基于电子鼻与电子舌建立牛奶货架期预测模型

毋思敏，于 淼，孙二娜，杨海莺，苏晓霞,，牛天娇,

（1.中粮营养健康研究院有限公司，老年营养食品研究北京市工程实验室，营养健康与食品安全北京市重点实验室，北京 102209；2.蒙牛高科乳制品（北京）有限责任公司，北京 101107）

牛奶中包含多种人体所需的蛋白质、脂类和维生素等，这些丰富、天然的营养成分以及由此带来的口味口感使之广受消费者喜爱。随着社会发展，人们生活品质得到提升，低温奶快速走进消费者视野。有研究表明，在低温奶市场中，鲜牛奶占据90%的销售总额[1]，这种市场架构说明，人们更倾向于购买新鲜、无添加且能够最大程度保留牛奶原始营养成分的鲜牛奶。然而鲜牛奶，尤其是全脂鲜牛奶，有着丰富的营养成分和脂肪，如贮藏不当或贮藏时间过长便会成为滋养微生物的温床，进而发生酸败[2-3]，鲜牛奶品质也会随之下降，直至到达其货架期终点。因此，保证牛奶品质的稳定并对其变化进行有效的预判研究受到了广泛关注[4-6]。

目前，针对食品的货架期研究主要基于温度动力学、感官评分、理化指标和微生物指标等建立分析模型[7-8]。刘政权等[9]研究不同贮藏温度下抹茶理化指标和感官品质的变化，得到各指标的Arrhenius常数和活化能；赖路等[10]研究柠檬金耳羹在不同贮藏温度下感官评分、pH值等变化规律，并建立动力学模型。虽然感官得分能得到食品品质的具体变化信息，但主观性过强，难以保证其稳定性。而理化指标和卫生指标则需要一系列化学分析，操作复杂，耗时长[11-12]。随着检测技术的发展，电子鼻和电子舌等快速分析样品特性的仿生技术开始涌现[13]。

电子舌是通过识别液体成分，采用6 个惰性金属电极代替仿生脂质膜传感器对样品进行滋味检测的仪器。电子鼻则是通过识别气体成分，利用气体传感器阵列的响应信号和模式识别算法进行评价的仪器[14]。前人研究中有利用电子鼻和电子舌判别青稞格瓦斯[15]、果汁[16]、初榨橄榄油[17]货架期的方法，然而以电子舌和电子鼻相关指标为基础建立动力学模型的研究较少。本实验以全脂鲜牛奶作为研究对象，分析牛奶在不同贮藏温度下的电子舌欧氏距离（Euclidean distance，ED）值、电子鼻气味距离、感官评分的变化规律，结合零级反应动力学模型和Arrhenius方程，建立货架期预测模型，旨在为鲜牛奶的品质保藏相关研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司全脂鲜牛奶：在4、15 ℃条件下，分别贮存7、14、21、28、35 d；在23 ℃和30 ℃条件下，分别贮存3.5、7、10.5、14、17.5、21、24.5、28 d。本研究设计的4 个温度，分别用于模拟全脂鲜牛奶在冷链（4 ℃）、货架脱冷（15 ℃）、室温（23 ℃）、夏季高温（30 ℃）环境中，符合实际出厂、运输、铺货以及销售者购买后可能的存放习惯，便于建立更为完善的全脂鲜牛奶品质评估体系。

蒸馏水，氯化钠、氯化钾（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

FOX4000电子鼻系统 法国阿尔法莫斯仪器公司；Smartongue电子舌系统 上海瑞玢智能科技有限公司；ME204电子分析天平 美国Mettler公司；DHG-9240电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；25 mL电子舌专用烧杯 上海瑞玢智能科技有限公司；20 mL顶空瓶 德国Macherey-Nagel公司；30 mL品尝杯 厦门喇叭花日用品有限公司。

1.3 方法

1.3.1 感官评价

组建由12 位经验丰富评价员组成的评价小组，通过感官评价，监测全脂鲜牛奶的色泽、组织状态、风味3 项感官指标在贮藏过程中的变化情况[18-19]，评分标准见表1[20]，若感官评价总分低于70 分则判定为不合格产品。

