电子鼻技术对不同处理海棠果贮后常温货架期的判别

 孔繁东1，李鑫1，李江阔2*，张鹏2

 1．大连工业大学食品学院（大连116034）；2．国家农产品保鲜工程技术研究中心（天津），天津市农产品采后生理与贮藏保鲜重点实验室(天津300384)

摘要为了探究电子鼻技术对不同处理海棠果贮后常温货架期的判别能力，将海棠果冷藏120 d后做常温货架试验（0.3，6和9d），分为对照、1μL/L 1-MCP与1μL/L-MCP结合800 mg/L纳他霉素3个处理，通过电子鼻PEN3系统动态采集得到海棠果芳香成分的响应值，并通过主成分分析(PCA)，线性判别分析(LDA)以及载荷分析进行数据分析。结果表明，PCA和LDA方法均能将3种处理的海棠果在常温货架期分开，而LDA能更好地将货架期3和9d的对

照组与其他处理的海棠果分开。采用载荷分析方法得到第6，第7和第8号传感器在海棠果贮后常温货架期品质检测中起主要作用，其主要的挥发性物质为有乙醇，对硫化氢，甲烷类化合物。同时综合分析得到利用1-MCP结合纳他霉素处理略好于1-MCP单独处理，且都优于对照果。

关键词海棠果；货架期；电子鼻；不同处理

  海棠果，又称作胡桐、沙果、君子树、海棠木、海桐等，是藤黄科植物，其果实和种子中含有大量的油脂，植株根系较发达，能耐盐碱，抗风，可在贫瘠，干旱的地方生长。海棠果含有丰富的常量营养成分和微量营养元素。1-甲基环丙基（1-MCP）是近年来主要应用在果蔬中的一种新型保鲜剂，能延缓果蔬的成熟与衰老。其作用机理是阻断乙烯与其受体的正常结合，从而抑制了乙烯诱导的一切生理生化反应，使果蔬达到保鲜的目的。目前，1-MCP已应用于许多呼吸跃变型果蔬的保鲜上，如苹果、猕猴桃、番茄和梨等。纳他霉素是一种多烯烃大环内酯类抗真菌剂，可以有效抑制酵母菌及霉菌的生长，且毒性极低，已在葡萄、樱桃、冬枣等的保鲜中得到应用。

  影响水果品质的主要因素是水果的成熟度，而果实香气物质与果实的成熟度密切相关，在采收与贮藏期间，香气成分会不断变化，故可根据香气的变化间接来反映其品质的变化。目前对于水果品质检测技术的研究有了较大发展，但它们绝大多数采用的是有损检测。电子鼻技术作为一种新型的无损检测技术，其能够在不破坏检测对象完整性的前提下，快速，准确的获取检测对象的挥发性成分的指纹图谱，并据此进行果实品质检测分析。这种技术在水蜜桃、柑橘、猕猴桃、苹果、梨和草莓等水果贮藏及货架品质的检测中得到了广泛的应用。

  试验以海棠果为材料，经过1-MCP处理和1-MCP结合纳他霉素处理，利用电子鼻无损检测的方法来判别海棠果采后不同处理的常温货架期间的能力，为进一步探索海棠果货架期与电子鼻响应信号间的关系提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料与仪器

  海棠果采收自天津蓟县，选择大小均匀，成熟度一致，无机械损伤及虫害的果实为试验试材，采收后立即装箱，于采收当天运回国家农产品保鲜工程技术研究中心（天津）进行相关处理。

  1-MCP便携式包装：国家农产品保鲜工程技术研究中心（天津）；纳他霉素试剂：浙江新银象生物工程有限公司；AUW220D型电子分析天平：日本岛津公司；PEN3型便携式电子鼻：德国Airsense公司；冰温库：国家农产品保鲜工程技术研究中心（天津）。

1.2处理方法

  将试材分为两组，即对照组和1-MCP处理组。  1-MCP处理方法：称取海棠果10 kg装入衬有微孔袋的塑料箱内，然后将1袋1-MCP便携式包装（1μL/L，10 kg/箱）用纯净水浸湿后立即放入箱内扎口存放；以不放入1-MCP便携式包装的果实为对照。然后将所有处理组果实置于冷库(0℃±0.5℃)存放。冷库保藏4个月后做常温( 16℃±1℃)裸果货架试验。分为以下3个处理：(1)对照组，记作1；( 2) I-MCP处理组，记作2；(3)1-MCP结合800 mg/L纳他霉素处理组（将800 mg/L的纳他霉素水溶液喷洒到经过1-MCP处理的果实表面，自然晾

