嗅闻3次,每次持续1～2 s,之后在感官评价表上对各感官指标进行评分。

表1 干腌火腿感官描述词汇表

1.2.3 电子鼻分析 参照Xia等[20]的方法,并加以调整。具体试验参数为:精确称取(1.00±0.01) g待测样品于10 mL电子鼻自动进样瓶中,在50 ℃条件下平衡400 s;气流流速恒定为150 mL/min,载气为洁净空气;进样体积500 μL,1 s内进样完成,注射温度60 ℃,采集传感器响应曲线趋于平稳(约120 s)的响应数值,每个样品分析之间间隔10 min。每种火腿检测10个平行样本,并设置3次重复试验。

1.2.4 电子舌分析 参考Bai等[18]的方法并根据前期优化试验确定了最终试验参数。精确称量每种样品各(20.00±0.50) g于100 mL超纯水中匀浆5～10 min,之后在4 ℃条件下静置2 h,再将样品分装入50 mL离心管中,在4 ℃,转速10000 r/min条件下离心30 min后过滤,以滤液∶水=1∶15的比例用超纯水稀释,取80 mL进行电子舌检测。选取仪器配置的7根传感器信号趋于稳定时(约在120 s)的数值进行数据分析。每种火腿检测10个平行样本,并设置3次重复试验。

1.3 数据处理

使用仪器自带软件Alpha Soft进行数据处理,采用PCA和SIMCA法对电子鼻和电子舌试验数据进行分析。通过PCA对电子鼻18根传感器和电子舌7根传感器的响应值进行降维处理,利用第一、第二主成分绘制散点图;SIMCA为二值判别法,确定一类样本为标准样本构建模型后,可对其他样本进行判别,其判别效果通过验证得分来体现,验证得分=(正确识别非标准样品集的个数/其他类样本的总个数)×100,验证得分越接近100,表明该模型可靠性越高,对标准样品的判别效果越好[21]。

2 结果与分析

2.1 香气人工感官评价结果

人工感官评价结果(表2)显示,肉香、腌制味和油脂香的感官评分明显高于酸味和清香两个指标,说明这三种香味是火腿的特征香气。金华与宣威1年陈的火腿肉香味评分整体较2年、3年低,但在如皋不同年份火腿样品的评分中并未发现该规律。腌制味的感官评分结果显示,JY与X2腌制味显著高于J1和X1(P<0.05)。同时,宣威和如皋的3年陈火腿的肉香味、2年陈火腿的腌制味评分之间也存在显著差异(P<0.05)。已有报道指出,不同干腌火腿的原料、气候、成熟时间以及加工方式等条件的区别,会导致干腌火腿中的蛋白质和脂肪水解程度不同,进而使得不同干腌火腿香气成分种类以及浓度存在差异[22]。随着发酵时间的延长,干腌火腿中的大多香气活性物质的含量呈现上升趋势,特别是酸类、饱和醛类、酯类和内酯类,促使干腌火腿的肉香味与腌制味更为浓郁,其特征香气随成熟时间的增加逐渐形成[23]。而无论是不同年份还是不同品牌的火腿,其酸味、油脂香与清香的评分没有显著差异。

表2 三大干腌火腿香气人工感官评价结果比较(n=14)

人工感官香气评分的PCA结果(图1)显示,JT、X2与X3的香气轮廓十分接近,清香和肉香味是其主要香气特征。虽然在酸味的评分上,各干腌火腿之间没有明显差异,但此PCA分析结果中,1年陈/1级干腌火腿(J1、X1、R1)的香气均有酸味较强而肉香味较弱的趋势。说明新腿(成熟时间在8～12个月的干腌火腿一般称为新腿)由于成熟时间尚短,特征香气积累尚且不足,与优质干腌火腿香气存在差距[22]。

