基于电子鼻和电子舌技术的鳕鱼鲜度评定

郑舒文，陈卫华

(中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193)

鳕鱼是极易腐败的食品，在流通过程中，由于受到温度波动、微生物及自体酶的影响，鱼肉中的蛋白被水解成了氨基酸，氨基酸再经过脱羟、脱胺后生产了硫化氢、硫醇、吲哚、粪臭素、甲烷等物质，改变了鱼的挥发性气味和浸出液的滋味。

中国是水产品生产、消费和出口的大国。水产品已经成为人们日常饮食中不可或缺的一部分[1,2]。在水产品中，价格昂贵而又具有特殊营养成分的一类深海鱼，正逐渐受到更多家庭的喜爱。大西洋真鳕鱼是一种产于北大西洋的冷水深海鱼类[3]，其肉中氨基酸比例与WHO/FAO模式谱中人体所需氨基酸的比例接近，因此鳕鱼肉中蛋白质能很好地被人体吸收利用[4,5]。 鳕鱼常被制作为方便食品、咸干鱼片、腌鳕鱼等调味食品。传统的鱼鲜度评价方法包括：感官评价法、化学指标法和微生物指标法等。传统方法是鲜度评定的主要方法，认可度高。而若要得到准确的鲜度结果，通常要将不同的传统鲜度评价方法综合应用。近年来，电子鼻和电子舌作为一种新型的感官仿生技术，得到了越来越多的应用。其对特定化合物灵敏的传感器可以模仿人类的嗅觉和味觉，从而对挥发性气体和食品浸出液的差异进行分析。它们操作便捷、快速，是一种准确的无损分析技术[6-10]。经过内置的软件处理得到的主成分分析(PCA)和判别因子分析(DFA)图，可以根据图形上样品点间距离的远近来分辨气味、滋味的差别[11-13]。在电子鼻和电子舌的鲜度研究方面，研究人员已经用电子鼻、电子舌技术评定了冰鲜黄鸡、羊肉、牛肉及常见水果和蔬菜的鲜度[14-18]。本研究主要运用电子鼻和电子舌分析技术结合不同理化指标，对大西洋真鳕鱼的鲜度进行评价。理化指标的测定结果为电子鼻、电子舌鲜度快速判定结果的准确性提供了依据。

1 材料和方法

1.1 材料及预处理

大西洋真鳕鱼：购于北京某超市，选择鱼块大小相近的样品，放置在碎冰中，1 h内运至实验室。将去皮、骨之后的鳕鱼肉放置在干净的自封袋中，冷藏在4 ℃的恒温冰箱中，定期取样检测。

1.2 仪器与设备

PEN3.5便携式电子鼻 德国AIRSENSE公司；Astree II/LS16电子舌 法国Alpha MOS公司；FOSS凯氏定氮仪 丹麦福斯公司；METTLER-ME204E电子天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司。

1.3 试验方法

将鳕鱼肉放置在4 ℃冷藏，每隔一定时间取鱼肉样品进行TVBN、TVC、电子鼻及电子舌的测定。

1.3.1 挥发性盐基氮(TVBN)的测定

按照GB 5009.228-2016《食品中挥发性盐基氮的测定》的方法[19]，采用FOSS全自动凯氏定氮仪。

1.3.2 菌落总数(TVC)的测定

按照GB 4789.2-2016《食品微生物学检验测定 菌落总数测定》的方法测定[20]。

1.3.3 电子鼻检测

准确称量1.0 g冷藏的去皮、去骨鳕鱼肉样品，装入10 mL顶空瓶中，平衡至室温后进样测定。测定参数：系统清洗3次，每次180 s；进样时间60 s，2次进样间隔清洗时间180 s，气体流速150 mL/min。采用电子鼻的自带程序Winmuster进行主成分分析及负荷加载分析。

1.3.4 电子舌检测

电子舌测定采用阿尔法莫斯公司的Astree电子舌进行，测定前需要活化传感器24 h，并进行电子舌的初始化、校准、诊断过程。试验以100 s为每个样品的数据采集时间，且每1 s采集1组数据，取最后20 s测量值的平均值作为该组最终的结果。每个样品的测量次数为7次，取后4次的结果，以确保传感器输出响应值的稳定性。

