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?duì)I養(yǎng)食品研究北京市工程實(shí)驗(yàn)室，營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209；2.蒙牛高科乳制品（北京）有限責(zé)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(fèi)者喜愛。隨著社會(huì)發(fā)展，人們生活品質(zhì)得到提升，低溫奶快速走進(jìn)消費(fèi)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(dāng)或貯藏時(shí)間過長便會(huì)成為滋養(yǎng)微生物的溫床，進(jìn)而發(fā)生酸敗[2-3]，鮮牛奶品質(zhì)也會(huì)隨之下降，直至到達(dá)其貨架期終點(diǎn)。因此，保證牛奶品質(zhì)的穩(wěn)定并對(duì)其變化進(jìn)行有效的預(yù)判研究受到了廣泛關(guān)注[4-6]。

目前，針對(duì)食品的貨架期研究主要基于溫度動(dòng)力學(xué)、感官評(píng)分、理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)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(biāo)和感官品質(zhì)的變化，得到各指標(biāo)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(píng)分、pH值等變化規(guī)律，并建立動(dòng)力學(xué)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(qiáng)，難以保證其穩(wěn)定性。而理化指標(biāo)和衛(wèi)生指標(biāo)則需要一系列化學(xué)分析，操作復(fù)雜，耗時(shí)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(shí)別液體成分，采用6 個(gè)惰性金屬電極代替仿生脂質(zhì)膜傳感器對(duì)樣品進(jìn)行滋味檢測的儀器。電子鼻則是通過識(shí)別氣體成分，利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)信號(hào)和模式識(shí)別算法進(jìn)行評(píng)價(jià)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(biāo)為基礎(chǔ)建立動(dòng)力學(xué)模型的研究較少。本實(shí)驗(yàn)以全脂鮮牛奶作為研究對(duì)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(píng)分的變化規(guī)律，結(jié)合零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和Arrhenius方程，建立貨架期預(yù)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(tuán)）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(jì)的4 個(gè)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(shí)際出廠、運(yùn)輸、鋪貨以及銷售者購買后可能的存放習(xí)慣，便于建立更為完善的全脂鮮牛奶品質(zhì)評(píng)估體系。

蒸餾水，氯化鈉、氯化鉀（均為分析純） 國藥集團(tuán)化學(xué)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(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)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(píng)價(jià)

組建由12 位經(jīng)驗(yàn)豐富評(píng)價(jià)員組成的評(píng)價(jià)小組，通過感官評(píng)價(jià)，監(jiān)測全脂鮮牛奶的色澤、組織狀態(tài)、風(fēng)味3 項(xiàng)感官指標(biāo)在貯藏過程中的變化情況[18-19]，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表1[20]，若感官評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)電子舌傳感器進(jìn)行活化及預(yù)熱30 min，預(yù)檢樣品，將信號(hào)波動(dòng)控制在正常范圍內(nèi)（絕對(duì)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(shí)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(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化后，對(duì)樣品原始信號(hào)值進(jìn)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(jì)算樣品間的ED值進(jìn)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(shí)驗(yàn)采用ED值表示差別度的大小。在二維平面上兩點(diǎn)a（X1，Y1）與b（X2，Y2）間的距離計(jì) 算對(duì)每一類樣品求得中心點(diǎn)后，以中心點(diǎn)之間的ED代表類與類之間的ED值，其計(jì)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(jì)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(shí)間120 s，流量150 mL/min；進(jìn)樣量1 000 μL，注射速率1 000 μL/s。對(duì)不同貯藏溫度和時(shí)間下的全脂鮮牛奶樣本進(jìn)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(duì)樣品點(diǎn)進(jìn)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(shí)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(yù)測模型

大多數(shù)食品的品質(zhì)與時(shí)間關(guān)系表現(xiàn)出零級(jí)或一級(jí)反應(yīng)，本次實(shí)驗(yàn)中，通過前期預(yù)實(shí)驗(yàn)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(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，見式（1）：

式中：t為樣品的貯藏時(shí)間/d；A0為樣品初始品質(zhì)指標(biāo)值；A為樣品貯藏t時(shí)間后的品質(zhì)指標(biāo)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(biāo)和相應(yīng)的貯藏時(shí)間并建立零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，求得k值后，即可建立Arrhenius方程。

Arrhenius方程是描述反應(yīng)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(duì)溫度/K。

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

結(jié)合零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Arrhenius方程，得到全脂鮮牛奶品質(zhì)指標(biāo)的貨架期零級(jí)動(dòng)力學(xué)預(yù)測模型，見式（3）：

式中：SL為全脂鮮牛奶的貨架期時(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 全脂鮮牛奶各項(xiàng)重要指標(biāo)的變化

2.1.1 感官評(píng)分的變化

如圖2所示，以初始狀態(tài)的全脂鮮牛奶樣品評(píng)分100 分為起點(diǎn)，隨著貯藏時(shí)間的延長，樣品感官品質(zhì)呈下降趨勢，且溫度越高，感官評(píng)分下降越快。微生物腐敗引起的變質(zhì)，導(dǎo)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(yīng)、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(diǎn)，對(duì)鮮牛奶的貨架期整體貨架期長短有非常直接影響。預(yù)估得到不同溫度貯藏條件下的感官品質(zhì)臨界點(diǎn)分別為4 ℃臨界點(diǎn)33.8 d，15 ℃臨界點(diǎn)12.2 d，23 ℃臨界點(diǎn)5.8 d和30 ℃臨界點(diǎn)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(yù)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(biāo)的貨架期臨界值，求得貨架期預(yù)測終點(diǎn)。

