Quality evaluation method of smoked beef based on electronic nose and fuzzy mathematics sensory evaluation method
ABSTRACT The quality evaluation system of smoked beef made from six smoked liquids was established using electronic nose sniffing fingerprint analysis, electronic tongue flavor fingerprint analysis, fuzzy mathematical sensory evaluation, linear multiple regression equation, and gray correlation analysis method. The results showed that the cumulative contribution rate of the main components was 89.802% and 86.903% for electronic nose test and electronic tongue test, respectively, which could reflect the overall information of the sample. Moreover, the sensory scores of the six smoke liquids were in order Oil-H>H>C-10-11>C-10-7>C-10-10> blank in the fuzzy mathematical sensory evaluation. And the correlation and linear regression equation between the sensor of the electronic nose and the fuzzy mathematical sensory evaluation was established. The correlation coefficients between the sensors of the electronic nose and the sensory scores obtained from fuzzy mathematics were between 0.806 4 and 0.832 6, both greater than 0.80. Based on the above test, the smoked beef produced by adding Oil-H smoke liquid was the best. This study established the direct connection between electronic nose and fuzzy mathematical sensory evaluation method, which provided technical support to optimize the smoking beef and improve the evaluation accuracy of smoking beef quality.
Key words smoked beef; smoke fluid; electronic nose; electronic tongue; fuzzy mathematical sensory evaluation method; grey correlation
风味是烟熏类产品等肉制品品质评价的重要指标，主要通过气味、滋味对产品品质进行评判[1-2]。电子鼻是模拟人鼻子进行产品品质评价的模拟生物嗅觉系统[3-4]，已应用于食品质量评估[5-6]、变质识别[7]、掺假鉴定[8]、分辨肉品类[9]等方面。电子舌是可以模拟人舌头获得滋味信息的新型检测仪器[10]，能够反映不同检测对象整体特征的差异[11]，可用于食品新鲜度、纯度鉴定以及添加剂成分定量分析等[12-14]。感官评价是评价产品品质的重要方法，模糊数学能够把感官评价的属性定量化，一定程度上减小主观因素造成的差异。有研究报道模糊数学感官分析法已用于食品品质评价与优化，如焦云鹏等[15]通过模糊数学感官评价法对鱼肉香肠品质进行优化，金雪花等[16]通过模糊数学感官评价法评价不同大豆品种的豆浆品质。目前，烟熏牛肉工艺优化的相关报道极少以风味为导向或第一重要因素，主要是评价指标、评判标准、评价手段的缺乏造成的，利用电子鼻、电子舌、模糊数学对熏牛肉风味分析与品质评价方法未见报道。
