杨 鑫，郑丽敏,2,*，杨 璐

（1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083；2.食品质量与安全北京实验室，北京 100083）

红肠风味是生产厂商和消费者主要关注的质量指标，如何快速客观评价红肠风味，对生产厂商和消费者都具有重要意义。Madruga[1]指出肉风味的形成是加热过程中不同的前体物质相互作用形成的。Xie Jianchun等[2]认为挥发性风味物质形成的最重要机理是脂质降解和美拉德反应。

在肉制品的挥发性风味物质检测中，感官评定是生产理想风味食物的重要方法，但是评定结果主观性强、重复性差[3-4]。目前电子鼻在食品领域的运用越来越广泛，谢安国等[5]研究了气敏传感器阵列与多变量分析相结合可以快速无损分析食品风味。Tian Xiaojing等[6]认为电子鼻能有效区分不同肉制品。蒋强等[7]使用电子鼻与气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）检测不同肥瘦比丸子的挥发性物质，结合感官评价对丸子香味进行预测，表明电子鼻可以用作感官评定。

实验在电子鼻能有效区分不同红肠样品的基础上，采用GC-MS技术对不同红肠的挥发成分进行鉴定，通过相对气味活度值（relative odor activity value，ROAV）方法得到不同红肠在关键风味物质上的差异，利用主成分分析（principal components analysis，PCA）方法得出不同红肠在整体风味上的异同，同时通过电子鼻与关键风味物质的相关性，评价电子鼻进行感官评定的能力，最后通过逐步回归建立电子鼻与关键风味物质和感官评定指标的关系模型，以期通过电子鼻快速、客观地评价红肠风味。

1 材料与方法

1.1 材料

实验材料选用某公司3 个不同种类的红肠，每种红肠分为3 个不同生产批次（第1种红肠样品编号为1、2、3；第2种红肠样品编号为4、5、6；第3种红肠样品编号为7、8、9），取回后置于4 ℃条件下冷藏。红肠样品总计414 份，其中每种编号红肠15 份样品做电子鼻检测，1 份样品做挥发性物质测定，30 份做感官评定。

1.2 仪器与设备

Trace1310-TSQ8000 GC-MS联用仪 美国Thermo Fisher Scientific公司；Fiber 75 μm手动固相微萃取进样器、碳分子筛/聚二甲基硅氧烷（carboxen/polydimethysiloxane，CAR/PDMS）型萃取头 美国Supelco公司。

电子鼻设备由中国农业大学设计开发，内部传感器阵列由16 只Figaro生产的TGS系列气敏传感器组成，如表1所示。

表1 电子鼻中气敏传感器阵列Table 1 Electronic nose gas sensor array

1.3 方法

1.3.1 电子鼻检测

每种编号红肠样品称取10 g放入电子鼻密闭气室中，使用顶空吸气法采集样品的挥发性物质。测定条件：温度保持40 ℃，空气流速3 L/min。每组样品采样300 s，检测前传感器清洗60 s。

1.3.2 挥发性物质的测定

固相微萃取条件：将实验样品绞碎并混合均匀，称取5 g样品装入固相微萃取瓶中旋紧盖子，将瓶子放入55 ℃恒温水浴锅10 min后将固相微萃取针头插入瓶中，纤维头处于顶空状态吸附香气化合物30 min。

GC条件：DB-Wax极性柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；载气为高纯氦气（纯度＞99.99%）；流速1.0 mL/min（恒定）；不分流；程序升温：进样口温度230 ℃，柱温起始40 ℃保持3 min，以4 ℃/min升温到200 ℃，保持1 min，再以10 ℃/min升到230 ℃保持5 min。

MS条件：电子电离源；接口温度230 ℃；电子能量70 eV；离子源温度260 ℃；质量扫描范围40～600 u。

1.3.3 感官评定

将红肠样品放入陶瓷盘子，选择10 名感官鉴评专业人员进行实验。每位感官鉴评人员评估1～9号红肠样品每人3 份，每次评估结束对红肠各感官指标打分。为确定红肠之间的差异，测定了5 种感官特性，感官鉴评人员根据0～4的等级评估每个描述词的强度，见表2。