表1 全脂鲜牛奶感官评价标准Table 1 Criteria for sensory evaluation of fresh whole milk

1.3.2 电子舌检测

取15 mL 0.01 mol/L氯化钾溶液，对电子舌传感器进行活化及预热30 min，预检样品，将信号波动控制在正常范围内（绝对值在0.5～10 V之间）。用清洗溶液（蒸馏水）和不同贮藏温度和时间下的全脂鲜牛奶样本交替检测[21]，每次倒入样品至25 mL电子舌专用烧杯的刻度线位置，取6 次平行。检测结束后，对传感器进行优化后，对样品原始信号值进行主成分分析（principal component analysis，PCA），判断样品之间的差异大小，再通过计算样品间的ED值进一步量化。

差别度代表样品间的差异程度，而ED是差别度的常用算法之一。本实验采用ED值表示差别度的大小。在二维平面上两点a（X1，Y1）与b（X2，Y2）间的距离计 算对每一类样品求得中心点后，以中心点之间的ED代表类与类之间的ED值，其计算原理图如图1所示。样品间差异越大，ED值越大。

图1 ED值计算示意图Fig.1 ED calculation

1.3.3 电子鼻检测

将电子鼻的检测参数调节至孵化期300 s，孵化温度50 ℃，搅拌速率500 r/min，注射器温度55 ℃，填充速率500 μL/s；采集时间120 s，流量150 mL/min；进样量1 000 μL，注射速率1 000 μL/s。对不同贮藏温度和时间下的全脂鲜牛奶样本进行检测[24]，每次称取样品5.0 g和氯化钠1.0 g于20 mL顶空瓶中，取6 次平行。检测结束后，对样品点进行货架寿命分析[25]，研究在一定贮藏条件下，样品气味随贮藏时间的变化情况，样品间的差异通过气味距离表示[26]，样品差异越大，气味距离越大。

1.3.4 全脂鲜牛奶的货架期预测模型

大多数食品的品质与时间关系表现出零级或一级反应，本次实验中，通过前期预实验判断全脂鲜牛奶品质在贮藏期间的变化不存在明显突变，因此考虑使用零级反应动力学方程，见式（1）：

式中：t为样品的贮藏时间/d；A0为样品初始品质指标值；A为样品贮藏t时间后的品质指标值；k为样品品质变化速率常数。

获取样品某品质指标和相应的贮藏时间并建立零级动力学方程，求得k值后，即可建立Arrhenius方程。

Arrhenius方程是描述反应速率常数k和温度T之间关系的方程式（2）：

式中：k0为指前因子；Ea为活化能/（J/mol）；R为摩尔气体常数（8.314 J/（K·mol））；T为绝对温度/K。

以lnk对1/T作图，将不同温度下的反应速率常数k结合Arrhenius方程进行线性拟合即可得到指前因子k0和反应活化能Ea。

结合零级动力学模型和Arrhenius方程，得到全脂鲜牛奶品质指标的货架期零级动力学预测模型，见式（3）：

式中：SL为全脂鲜牛奶的货架期时间/d。

1.4 数据处理

利用SciDAVis软件绘制曲线，用电子舌、电子鼻设备内置软件和Excel 2013进行实验数据处理。

2 结果与分析

2.1 全脂鲜牛奶各项重要指标的变化

2.1.1 感官评分的变化

如图2所示，以初始状态的全脂鲜牛奶样品评分100 分为起点，随着贮藏时间的延长，样品感官品质呈下降趋势，且温度越高，感官评分下降越快。微生物腐败引起的变质，导致样品酸度逐渐增加[27]；样品组织状态改变，脂肪发生上浮，可能是由于嗜冷菌产生的耐热酶引起的酶促反应、蛋白质胶凝体系的老化等原因导致[28-29]。以70 分作为感官品质可接受的最低点，对鲜牛奶的货架期整体货架期长短有非常直接影响。预估得到不同温度贮藏条件下的感官品质临界点分别为4 ℃临界点33.8 d，15 ℃临界点12.2 d，23 ℃临界点5.8 d和30 ℃临界点4.0 d。通过代入电子鼻或电子舌的全脂鲜牛奶货架期的预测方程，可以分别反演推算不同条件下的电子鼻或电子舌检测指标的货架期临界值，求得货架期预测终点。

图2 全脂鲜牛奶感官指标在贮藏过程中的变化情况Fig.2 Changes in sensory score of fresh whole milk during storage

