基于感官與主成分分析的可可豆加工品質變化研究

谷風林 易橋賓 那治國 房一明 趙友興 徐飛

摘 ?要 ?采用電子鼻、色差儀、水分測定儀測定分析未發酵可可豆、發酵可可豆、焙烤未發酵可可豆和焙烤發酵可可豆的品質，并結合人工審評和主成分分析的方法對其風味進行評定。結果表明：未發酵豆、發酵豆和焙烤豆的電子鼻分析結果差異較大;未發酵豆水分含量高于發酵豆;不同溫度焙烤下未發酵可可豆色度值（L*、a*、b*）比較分散，發酵豆較集中;基于人工審評的主成分分析，能區分未發酵豆和發酵豆、以及不同溫度焙烤豆，其主要被劃分為低溫和高溫焙烤區;變量與因變量之間的相關性分析，能較好地區分開不同加工可可豆的品質。可見，利用電子感官儀器結合人工評定的方法能有效地鑒別不同加工可可豆的品質。

關鍵詞 ?海南可可豆;發酵;焙烤;品質;主成分分析

中圖分類號 ?S72 ? ? ? ? ?文獻標識碼 ?A

Processing Quality of Cocoa Beans Based on Sensory

and Principal Components Analysis

GU Fenglin1，3， YI Qiaobin1，2， NA Zhiguo2， FANG Yiming1，3， ZHAO Youxing4， XU Fei1，3

1 Spice and Beberage Research Institute， CATAS， Wanning， Hainan 571533， China

2 Department of Food and Environmental， East University of Heilongjiang， Harbin， Heilongjiang 150086， China

3 National Center of Important Tropical Grops Engineering and Technology Research， Wanning， Hainan 571533， China

4 Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract ?The quality of cocoa beans of unfermented， fermented， roasted unfermented and roasted fermented cocoa beans were investigated by electronic nose， colorimeter and moisture meter. The artificial evaluation method and principal component analysis were combined to analyze the difference of flavor. The cocoa beans from different treatments presented a large differences by electronic sensory analysis. The moisture content of unfermented cocoa beans was higher than that of fermented cocoa beans. Roasted at different temperature，the chroma value of unfermented cocoa beans was relatively decentralized，and fermented cocoa beans was relatively concentrate. Unfermented，fermented and roasted cocoa beans were divided into low and high temperature groups by the artificial evaluation method combined with principal component analysis. The quality of cocoa beans was distinguished by analysis of the correlation between variables and the dependent variable. The study demonstrates that the quality of cocoa beans of different treatments can be effective identified by electronic sensory followed by the artificial evaluation method.

Key words ?Hainan cocoa beans; Fermentation; Roast; Quality; Principal component analysis

doi ?10.3969/j.issn.1000-2561.2015.10.026

可可（Theobroma cacao）是重要的熱帶經濟作物，具有獨特的風味和豐富的營養物質，被廣泛應用于巧克力、飲料、糕點和冰激凌等行業，與咖啡、茶同被稱為世界三大飲料[1-2];也被應用于煙草、化妝品和醫藥品中。可可豆的加工主要由三個步驟構成，即發酵、干燥和焙烤。發酵過程中發生酶促褐變產生風味前體物質[3-4]，同時顏色也發生變化[5-6];在焙烤階段，有文獻表明，20 min～1 h、120～150 ℃為發酵可可豆常用的焙烤條件[7]，可可豆在焙烤過程中發生美拉德反應，含氨基類化合物與羰基化合物縮合，產生可可豆的特征風味物質[8-9]。

目前，食品方面風味評價主要采用感官審評方法，審評結果受評審員經驗和外界因素影響較大，主觀性強，重復性差，隨機誤差較大[10]。氣味指紋分析技術是近年來針對復雜介質和含協同作用的樣品而發展起來的一門新技術。采用傳感矩陣的電子鼻系統可以模擬人類的嗅覺對氣味進行感知。電子鼻檢測得到的不是被測樣品各種成分的定性和定量結果，而是給予樣品中揮發成分的整體信息[11-12]，能夠分析識別和檢測復雜風味及成分，具有快速、客觀等優點[13-14]，但是電子鼻中傳感器為固定檢測器，存在系統誤差。Olunloyo等[15]研究分析國際可可豆貿易中使用隨機抽出人工評價的利弊，并使用電子鼻系統結合主成分分析方法對國際上幾種商品可可豆品質進行評級，此法具有準確和快速的優勢。房一明等[16]在研究不同發酵方式及焙烤對可可豆風味影響時所采用的電子鼻分析法能較好地區分樣品的風味差異。采用電子感官結合人為感官，可有效減少人為隨機誤差和儀器系統誤差。