2 实验结果与分析

2.1 鳕鱼冷藏过程中TVBN指标变化

TVBN(主要包括氨气、二甲胺和三甲胺等)被公认为是鱼类鲜度的评价指标，它来源于贮藏过程中鱼类肌肉中蛋白质被内源酶和微生物分解[21-23]。许多专家学者都将鱼肉中的TVB-N值限定在30 mg/100 g鱼肉[24，25]。我国国标GB/T 18108-2008规定海水鱼中TVBN的含量在0～15 mg/100 g鱼肉时，鱼处在一级鲜度；15～20 mg/100 g时，鱼处在二级鲜度；20～30 mg/100 g时，鱼处在三级鲜度[26]。鳕鱼在4 ℃贮存期间TVBN随时间的变化见图1。TVBN的增长速度在鱼贮藏前期(0～8天)上升速度较慢，而在贮藏后期(8～12天)上升速度明显加快。这是由于贮藏后期鱼体肉质松散，组织液流出增多，细菌数量庞大所引起的。根据国标对鲜海水鱼TVBN的划分标准，可以初步得出结论：鳕鱼在贮藏的0～4天处在一级鲜度，在4～8天为二级鲜度，在8～11天为三级鲜度。

图1 4℃贮藏下鳕鱼的TVBN随时间的变化Fig.1 Changes of TVBN of cod stored at 4℃with the time

2.2 鳕鱼冷藏过程中细菌总数(TVC)变化

微生物的繁殖和代谢是引起鱼类腐败的主要原因，腐败微生物的数量可以反映鱼的新鲜程度。4 ℃贮藏下鳕鱼的细菌菌落总数随时间的变化见图2。

图2 4℃贮藏下鳕鱼中的TVC随时间的变化Fig.2 Changes of TVC of cod stored at 4℃with the time

由图2可知，在鳕鱼贮藏期间，鳕鱼中的细菌菌落总数逐渐增加，在贮藏前期，微生物增长比较缓慢，这可能是由于微生物基数小，并处于适应期。贮藏11天后，微生物的增长速度明显增大，此时，微生物可能处于对数增长期。根据《国际微生物规格委员会(ICMSF)食品微生物限量规定》，鱼的菌落总数可接受水平限量值为5×105cfu/g，最高安全限量值为107cfu/g[27，28]。因此，根据图2判断，4 ℃贮藏下的鳕鱼在11天后即不可被食用。这与TVBN指标判断的鳕鱼食用期限(货架期)一致。

2.3 指标间的相关性分析

为了研究鳕鱼鲜度的化学与微生物指标间的相关性，以确定指标的内在关系及测定的准确性。以4 ℃贮藏下鳕鱼的TVBN为自变量，以TVC值为拟合目标进行曲线拟合，分析相关性。

图3 TVC与TVBN值相关性分析图Fig.3 Correlation analysis chart of TVC and TVBN values

相关参数截距截距的标准偏差R (相关系数)SD(回归标准差)P(R=0的概率)TVBN与TVC线性回归方程3.4510.1570.9600.154<0.00001

由图3和表1可知，TVBN与TVC之间的线性相关性强，相关系数达到0.960。并且P值<0.01，说明二者呈极显著相关。这说明4 ℃储藏的鳕鱼化学和微生物鲜度指标间有较好的线性相关性，鲜度指标间的内在联系强，证明了指标测定的可靠性。

2.4 鳕鱼的电子鼻响应值分析

2.4.1 特征雷达图

电子鼻有10个高灵敏度的传感器，其检测的物质见表2。

表2 电子鼻传感器类型及性能Table 2 Types and performance of electronic nose sensors

续 表

不同状态的电子鼻信号雷达图见图4，a,b,c,d分别是电子鼻对贮藏0天(新鲜状态)、4天(鲜度较好)、7天(鲜度一般)和11天(不可食用)的鳕鱼气味响应图。

图4 对于不同鲜度鳕鱼的电子鼻响应雷达图Fig.4 Electronic nose response radar maps of cod with different freshness levels

由图4可知，鳕鱼处在初始状态时，电子鼻的各个传感器的响应值比较均一，此时鳕鱼的鱼腥味弱、无酸败气味；随后7号和2号传感器的响应值迅速增大，而后其他传感器的响应值也稍有增加。到了鳕鱼的不可食用状态，7号和2号传感器的响应值仍为最大，这说明鳕鱼储藏过程中产生的硫化物和氮氧化合物多。这与文献报道的在秋刀鱼储藏过程中电子鼻的硫化物传感器响应值大较为一致[29,30]。

2.4.2 主成分分析

主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)是将传感器提取的原多维矩阵数列通过降维、数据处理和线性分类转换为互不相关的几个综合指标的方法。转化而得的较少指标能够代表性地反映原多指标的信息。降维后的特征向量以二维散点图的形式出现PCA图中。在PCA中，若两主成分的贡献率小于95%，则表示分析中有干扰成分的作用。电子鼻信号响应值的PCA图见图5，图中横坐标的第1主成分的贡献率达到97.46%，纵坐标第2主成分的贡献率为2.26%，总贡献率为99.72%，大于95%，说明这2个主成分基本包含了样本的信息，PCA方法适用。气味较为接近的鱼样品在二维图形上倾向于聚类分布，气味相差较远的样品图形距离较远。