表2 感官评价标准Table 2 Criteria for sensory evaluation

1.4 数据处理

1.4.1 电子鼻数据分类

对得到的红肠电子鼻检测数据采用MATLABR2017b统计软件用支持向量机（support vector machines，SVM）进行分类。挥发性风味物质定性：采用NIST、Willey谱库检索鉴定化合物。挥发性风味物质定量：采用面积归一化法计算各化合物的相对含量。

1.4.2 关键风味物质确定

采用ROAV法[8]分析各挥发性物质对红肠风味的贡献。定义对样品风味贡献最大的风味物质ROAVstan为100，对其他风味物质有：

式中：Cr,i、Ti分别为各挥发性物质的相对含量/%和感觉阈值/（μg/kg）[9]；Cr,stan、Tstan分别为对样品风味贡献最大的挥发性物质的相对含量/%和感觉阈值/（μg/kg）。

1.4.3 PCA及OPLS-DA

对关键风味物质采用SPSS统计软件进行PCA，得出不同红肠在整体风味上的差异。采用正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squares discrimination analysis，OPLS-DA），用SIMCA 14.1分析关键风味物质与电子鼻数据之间的关系，并绘制载荷图。

1.4.4 逐步回归模型

将感官评价数据与电子鼻数据通过SPSS软件做逐步回归，得到感官评价指标与电子鼻检测数据的回归模型。

2 结果与分析

2.1 SVM对红肠电子鼻检测数据分析

图1 SVM模型效果图Fig. 1 Effectiveness assessment of support vector machine model

电子鼻对红肠挥发性物质的检测不是针对某一种特定的挥发性物质而是样品整体气味[10]。电子鼻检测得到9 份红肠样品数据，每份样品15 组样本，共135 个样本。不同种类红肠数据集由全部135 个数据组成，各不同生产批次每种红肠的数据集分别包括45 个数据。电子鼻各数据集用SVM方法进行分类，模型的分类效果如图1所示。图1a表示不同种类红肠分类正确率为93.3%，135 个样本中仅有9 个被分类错误。图1b中，第1种红肠不同批次分类正确率为93.3%，45 个样本中仅3 个被分类错误。图1c中，第2种红肠不同批次分类正确率为97.7%，仅第2批次中1 个样本错分到第3批次。图1d中，第3种红肠不同批次分类正确率为95.7%，仅第1批次中2 个样本错分到第2批次。结果表明，电子鼻结合机器学习算法能将不同种类红肠、同种类不同批次红肠的挥发性风味进行有效区分。

2.2 GC-MS分析

2.2.1 挥发性成分分析

表3 挥发性物质种类及相对含量Table 3 Types and contents of volatile components identified in red sausages

GC-MS检测出117 种不同的挥发性物质，如表3所示。不同种类红肠样品挥发性物质存在差异，同一种类红肠样品中，不同生产批次的红肠样品挥发性物质也存在差异，但明显小于不同种类红肠之间的差异。

2.2.2 关键风味物质的确定

红肠的挥发性风味物质被认为是其风味质量的决定性因素[11]。结合各挥发性物质的气味特性和气味阈值等感官特性对红肠的挥发性风味物质进行分析，将风味物质信息转化为相应的感官信息，以表明其中对红肠风味起一定作用的特征风味物质。如表4所示，根据挥发性物质相对含量及感觉阈值，烯丙硫醇在1、5、6号样品中相对含量均在0.6%以上，且感觉阈值为0.1 μg/kg，对3 个红肠样品的风味贡献最大，因此定义烯丙硫醇在这3 个红肠样品中ROAVstan为100。同理，定义二烯丙基二硫醚在2、3、4、7、8号样品和9号样品中ROAVstan为100。ROAV≥1时，此挥发性物质为红肠的关键风味物质；0.1≤ROAV＜1时，此挥发性物质对红肠总体风味有重要贡献[12]。

表4 关键风味物质相对含量Table 4 Critical volatile substances of red sausages%

通过计算每一挥发性物质ROAV，共筛选得到9 大类33 种表征红肠关键风味的挥发性物质。如表5、6所示。

醛类物质一般由脂质热降解产生，阈值较低，对红肠总体风味贡献较大[13]。己醛和壬醛与其他风味物质产生重叠风味效应[14]，对红肠风味有重要影响。呋喃甲醛来自烟熏香味料[15]，具有焦甜香，是红肠重要风味物质。3-甲基丁醛呈坚果味，挥发性较强，是鲜肉中没有的物质，其衍生物对红肠的风味影响较大[16]。