為了研究發酵和焙烤對可可豆品質的影響，本實驗以海南可可豆為研究對象，發酵與否、焙烤溫度作為影響因素，通過電子鼻、色差儀結合人工感官評價，確定了不同加工條件下品質的變化，為可可豆工藝的優化和品質的選擇提供理論參考，對優化我國可可豆加工工藝和產品質量具有重要意義。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

1.1.1 ?材料及樣品處理方法 ? 海南可可鮮果由中國熱帶農業科學院香料飲料研究所提供。

選擇新采摘好的可可鮮果，立即去殼取鮮可可豆，其中一部分用水洗凈可可豆外部果膠等果肉部分物質，通風處晾曬干燥，-40 ℃保存記為UF（unfermented）;另外一部分置于避光透氣較好的木箱中進行發酵（溫度在50～60 ℃）[17]，6 d后用水洗凈可可豆外部發酵殘留物，通風處晾曬干燥，-40 ℃保存記為F（fermented）。

可可豆焙烤處理采用PROBAT咖啡烘焙機，根據相關文獻20 min～1 h、120～150 ℃為焙烤條件，未發酵可可豆和發酵可可豆在105、115、125、135、145 ℃溫度下焙烤，以上選擇焙烤的溫度都符合文獻范圍。

磨粉：通過磨樣機精細研磨UF、F、UF-105、UF-115、UF-125、UF-135、UF-145、F-105、F-115、F-125、F-135和F-145樣品獲得待測可可粉。

1.1.2 ?主要儀器 ? 電子鼻：法國Alpha MOS公司;DG-0.2真空凍干機蘭州科近真空凍干技術有限公司;單爐咖啡烘焙機德國PROBAT;全自動磨樣機（RS200混合型碾磨儀）德國RETSCH;電子天平（AL104）美國METTLER TOLEDO;色差儀美國Xrite SP62。

1.2 ?方法

1.2.1 ?電子鼻分析 ? 準確稱量“1.1”中可可粉1.3 g放入進樣瓶，上機測定。分析條件：孵化溫度50 ℃，振蕩速度500 r/min，孵化時間120 s，以合成干燥空氣為載氣，流速為150 mL/min，注射體積1 500 μL，注射針溫度60 ℃，注射速度1 000 μL/s，獲取時間90 s，延滯時間300 s，每個樣品重復6次。

1.2.2 ?水分含量測定 ? 按“1.1”的方法準備樣品，稱取精細研磨的可可粉10 g，分別進樣到快速水分測定儀中測定水分，測定溫度為105 ℃，測定時間為10 min。

1.2.3 ?色度測定 ? 按“1.1”的方法準備樣品稱取精細磨粉和過篩后的可可粉，測定色度值。

1.2.4 ?香氣和口味的人工評審 ? 12個樣品（UF、F、UF-105、UF-115、UF-125、UF-135、UF-145、F-105、F-115、F-125、F-135和F-145）香氣和味覺感官審評試驗在中國熱帶科學院香料飲料研究所感官審評實驗室完成，由12位經過培訓的人員（23～35周歲，7 ∶ 5=男 ∶ 女，無飲酒抽煙習慣），進行審評。

香氣評審方法：選取果香、青草香、發酵酸味、可可香、甜香、焦味、油脂味和烤香[18]作為審評香味，各評審員按15 cm劃線法[19]給出每個樣品香氣的濃度值。準確稱量“1.1”中現磨可可粉1.0 g于10 mL的錐形瓶內，用封口膜封住瓶口待香氣評價。香氣評審時揭開裝有可可粉的錐形瓶封口膜，一個樣品重復3次嗅聞，12個評審員劃線強度的平均值作為每個樣品香氣濃度的最終強度值。為了避免評審人員的嗅覺疲勞，進行一個樣品審評后通過嗅聞純凈水30 min后再進行下個樣品審評。

