基于主成分分析对气调包装面包质量和保质期的研究.pdf

Sep.2023 CHINA FOOD SAFETY 59分析检测基于主成分分析对气调包装面包质量 和保质期的研究陈作毅（宁德市食品药品审评认证中心，福建宁德 352100）摘要：面包在改性气氛（40%CO2，60%N2）的气调包装条件下，检测其 33 d 储存期内品质稳定性和微生物变化的情况。结果显示，产品在（253）条件下储存24 d后未检测到微生物的变化，但面包品质持续劣化，面包弹性、黏聚性、黏着性和恢复性降低，面包瓤硬度增加、水分含量持续下降；酸度持续增加，显色分析值急剧下降。在储存 27 d 后，样品检出霉菌和菌落总数。通过主成分分析 14 组面包品质指标数据，提取的2 个主成分变量能够表示近 80%的解释反差：PC1 由恢复性、硬度、黏着性、黏聚性、酸度、水分含量、总体感官得分等属性定义，PC2 主要由酸价、过氧化值、比容、持水能力定义。通过主成分关系表达式和以主成分方差贡献率的比率为权重计算的综合得分排名，表明研究结果拟合面包储存过程品质变化的情况。关键词：主成分分析；气调包装；组织特性；面包货架期Study on the Quality and Shelf Life of Modified Atmosphere Packaging Bread Based on Principal Component AnalysisCHEN Zuoyi(Ningde Food and Drug Evaluation and Certification Center,Ningde 352100,China)Abstract:Bread packed in a modified atmosphere（40%CO2,60%N2）,was examined for stability and microbiological changes throughout 33-day storage.The results showed that no microbiological changes were observed after 24 d at（253）;However,the quality of bread continues to deteriorate,with reduced elasticity,cohesiveness,adhesion,and resilience,increased hardness of the bread pulp,and a continuous decrease in moisture content;The acidity continues to increase,and the color analysis value sharply decreases.After 27 days of storage,mold and total bacterial count were detected in the sample.The principal component analysis showed that nearly 80%of the variance in 14 considered variables could be represented by 2 new variables:PC1,defined by attributes such as resilience,hardness,adhesion,cohesiveness,acidity,moisture content,and overall sensory score,and PC2 defined mainly by acid value,peroxide value,specific volume,water holding capacity.The comprehensive score ranking calculated using the principal component relationship expression and the ratio of principal component variance contribution as weights indicates that the research results fit the changes in the quality of bread storage process.Keywords:principal component analysis;modified atmosphere packaging;textural properties;bread shelf life.短效的稳定性和有限的货架期是焙烤类面包产品的共性。面包在储存过程中发生着快速的质变老化，近年来，国内外都致力研究各种延缓面包质变老化的方法，但多在面包加工初期原辅料及加工工艺优化方面进行控制1-2。面包的质变老化过程复杂且未被充分研究，通常被认为是由微生物生长以外的因素引起的面包成分多方面变化造成的3，主要体现为面包瓤硬度、干燥度和易碎度增加，弹性下降；面包皮脆度下降等结构和质地的改变以及面包香气风味的丧失。