电子鼻在干酪风味检测中的应用

王 宠梁 琪甘伯中乔海军张卫兵

（1.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学理学院，甘肃 兰州 730070）

电子鼻在干酪风味检测中的应用

王 宠1梁 琪1甘伯中1乔海军2张卫兵1

（1.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学理学院，甘肃 兰州 730070）

以不同种类、不同成熟阶段干酪产生的特征风味化合物为依据，综述电子鼻在识别干酪种类、测定干酪成熟期、评价干酪质量以及检测干酪发酵剂等方面的应用，并总结电子鼻的特点以及在干酪中的应用前景。

电子鼻；干酪；风味；识别；质量评价

干酪以独特的风味深受人们的喜爱，它含有3 000多种风味物质，包括原料乳中的风味化合物及成熟过程中基质在酶和微生物作用下产生的风味化合物［1］，这些风味化合物的形成与干酪的种类、使用的发酵剂有关［2］。目前中国有关干酪风味研究的资料较少，对干酪风味物质的研究也主要集中在固相微萃气质联用分析（SPME－GC－MS）和同时蒸馏萃取气质联用分析（SDE－GC－MS）等方面，对干酪的特征风味研究鲜有报道；而国外在干酪风味研究方面已取得较大成果，并可对干酪中复杂的风味成分进行分析［3］。

电子鼻是20世纪90年代发展起来的一种新颖的分析、识别和检测复杂嗅味和挥发性成分的人工嗅觉装置［4］，它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，它能够快速、精确检测多种不同挥发性化合物，并且能识别、控制干酪加工过程和检测干酪质量，具备了传统方法在检测干酪风味物质方面无法企及的优势。

1 电子鼻的发展历程及测定原理

1.1 电子鼻的发展历程

1964年，Wilkens等［5］提出对嗅觉过程的电子模拟，这是有关电子鼻的最早报道，第二年Buck［6］利用气味调制电导与接触原理进行了“电子鼻”的研究，Dravieks［7］利用接触电势的变化实现了气体的测量，但是作为气体分类用的智能化学传感器阵列的概念一直到1982年英国Persaud等［8］在利用SnO2气体传感器模仿哺乳动物嗅觉系统的结构和机理，对几种有机挥发性气体进行类别分析时提出了由气敏传感器阵列和模式识别系统组成的“人工鼻”的概念，开创了电子鼻研究的先河。1987年英国Warwick大学召开的第八届欧洲化学传感研究组织年会，重点提出了“模式识别”的概念，引起了学术界广泛的兴趣；1990年举行了第一届国际电子鼻学术会议，电子鼻的研究从此进入快速发展阶段。1993年，Pearce［9］等首次把传感器应用在啤酒检测上，而且还很快鉴别出一种人为感染的啤酒和未被感染的酒。继而英国Gardner等给出了电子鼻的定义［10］，即“电子鼻是由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置”，从此电子鼻的研究取得突飞猛进的进展，并且出现了商品化的电子鼻，比较著名的有法国的 Alpha MOS、德国的 Airsense、瑞士的Smart Nose等公司提供的电子鼻设备，标志着电子鼻技术进入快速发展阶段。

1.2 电子鼻的测定原理

电子鼻是由传感器阵列、信号处理、模式识别和结果输出部件组成的气味扫描仪。主要部件为半导体传感器阵列，现在常用的主要有：金属氧化物半导体传感器（MOS）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、导电聚合物气敏传感器（CP）、表面声波传感器（SAW）、石英微天平（QMB）［11］等。当风味物质暴露于传感器阵列时，将和传感器相互作用，并且产生瞬间响应，不同传感器对特定风味化合物灵敏度较高，而对其它化合物不太灵敏并且阵列中的每一个传感器对特定风味物质有唯一的响应图谱，经过模式识别系统将传感器产生的电信号转换成数字信号录入计算机中，再将这些信息与建立的数据库中的信息加以比较，识别所感受气体的气味［12］。它与其它风味检测仪器（GC、GC－MS、HPLC等）不同的是，得到的是挥发性风味化合物的“指纹图谱”，即整体信息［13］，同时还可利用气敏传感器构成阵列对多种气体的交叉敏感性进行测量，通过适当的分析方法，实现混合气体分析。