本研究利用电子鼻嗅闻指纹分析、电子舌滋味指纹分析、模糊数学感官评价、线性多元回归方程对熏牛肉品质进行评价，建立电子鼻与模糊数学感官评价之间的联系与品质评价方程，为利用电子鼻等技术优化烟熏工艺的可行性和准确性提供技术支撑，为电子鼻等价替代感官分析评价熏牛肉品质提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
样品牛肉部位取肩肉，取样于云南昆明某研究院，为30个月的阉云岭牛(1/2婆罗门牛×1/4莫累灰牛×1/4云南黄牛)。葱、姜以及调味料购买于郑州某大型商超，试剂为分析纯，烟熏液信息见表1。
表1 试验设计与烟熏液信息
Table 1 Test design and information of smoke liquid
序号烟熏液型号可溶性添加量(质量分数)/%1空白-02H水油共溶性0.23Oil-H水油共溶性0.24C-10-7水溶性0.25C-10-10油溶性0.26C-10-11水溶性0.2
1.2 仪器与设备
冷冻离心机(AL104)，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；超级恒温槽(GHY-30100),凡帝朗科技公司；高速冷冻离心机(ALLEGRA-64R)，BECKMANCOULTER公司；电子鼻(PEN3)，德国AIRSENSE公司；电子舌(ISENSO)，上海昂申智能科技有限公司。
1.3 样品处理
新鲜原料肉清洗血水、沥干，去掉筋膜，切成15 cm×15 cm×15 cm的大块，用净水浸泡洗净。各试验组添加等量清水以及等量鲜姜、大葱、食盐、白糖、花椒、八角、桂皮、小茴香等辅料。水沸腾后煮肉，及时撇净油、浮沫，30 min后每隔20 min翻1次。煮沸时间2.5 h后把肉捞出，静置1 h。然后表面涂抹1%烟熏液，在50 ℃烘箱中烘10 min，再于表面涂抹1%烟熏液，在50 ℃烘箱中烘10 min，待测。
1.4 试验方法
1.4.1 电子舌测定方法
参考孟舒雨等[17]方法进行测定。将熏牛肉在料理机中搅碎，然后取15 g肉沫与150 mL超纯水放入250 mL的锥形瓶中，50 ℃水浴加热20 min。加热之后，把上清液转移到离心管中，用冷冻离心机5 000 r/min、4 ℃离心15 min，然后过滤，在取适量液体倒入烧杯待测。
1.4.2 电子鼻测定方法
参考武苏苏等[18]方法，略有改动。将制作好的熏牛肉用料理机搅碎，把15 g肉沫放入250 mL的锥形瓶然后用保鲜膜密封，40 ℃水浴加热5 min后立即测定。参数设置：顶空进样，清洗时间60 s，传感器归零时间5 s，样品准备时间5 s，数据采集时间80 s。
1.4.3 感官评价方法
参考王琼等的方法[19]，略有改动。培训10名(5男5女)学生，对熏牛肉进行等级评价，评价等级为差、一般、好、很好，评价指标为色泽、质地、气味、滋味、回味。评价员要保证身体健康、无感觉缺陷；不嗜烟酒，品评前1 h内不进食等；禁止相互讨论；评价每个样品后用清水漱口。
1.4.4 模糊数学模型理论依据
1.4.4.1 因素集、评语集和加权集的建立
因素集由评判指标构成，色泽(U1)、质地(U2)、气味(U3)、滋味(U4)、回味(U5)构成因素集为U={U1,U2,U3,U4,U5}[22]。
评语集由评价指标反馈信息构成，包含评价等级信息。很好(V1)、好(V2)、一般(V3)、差(V4)构成评语集V={V1，V2，V3，V4}[22]。
表2 感官评价标准
Table 2 Standards of ensory evaluation
等级色泽质地气味滋味回味 很好V1切面有光泽组织致密、弹性好、硬实特有的芳香,香气浓郁滋味鲜美,芳香,咸淡适中 回味悠长 好V2切面有些许光泽紧密,硬实香气好滋味一般,芳香,咸淡适中 回味好一般V3切面光泽不良较紧密,较硬实,弹性一般 有香气,但较淡滋味一般略有回味差V4切面暗淡较疏松无香气滋味较淡或过浓无回味
权重集由是各个评价指标占总体评价的比重表示，权重量组成权重域称为模糊向量，用X表示[17]。
1.4.4.2 矩阵确立与转换
熏牛肉不同指标的评价所得票数除以评价人数可以得到模糊关系矩阵R。模糊关系评价集是由权重集X与模糊关系矩阵R组合而成，记为：Y=X×R，则第i个样品评价结果可以表示为Yi=X×Ri(i为1～10)[23]。
根据感官评价的特殊性，认定评价等级集K={9，7，4，1}，通过计算得到模糊综合评价总分T，计算公式为T=Y×K。
1.4.5 灰色关联度分析
基于灰色数学系统理论与食品中应用要求进行灰色关联分析[20-21]，通过数据无量纲化等过程计算电子鼻传感器和感官评价之间关联度。
1.4.5.1 灰色关联系数的计算
将所有样品作为灰色系统，电子鼻不同传感器作为灰色系统的子系统，传感器的响应值作为系统里的因素计算[17]。感官评分为参考数列记为Y0；比较数列记为Yi(x)，Yi为样品的电子鼻传感器响应值。按照公式(1)计算灰色关联系数：