有研究认为淀粉老化机制使淀粉重结晶度增加和面包瓤保水能力下降，这些胶体结构的变化使水分从面包瓤迁移到面包皮，而不一定是水分流失导致面包的老化4。使用改性气氛包装和储存面包来延长其保质期作者简介：陈作毅（1989），男，福建福安人，硕士，工程师。研究方向：食品工程、食品审评认证。60 食品安全导刊 2023年9月（上）分析检测和保持原始质量越来越普遍。因此，本文从面包储运的保存工艺上，探究复合气体气调包装（Modifed Atmosphere Packaging，MAP）（40%CO2，60%N2，v/v）对室温（253）下面包的品质和货架期的影响。使用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）降维评估气调包装面包的感官品质、质构特性以及物理化学指标之间的相互关系，同时检测了储存期间微生物的变化情况，以期为提高面包储运质量和获得更长的货架期提供一定的理论指导。1材料与方法1.1材料、试剂及仪器KM20-100-3 气 体 混 配 器，德 国 WITT；40%CO2，60%N2，慈溪市三江气体有限公司；全自动气调包装机，Linus 1100 高速托盘封口机，德国Variovac；聚酰胺/聚乙烯复合封口膜；TA-XT2i/5物性分析仪，英国 Stable.Micro System 公司；722 型分光光度计，仪电分析。1.2面包制作及包装和面工序按照参考文献 1 的方法进行，将和好的面团分切成单重 100 g 小面团，并滚圆成型。预醒发、烘烤、冷却等步骤及控制参数同陈作毅1的方法。使用气体混配器制备混合气体（40%CO2，60%N2），焙烤冷却后的面包使用全自动气调包装机装入气调盒托盘及聚酰胺/聚乙烯复合封口膜中，包装后即为成品。1.3感官评价在感官评价中，面包瓤的每个属性（滋味、气味及弹性）和面包皮（滋味、气味和脆度）使用 5 分制量表。经由 10 名受过评分标准训练和感官测试的小组成员品评。采用以下归一系数：面包瓤的滋味和气味 0.5，面包皮的滋味和气味为 0.2，面包瓤弹性 0.2，面包皮脆度为 0.1。在整体感官水平上评估，5 分、4 分、3 分、2 分、1 分对应于很好、好、可以接受、不能接受和不好。1.4理化指标测定1.4.1微生物测试面包的菌落总数根据食品安全国家标准 食品微生物学检验 菌落总数测定（GB 4789.22022）进行测定；大肠菌群根据食品安全国家标准 食品微生物学检验 大肠菌群计数（GB 4789.32016）第二法大肠菌群平板计数法进行测定；霉菌根据食品安全国家标准 食品微生物学检验 霉菌和酵母计数（GB 4789.152016）第一法霉菌和酵母平板计数法进行测定。其中菌落总数和大肠菌群均按照食品安全国家标准 糕点、面包（GB 70992015）3.5中的要求测定，但结果只取最大值。1.4.2质构测试使用 TA-XT2i/5 物性分析仪测量面包质地。将面包放在面包切片机上切成厚度 12.5 mm 的厚薄均匀的薄片，采用压盘式测试探头 P/35 测量，仪器设定参数及计算方法具体同楚炎沛5的方法。1.4.3水分含量和持水能力测定面包水分含量根据食品安全国家标准 食品中水分的测定（GB 5009.32016）第一法直接干燥法进行测定。持水能力的测量参照 FIK 等3的方法并调整为取 10 g 面包瓤，用 50 mL 水在均质机中均质2 min，匀浆在室温下磁力搅拌混合 20 min。浆液在1 600g 下离心 10 min。取上清液用于显色分析的测定，称取沉积物重量，减去样品干重即为沉积物中的含水量。持水能力表示每克干样品中含水的克重。1.4.4显色分析测定取 1.4.3 方法制得的上清液 20 mL，倒入离心管中。加入 2 mL 亚铁氰化钾和 2 mL 乙酸锌溶液沉淀蛋白，轻轻混匀后静置 10 min，最后在 5 000g 下离心 5 min。取 4 mL 上清液与 20 mL 0.02%的碘溶液混合；于 610 nm 处使用分光光度计测量吸光度6，用蒸馏水做空白试验。1.4.5酸度测定称取面包本体中心部分 25 g，精确到 0.1 g，加入无二氧化碳蒸馏水 60 mL，用玻璃棒捣碎，移入250 mL 容量瓶中，定容至刻度，摇匀。静置 10 min后再摇晃 2 min，静置 10 min，用滤纸过滤，取滤液25 mL 移入 200 mL 三角瓶中，加入酚酞指示液 2 6 滴，用 0.1 molL-1氢氧化钠标准溶液滴定至微红色30 s 不褪色，记录消耗氢氧化钠标准溶液的体积，同时用蒸馏水做空白试验。1.4.6比容值测定比容值测定参考陈作毅1的方法。1.4.7酸价和过氧化值测定将撕碎的面包样品置于广口瓶中，加入 2 3倍样品体积的石油醚（沸程：3060），封口摇匀，充分混合后静置浸提 12 h 以上，经装有无水硫酸钠的漏斗过滤，取滤液，在低于 40 C 的水浴中，用旋转蒸发仪减压蒸干石油醚，残留物即为待测试样。