味覺評審方法：選取果味、甜味、苦味、澀味、咸味、酸味、可可味、巧克力味、土腥味和燒烤味[20]作為審評味覺種類，各評審員按15 cm劃線法給出每個樣品味道的濃度值。按“1.1”的方法準備樣品，稱取精細研磨的可可粉，各5 g，加入60 mL沸水，過濾后得濾液，冷卻至適宜溫度（40～50 ℃）后進行，味覺評審時，一個樣品重復3次，12個評審員劃線強度的平均值作為每個樣品味覺濃度的最終強度值。審評時間為飯前或飯后2 h純凈水漱口后進行審評品嘗，為了避免評審人員的味覺疲勞，每次只對4個樣品進行評價。

1.3 ?數據處理

電子鼻和電子舌數據分析采用Alphasoft V11操作及數據處理軟件系統，其帶有PCA（主成分分析）等多變量統計分析功能。采用Spss19進行顯著性分析，并通過Canoco4.5、SIMCA-P11.5軟件進行數據主成分分析和Origin9.1進行圖像處理。

2 ?結果與分析

2.1 ?電子鼻分析

圖1是12種（UF、UF-105、UF-115、UF-125、UF-135、UF-145、F、F-105、F-115、F-125、F-135、F-145）不同處理的可可豆磨粉后電子鼻PCA分析結果，橢圓區域內的點為8種不同處理樣品氣味的數據采集點。圖中結果顯示PC1、PC2的貢獻率分別為96.071%和 3.92%，PC1、PC2的總貢獻率為99.99%，可見PCA分析可有效區分不同處理下可可豆的氣味。由圖1可知，發酵后的可可豆與未發酵的可可豆相比，風味發生較大變化，可可豆經不同溫度焙烤后氣味同樣也發生了較大變化，并呈現一定的變化規律，不同溫度焙烤的未發酵豆和發酵豆在PCA分析圖中呈現一定的聚類特性，由PCA分析特點知，氣味特征越相似，數據分布越緊密。在105、115、125、135、145 ℃等不同溫度焙烤下的可可豆電子鼻風味圖分布在不同的位置，未發酵豆高溫焙烤區UF-135和UF-145 2個樣品的可可豆氣味差異較小，UF-135和F-135風味趨近，發酵豆高溫焙烤區F-135和F-145差異明顯;經125 ℃焙烤可可豆，分布在低溫和高溫之間，未發酵豆和發酵豆之間有明顯差異;在115 ℃低溫焙烤下，未發酵豆和發酵豆風味趨近，105 ℃焙烤下二者風味相差顯著。整體風味品質可以區分為低溫焙烤區、125 ℃焙烤區和高溫焙烤區。發酵和焙烤是可可豆加工過程中的兩個階段，發酵后可可豆風味有明顯差異，在一定的溫度焙烤下未發酵可可豆和發酵可可豆的風味品質趨近。

2.2 ?水分含量分析

可可豆含水量是其重要的一個品質[16]。從表1可知，未發酵可可豆和發酵可可豆通過相同的方法干燥后，未發酵豆水分含量高于發酵豆，可能是發酵后可可豆內部結構遭到破壞，變得更為疏松便于干燥過程水分的散失，故發酵豆水分含量低于未發酵豆。經不同溫度焙烤，未發酵豆和發酵豆水分含量都呈現降低的趨勢，未發酵豆隨溫度變化較大，125 ℃后趨近于平衡變化量較小，發酵豆整體的基礎含水量較低。

2.3 ?可可豆色度分析

未發酵可可豆、發酵可可豆和焙烤可可豆的色澤差異比較見表2。其中反射光譜波長為400～ 700 nm，反射率為8.0%～29.0%，色度值L*值是色彩的明度值，表示色彩的明暗程度，a*值和b*值是色彩的色度值，a*值從紅（+a*）到綠（-a*）漸變、b*值從黃（+b*）到藍（-b*）漸變[21]。從表2可以看出色差計測定后其L*、a*、b*值隨溫度的變化均存在一定的變化趨勢：未焙烤豆L*值為UF>F，不同溫度焙烤豆L*值分別為UF-105>UF-115>UF-125>UF-135>UF-145和F-105>F-115>F-125>F-135>F-145。未發酵可可豆L*值大于發酵可可豆，說明未發酵豆顏色明度要好于發酵豆，溫度越高L*越小顏色明度越差;未焙烤豆的a*值UF

