肖 虹，謝 晶，佟 懿

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306）

電子鼻在冷卻肉貨架期預(yù)測模型中的應(yīng)用

肖 虹，謝 晶*，佟 懿

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306）

冷卻肉，電子鼻，貨架期，主成分分析，動力學(xué)模型

肉類食品是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚氖称罚鋮s肉［1］以其新鮮、肉嫩、味美、營養(yǎng)、衛(wèi)生的優(yōu)點受到消費者的青睞。在貯藏、流通等過程中，由于酶、微生物和外界環(huán)境等的作用，會引起冷卻肉的腐敗變質(zhì)，產(chǎn)生不良風(fēng)味，致使品質(zhì)下降，貨架期縮短［2-3］。氣味是消費者評價冷卻肉品質(zhì)及其接受程度最重要的品質(zhì)特征之一［4］。人工鑒別氣味受主觀因素影響大，而將客觀、準(zhǔn)確、快捷的電子鼻技術(shù)應(yīng)用于冷卻肉的貨架期預(yù)測中，將使感官鑒別更加客觀化、數(shù)量化，為氣味和品質(zhì)等的鑒定提供參考數(shù)據(jù)。該技術(shù)在近年已被應(yīng)用于水產(chǎn)品［5］新鮮度，蘋果［6］、牛奶［7］貨架期等的研究中，在豬肉新鮮度及其品質(zhì)的檢測中也有所應(yīng)用，柴春祥等人［3］用電子鼻技術(shù)檢測了豬肉在不同實驗條件下（5、15、25℃）揮發(fā)性成分的變化，考察了保存溫度和時間對豬肉揮發(fā)性成分的影響。Hansen等人［8］將生鮮豬肉制成豬肉糜糕，采用感官評定、電子鼻和GC-MS方法，用多變量分析來預(yù)測生鮮食品的終點品質(zhì)。本文利用傳感器型電子鼻技術(shù)對不同貯藏溫度下經(jīng)不同貯藏時間的豬肉樣品進行氣味分析，并結(jié)合菌落總數(shù)、揮發(fā)性鹽基氮值（TVBN）等理化指標(biāo)的變化，建立豬肉氣味、理化指標(biāo)隨貯藏溫度和時間變化的動力學(xué)模型，預(yù)測豬肉貨架期，從而為監(jiān)測和控制流通中冷卻肉品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豬后腿瘦肉 從臨港新城集貿(mào)市場購買新鮮豬肉并用冰桶運回，材料預(yù)處理：將豬肉分割后在冰水中清洗，并在干凈的冰上瀝干，后裝入已滅菌的培養(yǎng)皿中，貯藏在273、280、283、293K的條件下，用于菌落總數(shù)、揮發(fā)性鹽基氮（TVBN）的測定以及電子鼻分析。

電子鼻系統(tǒng) Alpha FOX4000，法國；自動凱氏定氮儀 FOSS KEJET 2300，瑞士；三星 BCD-191GNS（E）冰箱，超凈工作臺，恒溫培養(yǎng)箱，理化干燥箱，高壓蒸汽滅菌鍋，數(shù)顯示恒溫水浴鍋。

1.2 實驗方法

在實驗過程中，每天取樣進行氣味分析，菌落總數(shù)和揮發(fā)性鹽基氮值指標(biāo)的測定，其中貯藏在280、283、293K條件下的樣品，每天進行兩次電子鼻分析。樣品各指標(biāo)的詳細分析時間見表1。

表1 豬肉各指標(biāo)分析時間

1.2.1 氣味指紋分析

1.2.1.1 電子鼻系統(tǒng) 由18根金屬氧化物傳感器（MOS）陣列、頂空自動進樣裝置（HS100）和數(shù)據(jù)處理等部分組成。

1.2.1.2 樣品準(zhǔn)備 稱取2g攪碎的豬肉裝入10mL小瓶內(nèi)，加蓋密封，每個樣品制備重復(fù)6次。

1.2.1.3 電子鼻檢測的分析參數(shù) 如表2所示。

表2 樣品分析參數(shù)

1.2.1.4 電子鼻數(shù)據(jù)處理 利用電子鼻系統(tǒng)自帶的Alphasoft11.0統(tǒng)計分析軟件對采集的豬肉樣品的數(shù)據(jù)信息進行多變量統(tǒng)計分析，包括：主成分分析（PrincipalComponentAnalysis，PCA）與貨架期（Shelflife，SL）分析。通過統(tǒng)計學(xué)分析，可以獲得豬肉貯藏于不同溫度下氣味隨時間變化的相關(guān)信息。