酸价根据食品安全国家标准 食品中酸价的测定Sep.2023 CHINA FOOD SAFETY 61分析检测（GB 5009.2292016）第一法冷溶剂指示剂滴定法进行测定；过氧化值根据食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定（GB 5009.2272016）第一法滴定法进行测定。1.5统计分析使 用 IBM SPSS Statistics 21 软 件 对 表 1 中X1 X14进行降维因子分析，储存时间（X0）作为自变量以及微生物指标（X15 X17）因数值格式不适合主成分分析而舍弃，得出解释方差表、成分矩阵表；使用 Origin 2021 软件中 Principal Component Analysis插件对所得结果进行主成分统计分析制图，得到载荷图和得分图。2结果与分析2.1感官品质分析面包在改性气氛储存期间的整体感官品质变化如表1。以初始的面包感官得分最高为5分。结果显示，经过 12 d 的储存，面包的质量仍然较好。随着贮藏时间的延长，面包的硬度持续增加，弹性、黏聚性、黏着性及恢复性明显下降，感官得分会随之降低。值得注意的是，在整个 MAP 储存期间，面包的外观几乎没有变化；直至 30 d、33 d，感官评测小组发现面包品质劣化，出现异味。2.2理化指标2.2.1微生物分析由表 1 可知，最初的细菌总数、大肠菌群以及霉菌水平均低于 10 CFUg-1。整个储存直到第 24 天，未观察到微生物的变化。在储存 27 d 后，计数琼脂培养平板上形成非常小的白色菌落，此时检出低发生率的霉菌。33 d 后，菌落总数和霉菌分别达到 260 CFUg-1和 27 CFUg-1。2.2.2质构分析由表 1 可知，在新鲜产品中，所有参数的测量值可作为高质量面包参照，新鲜面包的弹性、黏聚性和恢复性值最高，硬度值最低。在进一步MAP储存期间，硬度值变化最大，33 d 后面包的硬度值比新鲜面包高88.2 N。弹性和黏聚性在储存第9天下降后保持较稳定，直到第 33 天呈现明显下降。2.2.3水分含量和持水能力分析由表 1 可知，面包的水分含量逐渐下降。相对于面包水分含量下降，其每克干样品的持水能力变化不明显。数据显示，持水能力在整个储存期间与水分含量的多少并无明显关系。2.2.4显色分析显色分析定义了水溶性淀粉的含量，通常随着面包劣变而减少。由表 1 可知，以 MAP 包装的面包，其显色分析数值仅在 3 d 后就大幅下降（与初始值相比下降了 45%），6 d 后，进一步下降了 58%。在随后的存储过程中，显色分析值变化不明显。储存 30 d 后，出现了明显下降，这一情况的出现伴随着微生物的检出，可能是因为微生物代谢活动导致游离可溶性直链淀粉的水平下降。2.2.5酸度分析在整个储存期间，面包的酸度有轻微增加的趋势（表 1）。然而变化的程度不足以对味觉和风味产生可察觉的影响。2.2.6比容值分析面包的在整个贮藏期间比容值没有明显变化，基本保持在 3.00 mLg-1左右。从表 1 可以看出，面包在 MAP 贮存过程中，比容值能够维持在新鲜产品的初始值左右。2.2.7酸价和过氧化值分析由表 1 可知，面包在整个贮藏期间，过氧化值没有明显变化，提示油脂在气调包装氛围中稳定性良好；面包在贮存初期，酸价呈增加趋势，但在贮存 30 d 后，样品出现酸价大幅跃增，这与菌落总数和霉菌的增殖有很大的联系，微生物代谢产物和分泌的酶造成油脂水解，产生游离脂肪酸，造成酸价急剧增加。2.3PCA 分析2.3.1对数据标准化处理及因子分析适用性检验本文使用 SPSS 21 软件，对原始数据进行标准化（Z-score 法）处理，得到新的数据，然后通过KOM 检验法和 Bartlett 球体检验法进行因子分析的适用性检验。其中 Bartlett 球体检验结果为近似卡方值为 870.919，df 值为 105，Sig.值为 0.000，表明该数据适用因子分析法。2.3.2计算主成分系数一般认为，主成分分析是一种非常方便的食品多元表征方法7。在本研究中采用表 1 中的 X1 X14数据进行主成分分析。表 2 列出了 6 个主要成分的结果。分析表明，总变异的 63.981%是由 PC1 解释的，而在考虑的 14 个变量中，79.404%的方差可以由两个新变量（PC1 和 PC2）表示。图 1 中，载荷图表62 食品安全导刊 2023年9月（上）分析检测明恢复性（X7）、硬度（X2）、黏着性（X5）、黏聚性（X4）、酸度（X13）、水分含量（X8）、总体感官得分（X1）是 PC1 最重要的变量，PC2 主要由酸价（X10）、过氧化值（X11）、比容（X14）、持水能力（X9）定义。而提取两个主成分的评分散点图显示了面包在储存的各个阶段的分布得分情况，聚类分析大体识别出了 3 组数据：第一组为 0 3 d 的面包（PC1 0；PC2 0）；第二组为面包 6 27 d；第三组为储存的最后阶段，即 30 33 d。（a）PCA 载荷图（b）PCA 得分图图 1PCA 结果分析图由表 2 可知，前 2 个主成分解释了全部方差的79.404%，说明提取的 2 个主成分能够代表原来 14个指标信息的 79.404%，所提取的主成分评价气调包装面包的品质情况已有一定的把握。