电子鼻技术在乳品生产与质量控制中的应用
2010-04-14兰会会胡志和
兰会会,胡志和*
(天津市食品生物技术重点实验室,天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津 300134)
电子鼻技术在乳品生产与质量控制中的应用
兰会会,胡志和*
(天津市食品生物技术重点实验室,天津商业大学生物技术与食品科学学院,天津 300134)
电子鼻能够分析识别和检测复杂风味及成分,检测具有快速、客观、准确等特点。本文介绍电子鼻的基本构成和工作原理,综述其在乳品货架期测定、不同工艺乳品分类、原料乳掺假检验、乳制品中特定成分的测定、乳中微生物分析、不同产地牛乳的区分等乳品生产过程与质量控制中的应用。
电子鼻;乳制品;质量控制
Abstract:Electronic nose technique has the ability to analyze, identify and detect both complex flavor and composition and electronic nose detection is characterized by rapidity, objectivity, accuracy, and so on. This article presents the primary frame and working principles of an electronic nose system and summarizes the applications of electronic nose technique in dairy production and quality control, such as detecting the shelf-life of dairy products, classifying dairy products produced using different processing technologies, determining special components in dairy products, analyzing microbiological parameters of milk and milk products, distinguishing dairy products from different producing areas, and so on.
Key words:electronic nose;dairy products;quality control
电子鼻是20世纪90年代发展起来的一种新颖的、能分析识别和检测复杂风味及大多数挥发成分的仪器。1994年Gardner等[1]曾给出过定义“电子鼻是一种由具有部分选择性的化学传感器阵列和适当的模式识别系统组成,能识别简单或复杂气味的仪器”。近年来,由于电子鼻检测的最主要优点是无需对样品本身进行任何处理,且具有快速、客观、准确、重复性好的特点,因此对电子鼻的研究越来越受到人们的欢迎。随着研究的深入,电子鼻的应用领域也越来越广泛,在食品、医药、环境检测、医疗卫生、公安与军事、航空等多方面都有应用[2],尤其是在酒类、肉类、茶叶、水果成熟及贮藏期、香精识别等方面都取得了很好的结果[3-6]。食品评价中,气味是一个很重要的评价指标。利用电子鼻检测克服了以往人工评价的主观性及重复性差等缺点,同时也避免了使用GC、GC-MS及化学方法等费用高、周期长的劣势,从而能快速的反映出食品加工、贮藏等过程中的食品安全问题。
本文介绍电子鼻的基本构成及工作原理,并对其在乳品货架期测定、不同工艺乳品分类、原料乳掺假检验、乳制品中特定成分的测定、乳中微生物分析、不同产地牛乳的区分等乳品生产过程与质量控制中的应用进行综述。
1 电子鼻的组成及工作原理