1.2.2 菌落總數(shù)的測定 按GB-T4789.2-2003［9］進行操作。

1.2.3 揮發(fā)性鹽基氮（TVBN）的測定 利用自動定氮儀測定，參考鄧輝萍［10］的方法并略有修改。

1.3 豬肉貨架期預(yù)測模型

1.3.1 Arrhenius方程 在273、277、283、293K貯藏條件下可分別得到豬肉的TVBN值、菌落總數(shù)值。利用得到的數(shù)據(jù)做圖，確定反應(yīng)級數(shù)，計算反應(yīng)常數(shù)，得到該反應(yīng)的Arrhenius方程［11］：

式中：k0：指前因子（又稱頻率因子）；EA：活化能，J/mol或cal/mol；T：絕對溫度，K；R：氣體常數(shù)，8.3144J/（mol·K）；k0和EA都是與反應(yīng)系統(tǒng)物質(zhì)本性有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)。

活化能EA的數(shù)值可利用Arrhenius公式求出：

式中：k1、k2對應(yīng)T1、T2溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)，T1、T2：熱力學(xué)溫度，K。

1.3.2 Q10模型 Arrhenius關(guān)系式的主要價值在于：可以在高溫（低1/T）下收集數(shù)據(jù)，然后利用外推法獲得其它貯藏溫度下的貨架壽命，由式（2）求得EA，從而獲得Q10模型［12］：

式中：Q10：溫差10K時品質(zhì)降低速度的比值［13］；θs：貨架壽命，h。

1.3.3 豬肉貨架期預(yù)測模型的建立 本實驗根據(jù)Arrhenius方程對活化能EA和Q10的計算并對照電子鼻Alphasoft11.0軟件求得的豬肉在不同貯藏溫度下氣味變化的SL分析值，獲得豬肉在不同溫度段內(nèi)273～283、283～293K的Q10貨架期預(yù)測模型［13］，從而預(yù)測豬肉在該兩個溫度段內(nèi)不同貯藏溫度點的貨架期（h）：

由式（3）可推導(dǎo)為：

豬肉貨架期預(yù)測模型：

式中：T0：已知的較大貯藏溫度點；T：所要求貨架壽命的溫度點；θs：貨架壽命，h；T0＞T。式（5）是根據(jù)式（4）變換而來，以計算貨架期。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007對豬肉理化指標(biāo)進行分析以及對動力學(xué)模型參數(shù)計算，并利用電子鼻Alphasoft11.0軟件對不同貯藏溫度下豬肉氣味隨時間變化進行PCA與SL分析。

表3 不同貯藏溫度下豬肉菌落總數(shù)、TVBN的變化

2 結(jié)果與討論

2.1 豬肉在不同貯藏溫度下新鮮度指標(biāo)限值的確定

由表3可知，貯藏在不同溫度下的豬肉隨著貯藏時間的延長，其TVBN值與菌落總數(shù)值均呈現(xiàn)上升的趨勢；可見，兩個指標(biāo)的變化有著相同的變化趨勢。豬肉的新鮮度可分為一級鮮度、二級鮮度和變質(zhì)肉三個等級［14］。豬肉在280K條件下貯藏104h后，其TVBN值相對于初始值增加了5.38倍，超過二級鮮度的標(biāo)準(zhǔn)。貯藏在283K條件下的豬肉，貯藏了80h后，其菌落總數(shù)由原來的2.4E+02 cfu·mg-1增長到了6.1E+07 cfu·mg-1，超過了豬肉二級鮮度的標(biāo)準(zhǔn)，同時TVBN值也超過了二級鮮度的標(biāo)準(zhǔn)。因此，將TVBN和菌落總數(shù)二級鮮度極限值對應(yīng)的時間作為豬肉貨架壽命終點時間。

經(jīng)過回歸擬合（見表3），豬肉在不同貯藏溫度下的TVBN值與菌落總數(shù)值變化均符合一級化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型規(guī)律（R2＞0.9）。

2.2 豬肉的電子鼻PCA分析

PCA分析是一種多變量統(tǒng)計分析方法，可以對多維矩陣數(shù)列進行降維處理，在PCA分析圖上顯示主要的二維圖，即用較少的變量來分析豬肉貯藏于不同溫度下?lián)]發(fā)性氣味隨時間變化的相關(guān)性［15］。