2.1.2 电子舌ED值的变化电子舌检测完毕后，在传感器优化的基础上，对设备采集的信号值进行PCA，将4、15、23 ℃和30 ℃四个不同贮藏温度条件的0 d（初始状态）样品依次与同温度下的其他贮藏时间的样品信号值进行比较，然后计算样品之间的ED值，将不同样本之间的差异进行量化。ED值变化可以直观展现不同贮藏时间及温度的全脂鲜牛奶样品品质间的变化。由图3可知，在不同温度的贮藏条件下，随着贮藏时间的延长，贮藏的全脂鲜牛奶品质逐渐与初始样品的品质差异越来越大。随着贮藏温度的升高，全脂鲜牛奶的ED值增加速度也呈现变快的趋势，说明温度是影响全脂鲜牛奶品质变化的主要因素之一。在一定程度上，电子舌可以有效分辨由贮藏温度及时间变化带来的全脂鲜牛奶的品质差异。

图3 全脂鲜牛奶电子舌ED值随贮藏时间的变化Fig.3 Changes in electronic tongue ED value of fresh whole milk during storage

2.1.3 电子鼻气味距离的变化

全脂鲜牛奶随着贮藏时间的延长，产品的气味也发生变化。当贮藏温度升高，产品气味的变化程度也随之加大，由图4可以发现，随着时间的延长，4 ℃样品贮藏下的产品气味变化程度较缓；15 ℃和23 ℃样品在贮藏14 d以内，其气味变化程度较相似，但14 d后，23 ℃样品与起始点样品的气味差异程度明显大于15 ℃样品；30 ℃样品的气味变化程度最明显。Fromm等[30]研究发现，低温贮藏时，随着贮藏时间的延长，牛奶中的嗜冷菌逐渐增多，开始产生不良风味，如发酵味、酸败味等。此外，在不同温度条件下，15、23、30 ℃与4 ℃贮藏的正常样品的气味品质差异在逐渐增加。这是由于高温环境下，随着贮藏时间的延长，鲜牛奶中的脂质发生氧化和蛋白质水解产物的形成导致全脂鲜牛奶中的牛奶香气慢慢消失，不良风味开始出现[31]。

图4 全脂鲜牛奶气味距离随贮藏时间变化Fig.4 Changes in electron nose odor distance of fresh whole milk during storage

2.2 牛奶货架期模型的建立

2.2.1 电子舌货架期模型的建立

以电子舌样品间的ED值作为评价全脂鲜牛奶品质变化的指标之一，结合零级动力学方程和Arrhenius方程建立全脂鲜牛奶的货架期预测模型并预测其货架期。

将4、15、23 ℃和30 ℃不同贮藏条件下的一系列ED值按照零级动力学方程进行拟合，如图5所示。全脂鲜牛奶4 ℃的ED值按照零级反应拟合时，整体增长趋势较为平缓，且贮藏前期、后期趋势基本保持一致，各个样本点均匀的分布在直线两侧，拟合效果较好。在15 ℃时，贮藏7 d时，与初始状态相比，样品ED值已经有明显增加，后期增长略缓；23 ℃时，贮藏14 d时，ED值有明显变化，其余贮藏期间较缓。30 ℃时，整体增长速率与4、15 ℃和23 ℃相比有明显提升，且整体拟合效果最好。综上，尽管由于电子舌识别的信号波动或ED值的差异衡量方式不够完善，导致个别样本点仍存在偏差或漂移，但基本符合零级动力学方程线性拟合的趋势，得到的R2介于0.65～0.90之间（表2）。

图5 不同贮藏温度下全脂鲜牛奶的电子舌ED值零级动力学方程拟合图Fig.5 Zero-order kinetic curves ofelectronic tongue ED value of whole milk against storage time at different storage temperatures

表2 全脂鲜牛奶电子舌ED值零级动力学方程拟合结果Table 2 Fitting results of zero-order dynamic equation for electronic tongue ED value of whole milk

以零级方程获得的不同贮藏温度下反应速率常数的对数lnk为纵坐标，热力学倒数1/T为横坐标，进行线性拟合，得到Arrhenius方程为y=－1 601.7x＋5.013 1，如图6所示。根据方程的斜率和截距，可求出Ea=1.33×104J/（mol·K）和k0=150.37，进而得到电子舌全脂鲜牛奶货架期的预测方程：

图6 全脂鲜牛奶电子舌ED值Arrhenius方程拟合图Fig.6 Fittied curve of electronic tongue ED value of fresh whole milk by Arrhenius equation

