基于电子鼻的桑葚采后品质预测

石国英，高思宇，韦静静，房皓，黄晓杰

(辽宁医学院 食品科学与工程学院，辽宁 锦州，121001)



基于电子鼻的桑葚采后品质预测

石国英，高思宇，韦静静，房皓，黄晓杰*

(辽宁医学院 食品科学与工程学院，辽宁 锦州，121001)

摘要以桑葚为研究对象，以失重率、腐烂指数和感官评分为指标，结合电子鼻检测，探究20℃和4℃贮藏条件下桑葚果实品质变化规律。结果表明：失重率、腐烂指数均随着贮藏时间的延长而呈现不同程度的增加，而感官评分逐渐下降。桑葚果实挥发性气体成分随着贮藏时间的延长也发生了明显的变化。利用PCA、LDA方法能有效区分桑葚果实的贮藏期，总体来看，电子鼻分析结果与感官分析的结果基本一致，即电子鼻可用于快速评价桑葚品质。

关键词温度；贮藏期；主成分分析；线性判别分析；负荷加载分析

桑葚(mulberry fruit)，又称桑果、桑枣，为桑科落叶乔木桑树的成熟果穗，每年4～6月份果实成熟[1]。桑葚味甘性寒，酸甜汁多，营养丰富，富含鞣酸、苹果酸、多种维生素和人体必需的氨基酸及Zn、K、Mg、P等微量矿质元素，成熟桑葚含有丰富的花色苷化合物，具有良好的保健功能[2]。桑葚最大弱点是不耐贮藏，采收后极易失水、衰老腐败。桑葚果实贮藏过程中随果实衰老其挥发性物质也会发生改变，因此，建立基于电子鼻检测桑葚果实挥发物质来判断其品质具有可行性。

电子鼻技术是基于传感器阵列对不同种类气味的特定响应，结合化学计量学方法进行判别、聚类分析，具有快速、无损、重复性好的特点，广泛用于果蔬新鲜度、成熟度判别、病害检测等[3]。张鹏[4]等利用电子鼻对不同货架期内的富士苹果挥发性物质进行检测，结果显示电子鼻可快速判别不同货架期的苹果。胡桂仙[5]等利用电子鼻对柑橘的成熟度进行了无损检测分析，建立了电子鼻响应与成熟度之间的关系，证明了电子鼻能够检测区分不同成熟度的柑橘。朱丹实[6]等通过电子鼻技术结合感官分析对鲜切菠萝的贮藏品质变化进行研究，研究结果显示电子鼻分析结果与感官分析的结果基本一致，即电子鼻可用于快速评价菠萝贮藏品质。樊丽[7]等利用电子鼻和气相色谱-质谱联用技术研究嘎啦苹果在20 ℃贮藏期间芳香品质的变化，结果表明，通过线性判别分析可以将不同贮藏期的苹果区分开。近年来，电子鼻在果蔬品质评价中的应用越来越广泛，但关于电子鼻对桑葚品质评价的研究还未见报道。本研究在20℃和4℃条件下贮藏桑葚，通过电子鼻对不同贮藏温度下桑葚果实的挥发性气体进行检测，结合理化、感官指标的测定，分析其变化趋势，利用主成分分析(PCA)、线性判别分析(LDA)和负荷加载(Loadings)方法研究了电子鼻对不同贮藏温度下果实区分效果。

1材料与方法

1.1材料与仪器

桑葚，2015年6月采自辽宁锦州北普陀山； 紫外可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；TGL-16G高速离心机，飞鸽牌系列；MIR-254-PC低温保存箱，松下健康医疗器械株式会社；PEN3型便携式电子鼻，德国Airsense公司。

1.2实验方法

1.2.1样品处理

挑选大小，色泽，外形均匀一致的桑葚果实，每125g为一组装于保鲜盒内，分别在20℃和4℃，相对湿度85%～90%条件下贮藏，20℃贮藏的果实每1d测定相关品质指标，4℃贮藏的果实每2d测定相关品质指标，每次测定重复3次。

1.2.2失重率的测定

(1)

1.2.3腐烂指数测定

参照陈学红[8]等的方法测定，腐烂指数以桑葚果实表面发生汁液外漏、软化或腐烂现象作为判断依据。按腐烂面积将果实划分为4级：0级，无腐烂；1级，果实有1～3个小腐烂斑点；2级，腐烂面积占果实面积的25%～50%；3级，腐烂面积大于果实面积的50%，按照公式计算果实腐烂指数：

(2)

1.2.4感官评价

取电子鼻检测后的桑葚果实，由10位感官评定人员进行打分，采用五分制[9]，感官评分表见表1，结果取平均值。

表1　桑葚感官评分表

1.2.5电子鼻检测

取贮藏的桑葚果实，回温0.5h至室温后，一个样本(含5粒桑葚)放入250 mL烧杯中，并用保鲜膜封口，静置15 min后用PEN3电子鼻测定桑葚的挥发性气味。仪器设定条件为：传感器清洗时间80 s，自动调零时间10 s，样品准备时间10 s，样品测试时间80 s，样品测定间隔时间1s，自动稀释0，内部流量300 mL/min，进样流量300 mL/min。选取测定过程中趋于稳定的第50～52 s数据进行后续分析，每次测量前后，传感器均要进行清洗和标准化，每个处理重复测定10次。PEN3型便携式电子鼻传感器性能描述见表2。