(1)
式中:x为不同组别；Yi为不同组别电子鼻传感器响应值；εi(x)为第x组样品的子序列Yi与母序列Y0的关联系数；mini mink |Y0(x)-Yi(x)|为两级最小差值；maxi maxk |Y0(x)-Yi(x)|为两级最大差值；|Y0(x)-Yi(x)|为母序列与子序列的绝对差值；ρ为分辨系数,ρ的取值范围为0～1，ρ取0.5。当ρ=0.5时，灰色关联度大于0.6，结果较好。
1.4.5.2 计算灰色关联度
关联系数的算数平均数为关联度，按照公式(2)计算：
(2)
式中：ri为母序列Y0与子序列Yi之间的关联度；N为子序列数据的数量。
1.5 统计分析分析
电子鼻、电子舌自带软件的主成分分析功能分析熏牛肉检测样品数据的聚集程度和区别指数；利用Excel 2010计算模糊数学感官评定、灰色关联度。
2 结果与分析
2.1 不同样品电子舌分析结果
利用电子舌系统分析软件主成分分析模式对6个熏牛肉样品的数据进行分析，建立以主成分1、2分别为横、纵坐标的二维图。由图1可以得出主成分1的贡献率为60.498%，主成分2的贡献率为26.405%，主成分1、2的累积贡献率为86.903%，大于85%，说明主成分1、2已包含了较多信息，能够反映熏牛肉样品的整体信息。由图1纵坐标可以看出，所有熏牛肉样品的分布区域和1号样品的分布区域分离较远，且各个试验组的数据点相对聚集，说明电子舌能够很好地区别不同熏牛肉之间的差别。另外，有研究表面电子舌可以很好地区分不同类型糖样品、比较甜菊糖甜味强度，并且结果与感官评价一致[24]。图1显示各熏牛肉试验组在滋味上与1号空白试验组样品差别明显；2号、3号熏牛肉样品分布区域较近，说明两者在滋味上有一定的相似性。
图1 不同样品电子舌分析结果
Fig.1 Electronic tongue analysis results of different
samples
2.2 不同样品电子鼻分析结果
电子鼻能够检测出熏牛肉中香气的复杂成分并进行表征，是二十一世纪食品控制技术之一[25]。对熏牛肉样品的信号数据进行主成分分析，以主成分1、2分别为横、纵坐标建立二维图。由图2可以看出主成分1的贡献率为63.379%，主成分2的贡献率为26.423%，主成分1和2的累积贡献率为89.802%，大于85%，说明主成分1、2包含了很大信息量，能够反映样品的整体信息。
电子鼻有10个传感器，用A～J分别对应芳烃化合物、氮氧化合物、胺或芳香分子、氢化物、烯烃或芳族或极性分子、烷类、硫化合物、醇或部分芳香族化合物、芳烃化合物或硫的有机化合物、烷类和脂肪类。由图2可知，B、K、F、G、H对PC1贡献较大，D、E、J对主成分2贡献较大。图2中主成分1的方差贡献率远大于主成分2的方差贡献率，表明熏牛肉样品间在主成分1上差异较大；而熏牛肉样品纵坐标上的距离很大，但方差贡献率比主成分1小，实际差异不大。由图3可以看出，1号样品的分布区域与2号样品的分布区域有重叠，说明在气味上1号熏牛肉样品与2号熏牛肉样品差距小，2号样品较好地保持了牛肉原本风味。5号、6号样品的分布区域分离较近，说明5、6号熏牛肉在气味上比较接近。3号样品位于第1主成分中横坐标的最右侧，说明3号样品中与其他试验组在第1主成分上差别很大。
图2 不同样品电子鼻分析结果
Fig.2 Electronic nose analysis results of different samples
图3 不同样品电子鼻分析结果
Figure 3 Electronic nose analysis results of different samples
2.3 不同样品的模糊感官评价结果
感官评价会因个体差异具有一定的差异和模糊性，利用模糊数学分析法可以对感官评价这类概念或事物进行定量化、数学化分析。如表3所示，通过调查法对20位调查者对熏牛肉不同感官品质指标(色泽、质地、气味、滋味、回味)的权重在总体中所占重要性程度比率进行权重的计算，5个感官指标的权重为0.2、0.1、0.3、0.3、0.1，转化为权重集可以表示为X={0.2，0.1，0.3，0.3，0.1}。
表3 各因素重要性程度分析
Table 3 Importance degree analysis of each factor
调查者编号色泽质地气味滋味回味10.10.10.40.30.120.20.10.30.30.130.20.10.20.40.140.30.10.30.3050.20.20.20.20.260.30.10.30.3070.20.20.20.30.180.10.10.30.40.190.20.10.30.30.11000.10.40.40.1110.300.30.30.1120.20.10.30.30.1130.30.10.30.30140.200.40.30.1150.20.10.30.30.1160.20.20.20.20.2170.10.10.40.30.1180.300.40.30190.20.20.20.20.2200.200.30.30.2平均值0.20.10.30.30.1
