鱼肉馅货架期预测的电子鼻评价与研究

王盼，张坤生，任云霞

（天津市食品生物技术重点实验室，天津商业大学食品工程系，天津300134）

鱼肉馅货架期预测的电子鼻评价与研究

王盼，张坤生*，任云霞

（天津市食品生物技术重点实验室，天津商业大学食品工程系，天津300134）

本实验研究了不同的储存温度下鲤鱼肉馅的的品质变化。对鲤鱼肉馅在不同的贮存温度（-4、2、8℃）和贮存时间下理化指标TVB-N、菌落总数进行测定，建立2个指标的级动力学模型，与Arrhenius方程有很高的拟合度，鱼肉馅的货架期可以通过挥发盐基氮的预测模型得到准确的预测。用电子鼻对鱼肉馅的挥发性气味的变化进行分析，对获得的数据进行传感器信号和主成分（PCA）分析，以样品响应的稳定值为特征值进行信号分析和处理表明S2（氨氧化物）、S3（氨类）2个传感器的响应信号的变化曲线符合1级动力学模型，挥发盐基氮和菌落总数与S2传感器的变化曲线趋势是一致的。PCA分析表明挥发性气味随贮存时间的延长而发生改变，这种变化是非常显著的。通过分析可以看出电子鼻对挥发性气味的分析与理化指标有良好的对应性。

鱼肉馅；货架期；电子鼻；动力学模型

鲤鱼，别名鲤子，鲤科，学名Cyprinuscarpio。鲤鱼是在亚洲原产的温带性淡水鱼。喜欢生活在平原上的暖和湖泊，或水流缓慢的河川里。鲤鱼的种类很多，约有2 900种。鲤鱼的蛋白质含量高，并能供给人体必需的氨基酸、矿物质、VA和VD，鲤鱼的脂肪多为不饱和脂肪酸，能很好的降低胆固醇，可以防治动脉硬化、冠心病。鲤鱼在储存过程中易受多种因素的限制而发生腐败变质，在储存期间鲤鱼的各种指标会发生变化，感官评价由于人为的因素参考性很差，理化指标动力学模型在预测肉类货架期方面有广泛的应用[1-4]。电子鼻又称人工嗅觉分析系统，是20世纪90年代发展起来的一种新颖的技术，它模仿了生物的嗅觉功能，可以快速的检测食品的挥发性气味，测定的范围很广，是可靠的科研仪器，功能非常强大，电子鼻在食品保鲜方面的应用是非常广泛的[5-9]。

本实验是对不同储存期和储存温度下的鲤鱼肉馅进行电子鼻分析、TVB-N和菌落总数测定、感官评价，探索电子鼻分析与理化指标之间的关系。

1 材料与方法

1.1 原材料、试剂与设备

1.1.1 原材料

实验所用的鲤鱼购于农贸市场，进行刮鳞，去皮、去内脏、去尾、除刺。然后把得到的鱼切小块，在绞肉机中绞成肉泥。然后把加工成的肉泥分成3等分，进行调馅，然后装入袋中，真空包装，分别贮存于-4、2、8℃条件下，每隔1天取样进行电子鼻分析、TVB-N和菌落总数测定、感官评价。每种贮藏条件下的样品的每个指标测定3次，取平均值。

1.1.2 试剂与设备

琼脂：生化试剂，天津市福晨化学试剂厂；牛肉膏：生化试剂，北京奥博星生物技术有限责任公司；蛋白胨：生化试剂，天津市英博生化试剂有限公司；1.0%氧化镁混悬液；2.0%硼酸吸收液；1∶1的0.01%次甲基蓝和0.02%次甲基红混合指示剂；电子天平：上海精天电子仪器有限公司；Pen3便携式电子鼻：德国AIRSENSE公司；梅特勒-托利多pH计：梅特勒-托利多中国；通风厨：佛山市三水区科艺实验室设备研制厂；恒温摇床振荡器：哈尔滨市东明医疗仪器厂；恒温恒湿培养箱：广东省医疗器械厂；K360凯式定氮仪：瑞典BUCHI公司；酸式滴定管、烧杯、容量瓶等。

1.2 电子鼻系统

电子鼻是人们通过模仿生物的嗅觉系统而研制的一个电子“嗅觉”系统，由传感器阵列及自动化模式识别系统所构成的，是评价分析对象整体特性的现代化分析检测仪器[10-11]。电子鼻可以对样品中挥发性成分的整体信息进行快速测定。原理图见下面：