2 电子鼻在干酪中的应用

近年来电子鼻在干酪中的应用越来越广泛，主要用在干酪成熟期测定，干酪识别，质量评价以及发酵剂检测等方面。

2.1 电子鼻在干酪成熟期测定中的应用

随着成熟时间的增加，干酪中的蛋白质和脂肪等发生降解产生特定的风味化合物。检测蛋白质、脂肪等理化指标可以确定干酪的成熟期，但是所需时间较长，费用也较高。利用电子鼻的不同传感器对干酪中的风味成分产生特定响应信号，可以对不同成熟期的干酪进行区分。Trihaasa等［14］用8个MOS传感器的电子鼻分析了4个不同批次96个Danish blue cheese（10℃储存4周），证明了电子鼻的输出信号能够检测干酪成熟过程中主要特征的变化，这种变化与pH 4.6可溶性氮、脂肪测定结果一致，验证干酪的不同成熟阶段产生不同的风味化合物，但是随着成熟时间的增加风味化合物含量会发生变化。电子鼻的QMB阵列与大量风味化合物分子相结合，可以区分因成熟期不同而产生的不同的羰基化合物，Bargon等［15］利用这一原理测定 Emmental cheese中2－庚酮的含量，由此可以判断干酪的成熟度。田怀香等［16］进一步利用MOS传感器的电子鼻对特定气味组分产生的响应信号，测定不同成熟期（0，7，15，30，60，90d）Cheddar cheese，证明成熟60d的干酪产生了主要风味化合物，从而基本形成了干酪的特征风味。衣宇佳等［17］用 MOS传感器的电子鼻分析干酪不同成熟阶段的特征气味，7～30d干酪在气味上差别较小，但与成熟60～90d的干酪仍有一定差别，说明30d之前干酪虽发生蛋白质与脂肪的降解，但尚未形成干酪的特征风味；成熟60d与90d气味差别较小，贮存60d干酪已基本成熟。Contarini等［18］将电子鼻和GC－MS的测定结果做了对照，同时测定成熟20d和4个月的Ewe's cheese，验证了GC－MS会使很多挥发性物质分解，而电子鼻能够较准确的测定干酪的成熟期。

电子鼻的传感器与不同成熟期风味化合物相结合产生不同的指纹图谱，随着指纹图谱的变化可以确定干酪的成熟期，并且不需要测定风味化合物。Benedetti等［19］用10个MOSFET和12个MOS传感器的电子鼻测定Crescenza干酪的成期，证明了电子鼻预测干酪的货架期与传统的方法（测定酸度、颜色、质构等）预测结果相似。郭奇慧等［20］通过配有10MOS传感器的电子鼻测定成熟期为1个月、6个月、2年的市售干酪样品，用PCA方法进行分析数据，不同成熟期的干酪样品数据点分布于各自区域并且没有重叠，表明随着干酪成熟时间的增加，样品的挥发性成分发生较大变化。Drake等［21］用 MS/NCI传感器的电子鼻测定11种不同公司生产的成熟6个月Cheddar cheese。由于不同成熟阶段干酪产生的风味化合物不同，所以风味化合物质量数不同，电子鼻利用风味化合物的质量数可以区分不同成熟阶段的干酪。

2.2 电子鼻在干酪识别中的应用

干酪根据产地、原料乳品质、加工工艺不同可分为不同品种。每一种干酪都有其特殊的风味，所以对特征风味化合物的分析是电子鼻在干酪中应用的基础。

Pillonel等［22，23］用 MS传感器的电子鼻测定来自欧洲不同国家（奥地利、法国、芬兰、德国和瑞士）的20个Emmental cheese（成熟期为2.5～4个月），采用PCA和DFA分析方法对样品进行分类，不同产地干酪的PCA分析数据落入不同区域并且每种干酪都有一两处特殊的区域，分辨率达到90%～100%。

贾宗艳等［24］用配备6个MOS传感器的电子鼻鉴定出4种不同Swiss cheese（脱脂、33%脂肪、全脂、标准），分析了干酪中主要挥发性风味物质，并且将电子鼻分析结果与SPME－GC－FID分析结果做比较，SPME分析主要挥发性风味化合物，当挥发性风味化合物数目超过30种时分类就会失败［25］；而电子鼻能够准确分析复杂的挥发性成分。芦莜菲等［26］进一步利用E－Nose－1000型电子鼻识别3种原味干酪（cheddar干酪、mozzarella干酪、gouda干酪）和两种再制干酪（片状cheddar再制干酪、cheddar烟熏味再制干酪），3种原味干酪的主成分分析图分布于不同区域，可以很容易区分不同干酪；cheddar干酪和cheddar再制干酪的主成分分析图差别较大，故用电子鼻很容易区分。

不同种类干酪都有其特征风味化合物。电子鼻对干酪的识别主要利用不同干酪风味化合物的指纹图谱不同即风味化合物的数据分析结果落入不同的区域［27］，由此识别不同种类的干酪，而GC－MS等只能得到风味化合物的响应峰，由峰高和峰面积确定主要风味化合物，并不能得知其特征气味且准确识别干酪。