表2　电子鼻传感器名称与其响应物质

1.3数据处理

采用电子鼻Winmuster分析软件进行主成分分析(principal component analysis，PCA)，线性判别分析(linear discrimination analysis，LDA)和负荷加载分析(loadings，LA)。SPSS软件进行统计分析，P<0.05表示差异显著，P<0.01表示差异极显著。

2结果与分析

2.1桑葚失重率的变化

失重率的变化直接影响到桑葚的新鲜度，由图1可以看出，随着贮藏时间的延长，温度的升高，桑葚的内部呼吸作用和蒸腾作用加快，导致其失重率提高[10]。20℃贮藏的桑葚果实失水速度显著高于(P<0.05)4℃贮藏果实，贮藏初期果实失重率升高明显，贮藏3d失重率达到20.45%，而后失重率增加缓慢。4℃贮藏果实在贮藏初期失重率增加缓慢，贮藏6d失重率大幅度增加。

图1　20℃和4℃贮藏条件下桑葚失重率的变化Fig.1　Changes in weight loss of mulberry fruits during storage at 20 ℃ and 4 ℃

2.2桑葚腐烂指数的变化

腐烂指数是衡量桑葚新鲜度的重要指标，桑葚室温条件下容易腐烂。如图2所示，20 ℃条件下贮藏桑葚果实的腐烂指数呈快速上升趋势，贮藏3 d腐烂指数已经达到70.89%，而低温有利于维持桑葚采后贮藏品质，4 ℃贮藏条件下，桑葚果实在贮藏前4 d差异不明显，第6天开始，果实开始出现轻微腐烂，腐烂指数为10.23%，低温有利于延长桑葚果实的贮藏期。

图2　20℃和4℃贮藏条件下桑葚腐烂指数的变化Fig.2　Changes in decay rate of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

2.3桑葚感官品质的变化

感官形态是判断桑葚果实采后品质特性变化最直观的方式，随着贮藏时间的延长，桑葚的感官评分呈现持续下降的趋势。贮藏温度越高，感官评分下降速率越快。20℃贮藏2d果实的感官评分为2.5分，4℃贮藏6 d果实的感官评分为2.9分，根据感官评定标准可知，此时果实已不具有食用价值。

2.4电子鼻检测结果

2.4.1电子鼻雷达图

对不同温度贮藏条件下的桑葚果实气味变化进行电子鼻检测，雷达结果如图4和图5所示。雷达图是利用电子鼻的不同传感器所检测到的不同类型挥发物质的特征图。10个坐标轴代表10个传感器，传感器的响应值越高就越向圆心靠近[4]。由图4和图5可知，传感器1、2、3、6、7、8、9对桑葚鲜果气味有响应，20℃贮藏的桑葚果实贮藏初期，雷达图的外形和面积明显减小，贮藏2d仅传感器7有较大响应值，贮藏末期雷达图面积变化不明显，这与果实的理化指标变化一致。4℃贮藏果实在贮藏初期，雷达图的外形和面积变化不明显，贮藏6d后面积显著减小，这可能是果实因衰老而特征香气损失，整个贮藏过程中，传感器2对果实挥发性物质均有相应，这与20℃贮藏结果不同。不同贮藏温度、不同贮藏时间桑葚特征雷达图的不同传感器响应值均有差异，因此，利用电子鼻区分不同温度贮藏条件下的桑葚果实是可行的。

图3　20℃和4℃贮藏条件下桑葚感官评分的变化Fig.3　Changes in sensory evaluation of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

图4　20 ℃贮藏条件下桑葚果实挥发性物质的雷达图Fig.4　Radars charts of the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20 ℃

图5　4 ℃贮藏条件下桑葚果实挥发性物质的雷达图Fig.5　Radars charts of the volatile substance of mulberry fruits during storage at 4 ℃

2.4.2主成分分析结果

主成分分析(PCA)是利用降维的思想，在损失较少信息的前提下将多个指标转化为几个综合指标的统计方法，在PCA分析图上显示主要的两维散点图。能够很好地展示样品间的差异，可提高分析效率[11]。图6是不同贮藏温度下桑葚果实的PCA分析图，20℃贮藏和4℃贮藏桑葚的主成分1和主成分2的贡献率分别为98.62%和89.86%，1.28%和8.51%，总贡献率分别为99.9%和98.37%，表明2个主成分已经基本代表了样品的主要信息特征，电子鼻能够对其贮藏时间加以区分。20℃贮藏的桑葚果实第0天和第1天的挥发性物质成分区域较为接近，说明20℃贮藏1 d桑葚果实挥发性物质变化不大，而贮藏2 d时挥发性物质成分区域与0、1 d距离较远，3 d和4 d果实的挥发性物质成分区域与2 d距离较远，说明桑葚果实挥发性物质在贮藏2、3 d有变化，可以作为新鲜度变化的拐点，3 d和4 d果实的挥发性物质成分区域有部分重叠，说明果实在第3天已经出现衰老腐烂。4℃贮藏的桑葚果实0、4、6、8 d的挥发性物质成分区域可以明显区分开来，而2 d的挥发性物质成分区域与0、4 d有部分重叠，说明果实在4℃贮藏前4 d挥发性物质变化不大，用PCA分析可以对不同贮藏期的桑葚果实进行区分。

a-20 ℃贮藏；b-4 ℃贮藏图6　20℃和4℃贮藏条件下桑葚果实挥发性物质的PCA分析Fig.6　PCA analysis for the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