图1 电子鼻的简单原理图Fig.1 Simpleschematic diagraMof an electronic nose

其中，电子鼻包含S1（芳香苯类）、S2（氨氧化物）、S3（氨类）、S4（氢气）、S5（烷烃）、S6（甲烷）、S7（硫化氢）、S8（乙醇）、S9（硫化氢类）和S10（芳香烷烃）共10个金属氧化物传感器阵列。响应值为传感器接触到样品挥发物后的电导率G与传感器在气体经过标准活性炭过滤后的电导率G0的比值（G/G0）。

1.3 试验方法

1.3.1 TVB-N的测定

准确称取样品10 g于750mL管中，加入100mL纯水，用磁力搅拌器进行搅拌，浸泡30min后过滤，滤液置于冰箱备用。吸取5.0mL样品滤液于体积为300.0mL消化管中，加入5mL氧化镁混悬液，迅速放人自动定氮仪蒸馏，待仪器自动蒸馏，盐酸滴定后计算并打印结果。同时做空白试验。每个样品重复3次，最后结果取平均值。

1.3.2 菌落总数的测定

按GB/T 4789.2—2010方法测定。

1.3.3 电子鼻分析

采用PEN3电子鼻测定。

称取5g切碎的肉馅装入10mL小瓶内，加盖密封，平衡30min后进行检测，每个样品制备重复3次[12-13]。

1.3.4 感官评价

对产品总体质量进行感观评定，评定小组由10人组成，从外观、口感、组织结构3个方面进行评价，满分为5分，取3个方面的平均值做记录，作为感观评价结果。

1.3.5 数据处理

用spss17.0进行数据处理，P＜0.05为显著差异。

1.4 预测方法

贮藏过程的品质可用化学反映动力学来表示[14-15]，基本公式为：

式中：A表示某种指标的浓度，t为时间，k为速率常数，n为反映级数，大多数的食品符合0级或1级动力学模型。温度对反应速率常数会有一定的影响作用，符合Arrhenius方程：

其中：ko为频率因子，E为反应活化能，kJ/mol，R为气体常数（8.314 J/mol·K）

用上式对贮存过程中各个指标的反应速率常数与温度的关系进行考察，将不同温度下的反应速率常数取自然对数后，对1/T作图，得反应活化能E和ko，由式（1）和式（2）可知，±dA/dt=k×An=koe-E/RTAn。若反应动力学能级选择1级，则F（A）=kt=koe-E/RT×t=lnA-lnAo，t=（lnA-lnAo）/koe-E/RT。

2 结果与讨论

2.1 理化指标分析

2.1.1 TVB-N的分析

由图2可以看出，挥发盐基氮的量随着储存时间的延长呈现增长的趋势，挥发盐基氮在贮藏初期增长的较为缓慢，随着储存时间的延长，增长的幅度越来越大，挥发盐基氮是肉类由于酶和细菌的作用，在腐败过程中蛋白质分解产生氨及胺类等碱性含氮物质。

图2 鱼肉馅不同储存温度下的挥发盐基氮Fig.2 Volatilebasic nitrogen of the carpMeat in different storage teMperatures

2.1.2 菌落总数的分析

菌落总数反应了食品被污染的程度。由图3可以看出低温可以抑制微生物的生长，使其生长速率变小。低温只是抑制微生物增殖，温度上升，细菌数会再度急剧增加。而且低温微生物能够在5℃左右或更低的温度（甚至-20℃以下）下生长繁殖，如李斯特菌能在低于0℃下生存[16]。

图3 鱼肉馅不同储存温度下的菌落总数变化Fig.3 The totalnumber of colonies changeof the carpMeat in different storage teMperatures

2.1.3 感官评价的分析

感官评价是确定食品货架期的关键因素，由图4可以看出感官评价得分随着贮存时间的延长不断的下降。-4℃下保存的肉馅品质变化要明显低于其它2个温度。当感官评分为1.5时，货架寿命已经达到终点。通过感官评价可知，肉馅在269K条件下的贮存期为42 d，在275K条件下的贮存期为17 d，在281 K条件下的贮存期为7 d。

2.1.4 理化指标的数据分析

对理化指标挥发盐基氮和菌落总数进行回归分析，得到2个指标的动力学模型参数，见表1。

由表1可知，对回归方程进行比较，2个理化指标的反应速率常数随着温度的升高而上升，温度越高，食品的保鲜时间就越短[10]。经分析发现，挥发盐基氮和菌落总数反应动力学等级选择1级。