干），记作3。每隔3d测一次。

1.3测定方法

  海棠果电子鼻无损检测：将2个海棠果(约75±5g)放置于250 m L的烧杯中，用保鲜膜封口，设5个平行，在25℃下放置10 min后进行无损检测，每次检测后清零和标准化。

 电子鼻测定的参数：样品测定间隔时间1s；样品准备时间5s；样品测试时间50 s；测量计数1s；传感器清洗时间300 s；自动调零时间5s；内部流量100m/min；进样流量100 m/min。

1.4数据处理

 所测得的海棠果电子鼻数据用Winmuster软件进行主成分分析( PCA)，线性判别分析(LDA)和载荷分析。

2结果与分析

2.1  电子鼻对海棠果芳香特性的响应

 对每一组海棠果进行电子鼻检测，得到电子鼻10个传感器的响应图，如图1所示。图中的每一条曲线代表一个传感器，曲线上的点代表海棠果的芳香成分通过传感器通道时，相对电阻率( G/Go)随检测时间的变化趋势。从图l中可以得到，相对电导率刚开始时较低，随着挥发性物质在传感器表面富集，相对电导率在不断增大，最后趋于平稳。其中，R8传感器较其他传感器有更高的相对电阻率值。

  通过电子鼻技术对海棠果贮后常温货架的响应试验，得到每一个传感器对海棠果的响应值各不相同。经过多次预试验发现海棠果果实电子鼻响应值在测定过程的第35秒左右开始趋于稳定，为了保证数据的可比性和准确性，故选择在测定过程中的40～42 s处信号作为传感器信号分析的时间段。

2.2不同处理的贮后常温货架期间的PCA，LDA分析

2.2.1主成分分析(PCA)

 利用电子鼻分别检测不同处理的海棠果在贮后常温货架期（0，3，6和9d）的PCA分析结果见图2。PCA是将数据降维并进行线性分类，得到主要的二维散点图。在PCA分析中，1，2和3号处理的海棠果电子鼻数据中第一主成分( PCl)和第二主成分( PC2)的贡献率分别为86.133%和13.272%．67.998%和30.612%．68.85%和29.764%，累计贡献率分别为99.405%，98.61%和98.614%，其累计贡献率都大于85%，表明了2个主成分已经能基本代表了样本的主要信息特征，说明不同处理的海棠果在贮后常温货架期间果实的挥发性成分都可以用电子鼻PEN3系统很好地分开。

 由图2所示，贮后常温货架期的1，2，3号海棠果的果实挥发性成分有明显的变化，且有相似的变化规律。随着货架期时间的延长，可以看到0d与3d之间的椭圆区域距离很大，3d与6d之间的椭圆区域距离较小，而9d与其他组的椭圆距离很大。说明在0～3 d 期间果实内芳香成分变化很大；随着货架时间的增1加，3～6 d内芳香成分变化减小；随着货架时间的进一步增加，海棠果进入衰老期，其内部芳香成分又发生很大变化，到第9天的时候，海棠果已经失去了食用价值。

2.2-2线性判别分析(LDA) 

 利用电子鼻分别检测不同处理的海棠果在贮后常温货架期（0，3，6和9d）的LDA分析结果见图3。LDA是一种常规的模式识别和样品分类方法。LDA主要是利用投影的原理将数据降维，会使组间数据分开，而组内数据聚集。由图3可得到：不同组内点非常集中，线性判别函数LD1和LD2的贡献率分别为81.902%和13.847%, 84.911%和12.154%, 76.406%和19.276%，累计贡献率分别为95.75%，97.065%和96.682%。结果表明：利用电子鼻技术是可以将3种处理的海棠果在贮后常温货架期间分开的。

  LDA方法注重的是挥发性成分的响应值在空间的分布状态以及彼此之间的距离分析。由图3可得到，其变化与PCA方法中得到的规律相似，但LDA方法得到的椭圆区域更集中，离散性小，且椭圆区域之间的距离更大，能更好的分开每个区域。

  三种处理方法的海棠果在贮后常温货架期的0～3d的挥发性成分在LD1和LD2上均变化较大，表明常温货架期果实的芳香成分与冷藏后(0d)果实内芳香成分有较大的差异。3～6 d的果实挥发性成分在LD1和LD2上变化不大，表明果实在常温货架间芳香成分变化不大。而6～9 d果实沿LD1向右移，在LD2上变化不大，表明在货架后期海棠果芳香成分发生了显著变化。

2.3贮后常温货架期间不同处理的PCA，LDA，Loading分析

2.3.1主成分分析(PCA)