因此，提取 2 个主成分，分别为 Y1和 Y2。根据表 3 中 2 个主成分系数，基于标准化后数据建立关系表达式，得到 Y1、Y2的线性组合为表 1气调包装储存下面包各项品质指标测定结果品质指标X0储存时间0 d3 d6 d9 d12 d15 d18 d21 d24 d27 d30 d33 dX1总体感官得分/分5.04.94.64.24.13.83.73.53.22.92.71.3X2硬度/N57.5365.2673.6382.5387.5792.9895.74101.13 113.72 119.08 130.52 145.73X3弹性0.820.700.690.610.600.590.600.600.600.600.590.57X4黏聚性0.300.280.240.220.210.210.210.200.200.200.190.15X5黏着性0.0280.0280.0270.0250.0210.0220.0190.0200.0170.0170.0130.009X6咀嚼度/N14.1512.7912.1911.0811.0311.5212.0612.1413.6514.2914.6312.46X7恢复性0.610.580.580.550.530.520.520.500.470.480.450.39X8水分含量/%46.1044.6243.7343.6742.7042.1541.5439.0938.6337.9337.0536.84X9持水能力/（gg-1）3.162.982.953.033.043.273.353.093.123.073.062.96X10酸价/（mgg-1）0.720.720.811.101.101.080.961.100.971.122.154.81X11过氧化值/（g/100 g）0.013 7 0.013 7 0.013 7 0.014 4 0.013 7 0.013 7 0.013 7 0.010 9 0.013 7 0.013 7 0.013 7 0.016 5X12显色分析 610 nm/1 cm0.660.360.280.260.230.230.210.220.210.220.120.07X13酸度/T2.582.742.973.033.083.113.073.143.313.353.363.77X14比容/（mLg-1）2.953.082.962.942.962.822.892.882.952.922.912.97X15菌落总数/（CFUg-1）10 10 10 10 10 10 10 10 1060110260X16大肠菌群/（CFUg-1）10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10X17霉菌/（CFUg-1）10 10 10 10 10 10 10 10 10151527 注：咀嚼度=硬度 黏聚性 弹性。Sep.2023 CHINA FOOD SAFETY 63分析检测Y1=0.326X1-0.330X2+0.280X3+0.321X4+0.323X5-0.039X6+0.331X7+0.315X8+0.079X9-0.255X10-0.113X11+0.294X12-0.330X13+0.097X14（1）Y2=0.054X1+0.026X2+0.227X3+0.119X4-0.015X5+0.200X6-0.044X7+0.034X8-0.526X9+0.307X10+0.413X11+0.105X12+0.043X13+0.578X14 （2）综合得分 Y=0.639 8Y1+0.154 2Y2由式（1）（2）可知，在主成分 Y1中，总体感官得分（X1）、硬度（X2）、黏聚性（X4）、黏着性（X5）、恢复性（X7）、水分含量（X8）、酸度（X13）的系数绝对值大于其他变量的系数绝对值，所以主成分 Y1是7 个物性及总体感官指标的综合反映，它代表面包的质地及口感、滋味等，说明用这 7 个指标决定了面包品质 63.981%的解释性。在主成分 Y2中，持水能力（X9）、酸价（X10）、过氧化值（X11）、比容（X14）的系数大于其他变量的系数，因此主成分 Y2主要是由这 4 个指标来综合反映。它标志着面包含有油脂品质的变化及特定理化指标。表 2解释的总方差成分初始特征值提取平方和载入合计方差/%累积/%合计方差/%累积/%18.95763.98163.9818.95763.98163.98122.15915.42379.4042.15915.42379.40431.42510.18289.58640.8736.23595.82050.3152.25298.07260.1441.03099.102表 3成分矩阵项目成分项目成分1212恢复性0.989-0.065显色分析0.8810.154硬度-0.9870.038弹性0.8380.334酸度-0.9870.063酸价-0.7630.451总体感官得分0.9760.079比容0.2890.848黏着性0.966-0.022持水能力0.237-0.773黏聚性0.9620.174过氧化值-0.3390.607水分含量0.9440.050咀嚼度-0.1170.2932.3.3主成分得分和综合得分表 4 是根据主成分方程计算的主成分得分和以各个主成分方差贡献率占两个主成分总方差贡献率的比率为权重计算的综合得分，从主成分得分和综合得分来看，主成分 Y1得分比较高的储存期为 9 d内的面包，说明面包在气调包装下，9 天内均有良好的感官和物性品质。