图4 不同储存温度下的感官评分Fig.4 Thesensory scoresof the carpMeat in different storage teMperatures

表1 理化指标品质变化动力学模型参数Table1 Thephysicaland cheMical indicatorsquality changes in kineticmodelparaMeters

2.1.5 理化指标动力学模型的建立

将2个化学指标不同温度下的反应速率常数取自然对数后，对1/T作图，得到：

挥发盐基氮的反应速率常数lnk与温度1/T的关系：Y=-10 778.796X+36.708，R=0.998

菌落总数的反应速率常数lnk与温度1/T的关系：Y=-16 932.549X+57.807，R=0.979

由线性方程可得3个指标的反应活化能E和频率因子ko，见表2。

表2 2个指标活化能和频率因子的计算值Table2 Activation energy and frequency factor

鲤鱼肉馅贮藏期间货架期的预测模型包括挥发盐基氮和菌落总数2个预测模型，这2个模型可以反应肉馅在储存期间品质的变化，将建立的2个模型对鱼肉馅在不同的储存温度下的货架期进行预测，表3为模型的验证结果，如下。

从表3可以看出，菌落总数预测的鱼肉馅货架期误差过大，挥发盐基氮预测的鱼肉馅货架期较为准确，因此实验适宜采用挥发盐基氮作为预测货架期的指标。挥发盐基氮预测模型为：t=1.662 9×10-16×e10778.796/T。

表3 2个指标模型的验证结果Tab le3 Modelvalidation resu lts

2.2 电子鼻分析

2.2.1 电子鼻的信号分析

从传感器直接采集的数据很多，为了量化这些数据，本实验取各传感器对不同储存温度和储存时间的鲤鱼样品响应的稳定值为特征值进行信号分析和处理，稳定信号取3个连续的时间点（70 s~72 s）求平均值得到。将贮存于-4、2、8℃条件下，每隔1天取样进行的电子鼻分析的信号进行处理，得出输出信号与时间的变化关系，见图5~图7。从图中可以看出，气体传感器输出信号随时间延长基本呈增大的趋势，变化趋势基本相同，相应的菌落总数和挥发盐基氮的曲线见图2~图3。在3种温度下储存的样品，随着储存时间的延长，样品的品质逐渐变差，下降速度与温度是相关的。对比传感器的响应趋势也与菌落总数和挥发盐基氮的趋势是一致的。S2（氨氧化物）、S3（氨类）2个传感器随着储存时间的延长呈现规律的变化，S2传感器响应值逐渐增大，S3传感器响应值逐渐减少。

图5 -4℃储存传感器阵列响应Fig.5-4℃storage sensor array response

图6 2℃储存传感器阵列响应Fig.6 2℃storage sensor array response

图7 8℃储存传感器阵列响应Fig.7 8℃storage sensor array response

对S2（氨氧化物）、S3（氨类）2个传感器的响应信号进行数据处理，得到不同的储存温度下2个传感器响应信号随时间的变化曲线，符合1级动力学模型，见下表4。

表4 传感器的响应信号与时间的关系曲线Table4 Responseof thesensor signalversus tiMe curve

S2、S3 2个传感器主要是对氨氧化物和胺类物质敏感，而挥发盐基氮是肉类由于酶和细菌的作用，在腐败过程中蛋白质分解产生氨及胺类等碱性含氮物质，所以S2、S3 2个传感器与挥发盐基氮和菌落总数2个指标有很大的关联。结合表1和表3，预测货架期的挥发盐基氮和菌落总数2个指标与电子鼻S2、S32个传感器的变化曲线均符合1级动力学模型，挥发盐基氮和菌落总数与S2传感器的变化曲线趋势是一致的。

2.2.2 电子鼻的PCA分析

PCA分析是主成分分析方法，只能单独使用，PCA图上显示的是二维图。它是通过降维的方式来分析不同条件下挥发性气味的关系，当2个主成分的贡献率大于85%时，模板有效。

