电子鼻检测复合涂膜对中国对虾保鲜的影响

柏 韵,郭雪松,+,张 振,2,*,李 然,*,张立斌,李 亮,张冬阳

(1.锦州医科大学食品科学与工程学院,辽宁锦州 121001; 2.沈阳农业大学食品学院,辽宁沈阳 110866)

中国对虾,又称东方对虾,是我国分布最广的对虾类[1]。具有脂肪含量较低,蛋白质含量丰富的特点,然而,虾肉肌肉组织较松软,死后僵硬期短,自溶作用迅速,导致其新鲜度下降快,易腐败变质,严重影响其营养价值和食用性[2]。因此,虾的保鲜问题已经成为人们研究的热点。传统的保鲜方法是采用低温保存或冷冻保鲜,但单纯的使用这两种方法都无法达到理想的保鲜效果,因此采用天然的保鲜剂延长其保质期成为近年来研究的热点。壳聚糖(chitosan)是由几丁质脱乙酰基后制得的,具有来源广、无毒、无污染的特性,近年来,它作为一种新型的无毒天然的涂膜保鲜剂,正越来越引起人们的关注[3]。目前从气味角度分析中国对虾在贮藏期间品质变化研究分析较少,在腐败过程中气味成分变化规律尚不明确。传统方法利用GC/MS(气相色谱-质谱)联用技术,前处理复杂,测试时间长。电子鼻是通过模拟人类嗅觉系统来实现对检测对象品质评价的仪器,主要通过气味指纹信息对气体或挥发性成分做定性或定量的检测,目前在食品领域已得到广泛应用[4-6]。电子鼻检测技术具有无损检测优点,同时可以对样品进行多重分析[7]。

本实验通过不同涂膜处理对中国对虾进行保鲜,利用电子鼻主成分分析(PCA)方法和线性判别分析(LDA)方法对数据进行处理分析,并且结合感官评价和挥发性盐基氮分析,旨在探究涂膜处理是否能够延长中国对虾的保鲜期,同时利用电子鼻技术是否可以用来鉴别中国对虾的新鲜程度建立一种科学、便捷的评价中国对虾新鲜度的方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

中国对虾 选择平均体重(15±2) g的中国对虾,将鲜虾在1 h内转移至实验室,购自中国锦州市林西路海鲜市场;壳聚糖(脱乙酰度为大于85%,食品级)、卡拉胶 河南洪鑫食化有限公司;ε-聚赖氨酸 山东欣鼎生物科技有限公司;盐酸、氧化镁、硼酸 天津市风船化学试剂科技有限公司。

PEN3便携式电子鼻 传感器阵列由10个金属氧化物传感器组成,德国Airsense公司;FA2004N型分析天平 上海精密科学仪器有限公司;DL-1型电子万用炉 北京市永光明医疗仪器厂;KQ3200B型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料预处理 将购买回的对虾洗净,-4 ℃冰冻致死。

1.2.2 涂膜液的制备 将1.5 g壳聚糖经过超声辅助溶解在含1%冰醋酸的100 mL蒸馏水中[8],制备1.5%的壳聚糖涂膜液,记为壳聚糖组;将0.15 g ε-聚赖氨酸溶解于100 mL蒸馏水中,制备0.15% ε-聚赖氨酸涂膜液,记为ε-聚赖氨酸组;根据预实验响应面结果,得到复合涂膜最佳配比,即将1.5 g壳聚糖、0.15 g ε-聚赖氨酸和0.19 g卡拉胶溶解于含1%冰醋酸的100 mL蒸馏水中,制备复合涂膜液,记为复合组。将购买的中国对虾随机分为四组,无任何处理的记为空白对照组,其余三组分别在不同的保鲜剂中浸泡5 min,取出于鼓风干燥机中,40 ℃ 干燥1 h,分装到聚乙烯无菌密封袋中后,贮藏于4 ℃冰箱中,每2 d测定一次。