图1 三大干腌火腿香气人工感官评分的PCA结果

在本研究中,不同产地的干腌火腿香气不能被感官员明显区分。虽然前期研究表明,不同品牌干腌火腿的香气成分之间存在差异,如乙醛仅在宣威火腿中被检出,9-十六烯酸和十五醛仅在金华火腿中被检出等;但主要的香气活性物质均相似,包含6-二甲基吡嗪、己醛、2-庚酮、3-甲基硫代丙醛和2-戊基呋喃等物质,使得不同产地的干腌火腿香气存在相似性[12]。

2.2 电子鼻结果分析

2.2.1 电子鼻数据的PCA结果 从电子鼻18根传感器中提取最大响应信号(波峰或波谷)作为特征值构建原始数据矩阵,用于后续的多元统计分析和模型建立。为了对电子鼻数据进行可视化分析,采用PCA法对9种干腌火腿各10个平行样品的电子鼻数据矩阵进行降维处理,二维散点图如图2所示。由图2可知,第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)累计贡献度达到99.80%,包含了原始数据大部分有效信息。另外,不同干腌火腿的样本点均没有出现重叠,说明电子鼻可以有效区分不同产地和成熟时间的干腌火腿样品,且区分效果优于人工感官评价结果。根据“三签法”的评判标准,通常将金华火腿分为特级、优级和一级,其中特级和优级代表了金华火腿的优质产品。X2和R3火腿与金华火腿的特级(JT)、优级样品(JY)的样品点距离较近,说明这些干腌火腿的香气轮廓较为相似。而1年陈干腌火腿与其他年份的香气轮廓相似度较低,样品点分布相对较远。该结果与人工感官评价结果互相印证,说明成熟时间对干腌火腿香气形成的重要性。此外,除1年陈以外,其他年份干腌火腿的香气轮廓均比较接近,与宋雪等[19]发现的金华与宣威两产地干腌火腿香气具有一定相似性的结论一致,可能原因是两地干腌火腿的生产工艺存在相似性。

图2 三大干腌火腿样品香气轮廓主成分分析图

2.2.2 基于电子鼻数据建立干腌火腿SIMCA判别模型 研究中共获得270个数据集(3次重复×10次平行×9种火腿),按照2∶1的比例将电子鼻数据集随机分为训练集与验证集,训练集用于建立SIMCA判别模型,验证集用于测试所建模型性能。分别选取不同年份/等级的火腿样本作为标准样本建立等级判别模型,发现以各产地中最优/成熟时间最长的干腌火腿JT、R3、X3作为标准样本建立的干腌火腿等级判别模型判别效果最佳,结果如图3a～3c所示。在金华火腿的SIMCA判别模型中,未知样本的验证得分为78,部分特级和优级金华火腿样本发生误判,说明JT与JY火腿香气具有相似性,这在图2中各干腌火腿香气轮廓的分布情况得到了验证,且与姚璐等[24]的研究结果中显示的这两个等级的干腌火腿香气相近的结论相一致。而利用GC-MS分析出的不同等级的金华火腿香气成分差异较大[25],这可能与传感器对不同香气成分的响应敏感度以及不同香气成分在总体香气中的贡献程度有关。宣威和如皋火腿的SIMCA模型均能对非标准样本精确判别,模型对未知样本(未参与建模的干腌火腿样本,图示为黑色圆点)也有良好的判别效果,作为标准样本的R3、X3样本均在模型接受区域内,而其他两个年份干腌火腿均能被很好地识别,验证集验证得分均达到100。以上结果说明电子鼻能够很好地区分宣威和如皋火腿不同年份的干腌火腿样本。

图3 基于电子鼻数据结合SIMCA构建的三大干腌火腿的等级判别模型

图3d整合了我国三大干腌火腿的所有样本,从三大干腌火腿中各取60个样本的电子鼻响应信号构建金华火腿的产地判别模型,之后用其余90个样本作为验证集验证模型可靠性。结果显示该模型对非金华火腿产地的样品判别能力有限,验证得分仅为63。从原始样本来看,被误判入可接受区域内的均为宣威、如皋的2年陈和3年陈干腌火腿样本,一年陈样本则落于模型接受区域外,这与图2中各干腌火腿样本香气轮廓分布情况基本吻合,2年、3年陈样本之间的香气差异不明显。