表4 不同烟熏液对熏牛肉感官评价等级分类评价
Table 4 Sensory evaluation grades of smoked
beef by different smoked liquids
编号色泽20%质地10%气味30%滋味30%回味10%V1V2V3V4V1V2V3V4V1V2V3V4V1V2V3V4V1V2V3V4104330154025303610172226112710352036103340380205320721062204420412610730224222420262513332332034311710361633310451044205230262
由表4可知，以1号样品的色泽为例，很好、好、一般、差的得票数分别为0、4、3、3，则得到集合U1={0，0.4，0.3，0.3}，同理可得U2={0，0.1，0.5，0.4}，U3={0，0.2，0.5，0.3}，U4={0，0.3，0.6，0.1}，U5={0，0.1，0.7，0.2}。U1～U5单因素模糊矩阵的评价结果写成矩阵，即:
已知5个指标的权重向量为X={0.2，0.1，0.3，0.3，0.1}，根据公式Y=X×R，得到第一个熏牛肉样品的评价结果:
即Y1={0,0.25,0.51,0.24}。同理可得Y2={0.27,0.55,0.16,0.02},Y3={0.64,0.19,0.17,0},Y4={0.14,0.25,0.45,0.02},Y5{0.07,0.24,0.48,0.21},Y6={0.06,0.44,0.35,0.20}。
模糊综合评价总分T=Y×K，第θ个熏牛肉样品的Y1={0,0.25,0.51,0.24}和评价等级集K={9，7，4，1}进行计算得到第1个熏牛肉样品的综合评分:
同理可得，T2=6.94，T3=7.77，T4=4.83，T5=4.44，T6=5.22。
熏牛肉的模糊数学感官评价综合得分和描述见表5，综合得分越高说明产品品质越好。由表5可知，1号熏牛肉模糊数学感官评价综合得分最低，为4.03，风味描述为无烟熏味，口感较浅。5号熏牛肉和4号熏牛肉得分相对提高为4.44、4.83，烟熏风味描述分别为烟熏味较好，说明4号熏牛肉样品的品质与5号熏牛肉样品的品质较为接近。3号熏牛肉的综合得分是最高的，说明3号样品品质最佳，2号略低于3号样品的综合得分，烟熏风味描述都为烟熏味带有香甜滋味，说明2号样品的风味与3号样品的风味较为接近，但是略差于3号熏牛肉样品。另外，由报道显示不同品种大豆的豆浆感官品质评价[16]、电子束辐照处理后的鲈鱼品质评价[26]都证明利用模糊数学感官评价法是食品中可行的一种评价方式。另外，专家小组进行感官评定时可能会受到培训要求、人员流动、个体差异性等原因的影响，造成一定程度上的局限性[25]，模糊数学感官评可以降低对感官人员的要求，通过大数据处理对产品进行评价与筛选，尽可能地减小感官人员个体主观因素的差异性在总体中的影响程度。
表5 模糊数学感官评价的综合得分和熏牛肉烟熏风味描述
Table 5 Bacon fuzzy mathematics sensory evaluation
comprehensive scores and smoking flavor description of
smoked beef
序号烟熏液综合得分排序描述1空白4.036有正常的牛肉香味,颜色较淡,无烟熏香味2H6.942有适宜的烟熏香味,略有烟熏色,略带香甜的烟熏味道3Oil-H7.771有令人愉悦的烟熏香味,较好的烟熏色4C-10-74.834有烟熏味,较好的烟熏色5C-10-104.445有烟熏味,色泽一般6C-10-115.223有较好的木质烟熏味,颜色一般
2.4 多元线性回归建立熏肉品质评价方法
电子鼻可以模拟食品的整体风味轮廓。模糊数学感官评价法考虑了多种因素对整体效果的贡献，能够较为客观、准确、科学地进行品质评价，减小因评价标准、个人喜好等原因带来的误差。通过多元线性回归建立熏肉品质评价方法，将反应风味的电子鼻数据与通过模糊数学建立的感官综合评分体系进行联系，利用电子鼻检测计算品质评价得分。利用多元线性回归得到的风味评价熏牛肉品质方程如下：
y=-33.72-125.56x1+115.96x3+56.59x9
式中：x1、x3、x9分别为电子鼻第一、第三、第九传感器的检测数值。
模型相关系数R=0.845，判定系数R2=0.715，调整判定系数
检验统计量DW=1.525，当DW约为2说明残差独立。偏回归系数经T检验概率系数为0.00,0.00,0.01，显著水平0.10，说明具有显著性意义。标准化残差=2.018<3，不能发现奇异值。
2.5 电子鼻与模糊数学感官评价的灰色关联度