醇类可能由羰基化合物还原生成，或由脂肪酸的二级氢过氧化物的分解、脂质氧化酶对脂肪酸的作用生成[17]。烯丙硫醇存在于洋葱、大蒜中，是一种含硫香料，浓度高时有强烈大蒜气味，稀释后有葱、蒜、肉制品气味[18]，其在第2种红肠中的相对含量显著低于其他红肠。芳樟醇在第2种和第3种红肠中相对含量更高，多存在于木姜、花椒等调味品中[19]，可能由这些调味料渗透成为红肠的重要风味物质。

表5 不同红肠中挥发性物质的ROAVTable 5 ROAV of major volatile substances in red sausages

表6 不同样品中的关键风味物质Table 6 Main fl avor substances in red sausages

酮类可能由氨基酸分解或微生物氧化产生，或由多不饱和脂肪酸受热氧化和降解生成[20]。

酚类物质相对含量为6.10%～31.73%，第3种红肠中含量较少。酚类主要呈现烟熏香，结构较简单的酚类化合物主要由酚羧酸的脱羧作用和木质素的热降解产生[14]，也可由酪氨酸的降解得到[21]。愈创木酚、4-甲基愈创木酚是熏烟中常见的化合物，由木质素降解转化形成[22]，存在于木材熏烟中的酚类物质还有间甲酚等，这些化合物具有烟熏气味和香辛料气味，给红肠带来特殊风味。

烃类大体分为烷烃类和芳香烃类，其来源比较复杂，部分有香味的烃可能由脂质热降解产生，也可能在烷基自由基的脂质氧化或类胡萝卜素的分解中生成[23]。烯烃在第2种红肠中平均相对含量为51.67%，第1种红肠中烯烃平均相对含量为1.59%。α-蒎烯、β-蒎烯是腌制红肠时使用的香辛料肉豆蔻产生的挥发性成分[24-25]，具有树脂香气。4号样品中右旋萜二烯的相对含量比第2种红肠中其他批次的更少，其在潮湿空气中易被氧化为香芹醇和香芹酮，样品放置时间过长可能导致其含量降低，影响红肠风味。

含硫化合物来自含硫氨基酸或不饱和脂肪酸，其阈值较低，对红肠整体风味有重要贡献，是肉制品的重要化合物[26]。硫化物在第3种红肠中平均相对含量高达39.21%，第2种红肠中硫化物平均相对含量仅为2.01%。二烯丙基硫醚、二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫和烯丙基甲基硫醚是大蒜的主要风味物质[27-28]，具有强烈洋葱和大蒜的香气，是影响红肠风味的重要物质。1号样品中二烯丙基硫化物的相对含量较少于其他批次的第1种红肠。

杂环类化合物由美拉德反应产生，对坚果、油腻等风味有贡献[29]。

苯系物是树脂材料的原料和溶剂，红肠中的苯系物可能来自于塑料包装材料污染[30]。苯系物平均相对含量最高为第2种红肠（7.69%），其次为第3种红肠（1.60%），最少为第1种红肠（0.73%）。

通过关键风味物质分析可以看出不同种类红肠风味物质有明显不同。

2.2.3 关键风味物质的PCA

为进一步分析挥发性物质对红肠整体风味的影响，将表2中9 个不同红肠样品的共19 种关键风味物质作PCA，前2 个主成分基本反映原始数据的基本信息[31]。

从图2得出，PC1上的主要风味物质为α-蒎烯、β-蒎烯、右旋萜二烯、芳樟醇、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚和邻异丙基甲苯；PC2上的主要风味物质为壬醛、3-甲基丁醛、愈创木酚、4-甲基愈创木酚、间甲酚和1-甲硫基-1-丙烯。不同种类红肠样品在主成分散点图上距离较远，说明3 种红肠风味差异较大。第2种红肠在PC1上与其他样品距离较远，区分第2种红肠与其他种类红肠的主要风味物质是α-蒎烯、β-蒎烯、邻异丙基甲苯等；第1种红肠与第3种红肠在PC2上距离较远，区分这2 种红肠的主要风味物质是壬醛、3-甲基丁醛、愈创木酚等。