由圖1可以看出，豬肉的揮發(fā)性氣味隨著貯藏時間的延長而發(fā)生改變，貯藏于283、293K溫度條件下的豬肉的PCA圖是不同的。283K下第一主成分（PC1）的貢獻率達93.85%，PC1與PC2累積貢獻率達99.168%，貢獻率越大，說明主成分可以將原始高維矩陣數(shù)據(jù)的信息較好地反映出來。由圖1a發(fā)現(xiàn)，樣品貯藏的前68h，隨著貯藏時間的增加，樣品沿PC1軸向右，沿PC2軸先向上、后向下分布，由于樣品本身品質(zhì)變化不大，電子鼻檢測時數(shù)據(jù)分布比較集中，所以在PCA分析圖中的圖譜分布比較集中。而貯藏了80h后，樣品沿PC1軸向左、沿PC2軸向上分布，且在PCA圖上的分布發(fā)生明顯變化；圖譜在橫坐標(biāo)上的距離越大，說明樣品間氣味差異越大。通過分析表3中的TVBN值和菌落總數(shù)發(fā)現(xiàn)，樣品在貯藏了80h后，其品質(zhì)發(fā)生明顯改變，超過了二級鮮度標(biāo)準(zhǔn)。可以得出，樣品氣味的變化與品質(zhì)理化指標(biāo)的變化是同步的，這在PCA圖上可以得到很好的顯現(xiàn)。貯藏于293K下的PCA圖中PC1貢獻率達到了93.003%，PC1與PC2貢獻率之和達到了99.105%。隨著貯藏時間的增加，樣品沿PC1軸向左，沿PC2軸先向上，后向下分布。32h是一個突變點，分析表3可知，此時樣品品質(zhì)發(fā)生較大的變化，下降到二級鮮度標(biāo)準(zhǔn)，與PCA圖的分析結(jié)果也有很好的對應(yīng)性。通過電子鼻的PCA分析可得，電子鼻能對在283K與293K溫度條件下貯藏不同時間的豬肉氣味進行很好的區(qū)分。

2.3 豬肉的電子鼻Shelflife分析

Alphasoft統(tǒng)計分析軟件有Shelflife分析功能，可根據(jù)不同貯藏溫度下豬肉的氣味變化進行貨架期分析，即以PCA分析為基礎(chǔ)，將貯藏于不同溫度下樣品氣味隨時間變化的傳感器響應(yīng)值的重心差距作為縱坐標(biāo)，以時間作為橫坐標(biāo)，來表示貯藏過程中樣品氣味的變化。通常以初始測定的樣品氣味強度的重心值作為原點，隨著貯藏時間的延長，若氣味強度減弱，則樣品分析值為負，曲線呈現(xiàn)下降趨勢；反之則為正值，曲線呈現(xiàn)上升趨勢［16］。

通過對豬肉氣味變化的SL分析，由圖2可以看出，貯藏于283、293K溫度條件下的豬肉的氣味變化較大，且兩條曲線呈現(xiàn)上升趨勢，即傳感器對豬肉氣味變化的感應(yīng)呈增強的趨勢。80h和32h分別是貯藏在283K和293K溫度下豬肉氣味變化的突變點，可以很好地解釋在對豬肉的氣味進行PCA分析過程中283K和293K溫度下氣味主成分方向分別在80h和32h發(fā)生改變的原因。通過分析表3發(fā)現(xiàn)，在293K下的豬肉貯藏32h時，其TVBN與菌落總數(shù)將達到二級鮮度極限值。豬肉在283K溫度下貯藏了80h后，其品質(zhì)發(fā)生明顯的改變，TVBN值和菌落總數(shù)超過了二級鮮度標(biāo)準(zhǔn)。SL分析也說明電子鼻分析豬肉氣味的變化，與理化品質(zhì)指標(biāo)變化有較好的對應(yīng)關(guān)系。

表4 豬肉在兩個溫度段上活化能EA和Q10的計算值

圖2 貯藏于283、293K下豬肉的Shelflife分析圖

2.4 豬肉的貨架期預(yù)測模型及驗證

通過三個溫度點分別為273、283、293K，與其對應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)k，獲得1/T對lnk的回歸擬合方程，并根據(jù)式（2），求得EA1和EA2。由此，運用式（3）可獲得273～283、283～293K兩個溫度段的Q10值，具體結(jié)果見表4。

由表4發(fā)現(xiàn)，在兩個溫度段下，TVBN值所對應(yīng)的Q10和EA值與菌落總數(shù)所對應(yīng)的Q10和EA值是不同的。通過lnk回歸擬合方程的相關(guān)性系數(shù)，以確定最終的Q10值與EA值。由表4得到TVBN的lnk回歸擬合方程的相關(guān)性系數(shù)較之菌落總數(shù)lnk回歸擬合方程的相關(guān)性系數(shù)有著更好的擬合效果，因此，選擇TVBN在不同溫度段下的Q10值與EA值。