1.2.3 电子鼻检测 将虾肉搅碎后称取1 g,置于50 mL小烧杯中,用双层保鲜膜封口,顶空时间20 min。经预实验确定的电子鼻参数为:样品进样速率 300 mL/min,载气速率300 mL/min,清洗时间70 s,检测时间90 s。电子鼻传感器性能描述见表1[9]。

表1 电子鼻传感器性能描述Table 1 Sensor properties of PEN3 electronic nose

1.2.4 感官评定 根据赵海鹏感官评定标准进行改动[10]。评定小组由7名经过一定训练的人员组成(五女两男),虾的评定项目由体表色泽、气味、肌肉形态组成,总分值在9分(非常新鲜)和0分(完全腐败)之间,3分以下为不可接受,具体评分标准见表2。

表2 感官评定评分表Table 2 Sensory evaluation scoring Table

1.2.5 挥发性盐基氮(TVB-N)的测定 参照GB 5009.228-2016食品安全国家标准,食品中挥发性盐基氮的测定[11],按半微量定氮法测定TVB-N。

1.2.6 数据分析方法 通过Winmuster对采集到的数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 电子鼻检测

2.1.1 电子鼻传感器响应值变化分析 如图1所示,图1中每条曲线代表一种传感器的响应值,四种处理方法的响应值在90 s时均可达到稳定,说明将电子鼻的测试时间定为90 s是可行的。不同处理方法的响应值均有明显不同,这表明利用电子鼻PEN3系统检测中国对虾在贮藏过程中的气味变化是可行的。

图1 电子鼻对4种涂膜处理的响应曲线Fig.1 Response curves of electronic nose to 4 kinds of coating treatment

图2为四种处理方法在贮藏第13 d时对中国对虾气味检测的雷达图,从图2中可以看出,电子鼻对虾肉中的挥发性物质有明显响应,其中传感器7(W1W)、传感器2(W5S)和传感器9(W2W)响应值较明显。其中空白组的响应值最大,说明在贮藏期内中国对虾中有大量的硫化物产生。与空白组相比,3种涂膜保鲜效果的响应值均有一定程度的减少,其中复合涂膜组的响应值最小,说明涂膜可以在一定程度上减缓硫化物的生成。电子鼻的雷达图可以直观的区分出四中处理效果的不同,因此,可以利用电子鼻技术检测中国对虾的新鲜程度。

图2 电子鼻对4种涂膜处理的雷达图Fig.2 Radar chart of 4 kinds of coating treatment by electronic nose

2.1.2 不同涂膜处理对虾的电子鼻响应值的PCA分析 如图3所示,采用PCA方法分析在贮藏第13 d时,不同涂膜处理方法对中国对虾的电子鼻响应值。第1主成分贡献率为95.17%,第2主成分贡献率为4.22%,两者之和达到99.39%,可以有效的反映数据中的信息。图3中各处理组之间较为分散,没有任何交叉,说明主成分分析可以将不同涂膜处理的中国对虾区分开来,其中复合涂膜组与空白组相隔最远,说明经过复合涂膜的中国对虾在相同的贮藏期内挥发性物质与空白组有明显的区别,电子鼻检测可以很好的反映此现象。

图3 不同涂膜处理对中国对虾的PCA分析Fig.3 PCA analysis of Chinese shrimp treated with different coatings

2.1.3 不同涂膜处理对虾的电子鼻响应值的LDA分析 图4为不同涂膜处理对中国对虾的LDA分析,LDA分析方法侧重于响应值之间的距离以及响应值在空间中的分布状态的分析。从图4中可知,第1、第2贡献率分别问88.28%和8.22%,两者之和为96.50%。图中四种处理方式同样没有任何重叠且相距较远,说明在同一贮藏天数下经过不同处理方法的中国对虾中挥发性物质有所区别。

图4 不同涂膜处理对中国对虾的LDA分析Fig.4 LDA analysis of Chinese shrimp treated with different coatings

