基于電子鼻與電子舌建立牛奶貨架期預測模型

毋思敏，于 淼，孫二娜，楊海鶯，蘇曉霞,，牛天嬌,

（1.中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司，老年營養(yǎng)食品研究北京市工程實驗室，營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗室，北京 102209；2.蒙牛高科乳制品（北京）有限責任公司，北京 101107）

牛奶中包含多種人體所需的蛋白質(zhì)、脂類和維生素等，這些豐富、天然的營養(yǎng)成分以及由此帶來的口味口感使之廣受消費者喜愛。隨著社會發(fā)展，人們生活品質(zhì)得到提升，低溫奶快速走進消費者視野。有研究表明，在低溫奶市場中，鮮牛奶占據(jù)90%的銷售總額[1]，這種市場架構(gòu)說明，人們更傾向于購買新鮮、無添加且能夠最大程度保留牛奶原始營養(yǎng)成分的鮮牛奶。然而鮮牛奶，尤其是全脂鮮牛奶，有著豐富的營養(yǎng)成分和脂肪，如貯藏不當或貯藏時間過長便會成為滋養(yǎng)微生物的溫床，進而發(fā)生酸敗[2-3]，鮮牛奶品質(zhì)也會隨之下降，直至到達其貨架期終點。因此，保證牛奶品質(zhì)的穩(wěn)定并對其變化進行有效的預判研究受到了廣泛關(guān)注[4-6]。

目前，針對食品的貨架期研究主要基于溫度動力學、感官評分、理化指標和微生物指標等建立分析模型[7-8]。劉政權(quán)等[9]研究不同貯藏溫度下抹茶理化指標和感官品質(zhì)的變化，得到各指標的Arrhenius常數(shù)和活化能；賴路等[10]研究檸檬金耳羹在不同貯藏溫度下感官評分、pH值等變化規(guī)律，并建立動力學模型。雖然感官得分能得到食品品質(zhì)的具體變化信息，但主觀性過強，難以保證其穩(wěn)定性。而理化指標和衛(wèi)生指標則需要一系列化學分析，操作復雜，耗時長[11-12]。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，電子鼻和電子舌等快速分析樣品特性的仿生技術(shù)開始涌現(xiàn)[13]。

電子舌是通過識別液體成分，采用6 個惰性金屬電極代替仿生脂質(zhì)膜傳感器對樣品進行滋味檢測的儀器。電子鼻則是通過識別氣體成分，利用氣體傳感器陣列的響應信號和模式識別算法進行評價的儀器[14]。前人研究中有利用電子鼻和電子舌判別青稞格瓦斯[15]、果汁[16]、初榨橄欖油[17]貨架期的方法，然而以電子舌和電子鼻相關(guān)指標為基礎(chǔ)建立動力學模型的研究較少。本實驗以全脂鮮牛奶作為研究對象，分析牛奶在不同貯藏溫度下的電子舌歐氏距離（Euclidean distance，ED）值、電子鼻氣味距離、感官評分的變化規(guī)律，結(jié)合零級反應動力學模型和Arrhenius方程，建立貨架期預測模型，旨在為鮮牛奶的品質(zhì)保藏相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)（集團）股份有限公司全脂鮮牛奶：在4、15 ℃條件下，分別貯存7、14、21、28、35 d；在23 ℃和30 ℃條件下，分別貯存3.5、7、10.5、14、17.5、21、24.5、28 d。本研究設(shè)計的4 個溫度，分別用于模擬全脂鮮牛奶在冷鏈（4 ℃）、貨架脫冷（15 ℃）、室溫（23 ℃）、夏季高溫（30 ℃）環(huán)境中，符合實際出廠、運輸、鋪貨以及銷售者購買后可能的存放習慣，便于建立更為完善的全脂鮮牛奶品質(zhì)評估體系。