2.3 电子舌分析结果

2.3.1 基于电子舌数据的PCA结果 与电子鼻数据处理方式类似,从电子舌7根传感器中提取最大响应信号(波峰或波谷)作为特征值构建原始数据矩阵,用于后续的多元统计分析和模型建立。并使用PCA法对9种干腌火腿各10个平行样品的电子舌数据矩阵进行降维处理,形成二维散点图(图4)以实现电子舌数据可视化。如图4所示,第一与第二主成分累计贡献度达到94.23%,反映了原始数据的大部分有效信息。不同样品的样本点没有出现重叠,说明电子舌能有效区分不同干腌火腿样本。总体来看,1年陈的干腌火腿与其他年份的干腌火腿区分明显。已有报道指出,在干腌火腿成熟过程中,会发生强烈的蛋白质水解和脂肪分解,无机盐离子、游离氨基酸、有机酸、核苷酸衍生物和小肽含量增加,如成熟后的干腌火腿中的游离氨基酸可达到新腿的14～16倍,对成熟干腌火腿的滋味形成有着重要贡献,也是造成不同干腌火腿样本滋味差异的原因[7-9]。与电子鼻结果类似,金华火腿与宣威火腿的2年、3年样本的滋味轮廓相似度较高。说明这两个产地的干腌火腿整体风味比较类似。而如皋火腿的滋味轮廓则与其余两个产地的干腌火腿区别较大。各干腌火腿间滋味轮廓差异较于香气轮廓差异更明显。

图4 三大干腌火腿样品滋味轮廓主成分分析图

2.3.2 基于电子舌数据建立干腌火腿SIMCA判别模型 按照2∶1的比例将研究中获得的270个数据集(3次重复×10次平行×9种火腿)随机分为训练集与验证集,训练集用于建立SIMCA判别模型,验证集用于测试所建模型性能。与电子鼻处理方法对应,同样选取各产地中最优或成熟时间最长的干腌火腿JT、R3、X3作为标准样品建立干腌火腿等级判别模型,如图5a～5c所示。判别结果显示,三个产地的SIMCA判别模型均能实现对其他等级或年份干腌火腿样本的精确判别。模型对未参与建模的各干腌火腿样本(Unknown)也有良好的判别效果,验证得分均达到100。以上结果说明,电子舌可以有效区分不同干腌火腿样本的滋味特征,以其传感器响应数据建立的干腌火腿等级区分模型可靠,能够实现对优质干腌火腿产品的鉴别。

图5 基于电子舌数据结合SIMCA构建的三大干腌火腿的等级判别模型

图5d整合了9种干腌火腿样品的电子舌数据,随机从三大干腌火腿电子舌分析结果中各抽取85个样本,以金华火腿作为标准样本,构建金华火腿的产地判别模型,之后用未参与建模的87个样本作为验证。判别结果显示,模型对宣威火腿的部分样品,主要是X2与X3样本误判,验证得分为85,说明金华火腿与X2、X3火腿有相似的滋味轮廓,不能被电子舌精确区分。

3 结论

人工感官结果显示,肉香、腌制味和油脂味是干腌火腿的特征香气,宣威的2年与3年陈火腿与金华火腿的特级与优级火腿具有较1年陈/1级火腿更为浓郁的肉香,三大火腿的1年陈/1级火腿都呈现酸味明显而肉香味欠佳的特征。智能感官结果显示,新腿(J1、X1与R1)的香气和滋味都与其他年份火腿有较大差异,JT与JY的香气轮廓十分接近,并且与R3香气类似;金华火腿和宣威2年、3年陈的火腿滋味轮廓也十分相近;基于智能感官数据构建的年份判别模型可有效鉴别各产地成熟时间最长/最优火腿。而由于宣威和金华火腿风味的相似性,金华火腿的产地判别模型效果欠佳。智能感官结果与人工感官结果相印证,且区分效果优于人工感官评价结果。可见智能感官可部分替代人工感官以及传统仪器分析,实现干腌火腿等级与产地的快速鉴定与区分。