圖2 全脂鮮牛奶感官指標(biāo)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(duì)設(shè)備采集的信號(hào)值進(jìn)行PCA，將4、15、23 ℃和30 ℃四個(gè)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(shí)間的樣品信號(hào)值進(jìn)行比較，然后計(jì)算樣品之間的ED值，將不同樣本之間的差異進(jìn)行量化。ED值變化可以直觀展現(xiàn)不同貯藏時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間的延長，產(chǎn)品的氣味也發(fā)生變化。當(dāng)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(shí)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(diǎn)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(shí)，隨著貯藏時(shí)間的延長，牛奶中的嗜冷菌逐漸增多，開始產(chǎn)生不良風(fēng)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(shí)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(dǎo)致全脂鮮牛奶中的牛奶香氣慢慢消失，不良風(fēng)味開始出現(xiàn)[31]。

圖4 全脂鮮牛奶氣味距離隨貯藏時(shí)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(píng)價(jià)全脂鮮牛奶品質(zhì)變化的指標(biāo)之一，結(jié)合零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和Arrhenius方程建立全脂鮮牛奶的貨架期預(yù)測模型并預(yù)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(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合，如圖5所示。全脂鮮牛奶4 ℃的ED值按照零級(jí)反應(yīng)擬合時(shí)，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(gè)樣本點(diǎn)均勻的分布在直線兩側(cè)，擬合效果較好。在15 ℃時(shí)，貯藏7 d時(shí)，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(shí)，貯藏14 d時(shí)，ED值有明顯變化，其余貯藏期間較緩。30 ℃時(shí)，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(shí)別的信號(hào)波動(dòng)或ED值的差異衡量方式不夠完善，導(dǎo)致個(gè)別樣本點(diǎn)仍存在偏差或漂移，但基本符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)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(jí)動(dòng)力學(xué)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(jí)動(dòng)力學(xué)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(jí)方程獲得的不同貯藏溫度下反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)lnk為縱坐標(biāo)，熱力學(xué)倒數(shù)1/T為橫坐標(biāo)，進(jìn)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(jìn)而得到電子舌全脂鮮牛奶貨架期的預(yù)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(shí)現(xiàn)鮮牛奶感官貨架期的預(yù)測，將感官品評(píng)結(jié)果與電子舌檢測結(jié)果對(duì)比并以樣品品質(zhì)時(shí)間點(diǎn)作為聯(lián)結(jié)點(diǎn)，將感官品評(píng)獲得的樣品品質(zhì)時(shí)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(píng)價(jià)獲得的結(jié)果：4 ℃的感官臨界點(diǎn)33.8 d，15 ℃的感官臨界點(diǎn)12.2 d，23 ℃的感官臨界點(diǎn)5.8 d，3 0 ℃的感官臨界點(diǎn)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(yù)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(gè)溫度下ED臨界值的平均值7.52代回電子舌貨架期預(yù)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(biāo)建立零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，并結(jié)合Arrhenius方程建立全脂鮮牛奶的貨架期預(yù)測模型并預(yù)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(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合，得到零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，如表3所示。隨著貯藏溫度升高，零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的斜率呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，同時(shí)，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(jí)動(dòng)力學(xué)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(jí)動(dòng)力學(xué)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(jí)方程獲得的不同貯藏溫度下反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)lnk為縱坐標(biāo)，熱力學(xué)倒數(shù)1/T為橫坐標(biāo)，進(jìn)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(jìn)而得到電子鼻全脂鮮牛奶貨架期的預(yù)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(yù)測方程，利用不同貯藏溫度下感官品評(píng)的產(chǎn)品品質(zhì)變化臨界點(diǎn)，推算電子鼻氣味距離臨界值。將全脂鮮牛奶感官評(píng)價(jià)獲得的結(jié)果：4 ℃的感官臨界點(diǎn)33.8 d，15 ℃的感官臨界點(diǎn)12.2 d，23 ℃的感官臨界點(diǎn)5.8 d，30 ℃的感官臨界點(diǎn)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(yù)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(gè)溫度下ED臨界值的平均值0.11代回電子鼻貨架期預(yù)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(píng)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(shí)別不同貯藏溫度和時(shí)間下全脂鮮牛奶整體特性的差異及大小。隨著貯藏時(shí)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(shí)，研究中樣品貯藏溫度在4～30 ℃之間，溫度的增加會(huì)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(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的規(guī)律，結(jié)合Arrhenius方程，建立電子舌貨架期的預(yù)測方程以及電子鼻貨架期的預(yù)測方程在明確感官品質(zhì)變質(zhì)點(diǎn)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(biāo)注的實(shí)際保質(zhì)期15 d相比，預(yù)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(yù)測的全脂鮮牛奶貨架期比基于電子舌ED值預(yù)測的結(jié)果偏差更小，說明氣味距離這項(xiàng)電子鼻指標(biāo)在貨架期預(yù)測上具備一定的適用性，而利用電子舌ED值指標(biāo)的預(yù)測精度有待進(jìn)一步提升。本研究中出現(xiàn)的貨架期預(yù)測偏差可以通過對(duì)感官品評(píng)方法、電子鼻和電子舌檢測時(shí)的實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yù)測模型。