不同處理可可豆色度的L*、a*和b*值進行主成分分析整體結果見圖2。由圖2可知，12個不同處理可可豆樣品分散在3個主成分組成的三維空間中，未發酵可可豆分散的區域較廣，發酵豆分布較為集中，經145 ℃焙烤后的發酵豆離發酵豆集中區域較遠。經不同溫度焙烤后的未發酵可可豆色度值差異較大，發酵豆115～125 ℃溫度范圍內色度值差異較小。由圖3可知，不同處理可可豆色度值的第一主成分分析結果可分為三個區域，第一區域為-1～-2之間包含：F、F-135、F-145，屬于發酵豆的未焙烤區和高溫焙烤區;第二區域為-1～1之間包含：UF、UF-105、UF-145、F-105、F-115、F-125，屬于第一主成分中未發酵豆和發酵豆色度值差異較小的區域;第三區域為1～3之間包含：UF-115、UF-125、UF-135，屬于未發酵中溫焙烤區。在只考慮第一主成分時，第二區間為未發酵豆和發酵豆的交叉區域，說明未發酵豆和發酵豆在一定的處理條件下色度值趨近。

2.4 ?可可豆香氣的評審

從表3可見，未發酵豆、發酵豆和焙烤豆的香味15 cm人工審評強度值，男女性的平均值有一定的差異，通過求二者的平均值得到最后不同樣品對應的香氣類型強度值，若評審強度值小于或等于2.25時則表示香氣濃度很弱或者為審評員聞不到香氣，若強度值大于或等于13.5則表示香氣很濃，審評員對同個樣品之間的差異顯著性p<0.05。利用儀器自帶的Canoco4.5軟件，對未發酵豆、發酵豆和焙烤豆的香氣審評強度值進行主成分分析，得到主成分的貢獻率見表3。由表3可知，第1主成分的貢獻率為54.1%，第2主成分的貢獻率為36.3%，第3主成分的貢獻率為6.3%，第4主成分的貢獻率為1.6%，4個成分的累計貢獻率已經達到98.2%，根據主成分分析一般提取主成分包含90%以上信息的原理[22]，可見此4個主成分足以說明該數據的變化趨勢，故根據其貢獻大小將其命名為第1、2、3、4主成分。由圖4可知，人工審評的八類香氣強度集中于三塊，分別位于主成分分析圖中的4個區域兩兩交界處，說明經不同處理方式獲得的可可豆共有多種香氣，僅強度存在差異。

2.5 ?可可豆的味覺評審

從表4、5可見，未發酵、發酵豆和焙烤豆十種味覺的15 cm人工審評強度值，男性、女性的平均值有一定的差異，通過求二者的平均值得到最后的樣品對應味覺類型的強度值，當值小于或等于2.25時，表示很弱或者表示審評員品嘗不出對應的味道類型，值大于或等于13.5時表示味道很濃，審評員對同個樣品之間的差異顯著性p<0.05。發酵與否、焙烤溫度對十種味覺有較明顯的影響。果味隨溫度升高強度降低;未發酵豆苦味強于發酵豆，可可豆隨溫度升高苦味強度變化較小;可可豆甜味較弱，隨溫度變化有減弱的趨勢;可可豆澀味強，且隨溫度升高變化較小;可可豆的咸味幾乎品嘗不到;未發酵豆酸味較弱，發酵豆有明顯的發酵酸味;經焙烤后可可豆的巧克力味和可可粉味增強，發酵豆的巧克力味濃于未發酵豆;土腥味強度較弱，隨溫度變化不明顯;焦糊味隨溫度變化鮮明。通過主成分分析得到人工審評的十種味道強度主成分貢獻率見表6。由圖6可知，人工審評的十種味道強度集中于四個象限中，可以區分為四個區域：未發酵低、中溫區域;未發酵高溫區域;發酵中、高溫區域;發酵低溫區域。未發酵豆的中溫區域趨近于低溫區域，發酵豆的中溫區域趨近于高溫區域可可豆，說明未發酵豆可能需要較高的溫度焙烤才能引起較大的味覺變化，發酵豆在較低的溫度焙烤下可能就會引起較大的味覺變化。與電子鼻分析結果比較沒有明顯的125 ℃中溫區域;與香氣人工審評結果比較果味、巧克力味和焦糊味有類似于香氣審評中果香、可可香和焦味類型的變化趨勢;味覺中甜味的強度值并不符合香氣審評中甜香濃郁的結果，由于可可豆具有多種醇類[23]，故其水果香和甜香比較強，又含大量的多酚類物質[23]味覺品嘗是苦澀味強而掩蓋其甜味。