2.1.4 Loadings分析 Loadings分析是对不同传感器的贡献率进行分析,可以用来判别电子鼻的各个传感器的相对重要性[12]。如果某一传感器的响应值接近原点(0,0),则该传感器的识别作用可以忽略不计;而当传感器的响应值越偏离原点,则说明该传感器的识别能力越强[13]。图5为空白样品的Loadings分析图,由图5可知,总贡献率为99.38%,其中传感器W1W(无机硫化物)和W2W(有机硫化物)对第一主成分贡献率较大,W5S(氮氧化合物)和的W1S(烃类物质)传感器对第2主成分贡献率较大,W3S(烷烃)和W6S(氢气)传感器则基本接近原点,其贡献率最小。中国对虾在贮藏期间由于在微生物的作用,肌肉中的蛋白质、氨基酸及其它含氮物质进一步分解成氨气、三甲胺、硫化氢、及组胺等,使虾散发出具有腐败特征的臭味[14],这与电子鼻检测的结果相符,说明通过电子鼻技术可以有效的反映中国对虾在贮藏过程中挥发性物质的变化。

图5 中国对虾的Loadings分析Fig.5 Loadings analysis of Chinese shrimp

2.2 感官评价

如图6所示,中国对虾的感官品质在贮藏期间总体呈现下降趋势,其中无处理的空白组下降的最明显,在第9 d感官评分为3,认定为完全腐败。壳聚糖涂膜组在第11 d彻底腐败,经过壳聚糖涂膜处理的中国对虾表面有一层保护膜,可以阻碍氧化反应的发生,抑制蛋白质变化,增加贮藏时间。ε-聚赖氨酸处理组同样在第9 d达到不可接受值,说明此种处理方法在一定程度上抑制微生物的生长。与单独涂膜处理相比,复合涂膜的效果更有利于延长贮藏时间,在第13 d感官评价值才低于不可接受值,与空白组相比延长4 d。

图6 中国对虾贮藏期间感官评价变化Fig.6 Changes in sensory scores of Chinese shrimp during refrigerated storage

2.3 TVB-N值

挥发性盐基氮是最能反映水产品的新鲜度变化经典评定方法[15]。根据GB 2733-2005,鲜、冻动物性水产品卫生标准[16],海水鱼、虾中挥发性盐基氮的可接受值低于30 mg/100 g。中国对虾贮藏期内TVB-N值变化如图7所示,空白组TVB-N值在第9 d达到29.68 mg/100 g,趋近于可接受值的最高范围。壳聚糖和ε-聚赖氨酸涂膜组的变化较为接近,与空白组相比将贮藏期延长两天,涂膜处理有效的抑制了微生物等的繁殖。与单独涂膜相比,复合涂膜组的TVB-N值变化更为平缓,在第13 d超出标准,比空白组延长4 d。这与感官评价的检测结果相同,说明壳聚糖和ε-聚赖氨酸具有抑菌作用,可以有效的降低细菌对蛋白质的分解,复合涂膜中加入卡拉胶可以增加膜的特性,更好的达到保鲜效果。

图7 中国对虾贮藏期间TVB-N变化Fig.7 Changes in TVB-N values of Chinese shrimp during refrigerated storage

3 结论

采用PCA和LDA两种方法,对不同涂膜处理的中国对虾在同一贮藏时间下的电子鼻响应值进行分析,结果显示,电子鼻检测可以有效的区分四种处理方法,其中PCA分析所得总贡献率略高于LDA分析结果。

采用Loadings负荷加载方法分析,从得到的数据中显示传感器W1W(无机硫化物)和W2W(有机硫化物)对第一主成分贡献率较大,W5S(氮氧化合物)和的W1S(烃类物质)传感器对第2主成分贡献率较大,W3S(烷烃)和W6S(氢气)传感器则基本接近原点,其贡献率接近于零。

感官评价和挥发性盐基氮实验结果表明,经过四种不同处理的中国对虾贮藏期不同,这一结果与电子鼻检测结果一致,说明电子鼻系统可以用来评价中国对虾的新鲜程度。涂膜保鲜可以延长中国对虾的贮藏时间,其中复合涂膜效果优于单独涂膜,与空白组相比可将贮藏期延长4 d。

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