2.4.3线性判别分析结果

线性判别分析(LDA)是将所获取的信息数据经线性组合而构造的判别函数，其可以最大限度地区分不同的样本集[12]。图7是不同贮藏温度下桑葚果实的LDA分析图，20℃贮藏和4℃贮藏桑葚的主成分1和主成分2的贡献率分别为81.16%和95.46%，15.25%和2.02%，总贡献率分别为96.41%和97.48%，表明2个判别式已经基本代表了样品的主要信息特征，20℃贮藏的桑葚果实第3天和第4天有部分重叠，这与PCA分析结果一致。4 ℃贮藏的桑葚果实椭圆区域在图7-b中有较好的变化趋势，随着贮藏时间延长，椭圆区域沿横轴向左迁移，且几乎不重叠，说明LDA分析能很好地区分不同贮藏温度下桑葚果实的挥发性成分。

a-20 ℃贮藏；b-4 ℃贮藏图7　20 ℃和4 ℃贮藏条件下桑葚果实挥发性物质的LDA分析Fig.7　LDA analysis for the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20 ℃ and 4 ℃

2.4.4载荷分析结果

载荷分析(Loadings，LA)用于判断传感器对挥发性气味的贡献率，传感器的响应值越接近零，识别作用越小；越偏离零，识别能力越强[13]。图8是不同贮藏温度下桑葚果实的Loadings分析图，桑葚果实在20 ℃和4 ℃下的Loadings分析，总贡献率分别为99.9%、98.37%。对20 ℃贮藏的桑葚果实挥发性成分贡献率最大的是W1W(7)和W1S(6)，W5S(2)和W2S(8)2个传感器也有较大贡献。对4 ℃贮藏的桑葚果实挥发性成分贡献率最大的是W1W(7)和W2S(8)，W1S(6)传感器也有较大贡献。表明桑葚果实在贮藏过程中挥发性气味中的萜烯类含量较高，芳香成分和醇类也占有一定比例。20 ℃和4 ℃贮藏的果实挥发性成分差异不大。

a-20 ℃贮藏；b-4 ℃贮藏图8　20℃和4℃贮藏条件下桑葚果实挥发性物质的LA分析Fig.8　LA analysis for the volatile substance of mulberry fruits during storage at 20℃ and 4℃

3结论

桑葚果实在20 ℃和4 ℃贮藏过程中，其失重率、腐烂指数均随着时间的延长而呈现不同程度的增加，而感官评分逐渐降低。桑葚果实挥发性气体成分随着贮藏时间的延长也发生了明显的变化。利用PCA、LDA方法能有效区分桑葚果实的贮藏期，并同时运用于20 ℃和4 ℃贮藏果实。Loadings分析表明，传感器W1W(7)、W2S(8)、W1S(6)和W5S(2)等在判断不同贮藏期的桑葚果实品质上起到了较大的作用，主要传感器相对电阻值随贮藏时间体现一定变化规律。桑葚果实在20 ℃和4 ℃贮藏过程中，其理化指标的变化和挥发性气体的变化趋势一致，20 ℃贮藏的果实在第3天出现腐烂，而4℃贮藏的果实在第6天出现腐烂。

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Prediction of postharvest mulberry fruits quality by electronic nose

SHI Guo-ying, GAO Si-yu, WEI Jing-jing, FANG Hao, HUANG Xiao-jie*

(College of Food Science and Engineering, Liaoning Medical University, Jinzhou 121001, China)

ABSTRACTIn order to evaluate the quality of mulberry stored during 20 ℃ and 4 ℃, the changes of the weight loss, decay rate, sensory evaluation were measured. The volatile odor was determined by electronic nose. The results indicated that the weight loss and decay rate increased gradually and sensory evaluation decreased during storage at 20 ℃ and 4 ℃. And the volatile substance of mulberry also changed remarkable during storage. Electronic nose could identify mulberry stored at different temperature by PCA and LDA methods. Overall，results by electronic nose analysis were consisted with sensory analysis which indicated that electronic nose technique could be used in rapid evaluating quality of mulberry.

Key wordstemperature; storage periods; principal component analysis; linear discrimination analysis; loadings

收稿日期：2015-08-01，改回日期：2015-09-16

基金项目：2014年辽宁省大学生创新创业项目(201410160047)；2014年全国大学生创新创业训练计划项目；2014年辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2014325)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201603034

第一作者：本科生(黄晓杰副教授为通讯作者，E-mail:food_xiaojie@163.com)。