番茄中成熟度及贮藏时间检测方案(感官智能分析)

第21卷 第4期2005年 4月农业工程学报Transactions of the CSAEVol.21 No.4Apr. 2005113 农业工程学报2005年114 基于电子鼻的番茄成熟度及贮藏时间评价的研究 周亦斌，王 俊 (浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州310029) 摘。要：该文探讨了采用电子鼻系统对不同成熟度的番茄进行评价和对不同成熟度番茄在贮藏期间气味变化的电子鼻检测进行了研究。在按颜色进行成熟度区分时，从主成分分析(PCA)和线性判别式分析(LDA)中可以得到，电子鼻可以较好地区分半熟期和成熟期、完熟期的番茄，但成熟期、完熟期的番茄有部分区域发生重叠。按坚实度指标对番茄成熟度进行重新评价后，分析显示电子鼻可以区分坚实度的差异，当采用 PCA 方法分析时，电子鼻可以100%地区分不同成熟度的番茄对不同成熟度番茄在贮藏期间电子鼻检测的研究表明：成熟期的番茄在贮藏1~6 d、7~11 d、14~17d之间可以较好地进行区分；完熟期的番茄采用LDA 法在1~5d、6~11 d、14~17d之间可以较好地进行区分。 关键词：番茄；成熟度；贮藏期；；电子鼻；评价 中图分类号： TP242.6*4 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2005) 04-0113-05 周亦斌，王 俊.基于电子鼻的番茄成熟度及贮藏时间评价的研究[J].农业工程学报，2005， 21(4)：113-117. Zhou Yibin， Wang Jun. Evaluation of maturity and shelf life of tomat o using an elect ro nic noselJ. Transactions of theCSAE，2005，21(4)：113-117.(in Chinese w ith English abstract) 0)引l言 番茄(Tomato， Lycop ersicum esculentum Mill.) 是茄科(Solanaceae) 植物。由于番茄具有营养价值高、栽培容易、产量高、用途广泛等优点，已成为最重要的蔬菜之一。番茄果实的成熟过程大体可以分为6个阶段：未熟期、绿熟期、转色期、半熟期、成熟期和完熟期。番茄的收获主要是针对半熟期、成熟期和完熟期而进行的。不同成熟期的番茄在采收后，其用途也不一致2。 果蔬的气味是评价其品质的重要手段，也是影响消费者购买的主要因素之一。果蔬各自都具有不同的香味和特殊的气味，这是由它们自身所含的芳香物质所决定的。芳香物质在果蔬中含量虽然极少，但因品种和成熟度的不同其含量各有不同2，如番茄挥发物中芳香物质含量只有2~5 cm/m313]。气味的检测一般采用气相色谱法(GC)和气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)。但这些检测方法检测费用昂贵、检测周期长，特别是所得气味都是经样品分离后的结果，需把分离后的结果再重组才可作对比，所以测试结果都很难代表样品的整体性，与人的嗅觉很难作系统化和科学化的对照。随着电子鼻(传感器阵列系统)技术的发展，用电子鼻来表征气味及检测品质更为可靠和合理。这一快速方法使实时监测的愿望可以真正得到实现。在国内外，研究人员已经用电子鼻进行肉类[4、酒类5]的品质评价和苹果[6-8]、柑桔7、梨I8]、桃8-91、番茄101、谷物l1、茶叶[12等农产品品质评价的研究。 本次试验以番茄作为试验对象，试验的主要目的在 ( 收稿日期：2004-06-28 修订日期：2005-01-13 ) ( 基金项目：浙江省教育厅资助项目(20030289)；新纪纪优秀人才支持计划 ) ( 作者简介：周亦斌(1974-)，男，讲师，主要从事农产品加工工程与 ) 于尝试采用电子鼻进行不同成熟度番茄评价的研究；尝试采用电子鼻进行不同成熟阶段的番茄在贮藏过程中检测的研究。为番茄在采收时进行分级和贮藏中品质评价提供依据。 材料和方法 1.1 试验材料 本次试验用的番茄(浙杂202)采摘于浙江省农业科学研究院园艺所的实验农场。采摘时根据番茄的外表颜色，结合农场技术人员和菜农的评定，初步将番茄分为3种不同的成熟度：半熟期(果顶部的橙红色扩展到果腹部，着色程度约有一半左右)、成熟期(果实特有的颜色扩大到全面，但果基部是绿色)和完熟期(完全着色，而成一层浓厚的颜色)。在番茄运至实验室后(即收获的当天标记为 Day0， 其描描述意义相同)，剔除有果病和外表有损伤的番茄。在实验室放置一天后(即收获后的第1天， Day 1)，用电子天平称重，测其体积，取质量和大小基本一致的番茄进行分组。选取半熟期、成熟期和完熟期的番茄各20个为第1组；成熟期的番茄20个，为第2组；完熟期的番茄20个为第3组。在整个试验过程中，番茄均在20~22℃的温度和80%~85%的相对湿度环境下贮藏。 1.2PEN2电子鼻系统 图1为电子鼻系统(德国Airsense 公司的 PEN2电子鼻)的示意图。PEN2 电子鼻包含10个金属氧化物传感器阵列，根据传感器接触到样品挥发物后的电阻量G 与传感器在经过标准活性性过滤气体的电阻量 Go 的比值而进行数据处理和模式识别，其敏感性为1 cm³/m³。 1.3 试验方法 参考国外学者6-10的文献和预备试验得知样品密封1h后其顶部空间的挥发物将达到平衡状态。