从图8~图10可以看出，挥发性气味随贮存时间的延长而发生改变，不同的储存温度的PCA图是不同的。样品在-4℃下储存的挥发性气味的电子鼻PCA：第一主成分贡献率为84.561%，第二主成分贡献率为12.059%，总贡献率为96.619%。贡献率越大说明肉馅的气味成分能较好的被区分。图中显示肉馅挥发性气味随时间的变化是非常明显的。随着贮藏时间的延长，样品1 d~5 d天先延PC1轴向左，PC2轴向下，5 d~ 9 d天后延PC1轴向右，PC2轴向下，9 d~11 dPC1轴向左，PC2轴向上分布的。贮藏前7天气味分布较接近，贮藏1 d~9 d气味基本是沿PC2轴向下分布的，9 d~ 11 d主成分方向发生改变，这可能是由于在贮藏期间挥发性气味被不断释放造成的。样品在2℃下储存的挥发性气味的电子鼻PCA：第一主成分贡献率为75.617%，第二主成分贡献率为18.331%，总贡献率为93.948%。随着贮藏时间的延长，气味主成分1 d～3 d先沿PC1轴向右，PC2轴向下分布，3 d～5 d沿PC1轴向左，PC2轴向上分布，5 d～7 d沿PC1轴向右，PC2轴向下分布，7 d～9 d沿PC1轴向左，PC2轴向下分布，9 d～11 d沿PC1轴向右，PC2轴向上分布，这种变化表示挥发性气味的变化是非常显著的。样品在8℃下储存的挥发性气味的电子鼻PCA：第一主成分贡献率为65.256%，第二主成分贡献率为22.044%，总贡献率为87.3%。随着贮藏时间的延长，气味主成分沿PC1轴向左，1 d～3 d先沿PC2轴向下分布，3 d～5 d沿PC2轴向上分布，5 d～9 d沿PC2轴向下分布，9 d～11 d沿PC2轴向上分布，可以看出肉馅中的挥发性气味随着时间的延长变化是非常明显的。

图8 -4℃储存挥发性气味的分析Fig.8-4℃storageanalysisof volatileodor

图9 2℃储存挥发性气味的分析Fig.9 2℃storageanalysisof volatileodor

3 结论

1）通过对鱼肉馅在不同贮存温度下的电子鼻、TVB-N、菌落总数进行分析，建立符合条件的动力学模型，结果表明TVB-N均能较好的反应鱼肉馅在贮存过程中品质的变化，并建立指标的1级动力学模型，并预测了鱼肉馅的货架期，TVB-N预测货架期的模型为t=1.662 9×10-16×e10778.796/T（其中T为温度，K）。

图10 8℃储存挥发性气味的分析Fig.10 8℃storageanalysisofvolatileodor

2）通过电子鼻分析可知，通过对不同储存温度和储存时间的鲤鱼样品响应的稳定值为特征值进行信号分析和处理表明S2（氨氧化物）、S3（氨类）两个传感器的响应信号的变化曲线符合1级动力学模型，挥发盐基氮和菌落总数与S2传感器的变化曲线趋势是一致的。PCA分析表明挥发性气味随贮存时间的延长而发生改变，这种变化是非常显著的。

3）通过上面的分析，可以看出电子鼻对挥发性气味的分析与理化指标有良好的对应性，本实验可以预测鲤鱼肉馅的货架期，并且结合电子鼻技术对挥发性气味的变化进行分析，解决了感官评价的一些限制因素。

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Evaluation and Research of the Fish Meat Shelf Life Prediction of Electronic Nose

WANGPan，ZHANGKun-sheng*，RENYun-xia
（Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology，Departmentof Food Engineering，Tianjin Universityof Commerce，Tianjin 300134，China）

This study is the carp meat quality changes in the different storage temperatures.Carp meat is in differentstorage temperature（-4，2，8℃）and thephysicaland chemicalindicatorsin thestorage time including the TVB-N，totalnumberofcolonieswere determined toestablish a dynamicmodelof the two indicators，and they are fitwith the Arrheniusequationhigh.By the equation the shelf life of fishmeat can getan accurate forecast. Volatileodorof fishmeatof theelectronic noseanalysisofdataobtained froMthe sensorsignalsand theprincipal component（PCA）analysis，the sample response of the stable value of the eigenvalues for signal analysis and processingshow thatS2（nitrogen oxide），S3（ammonia）responseofthesensorsignalcurveof thekineticmodel，the curve trend is consistentwith the volatile basic nitrogen and sulfur and S2 sensor.PCA analysis showed that the volatile components change in storage time，this change is very significant.Volatile odor of fishmeatof the electronicnoseanalysisis fitwith thephysicaland chemicalindicators.

carpmeat；the shelf life；electronic nose；the kineticmodel

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.18.086

2014-09-24

国家科技支撑计划重点项目（2012BAD37B06）

王盼（1986—），女（汉），硕士研究生，研究方向：食品加工与贮藏。

*通信作者：张坤生（1957—），男（汉），教授，博士，研究方向：食品加工与贮藏。