为实现鲜牛奶感官货架期的预测，将感官品评结果与电子舌检测结果对比并以样品品质时间点作为联结点，将感官品评获得的样品品质时间与电子舌构建的货架期模型相结合。因此将全脂鲜牛奶感官评价获得的结果：4 ℃的感官临界点33.8 d，15 ℃的感官临界点12.2 d，23 ℃的感官临界点5.8 d，3 0 ℃的感官临界点4.0 d，分别代入上述4、1 5、23 ℃和30 ℃的电子舌全脂鲜牛奶货架期的预测方程中，可以得出4、15、23、30 ℃温度下的电子舌ED临界值分别为16.04、7.07、3.91和3.05。将4 个温度下ED临界值的平均值7.52代回电子舌货架期预测模型 中，得 到由此求得4 ℃正常贮藏条件下全脂鲜牛奶的货架期为16.2 d。

2.2.2 电子鼻货架期模型的建立

利用电子鼻气味距离指标建立零级动力学方程，并结合Arrhenius方程建立全脂鲜牛奶的货架期预测模型并预测其货架期。

将4、15、23 ℃和30 ℃不同贮藏条件下的一系列气味距离值按照零级动力学方程进行拟合，得到零级动力学方程，如表3所示。随着贮藏温度升高，零级动力学方程的斜率呈现不断增长的趋势，同时，拟合系数R2介于0.77～0.93之间，说明电子鼻气味距离值与零级动力学方程的拟合程度良好。

表3 全脂鲜牛奶电子鼻气味距离值零级动力学方程拟合结果Table 3 Fitting results of zero-order kinetic equation for electronic nose odor distance value of fresh whole milk

以零级方程获得的不同贮藏温度下反应速率常数的对数lnk为纵坐标，热力学倒数1/T为横坐标，进行线性拟合，得到Arrhenius方程为y=－2 634.6x＋4.149 6，如图7所示。根据方程的斜率和截距，可求出Ea=2.19×104J/（mol·K）和k0=63.41，进而得到电子鼻全脂鲜牛奶货架期的预测方程：

图7 全脂鲜牛奶电子鼻气味距离值Arrhenius方程拟合图Fig.7 Fittied curve by Arrhenius equation for electronic nose odor distance of fresh whole milk

基于电子鼻全脂鲜牛奶货架期预测方程，利用不同贮藏温度下感官品评的产品品质变化临界点，推算电子鼻气味距离临界值。将全脂鲜牛奶感官评价获得的结果：4 ℃的感官临界点33.8 d，15 ℃的感官临界点12.2 d，23 ℃的感官临界点5.8 d，30 ℃的感官临界点4.0 d，分别代入上述4、15、23 ℃和30 ℃的电子鼻全脂鲜牛奶货架期的预测方程中，可以得出4、15、23、30 ℃条件下的电子鼻气味距离临界值分别为0.25、0.11、0.06和0.04。将4 个温度下ED临界值的平均值0.11代回电子鼻货架期预测模型中，得到由此求得4 ℃正常贮藏条件下全脂鲜牛奶的货架期为15.7 d。

3 结论

感官品评是了解全脂鲜牛奶产品感官品质变化较为直观的方式，而电子舌和电子鼻检测均可以有效识别不同贮藏温度和时间下全脂鲜牛奶整体特性的差异及大小。随着贮藏时间的延长，全脂鲜牛奶样品与初始状态下的样品相比，电子舌ED值不断加大，电子鼻气味距离也不断上升，说明全脂鲜牛奶品质在呈现有规律的下降趋势。同时，研究中样品贮藏温度在4～30 ℃之间，温度的增加会使电子舌ED值和电子鼻气味距离的变化加快，即全脂鲜牛奶的品质下降速度变快。全脂鲜牛奶的电子舌ED值和电子鼻气味距离的变化，符合零级反应动力学模型的规律，结合Arrhenius方程，建立电子舌货架期的预测方程以及电子鼻货架期的预测方程在明确感官品质变质点的前提下，得到电子舌ED临界值7.52和电子鼻气味距离临界值0.11，分别求得全脂鲜牛奶货架期为16.2 d和15.7 d，与该款产品包装上标注的实际保质期15 d相比，预测误差分别为8.0%和4.7%，均控制在可接受范围内。

基于电子鼻气味距离预测的全脂鲜牛奶货架期比基于电子舌ED值预测的结果偏差更小，说明气味距离这项电子鼻指标在货架期预测上具备一定的适用性，而利用电子舌ED值指标的预测精度有待进一步提升。本研究中出现的货架期预测偏差可以通过对感官品评方法、电子鼻和电子舌检测时的实验条件（如样本前处理、传感器稳定性、特征值提取方法等）以及电子舌的差别度算法的优化进一步减小，形成一套精确度高、操作步骤简便、检测速度快的全脂鲜牛奶货架期预测模型。