电子鼻在食品风味分析中的应用研究进展

电子鼻在香精风味分析中的应用研究进展 姓名：郭萍 学号：1101415028 班级：11级食品卓越

摘要：电子鼻技术是一种风味分析的新技术，近年来在食品领域得到了快速发展。介绍了电子鼻的基本组成、工作 原理及其特点，综述了电子鼻在食品风味分析中的研究进展，着重介绍了电子鼻在风味突出的食品方面的分析应用。 关键词：电子鼻 香精领域 风味物质 分析技术 正文： 风味是香精品质的重要特征，是人们选择和接受食品的重要因素。风味物质一般成分繁多而含量甚微，且挥发性极高，多数为易破坏的热不稳定性物质，除了少数成分以外，大多数是非营养性物质。风味物质能刺激人的食欲，因而对人的摄食、消化 有积极而重要的影响。在许多名优食品中，风味的 差别很大程度决定了产品的等级和价值。目前，香精风味优劣及产品等级的评定主要由感官评价完成，气体的成分和浓度则主要借助于化学分析仪器来完成。现在较为先进的食品风味仪器 分析技术有气相、液相色谱法，色 （气、液） 谱— 质谱联用测定法 、顶空分析 （headspace analysis）、气相色谱—吸闻检测技术 GC- O）、电子鼻检测技术 （electronic nose） 等。其中，电子鼻检测技术是在20 世纪 90 年代发展起来的一种分析、识别和检测复杂气体的新技术。电子鼻作为一种新型人工智能嗅觉装置，具有价格适中、操作简单、携带方便等优点，更为突出的是它灵敏度高、测量数据与人类的感官评价相关性好[1]，因此，在食品风味分析领域受到了越来越多的重视，并具有广阔的发展前景。 1、电子鼻的基本组成与工作原理: 电子鼻是模拟人类和动物嗅觉工作原理的电子设备。电子鼻气体传感器、信号处理系统和模式识别系统等功能器件组成。其中，气体传感器是基础部件，它相当于人的嗅觉神经元，单个气体传感器对气体的响应可用强度表示。当由多个气体传感器组成传感器阵列每个样品进行数据计算和识别，可得到样品的“气味指纹图”，从而达到对挥发性气体的分析和检测。 目前，对气体传感器形成的多变量数据处理软件有：主成分分析 （PCA）、人工神经网络 （ANN）、偏 最小方差 （PLS）、单类成分判别分析法 （SMICA） 等。其中，人工神经网络是一种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。人工神经网络具有特有的非线性适应性信息处理能力，以及对系统自学习和自适应的能力，被认为是最有前景的电子鼻分析方法；同时，这些分析技术的不同组合应用，展现出良好的效果，逐渐成为一种趋势。 2、电子鼻技术在香精风味分析中的应用电子鼻技术在香精领域有广泛的应用，如乳制品检测、水产品香精中有关风味检测等。本文重点介绍电子鼻在风味突出的特色食品，如肉制品、调味品、茶叶及酒类等方面的分析应用。 2.1、电子鼻技术在肉制品风味分析中的应用鲜肉是没有香气的，甚至有难闻的肉腥味。但肉 制品挥发性气体的变化与肉的品质变化有关，因此电 子鼻可以应用在肉制品生产线的连续检测中[2]。熟肉的肉香是由氨基酸、多肽、核酸、糖类、脂质、维生素等风味前体物，在加工过程中经过一系列复杂反应生成的。Taurino 等人[3]利用电子鼻分析了意大利干制腊肠 不同贮期的挥发性成分，检测出了腊肠的不同类型和成熟时间，甚至猪肉的性别。该试验还结合了微生物分析、静态顶空、气相色谱、质谱等分析技术，检测分析了发酵过程中微生物的变化，及腊肠中 19 种风味成分物质。据研究，猪的喂养方式和出栏时间对伊比利亚火腿的风味有重要影响。Santos 等人 [4]通过电子鼻及 PCA，ANN 系统分析，从伊比利亚火腿样品中，成功识别出猪的 3 种出栏时间和 2 种喂养条件 （橡子果、饲料） 的不同。此外，国外有人对熟肉在冷藏中产生的蒸煮味warmed- over favour，WOF） 研究深入，许多学者利 用电子鼻研究了加工的温度、时间以及冷藏条件对形成蒸煮味的影响[5]。 2.2、电子鼻技术在调味品风味分析中的应用近几年，电子鼻在调味品中的研究应用成为一个热点，国内学者先后利用电子鼻对香醋、酱油、花椒[6]等进行了分类识别、香气分析。国外学者利用微胶囊技术包被香精香料，通过电子鼻研究了其香气扩散模型。 当今，肉味香料的生产和研制方兴未艾，各类香精香料在国际市场上相继问世，电子鼻在这一行业中的应用正在渐渐增加。田怀香等人[9] （2008 年） 利用电子鼻对金华火腿 原料与调配的金华火腿香精的香气成分进行了对比分析，通过主成分分析法 （PCA）、单类成分判别分析法 （SMICA） 等多元统计方法进行数据分析，结果得出，金华火腿原料和所调配的金华火腿香精的总体香 气轮廓相似但仍有差别，说明调配香精具有金华火腿的特有气味，但与金华火腿原料相比还是有一些差距，这为进一步完善调香工作提供了参考。肖作兵等人[10] （2009 年） 利用电子鼻技术比较了 5 种肉味香精的差异性，并对它们的耐热性能进行了研究，试验结果表明，这是一种评价咸味香精热稳定性的有效方法，对香精品质的控制和鉴定起到了一定的理论指导作用。 