  电子鼻检测三种处理之间不同货架天数(3和9d)海棠果的PCA分析结果见图4。在PCA分析中，第一主成分( PCl)和第二主成分(PC2)的贡献率分别为96.243%和3.2573%，累计贡献率为99.501%，大于85%，表明2个主成分已经基本代表了样本的主要信息特征。由前文得到，3与6d之间的差距不大，故选取3d和9d来分析。在货架期第3天时，不同处理之间有交叉，在第一主成分轴上变化较小，而在第二主成分轴上从上到下依次是3，2和1号。在货架期第9天时，1号与2，3号之间完全分开了，而2和3号之间还是有交叉，没有分开。说明在在货架3d时，三种处理果实的芳香成分之间的差异不大，而在货架9d时1-MCP处理和1-MCP结合纳他霉素处理与对照果之间芳香成分有很大的差异。

2.3.2线性判别分析(LDA)

  电子鼻检测三种处理之间不同天数（3和9d）海棠果的LDA分析结果见图5。由图5可得到：不同组内点非常集中，线性判别函数LD1和LD2的贡献率分为为92.244%和3.456 2%，累计贡献率为95.7%。不同货架期的海棠果可以相互区分开。由图可得到货架3与9d有一样的规律，1号与2，3号处理之间的距离很大，而2号和3号处理之间的距离很小，说明1号处理其芳香成分与其他组差异很大，2和3号处理的芳香成分差异较小。随着货架期的延长，1号处理与2和3号之间的距离明显增大，分离效果更好。说明到了货架后期，经过1-MCP和1-MCP结合纳他霉素处理果与对照果中的芳香成分之间差异较货架前期的大。

2.3.3载荷分析

 三种处理之间不同货架期（3和9d）海棠果的常温货架期Loadings分析见图6。利用Loadings分析可区分当前模式下传感器的相对重要性。若某个传感器在模式识别中负载参数近乎零，那么该传感器的识别能力可以忽略不计，若响应值较高，则该传感器为识别

传感器。由图6可得到，传感器R6（WIS甲烷），R7（WIW对硫化氢），R8（W2S乙醇）在当前条件下 起比较大的作用，其他传感器的作用较小。

 结合传感器区分贡献率分析可以说明每个传感器对PCA贡献率的大小。R5，R9传感器分布接近于(0，0)，并且位置接近，说明其信号变化较弱，贡献率比较小，即氢气，有机硫化物对于PCA贡献率较小。综合分析得到海棠果的挥发性气体中主要含有乙醇，对硫化氢，甲烷类化合物。

 由图1可知，在40 s左右处相对电导率趋于平稳，故选取40 s进行分析，得到在R6，R7和R8传感器下不同处理下的9 d货架期的柱形图。由图6可得到8号传感器的响应值最大，其次是7号传感器和6号传感器。在货架9d，可得出在同一传感器下1号处理比其他两个处理的响应值大。1号处理在R6，R7和R8传感器中的挥发性成分均明显高于1号和3号处理，而2号处理略高于3号处理，说明1-MCP能有效抑制某些挥发性物质的增加，其中1-MCP结合纳他霉素的抑制效果更优，这可能与1-MCP结合纳他霉素更好地保持果实的品质有关。

  3结论与讨论

 1)不同处理海棠果在贮后常温货架期间的电子鼻分析可知，PCA和LDA方法均能将3种处理的海棠果在常温货架期间区分开，但利用LDA方法分析得到的结果因为其离散性小，每个椭圆区域之间的距离更大，能更好地将海棠果在不同货架期间区分开。

 2)不同处理海棠果在同一货架期的电子鼻分析可知，LDA方法比PCA方法能有效地区分货架期3d和9d的2，3号处理与1号处理，但2和3号之间区分的不明显。随着贮藏天数的增加，1，2和3号处理之间的差异在增大，表明利用1-MCP处理的果实挥发性成分与对照果有较大的差异，而l-MCP结合纳他霉素与1-MCP处理果之间的差异不大。

 3)利用载荷分析可知，传感器R6（WIS甲烷），R7（WIW对硫化氢），R8（W2S乙醇）在判断不同货架期的3组海棠果新鲜度上起到了较大的作用，这为更好地利用电子鼻识别传感器来判断海棠果的新鲜度提供了重要的理论依据。另外，不同处理果实在货架9d时，传感器R6，R7和R8的相对电导率呈现相同的规律，依次为对照>1-MCP>1-MCP结合纳他霉素，推测1-MCP处理海棠果能够有效延缓果实风味品质的劣变，而1-MCP处理结合纳他霉素具有增效作用。

 因此，利用电子鼻无损检测不同处理海棠果贮后常温货架期是可行的，并结合传感器的优化及模式识 别技术作进一步研究。另外，还可与气相一质谱联用针对烷类，醇类和芳香型化合物进行具体的成分分析，为海棠果挥发性物质检测提供了重要的科学依据。