图5 不同冷藏时期鳕鱼挥发性气味主成分分析(PCA)图Fig.5 Principal component analysis(PCA)diagram of volatile flavor of cod in different cold storage periods

由图5可知，电子鼻将储藏1，3，5，7，9，11天的鳕鱼图形归类到一起，说明此时鳕鱼产生的挥发性气体区别不大，鲜度状态相近，可以归为同一鲜度等级。且电子鼻能将贮藏11天以后的鳕鱼与可食用期的鳕鱼明显区分开来。对比TVBN、TVC的分析结果，电子鼻对不同鲜度的鳕鱼具有准确的区分性，能够作为一种鳕鱼鲜度的判定手段。

2.4.3 负荷加载分析

图6 不同冷藏时期鳕鱼挥发性气味LA图Fig.6 Loading analysis map of volatile flavor of cod in different cold storage periods

传感器W1WW5SW2WW1SW2SW3SW1CW3CW6SW5C距离(cm)0.850.740.530.460.380.220.200.140.070.03

负荷加载分析(Loadings Analysis，LA)是用来判断电子鼻中的不同传感器对样品挥发性气味贡献率大小的方法。负载值越大，贡献率越大。Loadings分析图中，距离(0,0)坐标越近的点所代表的传感器对样品气味的测定贡献率越小，即该传感器的识别作用可以忽略。相反，距离(0,0)坐标越远的点所代表的传感器对样品的挥发性气体反应越灵敏[31]。

在一定的比例条件下，计算传感器所在的点到原点的距离，可以判断各个传感器对气味的贡献率大小。

由图6和表3可知，此次鳕鱼样品挥发性气体的检测，7号传感器W1W贡献率最大，它对硫化物灵敏；2号传感器W5S贡献率次之，它对氮氧化物灵敏。W3S和W1C传感器到(0,0)点的距离相近，二者的贡献率相似。 W5C传感器最接近零点，传感器响应最不灵敏，它对应的烷烃和芳香成分的占比最少。由此，在鱼鲜度变化过程中，挥发性气体中的硫化物和氮氧化物的含量最高，烷烃和芳香成分含量最低。

2.5 鳕鱼的电子舌响应值分析

判别因子分析(Discriminant Factor Analysis, DFA)是一种基于主成分分析和典型相关分析的降维技术。它在主成分分析的基础上，进一步将不同组间的差异性扩大，将组内的差异性缩小。判别因子分析法的区分效果比主成分分析法更好。

图7 不同冷藏时期鳕鱼电子舌的DFA二维图Fig.7 DFA two-dimensional map of electronic tongue of cod in different cold storage periods

由图7可知，判别因子1的贡献率为83.12%，判别因子2的贡献率为15.45%，其总贡献率为98.57%，大于95%，说明这2个主成分基本包含了样本的信息。在电子舌的DFA二维图中，1,3,5,7,9,11天以及13,15天的样品在图中的距离相近，说明滋味相差不大，鲜度状态相似。不同冷藏时期鳕鱼的电子舌判别因子三维图见图8。

图8 不同冷藏时期鳕鱼电子舌DFA三维图Fig.8 DFA three-dimensional map of electronic tongue of cod in different cold storage periods

由图8可知，判别因子3的贡献率仅为1.046%。在三维图中，组内的每个数据点的距离很小，不同组的数据点分布在三维坐标的各个角落。同样由图8可知，1，3，5，7，9，11天以及13,15天的组内距离进一步接近，不同鲜度等级的组间距离进一步加大，说明DFA的区分效果更好。对照TVBN、TVC的分析，电子舌的DFA结果证实了它可以有效、准确地区分鳕鱼鲜度的变化。

3 结论

电子鼻和电子舌技术作为新型的嗅觉、味觉分析检测技术，它们的操作简便、快速、无损且重复性好，能有效区分出不同样品间的差异。而鱼鲜度的传统检测技术耗时且成本高。本文将电子鼻与电子舌技术分别应用到鱼鲜度的检测中，试图验证这2种快检方法对鱼鲜度区分的有效性。实验结果表明：电子鼻和电子舌能够将不同鲜度等级的鳕鱼明显区分开来，并且电子舌的区分性更好。二者结果与TVBN、TVC的结果一致。这说明电子鼻和电子舌在鱼鲜度的检测与判别领域有很好的应用前景。