电子鼻主要由样品处理系统、检测系统(传感器阵列)及数据处理系统3个部分组成。采用气敏传感器阵列的电子鼻可以仿效人工嗅觉感知气体。样品处理系统:有一个内置泵吸气,空气净化装置净化空气,通过高纯载气将样品气体吸入;检测系统:由传感器阵列组成。传感器阵列有多种,主要有金属氧化物半导体(MOS)电导型、导电聚合物(CP)电导型、石英晶体微秤(QCM)型、表面声波(SAW)型、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)型。此外电子鼻使用的传感器还有红外线(IR)、质量传感器、电化学传感器等[7-8]。 数据处理系统:电子鼻带有自身的数据处理软件,如主成分分析法(principal component analysis,PCA)、线性判别式分析法(linear discriminant analysis,LDA)、判别因子分析(discriminate function analysis,DFA)、统计质量控制(statistical quality control,SQC)、偏最小二乘法(PLS)、货架期(shelf life,SL)、气味指纹(scent fingerprint,SF)等[9]。
电子鼻的工作原理类似于人体的嗅觉系统,其工作的机理为:首先所检测样品中挥发性气体成分与传感器阵列接触,作出响应产生电信号,后转化为数字信号,被传送到计算机软件系统的模式识别单元,由计算机对数据记录并作出处理分析,进而由电子鼻软件作出比较鉴别。电子鼻中的气敏传感器阵列是其核心部分,由多种传感器组成。其中每种传感器对被测气体的气体成分有不同的灵敏度,由此电子鼻才可以对多种气体作出响应,得到响应图谱,进而模式识别系统通过产生的响应图谱来识别气体[10-11]。
目前比较著名的电子鼻系统有英国的Neotronics system和AromaScan system、德国的Airsense、法国的Alpha MOS系统、美国的CyranoScience、瑞士的SMartnose、日本的Frgaro、中国台湾省的Smell和Keen Ween[12-13]等。
2 电子鼻在乳品生产中的应用
牛奶质量检验方法常用感官分析以及理化指标和卫生指标分析。食品感官分析是食品质量、食品安全和营养性的重要指标,一般由人工完成。感官分析的方法虽然能够得到牛奶的整体信息,但主观性强,分析结果的可靠性难以保证。而理化指标和卫生指标的控制则需要进行一系列的化学分析,操作繁琐,测定时间长。随着检测新技术的发展,一些新型的快速检测技术和评价方法不断涌现,如近红外光谱技术检测牛乳的品质[14]、超声波技术检测牛乳成分等[15]。
近年来发展迅速的电子鼻和电子舌等仿生技术,由于能够快速反映出被测样品的整体特征信息,所以在乳制品品质及货架期监控等方面的应用研究异常活跃[16]。电子鼻可以将检测到的各种不同气味转化为不同的信号,并与已建立的模型信号进行比较判断。目前对气味进行的分析判定,大部分企业一般依靠专业的品评员,但人工判定受主观因素的影响较大,判定结果会随年龄、心情、性别、识别能力、语言表达能力的不同而不同。电子鼻技术由于具有检测快速、操作简单、灵敏度高、重现性好等优点而被用于乳品气味的测定,从而可以准确客观的控制产品质量,使产品质量得到保障。由于乳制品成分复杂,目前电子鼻技术在乳品工业中的应用还比较少。
2.1 电子鼻技术应用于乳制品货架期、成熟期的测定
乳品是一种短期存放的食品,如果超过一定的储存期不但会降低其营养价值,而且还会导致乳品腐败变质,从而不利于人体健康。不同储存期的乳品,由于其存放时间的长短不同以及微生物的作用等各种原因,造成其中的营养成分发生变化,同时挥发性成分也会变化,进而造成气味的差异。因此,利用电子鼻对乳品气味进行检测分析,可以对不同储存期的乳品进行区分。
Labreche等[17]将电子鼻应用于牛奶货架期的测定,他们利用具有18个金属传感器阵列的FOX-4000 (Alpha-MOS, Toulouse FR),分别对置于室温和5℃条件下的牛奶进行52d的测定,在不同时间间隔进行测定,同时进行微生物3MTMPetrifilmTMtest测定。实验表明,利用电子鼻可以对牛奶的货架期进行预测,并且可以检测不同储存时间其微生物的生长变化。