通過電子鼻獲得的豬肉貯藏在283K下氣味變化的SL分析結(jié)果，得到在此溫度下貨架期分析值為80h，即將豬肉在283K貯藏過程中氣味變化的貨架期終點確定為80h。由此將貯藏于283K下獲得理化品質(zhì)指標(biāo)的Q10值與氣味變化的貨架期SL分析值代入公式（5），即可獲得豬肉在273～283K低溫度段下任一點溫度T下貨架期預(yù)測模型：

通過該模型計算出冷卻肉在280K條件下貨架壽命為109.336h；按照 NY/T632-2002，冷卻肉的TVBN值在15～25mg/100g范圍內(nèi)為二級鮮度，由表3可知，貯藏在280K溫度下的冷卻肉實際貨架壽命為104h；相對誤差為5.13%。

同理，在高溫度段283～293K內(nèi)任何一點溫度T下貨架期預(yù)測模型：

通過該模型計算出冷卻肉在283K條件下貨架壽命為79.072h；從表3的TVBN值可知其實際貨架壽命為80h；相對誤差為1.16%。

由此可看出，所得貨架期預(yù)測模型能較好地預(yù)測冷卻肉在不同溫度段的貨架壽命，且高溫段的預(yù)測精度要優(yōu)于低溫段，該模型為監(jiān)控和預(yù)測其品質(zhì)變化提供了一定的理論依據(jù)。

3 結(jié)論

［1］NY/T632-2002，冷卻豬肉中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］肖虹，謝晶.不同貯藏溫度下冷卻肉品質(zhì)變化的實驗研究［J］.制冷學(xué)報，2009，30（3）：40-45.

［3］柴春祥，杜利農(nóng)，范建偉，等.電子鼻檢測豬肉新鮮度的研究［J］.食品科學(xué)，2008，29（9）：444-447.

［4］Soncin S，Chiesa L M，Cantoni C，et al.Preliminary study of the volatile fraction in the raw meat of pork，duck and goose［J］. Journal of Food Composition and Analysis，2007（20）：436-439.

［5］張軍，李小昱，王為，等.電子鼻檢測鰱魚新鮮度的實驗參數(shù)優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40（4）：129-132.

［6］張曉華，張東星，劉遠方，等.電子鼻對蘋果貨架期質(zhì)量的評價［J］.食品發(fā)酵與工業(yè)，2007，33（6）：20-23.

［7］Labreche S，Bazzo S，Cade S，et al.Shelf life determination by electronic nose：application to milk［J］.Sensors and Actuators B，2005，106：199-206.

［8］Hansen T，Petersen M A，Byrne D V.Sensory based quality control utilizing an electronic nose and GC-MS analyses to predict end-product quality from raw materials［J］.Meat Science，2005，69：621-634.

［9］GB/T 4789.2—2003.食品中細菌總數(shù)的測定方法［S］.

［10］鄧輝萍，林凱，張紅宇，等.肉類中的揮發(fā)性鹽基氮的自動定氮儀快速測定法［J］.職業(yè)與健康，2005，21（6）：838-839.

［11］Ratkowsky D A，Olley J，McMeekin T A，et al.Relationship between temperature and growth rate of bacterial cultures［J］.J Bacteriol，1982，149：1-5.

［12］Theodore P Labuza，Mary K Schmidl.Acclelerated Shelf-Life Testing of Foods［J］.Food Technology，1985（9）：57-64.

［13］Theodore P Labuza.Application of Chemical Kinetics to Deterioration of Foods［J］.Journal of Chemical Education，1984，61（4）：348-357.

［14］南慶賢.肉類工業(yè)手冊［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2003.

［15］韓麗，趙勇，朱麗敏，等.不同保藏方式南美白對蝦的電子鼻分析［J］.食品工業(yè)科技，2008，29（11）：240-243.

［16］張曉敏，朱麗敏，張捷，等.采用電子鼻評價肉制品中的香精質(zhì)量［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（9）：175-178.

Application of electric nose in shelf life predictive modeling of chilled pork

XIAO Hong，XIE Jing*，TONG Yi
（College of Food Science&Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

chilled pork；electric nose；shelf life；principal compounds analysis；kinetic model

TS251.1

A

1002-0306（2010）12-0065-05

2009-09-07 *通訊聯(lián)系人

肖虹（1985-），女，碩士研究生，研究方向：食品保鮮。

國家863重點項目（2008AA100804）；“十一五”國家科技支撐計劃課題-世博科技專項（2009BAK43B17）；上海市教育委員會重點學(xué)科建設(shè)項目資助（J50704）。