2.6 ?不同處理可可豆變量與因變量相關性分析

采用主成分分析法對不同處理條件所獲得可可豆的水分含量、色度值（L*、a*、b*）、香氣審評和味覺審評強度值進行相關性分析。由圖7可知，水分含量、色度值、香味和味道，與發酵與否、焙烤溫度之間有較強的相關性，可可豆品質可分為三個區域，第一區域為未焙烤和低溫焙烤區域，主要表現為水分含量高，湯色好且偏黃，具有較強的水果類型自然風味，且苦澀味較強，發酵豆還具有較強的發酵酸味;第二區域較為鮮明的未發酵豆高溫焙烤區域，以焦糊味為主;第三區域為發酵豆中、高溫區域，水分含量較低，顏色偏紅，屬于巧克力和焙烤風味。相關性也能較好地解釋變量與因變量之間的相關性[19]，以及變量之間的差異性，并在一定程度上可鑒別出不同加工條件獲得的可可豆，通過分析可可豆表現出來的風味特征可以區分其屬于哪個焙烤區域以及是否發酵。

3 ?討論與結論

Gu等[24]研究表明，不同地區、不同年份的可可豆中氨基酸、多酚和黃酮等多種物質的含量可通過比較可可豆電子感官風味反應其品質差異。Olunloyo等[15]主要是對國際商品可可豆進行品質的抽查分析，大部分為未焙烤和未發酵豆，分析不夠全面，并未結合可可豆的加工工藝對其品質變化進行分析。本研究采用電子感官和人工感官評價，有效結合主成分分析方法分析，不需測定過多的物質含量，較全面分析了可可豆在整個加工過程中不同條件對其品質的影響，并可有效地減少人為的隨機誤差、儀器的系統誤差，同前兩種分析方法相比，本方法具有方便、快速、全面、耗材少等優點。

未發酵豆和發酵豆之間風味有明顯的差異，經不同溫度焙烤后，可可豆風味也有較大的差異。未發酵豆具有水果類的自然風味，且苦澀味偏重，其焙烤豆焦糊味濃烈，顏色偏黃;發酵豆有明顯的發酵類型風味，偏酸，且油脂味較強，經135 ℃焙烤后具有可可獨特的風味及濃郁的烤香和巧克力味，顏色較好。經分析認為，出現上述風味差異可能由以下幾個方面因素導致的：①發酵過程中可可豆在其內源酶和微生物的作用下，發酵過程多酚氧化，蛋白質分解，從而產生可可豆特征風味的前體物質，酚類大部分被氧化，苦澀味降低，同時一些糖類物質被氧化后產生醇和酸，最終發酵豆多具有醇香和酸味[25-26];②發酵后可可豆種皮表面果膠基本被分解，果味和甜香較弱;③未發酵豆表面殘存果膠較多，風味中表現為未發酵豆具有較多的水果甜香味，未發酵豆多酚類物質含量高，其味道比發酵豆苦，吃起來苦澀味重，香而不甜;④發酵過程中可可豆內部結構發生改變，相對于未發酵豆更為疏松便于水分的散失和氧氣的進入，焙烤過程的美拉德反應更加完全，更有利于產生含氮、含氧的雜環類可可豆特征風味物質;⑤葡萄糖和果糖等單糖在酸性pH條件下產生較少的呋喃，葡萄糖和果糖高于90 ℃后開始產生呋喃類，蔗糖高于130 ℃后才產生較多呋喃類[27]，呋喃類是焦糊味的主要來源;發酵后產生較多的酸，pH較低，多糖水解成單糖，故發酵豆相對于未發酵豆焦糊味較弱;未發酵豆在高溫焙烤下焦糊味濃烈。

經發酵及不同溫度焙烤后可可豆的電子鼻風味分析結果、水分含量、色度值、人工審評的香味和味道有明顯的差異性;未發酵豆的和發酵豆的比較，發酵豆具有較好的風味。焙烤區間基本上可分為三個區域：第一區域為未發酵豆中低溫和發酵豆低溫區;第二區域為未發酵豆高溫區;第三區域為發酵豆中高溫區。三個區域的電子鼻、色度值、人工評審結果差異明顯，其中第二區域發酵中高溫區域風味和成色較好，適合開發可可豆常用焙烤條件。

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