郭奇慧等[18]将电子鼻应用于对不同气味的原奶检测,目的在于寻找一种快速有效的方法以实现对原奶的质量控制。实验中采用AIRSENSE PEN3电子鼻来检测30个原奶样本的气味,然后用主成分分析(PCA)和判别函数分析(DFA)对实验数据进行了分析处理,结果表明,电子鼻可以准确地区分优质原奶、异味原奶,所建优质-异味原奶模型也能够准确识别优质原奶,但不能准确识别所有异味原奶。
对于市售的各种纯牛奶,生产企业都给出了明确的保质期,在此保质期间,质量一般不会发生变化。但如果包装破损或包装开封后,牛奶的质量如何变化成为受关注的问题。殷勇等[19]选用在气敏传感器阵列动态响应中不同时刻的响应值来表征蒙牛乳业生产的利乐砖包装方式的无封装纯牛奶测试样本,借助于主成分分析(PCA)、Fisher判别分析(FDA)研究了牛奶开封后不同存放天数的质量变化情况,并给出了最优表征区间。结果表明:用电子鼻分析无封装条件下牛奶质量的变化是一种有效手段。
电子鼻可以对不同成熟阶段的干酪进行气相顶空分析[20],实验分析得出电子鼻可以区分由相同原料乳生产而储存时间不同的干酪。另外电子鼻还可以对不同温度、不同储存时间中干酪的顶空空气进行分析,实验表明电子鼻能够检测干酪成熟过程中的主要变化[21]。
2.2 利用电子鼻对不同加工工艺乳品气味的区分
奶制品生产中最重要的是牛奶的质量控制,牛奶的气味是反映牛奶质量的一个重要指标,因此,牛奶挥发性成分的测定已经成为牛奶检测的一项重要指标。2001年,意大利的Capone等[22]用电子鼻的5个不同的SnO2传感器对巴氏杀菌乳和超高温杀菌(UHT)乳进行了测定区分,此外还对牛奶酸败的动力学过程进行了测定。传感器响应得到的数据通过PCA分析,可以得知其品质优劣和整个腐败过程,并且在奶制品生产工业上已经开始应用于质控分析。实验中,传感器有较好的可重复性,并且响应时间很短,约为2~3min。电子鼻应用在奶制品中最大的优势就是可以进行在线控制,这是其他任何方法所不能比拟的。
Collier等[23]用电子鼻 Fox 4000TM(Alpha MOS,France)区分4种鲜乳制品、4种酸乳样品、4种发酵和未发酵的乳制品,结果表明电子鼻能够很好区分这些产品。
电子鼻可以用于奶味香精的区分。Wang等[24]利用包含18个金属氧化物半导体传感器的FOX电子鼻对人工合成奶味香精、天然奶味香精和酶促奶味香精3种不同奶味香精进行检测,并结合SPME-GC-MS和感官检验的方法进行比较。通过PCA分析数据与GC-MS结果比较,表明电子鼻能够准确快速的辨别出3种奶味香精,第一成分贡献率可达94%,同时电子鼻对3种奶味香精的分类和感官分析结果一致。
不同加工工艺的干酪风味差异很大。电子鼻对不同种类的干酪(脱脂、33%脱脂、全脂、标准瑞士干酪和英国契达干酪)分类,结果同感官分析及SPME-GC-FID分析的结果一致[25]。
2.3 电子鼻对乳制品中特定成分的检测
脂肪酸是乳中重要的香味成分,脂肪酸含量越高,香气越强烈。但如果脂肪酸含量过高,产物就会出现明显的酸败味,严重影响产品的质量和风味,因此,对奶油中脂肪酸含量的控制是非常重要的。
电子鼻可以应用于奶油酸值的快速测定[26]。基于FOX3000型电子鼻可以对不同酶解程度的奶油做酸值线性模型分析,建立最小回归定量分析模式(PLS)的酸值标准曲线,拟合度可达到0.9938,表明奶油酸值与电子鼻传感器信号之间具有良好的线性关系。对未知酸值的奶油快速检测,准确性可达93.85%,此方法便于实验室和工业化生产使用。
2.4 电子鼻技术在乳品掺假中的应用
由于我国奶牛以散养为主,组织化程度低,牛奶质量难以控制,牛奶掺假、掺杂等问题十分突出。掺假不仅严重损害了乳品企业以及消费者的利益,同时给人们的生命安全带来了威胁。到目前为止, 国内对乳制品的质量监控缺少一种快速而有效的方法,利用电子鼻检测掺假牛乳将是一种快速可行的监控手段。
2.4.1 牛乳中掺假脂肪的检测