主成分Y2得分在储存期的第3天、15 天、33 天，得分绝对值较高；综合得分准确反映了面包实际储存过程中品质的变化，新鲜的得分最高，随着储存时间的增加，品质逐步下降，得分也越低。表 4主成分得分和综合得分储存天数/d主成分 Y1主成分 Y2综合得分 Y排名04.920.993.30133.232.182.40262.130.021.37390.950.210.644120.330.030.215150.06-2.28-0.316180.02-1.94-0.29721-0.51-1.77-0.60824-1.26-0.06-0.81927-1.810.03-1.151030-2.800.19-1.761133-5.262.42-2.99123结论与讨论质构特性是面包的一个重要品质属性。本研究通过 PCA 分析，发现恢复性、硬度、黏着性、黏聚性对面包的品质有着极大的影响，这几个指标也直接决定面包的总体感官得分。本研究观察到，面包贮存后硬度增加，弹性和黏聚性下降，后两个参数在第一周急剧下降，后呈缓慢衰减趋势。值得关注的是，新鲜面包咀嚼度指标数值是由良好的弹性与黏聚性决定，但随着面包产品的进一步储存，咀嚼度指标数值又因面包硬度增加而呈上升趋势，因此单纯通过仪器测定咀嚼度无法直接判别面包品质好坏，感官评价结果可能更符合实际面包品质。在储存过程中，发现面包质地的劣化均伴随着面包瓤中水分含量的降低。研究结果显示，基于标准化后数据建立关系表达式符合实际面包储存过程中品质变化的情况。改良气氛（40%CO2和 60%N2）可保障面包品质持续 24 d，进一步证明了气调包装面包具有良好的微生物稳定性，浓度为 40%的 CO2能有效抑制细菌和真菌的生长，尽管使用 CO2气体可能会导致产品可滴定的酸度略有增加，但在感官评估中没有感觉到酸味。N2能起到减缓面包中油脂氧化的作用，并对产品进行机械性保护，保持产品的外观、气味、风味和质地，从而保持其新鲜度，延长其货架期，大幅降低运输成本8。（下转第 68 页）68 食品安全导刊 2023年9月（上）分析检测3结论基于 FRET 的传感方法具有快速和灵敏度高等优点，在药物、食品和环境检测领域有广阔的应用前景。新型纳米材料，如碳点、金属纳米簇、金属纳米粒子、上转换纳米粒子和二维层状纳米片具有优异的光学性质和生物相容性，是 FRET 体系荧光供体和受体的理想材料。此外核酸适配体和抗体等具有高度特异性，可利用这个特性大大提高传感方法的灵敏度。参考文献1 孟飞.具有 D-A 构型的噻吩基三联吡啶的设计合成、晶体结构及其生物显影应用J.西华师范大学学报(自然科学版),2021,42(3):278-283.2 刘梦梦.基于 J-聚集效应的近红外发射纳米探针及其光动力治疗应用 J.广东化工,2023,50(1):59-62.3 李华,武园,高梦琪,等.含二苯醚结构单元的新型烟酰胺类衍生物的合及杀菌活性研究 J.现代农药,2020,19(1):14-20.4 宋江涛,袁跃华,朱永军,等.近红外 H2S 荧光探针研究进展 J.光谱学与光谱分析,2022,42(11):3321-3329.5 杜婉晴,宋文琦,梁天宇,等.一种基于二氰基异佛尔酮的近红外汞离子荧光探针的合成与应用 J.分析化学,2023,51(3):421-428.表 1鱼类样品中 CV 的检测结果表（n=7）样品检出量/（molL-1）加标量/（molL-1）加标测定值/（molL-1）回收率/%相对标准偏差/%草鱼00.050.04998.004.9100.500.500100.002.0801.001.049104.900.98鲫鱼00.050.051102.004.6800.500.520104.003.7301.000.98998.901.44参考文献1 陈作毅.基于 Behnken-Box 法优化面包冷冻面团4 种生产关键控制点参数的研究 J.现代食品,2021,29(22):108-114.2 陈作毅.面包冷冻面团复配改良剂的研究 J.现代食品,2022,28(22):200-206.3FIK M,SURWKA K,MACIEJASZEK I,et al.Quality and shelf life of calcium-enriched wholemeal bread stored in a modified atmosphereJ.Journal of Cereal 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