图2 关键风味物质主成分散点图Fig. 2 PCA scatter plot for main odor compounds

2.3 感官评定分析

图3 红肠样品感官特征图Fig. 3 Sensory characteristics of red sausages

Chira等[32]认为不同食品风味存在差异是由于其挥发性风味物质存在差异。如图3所示，样品5、6的蒜味得分较低，可能是由于这2 个样品中二烯丙基硫化物含量较少。样品3的烟熏味得分远超过其他样品，可能是由于此样品中含较多来自熏烟的酚类化合物。第2种红肠的甜味得分高于其他种类红肠样品而油腻度得分低于其他种类红肠，这可能是由于第2种红肠样品中α-蒎烯、β-蒎烯、右旋萜二烯的含量较多。芳樟醇在第2种红肠样品与第3种红肠样品中均被检出，但在第1种红肠样品中均未检出，这可能是造成在感官评定中第1种红肠样品的油腻度得分较高的原因。

2.4 关键风味物质与电子鼻数据的相关性分析

2.4.1 关键风味物质与电子鼻数据的OPLS-DA

19 种关键风味物质为自变量，16 个传感器的各传感器相对变化值为因变量，利用OPLS-DA建立电子鼻数据和关键风味物质的关系。由图4可知，烯丙硫醇、二烯丙基硫醚、二烯丙基二硫醚与二烯丙基三硫等具有葱蒜气味的物质的相对含量与S3、S13等对硫化氢气体敏感的传感器都呈较强的正相关。α-蒎烯、β-蒎烯、右旋萜二烯、芳樟醇、邻异丙基甲苯等散发甜味的物质的相对含量与大部分传感器都呈负相关性。愈创木酚、4-甲基愈创木酚、间甲酚等含有烟熏味的物质的相对含量也与S16等对二氧化碳气体敏感的传感器呈现相关性。结果表明，大部分传感器与关键风味物质具有较强的相关性。

图4 传感器相对变化值与关键风味物质关系的OPLS-DA图Fig. 4 OPLS-DA plot showing the correlation between main fl avor substances and relative change data from each of 16 sensors

2.4.2 关键风味物质与电子鼻数据回归分析

为建立关键风味物质相对含量与电子鼻数据之间的映射关系，选用关键风味物质相对含量作为因变量（y1～y14），自变量为传感器响应曲线特征值（x1～x51），使用逐步回归建立模型如下：

表7 关键风味物质回归模型检验结果Table 7 Evaluation of regression models for crucial fl avor compounds

由表7可以看出，14 个模型R2大于0.8，P值小于0.01，预测误差较小说明该模型具有可靠性。从而通过电子鼻检测，可以根据回归方程得出红肠关键风味物质的相对含量，达到定量分析的目的。

2.5 感官评定与电子鼻数据回归分析

为应用电子鼻对红肠感官指标进行预测，以电子鼻各传感器响应曲线特征值作为输入值（x1～x24），感官评定各指标得分为输出值（y1～y5），建立回归模型。

表8 感官评定回归模型检验结果Table 8 Evaluation of regression models for sensory attributes

由表8可以看出，5 个模型R2大于0.8，P值小于0.01，表明利用该模型电子鼻可以有效预测感官评定得分。

3 结 论

电子鼻分类结果显示其不仅能够有效区分不同种类的红肠，而且对同一种类不同生产批次的红肠也能很好区分。GC-MS检测出9 个红肠样品的风味物质117 种，根据ROAV得到了红肠样品的33 种关键特征性风味物质，发现不同红肠样品中关键风味物质有差异，尤其不同种类红肠差异较大。通过PCA得到不同种类红肠样品的风味在整体上明显不同。感官评定分析表明不同种类红肠在不同口感风味上存在差异。OPLS-DA结果显示电子鼻传感器与关键风味物质存在良好的相关性。使用逐步回归得到关键风味物质相对含量和感官评定得分与电子鼻数据之间的回归模型，显著性分析表明电子鼻特征值能够预测GC-MS检测的关键风味物质和红肠感官评价，因此使用电子鼻设备来进行红肠风味评价是可行的。