牛奶品质的主要指标为蛋白质含量和脂肪含量。在国外脂肪含量已作为牛乳品质的一项重要评价指标,其检测原料乳中脂肪掺假的手段主要有气相色谱,近红外、高效液相色谱,质谱等方法。利用电子鼻来检测脂肪掺假,是近几年采取的一种较新、较快速的方法。
利用电子鼻可以对牛乳中掺入的外来脂肪进行测定。李照等[27]采用Alpha M.O.S公司的Fox 4000电子鼻对混有不同浓度的外来脂肪样品的气味进行检测,该电子鼻系统有18个金属氧化物传感器,结果采用主成分分析(PCA)、判别因子分析(D FA)、偏最小二乘分析(PLS)、质量控制分析(SQC)对数据进行处理。通过PCA、DFA分析得出混有外来脂肪的牛奶与原奶之间有着明显差异,通过SQC也可得出混有外来脂肪的样品和未混有外来脂肪的样品有明显差异,在一定的置信区内掺假1‰就能检测出来。此外还有对混有脂肪的比例进行PLS拟合性分析,拟合相关系数可达0.9630。
2.4.2 牛乳中掺水的检测
掺水是牛奶掺假的一种主要方式。乳品加工企业若收购了这种原料奶,会造成以下不良后果:1)牛奶干物质下降影响产品的品质;2)影响产品的风味;3)影响酸奶的凝固状态。
徐亚丹等[28]采用德国AIRSENSE公司的PEN2便携式电子鼻(portable electronic nose)对掺水纯奶进行了检测,该电子鼻包含10个金属氧化物传感器阵列。实验中利用电子鼻对纯牛奶和不同掺水量的牛奶进行了测定,结果表明:当纯牛奶中掺水体积分别为12.5%、25%、37.5%、50%时,电子鼻均能准确地区分它们,并且根据纯牛奶的浓度在LDA分析图中有规律地分布。在PCA分析图中,高浓度奶与低浓度奶被明显地区分,可以借此来判别牛奶的浓度。
2.4.3 牛乳中掺入外来蛋白的检测
牛奶中蛋白含量是牛奶质量检测的一项主要指标。徐亚丹等[28]采用德国AIRSENSE公司的PEN2 便携式电子鼻对纯奶和不同添加量的外来蛋白牛奶进行了检测。结果表明:电子鼻可以根据不同气味准确地区分纯牛奶与奶粉奶;奶粉奶添加比例为20%~40%时,电子鼻可以根据气味的浓度区分它们。
2.5 电子鼻技术在乳中微生物检测方面的应用
微生物的存在导致牛乳变质失去原有的乳香,而且可能产生一些有毒有害的物质,使牛乳不可食用。牛奶中微生物的含量是评价牛奶质量的一个重要指标,对于所有乳制品来说,微生物含量对最终产品质量也是十分重要的。电子鼻依据不同种微生物产生的代谢产物之间的差异,对牛乳中不同的腐败菌种类及其生长规律进行研究。这些气味物质以及由它们组成的气味指纹图谱可以做为微生物鉴定与检测的潜在依据。
Magan等[29]利用具有14个传感器的电子鼻区分未变质牛奶和感染了细菌或酵母菌的牛奶,同时可以有效地区分含3种不同浓度(1×106、3.5×108、8×108CFU/mL)的致金色假单胞菌的牛奶。
电子鼻可以跟踪识别牛乳腐败的动力学过程并对其货架期进行预测。电子鼻对储存室温和5℃两种不同条件下的牛乳跟踪监测,结果发现细菌的生长情况和电子鼻所测信号之间存在较好的相关性[17]。
喻勇新等[30]使用包含18根金属氧化物(MOS)半导体传感器的FOX型电子鼻检测食源性致病菌-单增李斯特菌不同培养时间的挥发性代谢产物的变化规律,并辅以顶空-固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术(HS-SPMEGC-MS)对这些产物进行定性分析,用化学计量学方法对其挥发性代谢产物与细菌数量进行线性拟合。结果采用主成分分析法得到该技术能够很好的区分不同培养时间的单增李斯特菌(L. monocytogenes),表明在培养8h后该菌的挥发性代谢产物发生了显著性的变化。此外还利用HS-SPME-GC-MS对以上培养液的挥发性代谢产物进行了具体分析,得出该菌在6h开始产生3-羟基-2-丁酮,并且随着时间的延长其含量逐渐变大,同时也验证了电子鼻实验的结论,即单增李斯特菌在培养8h左右其挥发性代谢产物发生了显著变化。随后,利用偏最小二乘法分析了培养液中的单增李斯特菌数量与电子鼻信号的线性关系,线性范围在106~108CFU/mL之间,相关系数R2=0.9937。由此也充分证明了电子鼻技术有足够的灵敏度对这些挥发性代谢产物进行聚类和区分。因此,电子鼻技术在食源性致病菌定量检测上具有一定的应用潜力,有望在食品安全领域得到更广泛的应用。