灰色关联度可以表征在变化过程中的关系，2个因素变化态势一致，则认为两者关联较大；反之，关联度较小。无量纲化处理电子鼻传感器数据结果见表6，计算电子鼻传感器与感官评价关联度，见表7。
由表7可知，电子鼻传感器与模糊数学得到的感官评分之间的管理系数为0.806 4～0.832 6，大于0.80，反映出电子鼻传感器所测数值与模糊数学感官评价整体得分两者之间关联较大。尤其是传感器9、4、8、1、10等与模糊数学得到的感官评价分数之间关联系数较高，说明这几个传感器代表的芳烃化合物或硫的有机化合物、氢化物、醇或部分芳香族化合物、芳烃化合物等风味物质对感官评分关联较大。电子鼻与模糊数学感官评价之间拥有较高的灰色关联度度来看，电子鼻能够一定程度上代表熏肉品质，为进一步优化烟熏工艺、评价熏肉品质提供参考。还有研究得出，电子鼻可以鉴别质量等级相近的白酒样品[27]、荔枝样品[16]，也有研究结合BP神经网络等方法探讨非线性识别方法，这些均说明电子鼻也可反映样品的品质。
表6 电子鼻传感器数据归一化值
Table 6 Normalized values of electronic nose sensor data
编号1234567891010.850 6 0.925 6 0.786 3 0.997 6 1.000 0 1.000 0 1.000 0 0.983 4 0.994 6 1.000 0 20.778 7 0.961 5 0.725 4 1.000 0 0.783 2 0.978 4 1.026 5 0.993 0 1.000 0 0.985 9 30.776 5 1.000 0 0.743 1 0.932 3 0.723 2 0.934 1 0.864 8 1.000 0 0.972 7 0.907 1 40.826 1 0.765 3 0.784 8 0.964 8 0.718 5 0.829 9 0.766 9 0.899 6 0.981 9 0.851 9 50.929 3 0.486 7 0.896 1 0.962 9 0.734 0 0.738 1 0.483 1 0.782 9 0.975 3 0.735 4 61.000 0 0.372 1 1.000 0 0.940 9 0.727 2 0.693 6 0.326 5 0.736 4 0.960 5 0.682 2
表7 电子鼻传感器与感官评价之间的关联度
Table 7 Correlation coefficients between electronic
nose sensors and sensory evaluation
传感器空白HOil-HC-10-7C-10-10C-10-11关联度排序10.977 7 0.676 7 0.623 1 0.870 6 0.931 7 0.846 3 0.821 0 4 20.988 8 0.689 7 0.636 7 0.863 6 0.876 5 0.782 8 0.806 4 1030.968 4 0.673 0 0.621 2 0.865 9 0.927 3 0.846 3 0.817 0 740.999 6 0.692 5 0.632 5 0.887 0 0.936 1 0.839 9 0.831 3 251.000 0 0.677 0 0.620 0 0.858 4 0.906 5 0.817 5 0.813 2 861.000 0 0.690 9 0.632 6 0.871 1 0.907 0 0.814 1 0.819 3 571.000 0 0.694 4 0.628 4 0.863 8 0.876 1 0.778 6 0.806 9 980.997 5 0.692 0 0.636 7 0.879 2 0.912 7 0.818 5 0.822 7 390.999 2 0.692 5 0.635 0 0.889 0 0.937 8 0.842 0 0.832 6 1101.000 0 0.691 5 0.631 0 0.873 6 0.906 7 0.813 0 0.819 3 5
3 结论
(1)3号熏牛肉模糊数学感官评分最高，说明试验范围内，相同浓度下(2%，质量分数)红箭牌Oil-H烟熏液最优；
(2)利用电子鼻等风味检测构建了熏肉品质评价方法:y=-33.72-125.56x1+115.96x3+56.59x9，模型相关系数R=0.845，判定系数R2=0.715，为利用电子鼻等检测方法优化熏牛肉生产工艺和评价品质提供了简便、快捷的方法；
(3)电子鼻数据与模糊数学感官综合评分体系之间具有较高关联度，相关度为0.806 4～0.832 6，均大于0.80，为电子鼻等价代替感官评价进行优化熏牛肉烟熏工艺与品质的可行性和准确性提供理论支撑。
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