蒸餾水，氯化鈉、氯化鉀（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FOX4000電子鼻系統(tǒng) 法國阿爾法莫斯儀器公司；Smartongue電子舌系統(tǒng) 上海瑞玢智能科技有限公司；ME204電子分析天平 美國Mettler公司；DHG-9240電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；25 mL電子舌專用燒杯 上海瑞玢智能科技有限公司；20 mL頂空瓶 德國Macherey-Nagel公司；30 mL品嘗杯 廈門喇叭花日用品有限公司。

1.3 方法

1.3.1 感官評價

組建由12 位經(jīng)驗豐富評價員組成的評價小組，通過感官評價，監(jiān)測全脂鮮牛奶的色澤、組織狀態(tài)、風味3 項感官指標在貯藏過程中的變化情況[18-19]，評分標準見表1[20]，若感官評價總分低于70 分則判定為不合格產(chǎn)品。

表1 全脂鮮牛奶感官評價標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of fresh whole milk

1.3.2 電子舌檢測

取15 mL 0.01 mol/L氯化鉀溶液，對電子舌傳感器進行活化及預熱30 min，預檢樣品，將信號波動控制在正常范圍內(nèi)（絕對值在0.5～10 V之間）。用清洗溶液（蒸餾水）和不同貯藏溫度和時間下的全脂鮮牛奶樣本交替檢測[21]，每次倒入樣品至25 mL電子舌專用燒杯的刻度線位置，取6 次平行。檢測結(jié)束后，對傳感器進行優(yōu)化后，對樣品原始信號值進行主成分分析（principal component analysis，PCA），判斷樣品之間的差異大小，再通過計算樣品間的ED值進一步量化。

差別度代表樣品間的差異程度，而ED是差別度的常用算法之一。本實驗采用ED值表示差別度的大小。在二維平面上兩點a（X1，Y1）與b（X2，Y2）間的距離計 算對每一類樣品求得中心點后，以中心點之間的ED代表類與類之間的ED值，其計算原理圖如圖1所示。樣品間差異越大，ED值越大。

圖1 ED值計算示意圖Fig.1 ED calculation

1.3.3 電子鼻檢測

將電子鼻的檢測參數(shù)調(diào)節(jié)至孵化期300 s，孵化溫度50 ℃，攪拌速率500 r/min，注射器溫度55 ℃，填充速率500 μL/s；采集時間120 s，流量150 mL/min；進樣量1 000 μL，注射速率1 000 μL/s。對不同貯藏溫度和時間下的全脂鮮牛奶樣本進行檢測[24]，每次稱取樣品5.0 g和氯化鈉1.0 g于20 mL頂空瓶中，取6 次平行。檢測結(jié)束后，對樣品點進行貨架壽命分析[25]，研究在一定貯藏條件下，樣品氣味隨貯藏時間的變化情況，樣品間的差異通過氣味距離表示[26]，樣品差異越大，氣味距離越大。

1.3.4 全脂鮮牛奶的貨架期預測模型

大多數(shù)食品的品質(zhì)與時間關(guān)系表現(xiàn)出零級或一級反應，本次實驗中，通過前期預實驗判斷全脂鮮牛奶品質(zhì)在貯藏期間的變化不存在明顯突變，因此考慮使用零級反應動力學方程，見式（1）：

式中：t為樣品的貯藏時間/d；A0為樣品初始品質(zhì)指標值；A為樣品貯藏t時間后的品質(zhì)指標值；k為樣品品質(zhì)變化速率常數(shù)。

獲取樣品某品質(zhì)指標和相應的貯藏時間并建立零級動力學方程，求得k值后，即可建立Arrhenius方程。

Arrhenius方程是描述反應速率常數(shù)k和溫度T之間關(guān)系的方程式（2）：

式中：k0為指前因子；Ea為活化能/（J/mol）；R為摩爾氣體常數(shù)（8.314 J/（K·mol））；T為絕對溫度/K。

以lnk對1/T作圖，將不同溫度下的反應速率常數(shù)k結(jié)合Arrhenius方程進行線性擬合即可得到指前因子k0和反應活化能Ea。

結(jié)合零級動力學模型和Arrhenius方程，得到全脂鮮牛奶品質(zhì)指標的貨架期零級動力學預測模型，見式（3）：

式中：SL為全脂鮮牛奶的貨架期時間/d。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SciDAVis軟件繪制曲線，用電子舌、電子鼻設(shè)備內(nèi)置軟件和Excel 2013進行實驗數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 全脂鮮牛奶各項重要指標的變化