2.3、电子鼻技术在茶叶风味分析中的应用香气是决定茶叶品质的重要因素之一。迄今为止，已从各种茶叶中分离出 700 多种香气物质。目前，国内外的茶叶品质鉴定和等级区分大多采用感官审评法，这需要由专业培训和较长从业经验的评茶师来完成。近年来，随着电子鼻分析技术的不断成熟和发展，电子鼻在茶叶中有了越来越多的应用。 黄海涛等人[11]利用电子扫描仪对铁观音、兰贵人、玉针、碧螺春和云雾茶等 5 种茶叶进行了香味扫描，确定了电子鼻在茶叶香味辨别中的作用。并采用固相微萃取、气相色谱 质谱联用法对这 5 种茶叶样研究了挥发性化学成分组成和含量上的差别对茶叶 样 品香味的影响。 于慧春等人[12]利用电子鼻对 5 个不同价格的茶样的茶叶、茶水和茶叶底挥发性成分进行检测，结果表明，以相应的茶水为对象进行电子鼻分析，对茶叶品质等级的判别结果比较好，干茶叶次之，茶叶底相对最差。由此可见，探索不同的检测方法可以提高电子鼻的检测精度。 Dutta 等人[13]用电子鼻对 5 种不同加工工艺的茶 叶进行分析和评价，结果表明，电子鼻代替传统的茶叶的感观评审的可行性。 Tudua 等人[14]采用学习增强型神经网络电子鼻技 术对红茶品质进行评估。发酵是红茶制作中的重要步骤， Bhattacharyya 等人[15]利用电子鼻考察了发酵中温度、湿度、通风对红 茶品质有重要影响，监控红茶的发酵过程，取得良好效果。 Yang 等人[16]利用电子鼻对富含香豆素的日本绿茶及其独特风味进行研究，结果显示，电子鼻可以正 确区分 7 种不同香豆素含量的绿茶，并评价其风味特点，该实验还研究了制茶工艺中烘茶的温度对绿茶风味的影响，实验发现，相对的低温长时冲泡有利于绿茶香豆素味的形成。 2.4、电子鼻技术在酒类分析中的应用电子鼻在酒类上具有广泛应用，包括酒类识别、品牌区分，产地和年份鉴别，以及香型分析等多方面。 Corrado 等人[17] （1995 年） 在利用电子鼻分析了 意大利干红葡萄酒，成功区别了 1989- 1993 年 5 个 年份的葡萄酒样品。 Corrado 等人[18]运用电子鼻对来自不同庄园的葡萄酒进行比较分析，虽然不同的庄园酒在感官分析中差别甚微，但是在电子鼻气味指纹上有明显的区别。 Cynkar 等人[19]用质谱电子鼻装置能有效监控红葡 萄酒的由微生物引起的酸败。秦树基等人[20] （2000 年） 利用电子鼻将无水酒 精、烈性酒、葡萄酒和啤酒 4 种酒类成功识别（正确识别率达到 95%）。 周亦斌[21]利用电子鼻对不同品牌的黄酒中挥发性物质进行了分析，并用神经网络模式对黄酒的品牌进行区分。高永梅[22]用 GC- flash 型电子鼻对 6 个清香型、17 个浓香型、4 个酱香型 3 种香型白酒样品的进行分析 。得到的 PCA 指纹图谱 ，可以直观地2011 年第 1 期 谢安国，等：电子鼻在食品风味分析中的应用研究进展。3个香型酒分别分布在 3 个独立的区域。该方法可以作为进一步分析白酒香型之间的关系及新型香型划分的初步参考依据。 然而，电子鼻在酒类分析中富有争议的是乙醇对气体传感器的影响程度。Ragazzo- Sanchez 等人[23]指出 乙醇是顶空的主要成分，加上水蒸气的影响，电子鼻把握含酒精饮料的风味 特征往往是困难的，该实验将葡萄酒经脱水和脱乙醇化后，用电子鼻和气相色谱对葡萄酒中异味的检测精度明显提高。 Ragazzo- Sanchez 等人[24]指出蒸馏和脱乙醇化将影响芳香物质的浓度和挥发性，所以即使对样品进行蒸馏和脱乙醇化，电子鼻描绘含酒精饮料的正常香气特征仍然是巨大挑战，最终指出乙醇对电子鼻的影响在以往的实验中可能被低估了。该问题有待进一步研究。 3、电子鼻分析技术的特点 培养专门的嗅觉审评师需要花费大量的时间和资金，感官审评的审评结果可能受评定人员的从业经验、地区差异、嗅觉疲劳等因素影响。相比而言，电子鼻分析技术成本不高，分析结果更客观、公正。 电子鼻技术响应时间短、检测速度快，重复性好，这使电子鼻可以很好地应用于在线检测。Cho 等人[25]利用微型气体传感器和神经网络系统开发出可以实时定量分析混合气体的无线电子鼻。 普通化学分析方法只能测量样品中某种或某几种成分的定性或定量结果，而电子鼻能捕捉到样品中挥发性成分的整体信息、香气的总体轮廓。但电子鼻对某一气体成分的分析精确度不如化学分析仪器 高，往往不提供一个样本香气成分和浓度的硬数据。因此，2 种方法分析结合使用，经常在风味分析中发挥更大的作用。电子鼻技术不需要对样品预处理，因此操作快速简便。但有实验表明，如果对样品进行恰当的预处理，和选择对样品合适的检测方法，可以提高电子鼻的检测精度。气体传感器对湿度的敏感，所以电子鼻检测的数据受水汽影响较大，这是在使用电子鼻时所应留意的。 Bhattacharya 等人[26]采用卤素灯照射的方式给茶叶加热，提高了茶香物质的挥发性，并避免热水冲泡茶叶方式水汽对电子鼻的影响，增加测量的敏感度。 4、展望