在番茄 学院310029B2cooefubishin收获后的第14进行番茄成熟度评定：采用 保鲜膜密封于0.5L的玻璃容器中1h后进行电子鼻自动顶空取样的检测。在不同成熟度番茄贮藏过程中的电子鼻检测试验中，采用每5个样品在采收后的第1d(Day1)用保鲜膜密封于3L的玻璃容器中1h后进行电子鼻检测，以后每天都进行检测。第11d后，每3d检测一次，即 Day14 和Day17。图2为典型的番茄检测中10个传感器电阻比的变化响应图。从图2可知，电阻比刚开始时较低，随着挥发物在传感器表面富集，传感器电阻比不断地增大，最后趋于平缓，达到一个稳定的状态。本文用稳定状态下信号进行分析，取55s处的信号作为分析的时间点。 图1 电子鼻系统示意图 Fig.1 Schematic diag ram of the electronic nose system 图2 番茄挥发物测量中电子鼻的电信号变化 Fig.2 Resistance changes of the elect ro nic nose sensorsduring the m easurement of the tomato volat iles 1.4 坚实度指标测量 坚实度测量在美国的Instron 万能试验机上完成， a.PCA分析图 采用刺入法[13]。选取番茄赤道上角度间隔为120°的3点作为测量点，刺入过程中计算机自动采集，记录刺入力。刺入探针直径为6mm，每次试验刺入速度为5mms。选取每个番茄3个刺入点刺入过程中所需最大力的均值计算坚实度。将最大力的均值除以探头断面面积即为坚实度值 Fi(10°N/mm²或MPa)。 1.5 数据分析 1.5.1 主成分分析(PCA) PCA分析是将所提取的传感器多指标的信息进行数据转换和降维，并对降维后的特征向量进行线性分类，最后在PCA分析的散点图上显示主要的两维散点图。PC1 和PC2上包含了在PCA 转换中得到的第一主成分和第二主成分的贡献率，贡献率越大，说明主要成分可以较好地反映原来多指标的信息。 1.5.2 线性判别式分析(LDA) LDA分析是研究样品所属类型的一种统计方方。LDA分析时，利用了所有传感器的信号以提高分类的准确性。LDA 分析更加注重样品在空间中的分布状态及彼此之间的距离分析，将样品信号数据通过运算法则投影到某一方向，使得组与组之间的投影尽可能分开。 2结果和讨论 2.1 不同成熟度番茄的电子鼻检测分析 图3显示了电子鼻检测和区分不同成熟度番茄的PCA 和LDA 分析图。在PCA分析中，第一主成分 PC1和第二主成分PC2 的贡献率分别为90.72%和7.99%，总的贡献率为98.71%。在LDA分析中，线性判别函数LD1和LD2的贡献率分别为66.80%和19.71%，总的贡献率为86.51%。从PCA 和LDA分析中可以得到，半熟期的番茄与成熟期、完熟期的番茄可以较好地用电子鼻进行区分，成熟期和完熟期的番茄有部分区域发生重叠。这是由于半熟期的番茄还没有达到发挥果实特有芳香的程度，而成熟期和完熟期的番茄已经接近和达到发挥果实特有芳香的程度。 b.LDA分析图 图3 按颜色区分的不同成熟度番茄的 PCA 和LDA分析图 )lot 按坚实度指标对番茄成熟度进行重新划分，将番茄按坚实度分为3个等级141：Fi > 0.95 MPa的为半熟期，0.95 MPa≥Fi≥0.28 MPa 的为成熟期， Fi<0.28MPa 的为完熟期。图4显示了电子鼻的分析结果， PCA 分析的总的贡献率为 98.88%，LDA分析的总的贡献率为89.98%。从中可以看出，电子鼻可以区别番茄的坚实度差异，采用PCA 方法分析时，电子鼻可以100%地区分不同成熟度的番茄。 图 4 不同坚实度番茄的 PCA 和LDA分析图 Fig. 4 PCA and LDA score plot of tomatoes at different firmness 熟和衰老过程中，其呼吸强度会逐渐加强且有一个急剧上升达到高峰后便转为逐渐下降的过程3。从不同成熟期番茄在室温贮藏过程中呼吸强度的变化规律看，呼吸高峰一般出现在贮藏后的一周左右[15，16]。这可能导致番茄果实 Day1~Day6和 Day7~Day11的电子鼻检测分析结果分别与呼吸跃变前期和呼吸跃变期对应。在Day14~Day 17 期间，番茄果实的呼吸强度便转为下降的过程。 图 5 按颜色区分的成熟番茄在贮藏期间的PCA和LDA分析图 Fig.5 PCA and LDA score plot of mature tomat oes in shelf life graded w it h colors 2.3完熟期番茄在贮藏中的电子鼻检测分析 味变化的趋势，但 Day 1~Day 11 之间变化没有较明显图6为完熟番茄在贮藏中电子鼻检测的PCA 分析 的分界， Day 1~Day 11 与 Day 14~Day17之间可以较好 间不理想。从LDA分析图中可知，在Day1~Day5 中，分布的区域比较接近；在 Day6~Day 11中，分布的区域也比较接近且均位于分析图的上方；从 Day1~Day 11的分布区域看， Day1~Day5 与 Day 6~Day 11 之间的分 a.PCA分析图 部区域有明显的差异； Day1~Day5、Day 6~ Day 11、Day 14~Day17 之间可以较好地进行区分。完熟期与成熟期番茄的电子鼻检测分析差异可能与同一贮藏条件下完熟番茄比成熟番茄提早1d进入呼吸跃变变关。 -160 b.LDA分析图 图6 按颜色区分的完熟番茄在贮藏期间的PCA 和LDA分析图 Fig.6.PCA and LDA score plot of overmature tom atoes graded w it h colors in shelf life 结论 1)在按颜色进行成熟度区分时，从主成分分析(PCA)和线性判别式分析(LDA)中可以得到，电子鼻可以较好地区分半熟期和成熟期、完熟期的番茄，但成熟期、完熟期的番茄有部分区域发生重叠。 2)电子鼻可以区别番茄的坚实度差异，结合坚实度指标对番茄成熟度进行重新划分后，采用PCA分析方法，电子鼻可以100%地区分半熟期、成熟期和完熟期的番茄。因此电子鼻在果蔬成熟度评价上具有巨大的潜力。 3)电子鼻可以较好地评价番茄在采后贮藏过程中的气味变化，成熟期番茄在 Day1~Day6、Day7~Day11、Day14~Day 17 之间可以较好地进行区分；完熟期番茄采用 LDA 法在 Day1~Day5、Day6~Day 11、Day 14~Day17 之间可以较好地进行区分。 ( [参 考 文 献1 ) ( [1] 日本农山渔村文化协会编，北京农业大学译.蔬菜生物生理学基础[M].北京：农业出版社，1985. ) ( [2] 余善鸣，白杰，马国庆.果蔬保鲜与冷冻干燥技术[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1999. ) ( 李明启.果实生理[M].北 京 ：科学出版社， 19 8 9. 41 ) ( 周亦斌，王 俊.电子鼻在食品感官检测中的应用进展 [J] . 食品与发酵工业，2004，30(2)：129-132. ) ( [5] 王 俊，胡桂仙，于 勇，等.电子鼻与电子舌在食品检测 中应用研究进展[J].农业工程学报，2004，20(2)：292- 295. ) ( [6] Stijn Saevels， Jeroen Lammert yn， A malia Z Berna， et al. 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When the maturity was disting uishedaccording to color， the score plot of the principal component analysis(PCA) and linear discriminant analy sis(LDA) for the electronic nose measurement show that immature tomato es can be distinguished from mature andoverm ature tomatoes. But the result is not good for mature and overmature tomatoes. Firm ness was also appliedto determine the maturity of tomatoes. When firmness was considered， the PCA can be used to classify 100% ofthe total samples at different mature stages. The res ult shows that the difference of firm ness can be distinguis hedby electro nic nose. The changes of two different mature state tomatoes were monitored during shelf life (1~11 d，14 d， 17 d). Based on electronic nose， a clear distinction among mature tomatoes on 1~6 d， 7~11 d and 14~17 dis available. And it is also possible to distinguish overmature tomatoes on 1~5 d， 6~11 dand 14~17 dbyusing LDA. Key words： tomato； maturity； shelf life； electronic nose； evaluation http：//www.cnki.net 和LDA分析图·CMnBCAa析图可知和熟期番氙tishin 进行区分er思RGev分析来区：分完熟番的贮藏时 基于电子鼻的番茄成熟度及贮藏时间评价的研究《农业工程学报》 周亦斌, 王　俊( 浙江大学生物系统工程与食品科学学院, 杭州310029) 摘要: 该文探讨了采用电子鼻系统对不同成熟度的番茄进行评价和对不同成熟度番茄在贮藏期间气味变化的电子鼻检测进行了研究。在按颜色进行成熟度区分时, 从主成分分析( PCA) 和线性判别式分析( LDA) 中可以得到, 电子鼻可以较好地区分半熟期和成熟期、完熟期的番茄, 但成熟期、完熟期的番茄有部分区域发生重叠。按坚实度指标对番茄成熟度进行重新评价后, 分析显示电子鼻可以区分坚实度的差异, 当采用PCA 方法分析时, 电子鼻可以100%地区分不同成熟度的番茄。对不同成熟度番茄在贮藏期间电子鼻检测的研究表明: 成熟期的番茄在贮藏1～6 d、7～ 11 d、14～17 d 之间可以较好地进行区分; 完熟期的番茄采用LDA 法在1～5 d、6 ～11 d、14～17 d 之间可以较好地进行区分。关键词: 番茄; 成熟度; 贮藏期; 电子鼻; 评价