2.6 利用电子鼻区分正常牛乳和乳房炎乳
在当今世界各国奶牛业中,乳房炎(mastitis)是造成损失最严重的一种疾病,也是一种严重的人畜共患病。乳房炎乳的检测方法多种多样,主要有肉眼观察法、SCC检验和细菌检查法,除上述的检测方法以外,还可以利用乳房炎乳与正常乳之间存在的某些酶的活性、pH值和电导率等的差异来检测乳房炎乳[31]。近些年来电子鼻也被应用在正常牛乳和乳房炎乳的区分中。
电子鼻可以对取自患有急性乳房炎奶牛的牛乳和健康奶牛的牛乳进行检测。利用金属氧化物半导体场效应管(MOSEFT)与CO2传感器结合检测乳房炎乳与健康牛乳,采用PCA模型分析得出,乳房炎牛乳和取自同一奶牛的正常乳房或健康奶牛乳房中的牛乳可以被区分开来,同时结合GC-MS测定不同牛乳的成分,结果发现它们之间的挥发性物质存在着差异性和相似性[32]。
2.7 电子鼻技术在牛乳产地区分方面的应用
不同牧场生产的乳制品其营养价值的差异主要是由于不同牧场的牧草影响奶牛牛乳中特殊的化学成分的转化,并且可以影响瘤胃动物的微生物群和动物的新陈代谢,因而对牛乳的气味影响较大。为了维护消费者的利益,需要及时的检测不同牧场来源的牛乳。目前,电子鼻已应用于阿尔卑斯山不同牧场牛乳的检测,检测数据采用多元方差分析(MANOVA)、LDA和化学统计法(MPLS)。实验结果表明,电子鼻能很好的区分不同产地的牛乳[33]。
由于产地的不同干酪的风味会有较大的差异。不同产地的干酪可以采用基于MS的(SMART)电子鼻来区分。Pillonel等[34]的实验分析了来自5个不同国家(奥地利、法国、芬兰、德国和瑞士)的干酪制品,实验中对20个样品进行了分类,通过PCA和DFA分析,得出对样品的分辨率可达90%~100%。而对于对照组,感官评定小组则由于整体风味形成的时间太短而无法准确分类。
3 电子鼻应用展望
电子鼻作为一种新颖的检测仪器,可以快速获取被测样品的整体特征信息,具有常规检测无可比拟的优势。因而电子鼻可以部分替代感官评价,避免品评人员主观差异性造成的影响,在乳制品的质量控制及货架期监控等方面具备独特优势。尽管电子鼻技术仍处于不断研究发展中,但大量的研究证明其在食品工业中,尤其在乳制品生产中的质量控制与监测、新产品开发和风味物质评估等方面已取得了令人满意的成果。
电子鼻目前的应用受到了周围环境、传感器灵敏度、模式识别分析等方面的限制,传感器材料、传感器阵列构造、信号漂移等各方面都会影响电子鼻的灵敏度。但随着现代科学技术的不断发展,这些方面都有待继续开发研究,最终电子鼻将会向集成化、微型化和智能化的方向发展,其功能将会更加强大,应用前景将会更加广阔。
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Progress in the Applications of Electronic Nose in Dairy Production and Quality Control
LAN Hui-hui,HU Zhi-he*
(Tianjin Key Laboratory of Food and Biotechnology, College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134, China)
TS252.7
A
1002-6630(2010)17-0467-05
2010-07-04
兰会会(1985—),女,硕士研究生,研究方向为食品生物技术。E-mail:lanhuir111@163.com
*通信作者:胡志和(1962—),男,教授,硕士,研究方向为专用功能食品。E-mail:hzhihe@tjcu.edu.cn