基于電子舌技術區分酸奶的滋味

叢艷君，易　紅，鄭福平，*（1.北京工商大學食品學院，北京100048；2.北京工商大學北京市食品風味化學重點實驗室，北京100048；3.北京工商大學食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京100048）

基于電子舌技術區分酸奶的滋味

叢艷君1，2，易紅1，3，鄭福平1，2，*
（1.北京工商大學食品學院，北京100048；2.北京工商大學北京市食品風味化學重點實驗室，北京100048；3.北京工商大學食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京100048）

為探索應用電子舌區分酸奶滋味的可行性，以原味酸奶和風味酸奶為研究對象，應用電子舌交叉選擇型傳感器進行檢測，獲得酸奶響應信號值，采用主成分分析（PCA）、判別因子分析（DFA）對酸奶響應信號值進行分類辨別，并通過PCA、偏最小二乘法（PLSR）將感官評定值與響應值做相關性分析。結果表明：基于PCA、DFA方法分析響應信號值，電子舌技術能很好地辨別不同的酸奶。PLSR模型可以較好的預測酸奶的滋味品質，HA傳感器與甜和鮮味具有相關性，以PC1為軸，它們呈顯著負相關（p＜0.05），苦味與BB和JB兩根傳感器以PC1軸呈顯著正相關（p＜0.05）。

電子舌，酸奶，主成分分析，偏最小二乘法，感官評定

電子舌技術是20世紀80年代中期發展起來的一種分析、識別液體成分的智能儀器技術，它主要由傳感器陣列、信號處理和模式識別系統組成。傳感器陣列對液體樣品做出響應并輸出信號，信號經計算機系統進行數據處理后得到反映樣品味覺特征的結果，實現了由儀器“味覺”對產品進行客觀分析[1]。

電子舌按照傳感器陣列的不同可分為：電勢型、伏安型、光學型以及其他類型的電子舌。電勢型電子舌的原理是基于原電池內化學反應的進行使自由電子發生轉移，只要反應未達到平衡，就會有電勢產生，在無電流通過的情況下測量電極膜兩側產生電勢，通過分析此電勢差來研究樣品的特征[2]。其主要特點是，操作簡便、快速，能在有色或渾濁試液中進行分析，因為可以直接給出電位信號，較易實現連續測定與自動檢測[3]，目前電勢型電子舌在乳品品質監控方面應用報道較少，報道比較多的是基于光電效應原理、光化學原理伏安型電子舌。另外還有根據聲電效應來識別液體的SH-SAW（shear horizontalsurface acoustic wave）電子舌[4]，應用味覺物質使電解液電導率降低的原理制成的電導型電子舌[5]以及采用納米材料作為傳感器部件的電子舌[6]。

國外已經開始應用電子舌技術進行酸奶品質評價及在線生產監測[7-8]，國內相關研究均處于起步階段。本研究應用Alpha M.O.S公司的電勢型電子舌Astree II（交叉型傳感器）對6種酸奶滋味進行綜合評價，并通過主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、判別因子分析（Discriminant Factor Analysis，DFA）方法對酸奶樣品進行模式識別，同時通過PCA與偏最小二乘回歸法（Partial Least Squares Regression，PLSR）對電子舌響應信號特征與感官評價結果進行相關性分析，本實驗結果可以為酸奶的智能化品質評價提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

原味酸奶伊利（生產日期：20140416），蒙牛（生產日期：20140412），三元（生產日期：20140324），光明（生產日期：20140328）4種品牌，購于超市發；風味酸奶紅棗風味酸奶（生產日期：20140415），黃桃風味酸奶（生產日期：20140415），購于超市發。

電子舌系統（型號：ASTREE II） 法國Alpha M. O.S公司；電子舌系統主要由味覺傳感器、信號采集器和模式識別系統3部分組成，該電子舌系統含有1套交叉選擇型化學傳感器陣列和一個Ag/AgCl參比電極，此傳感器陣列包括ZZ、JE、BB、CA、GA、HA、JB7根具有非專一選擇性的傳感器，傳感器是由有機物覆蓋的硅晶體管制成，每個傳感器前端有1個電子芯片，芯片表面覆蓋一層敏感吸附薄膜，可以選擇性吸附液體中的游離分子，傳感器之間互相影響，所采集的信號數據最終體現的是樣品的整體信息和綜合口感。

1.2感官評定

感官評定是采用定量描述性感官評價方法，選取10點制，0～9（0=沒味道，9=味道最強）。評價小組由有經驗的評價人員組成（有6周以上的感官評價經驗），共10人，年齡在23～30歲之間。酸、甜、苦、咸、鮮5種基本味道分別選取檸檬酸、葡萄糖、咖啡因、氯化鈉、谷氨酸鈉作參照物，參照物的濃度：檸檬酸：0.08g/100mL；葡萄糖：5g/100mL；NaCl：0.5g/100mL；咖啡堿：0.08g/100mL；谷氨酸鈉：1g/100mL，每個樣品重復評價2次[9-11]。