2.1.1 感官評分的變化

如圖2所示，以初始狀態(tài)的全脂鮮牛奶樣品評分100 分為起點，隨著貯藏時間的延長，樣品感官品質(zhì)呈下降趨勢，且溫度越高，感官評分下降越快。微生物腐敗引起的變質(zhì)，導致樣品酸度逐漸增加[27]；樣品組織狀態(tài)改變，脂肪發(fā)生上浮，可能是由于嗜冷菌產(chǎn)生的耐熱酶引起的酶促反應、蛋白質(zhì)膠凝體系的老化等原因?qū)е耓28-29]。以70 分作為感官品質(zhì)可接受的最低點，對鮮牛奶的貨架期整體貨架期長短有非常直接影響。預估得到不同溫度貯藏條件下的感官品質(zhì)臨界點分別為4 ℃臨界點33.8 d，15 ℃臨界點12.2 d，23 ℃臨界點5.8 d和30 ℃臨界點4.0 d。通過代入電子鼻或電子舌的全脂鮮牛奶貨架期的預測方程，可以分別反演推算不同條件下的電子鼻或電子舌檢測指標的貨架期臨界值，求得貨架期預測終點。

圖2 全脂鮮牛奶感官指標在貯藏過程中的變化情況Fig.2 Changes in sensory score of fresh whole milk during storage

2.1.2 電子舌ED值的變化電子舌檢測完畢后，在傳感器優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對設(shè)備采集的信號值進行PCA，將4、15、23 ℃和30 ℃四個不同貯藏溫度條件的0 d（初始狀態(tài)）樣品依次與同溫度下的其他貯藏時間的樣品信號值進行比較，然后計算樣品之間的ED值，將不同樣本之間的差異進行量化。ED值變化可以直觀展現(xiàn)不同貯藏時間及溫度的全脂鮮牛奶樣品品質(zhì)間的變化。由圖3可知，在不同溫度的貯藏條件下，隨著貯藏時間的延長，貯藏的全脂鮮牛奶品質(zhì)逐漸與初始樣品的品質(zhì)差異越來越大。隨著貯藏溫度的升高，全脂鮮牛奶的ED值增加速度也呈現(xiàn)變快的趨勢，說明溫度是影響全脂鮮牛奶品質(zhì)變化的主要因素之一。在一定程度上，電子舌可以有效分辨由貯藏溫度及時間變化帶來的全脂鮮牛奶的品質(zhì)差異。

圖3 全脂鮮牛奶電子舌ED值隨貯藏時間的變化Fig.3 Changes in electronic tongue ED value of fresh whole milk during storage

2.1.3 電子鼻氣味距離的變化

全脂鮮牛奶隨著貯藏時間的延長，產(chǎn)品的氣味也發(fā)生變化。當貯藏溫度升高，產(chǎn)品氣味的變化程度也隨之加大，由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間的延長，4 ℃樣品貯藏下的產(chǎn)品氣味變化程度較緩；15 ℃和23 ℃樣品在貯藏14 d以內(nèi)，其氣味變化程度較相似，但14 d后，23 ℃樣品與起始點樣品的氣味差異程度明顯大于15 ℃樣品；30 ℃樣品的氣味變化程度最明顯。Fromm等[30]研究發(fā)現(xiàn)，低溫貯藏時，隨著貯藏時間的延長，牛奶中的嗜冷菌逐漸增多，開始產(chǎn)生不良風味，如發(fā)酵味、酸敗味等。此外，在不同溫度條件下，15、23、30 ℃與4 ℃貯藏的正常樣品的氣味品質(zhì)差異在逐漸增加。這是由于高溫環(huán)境下，隨著貯藏時間的延長，鮮牛奶中的脂質(zhì)發(fā)生氧化和蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物的形成導致全脂鮮牛奶中的牛奶香氣慢慢消失，不良風味開始出現(xiàn)[31]。