2.3 电子鼻在干酪质量评估中的应用

干酪质量是由感官特性和人工嗅觉评定，但是在一定程度上包含了很多人为因素，具有不可重复性。电子鼻测定干酪的顶空风味化合物、气味特征以及与干酪相关的化合物等评价干酪质量。Harper等［28］描述了电子鼻和感官阈值分析测定挥发性化学成分的异同，电子鼻测定的是顶空瓶上部挥发性化合物，并且配备的MOS气态传感器与干酪风味化合物之间发生响应，信号能够准确描述干酪的风味化合物特征，而感官评价会受咀嚼时产生挥发性成分的影响，只能用“A”、“B”等划分干酪的等级，所以电子鼻比感官评价更能准确测定挥发性化学成分，Patrick［29］对成熟一个月的Cheddar cheeses样品进行质量评估，证明了干酪感官评价不适合为等级评定提供详细的解释，所以电子鼻在干酪等级评估中发挥重要作用。

Patrick等［30］用含有 MOS气态传感器的电子鼻评估Cheddar cheeses干酪（1999年5月生产，成熟6个月）质量和市场等级，将数据用ANOVA和PCA分析数据，发现干酪的等级是由干酪加工工艺和生产设备所引起的。Trihaas等［31］做了进一步的证明，他们利用用12个CP传感器的电子鼻预测两个不同的乳品加工单位、相同方法制作的Danish blue cheese成熟过程（成熟5，8，12，20周）产生的风味化合物，并且和GC－MS检测结果作对照，对干酪质量进行评估并且计算产品合格率。电子鼻和GC－MS评价结果相差不大并且能够检测出干酪中25种主要风味化合物，并且它检测速度快、费用低、不像GC－MS那样受提取条件、化学试剂和操作人员的熟练程度等影响，使检测结果不稳定。

2.4 电子鼻在检测干酪发酵剂种类中的应用

干酪中的风味化合物主要是由干酪中的微生物分解乳糖、乳脂肪和蛋白质产生的［32］。利用电子鼻测定不同微生物分解乳糖、脂肪、蛋白质产生的芳香化合物，可以推测出起始发酵剂的种类。Laurent［33］利用MS传感器的电子鼻测定Gruyere干酪中分离出的34株标准菌株和62株干酪乳杆菌，将菌株在高压灭菌乳中培养10d后，不同菌株产生的芳香化合物不同。电子鼻将风味化合物分子按质量比进行分离后，测定分子的准确质量，从而确定化合物的组成［34］，所以电子鼻可用于区别干酪样品的菌群和检测产生芳香化合物的菌株。Fergal［35］等进而根据成熟干酪产生的特征风味化合物，推导出不同干酪的起始发酵剂。

分解干酪最主要的微生物是乳酸菌，需要筛选一类基因型相近的菌株，单独分解干酪后由产生的芳香化合物分析菌株分解干酪的过程，最后还需鉴定菌株。目前尚未有关各种发酵剂分解干酪的代谢过程，所以此方法还需进一步成熟。

3 展望

与传统检测技术相比，电子鼻在不需要前处理并且极少使用有机溶剂的条件下快速测定样品气味的整体信息，产生“指纹”图谱，提供样品的隐含性质，避免了人体感官测定中的主观因素及其它的人为误差，提高了测定的精确度，而且可以避免人工测定嗅味中因吸入样品对健康带来的影响，是一种新颖的、“绿色”的仿生检测技术，在干酪识别、主要风味物质测定、质量评价中有较大贡献。但是电子鼻技术至今尚不能定量测定芳香化合物的含量，如果将电子鼻与质谱连用，既能测定干酪中风味化合物种类，又能测定其含量，这将会是干酪风味化合物测定中的又一次进步。

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Application of electronic nose in detecting cheese flavor

WANG Chong1LIANG Qi1GAN Bo－zhong1QIAO Hai－jun2ZHANG Wei－bing1

1.College of Food Science and Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou，Gansu730070，China；2.College of Natural Sciences，Gansu Agricultural University，Lanzhou，Gansu730070，China

It summarizes the electronic nose use cheese flavor compounds to recognize different kinds of cheese，detect the shelf－life，control the quality of cheese，at the same time，analyze microbiological parameters of cheese.The prospect of electronic nose applied in cheese and summarizes the characteristics of electronic nose.

electronic nose；cheese；flavor；distinguish；quality control

10.3969/j.issn.1003－5788.2012.02.068

教育部科学技术研究重点项目（编号：210225）；甘肃省高等学校研究生导师科研项目（编号：1002－12）

王宠（1986－），女，甘肃农业大学在读硕士研究生。E－mail：chongw0606＠163.com

梁琪

2011－11－01