圖4 全脂鮮牛奶氣味距離隨貯藏時間變化Fig.4 Changes in electron nose odor distance of fresh whole milk during storage

2.2 牛奶貨架期模型的建立

2.2.1 電子舌貨架期模型的建立

以電子舌樣品間的ED值作為評價全脂鮮牛奶品質(zhì)變化的指標之一，結(jié)合零級動力學方程和Arrhenius方程建立全脂鮮牛奶的貨架期預測模型并預測其貨架期。

將4、15、23 ℃和30 ℃不同貯藏條件下的一系列ED值按照零級動力學方程進行擬合，如圖5所示。全脂鮮牛奶4 ℃的ED值按照零級反應擬合時，整體增長趨勢較為平緩，且貯藏前期、后期趨勢基本保持一致，各個樣本點均勻的分布在直線兩側(cè)，擬合效果較好。在15 ℃時，貯藏7 d時，與初始狀態(tài)相比，樣品ED值已經(jīng)有明顯增加，后期增長略緩；23 ℃時，貯藏14 d時，ED值有明顯變化，其余貯藏期間較緩。30 ℃時，整體增長速率與4、15 ℃和23 ℃相比有明顯提升，且整體擬合效果最好。綜上，盡管由于電子舌識別的信號波動或ED值的差異衡量方式不夠完善，導致個別樣本點仍存在偏差或漂移，但基本符合零級動力學方程線性擬合的趨勢，得到的R2介于0.65～0.90之間（表2）。

圖5 不同貯藏溫度下全脂鮮牛奶的電子舌ED值零級動力學方程擬合圖Fig.5 Zero-order kinetic curves ofelectronic tongue ED value of whole milk against storage time at different storage temperatures

表2 全脂鮮牛奶電子舌ED值零級動力學方程擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of zero-order dynamic equation for electronic tongue ED value of whole milk

以零級方程獲得的不同貯藏溫度下反應速率常數(shù)的對數(shù)lnk為縱坐標，熱力學倒數(shù)1/T為橫坐標，進行線性擬合，得到Arrhenius方程為y=－1 601.7x＋5.013 1，如圖6所示。根據(jù)方程的斜率和截距，可求出Ea=1.33×104J/（mol·K）和k0=150.37，進而得到電子舌全脂鮮牛奶貨架期的預測方程：

圖6 全脂鮮牛奶電子舌ED值A(chǔ)rrhenius方程擬合圖Fig.6 Fittied curve of electronic tongue ED value of fresh whole milk by Arrhenius equation

為實現(xiàn)鮮牛奶感官貨架期的預測，將感官品評結(jié)果與電子舌檢測結(jié)果對比并以樣品品質(zhì)時間點作為聯(lián)結(jié)點，將感官品評獲得的樣品品質(zhì)時間與電子舌構(gòu)建的貨架期模型相結(jié)合。因此將全脂鮮牛奶感官評價獲得的結(jié)果：4 ℃的感官臨界點33.8 d，15 ℃的感官臨界點12.2 d，23 ℃的感官臨界點5.8 d，3 0 ℃的感官臨界點4.0 d，分別代入上述4、1 5、23 ℃和30 ℃的電子舌全脂鮮牛奶貨架期的預測方程中，可以得出4、15、23、30 ℃溫度下的電子舌ED臨界值分別為16.04、7.07、3.91和3.05。將4 個溫度下ED臨界值的平均值7.52代回電子舌貨架期預測模型 中，得 到由此求得4 ℃正常貯藏條件下全脂鮮牛奶的貨架期為16.2 d。

2.2.2 電子鼻貨架期模型的建立

利用電子鼻氣味距離指標建立零級動力學方程，并結(jié)合Arrhenius方程建立全脂鮮牛奶的貨架期預測模型并預測其貨架期。

將4、15、23 ℃和30 ℃不同貯藏條件下的一系列氣味距離值按照零級動力學方程進行擬合，得到零級動力學方程，如表3所示。隨著貯藏溫度升高，零級動力學方程的斜率呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，同時，擬合系數(shù)R2介于0.77～0.93之間，說明電子鼻氣味距離值與零級動力學方程的擬合程度良好。

表3 全脂鮮牛奶電子鼻氣味距離值零級動力學方程擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of zero-order kinetic equation for electronic nose odor distance value of fresh whole milk

以零級方程獲得的不同貯藏溫度下反應速率常數(shù)的對數(shù)lnk為縱坐標，熱力學倒數(shù)1/T為橫坐標，進行線性擬合，得到Arrhenius方程為y=－2 634.6x＋4.149 6，如圖7所示。根據(jù)方程的斜率和截距，可求出Ea=2.19×104J/（mol·K）和k0=63.41，進而得到電子鼻全脂鮮牛奶貨架期的預測方程：

圖7 全脂鮮牛奶電子鼻氣味距離值A(chǔ)rrhenius方程擬合圖Fig.7 Fittied curve by Arrhenius equation for electronic nose odor distance of fresh whole milk

基于電子鼻全脂鮮牛奶貨架期預測方程，利用不同貯藏溫度下感官品評的產(chǎn)品品質(zhì)變化臨界點，推算電子鼻氣味距離臨界值。將全脂鮮牛奶感官評價獲得的結(jié)果：4 ℃的感官臨界點33.8 d，15 ℃的感官臨界點12.2 d，23 ℃的感官臨界點5.8 d，30 ℃的感官臨界點4.0 d，分別代入上述4、15、23 ℃和30 ℃的電子鼻全脂鮮牛奶貨架期的預測方程中，可以得出4、15、23、30 ℃條件下的電子鼻氣味距離臨界值分別為0.25、0.11、0.06和0.04。將4 個溫度下ED臨界值的平均值0.11代回電子鼻貨架期預測模型中，得到由此求得4 ℃正常貯藏條件下全脂鮮牛奶的貨架期為15.7 d。

3 結(jié)論

感官品評是了解全脂鮮牛奶產(chǎn)品感官品質(zhì)變化較為直觀的方式，而電子舌和電子鼻檢測均可以有效識別不同貯藏溫度和時間下全脂鮮牛奶整體特性的差異及大小。隨著貯藏時間的延長，全脂鮮牛奶樣品與初始狀態(tài)下的樣品相比，電子舌ED值不斷加大，電子鼻氣味距離也不斷上升，說明全脂鮮牛奶品質(zhì)在呈現(xiàn)有規(guī)律的下降趨勢。同時，研究中樣品貯藏溫度在4～30 ℃之間，溫度的增加會使電子舌ED值和電子鼻氣味距離的變化加快，即全脂鮮牛奶的品質(zhì)下降速度變快。全脂鮮牛奶的電子舌ED值和電子鼻氣味距離的變化，符合零級反應動力學模型的規(guī)律，結(jié)合Arrhenius方程，建立電子舌貨架期的預測方程以及電子鼻貨架期的預測方程在明確感官品質(zhì)變質(zhì)點的前提下，得到電子舌ED臨界值7.52和電子鼻氣味距離臨界值0.11，分別求得全脂鮮牛奶貨架期為16.2 d和15.7 d，與該款產(chǎn)品包裝上標注的實際保質(zhì)期15 d相比，預測誤差分別為8.0%和4.7%，均控制在可接受范圍內(nèi)。

基于電子鼻氣味距離預測的全脂鮮牛奶貨架期比基于電子舌ED值預測的結(jié)果偏差更小，說明氣味距離這項電子鼻指標在貨架期預測上具備一定的適用性，而利用電子舌ED值指標的預測精度有待進一步提升。本研究中出現(xiàn)的貨架期預測偏差可以通過對感官品評方法、電子鼻和電子舌檢測時的實驗條件（如樣本前處理、傳感器穩(wěn)定性、特征值提取方法等）以及電子舌的差別度算法的優(yōu)化進一步減小，形成一套精確度高、操作步驟簡便、檢測速度快的全脂鮮牛奶貨架期預測模型。