1.3電子舌分析

采用ASTREE II電子舌系統，以Ag/AgCl作為參比電極，在室溫下進行數據采集。數據采集前，電子舌系統需要經過被動活化、主動活化、校準、診斷等步驟，以確保采集得到的數據具有可靠性和穩定性。實驗將酸奶稀釋1倍，取25mL后直接倒入電子舌專用燒杯中進行檢測，采用蒸餾水作為清洗溶劑，采樣時間為180s，1次/s，重復采集8次，選擇最后3次穩定的檢測數據進行分析。

1.4數據處理與統計分析

將電子舌分析得到的數據信息進行統計分析，PCA、DFA分析由電子舌自帶軟件Alpha soft Version 12.0完成，感官評定結果方差分析由Excel軟件完成，感官評價值與電子舌響應值的主成分相關性分析及偏最小二乘回歸通過Unscrambler軟件（中國科學軟件網）完成[12-13]。分析結果由判別指數（Discrimination Index，DI）進行衡量[14]。DI值的計算公式

DI（%）=（1-ΣSi/S總）×100

式中：Si是指單個樣品的區域面積；S總則表示的是所有區域的總體面積。DI值越大表示區分的效果越理想，2種樣品之間的距離越遠，且越接近100%則表示區分效果越理想。而在一般情況下，認為DI大于80%即為區分效果非常理想。

歐氏距離法[15]：歐式距離能反映樣品間的親疏程度，距離越小相似度越大，距離越大的相似度越小，樣品差異越大。以每個樣品響應值計算歐式距離，計算公式為式中：dij為歐式距離，Xki為第i個供試品的n個測

定值（x1i，x2i，…，xki），Xkj為第j個供試品的n個測定值（x1j，x2j，…，xkj）。

2　結果與分析

2.1感官評定結果

表1　酸奶樣品感官評定結果Table.1　Sensory evaluation results of yoghourts

酸奶感官評定結果如表1所示，通過方差分析，6種酸奶的酸、甜兩種感官屬性具有顯著性差異（p＜0.05），而苦味、咸味和鮮味差異不顯著，說明這6種酸奶主要在酸和甜這2種基本味道上有較大差別。其中伊利和光明牌的原味酸奶的酸味程度最高，其次為黃桃風味酸奶；蒙牛牌原味酸奶和伊利紅棗風味酸奶的甜味程度最高，其次為黃桃風味酸奶。

2.2電子舌結果分析

2.2.1電子舌傳感器信號響應值電子舌以1次/s的速率采集傳感器電壓信號，每個樣品重復8次進行平行測定，取最后3次的檢測數據進行分析，由于CA傳感器不穩定將其剔除，得到6個樣品的6根傳感器最后3次測量的響應信號值，最后3次平行信號的平均值和標準偏差見表2。由表2可見，JE傳感器的標準偏差較大，說明該傳感器在樣品中沒有其他傳感器響應穩定，故在數據分析時將其剔除，因為此套交叉型傳感器的每根傳感器對樣品信息都有響應，所以剔除CA和JE傳感器的響應值并不影響結果。最終采用ZZ、BB、GA、HA、JB 5根傳感器的響應值進行分析。

表2　電子舌傳感器響應信號值Table.2　Electronic tongue sensor response signals

2.2.2電子舌傳感器相應信號的PCA分析電子舌測定6種酸奶的PCA結果如圖1所示，其主成分1（PC1）的方差貢獻率為64.779%，主成分2（PC2）的方差貢獻率為26.968%，累計貢獻率為91.747%，能反映樣品整體的絕大部分信息。判別指數（DI）是85，表示判別結果較好，不同的酸奶樣品之間能很好地區分。從圖上看，光明牌的原味酸奶和伊利牌的紅棗酸奶與其他的酸奶距離十分明顯，說明它們與其他酸奶的差異很大。

圖1　6種酸奶的電子舌響應信號值的PCA分析圖Fig.1　PCA plot of electronic tongue sensor response signals from six kinds of yoghourts

PCA是一種通用數據降維的方法，研究如何將多變量指標間的問題化為較少的幾個綜合指標問題，這些綜合指標彼此既互不相關，又能綜合反映原來多個指標的信息，是原來多個指標的線性綜合。習慣把新的指標稱作主成分，主成分中按方差貢獻率大小稱為第1主成分，第2主成分等。當方差貢獻率累積達到85%以上時就認為所選的幾個主成分能夠反映原來指標的信息[16]。PCA圖上樣品間的距離越近說明其品質特性越近，即距離可以量化樣品間的品質差異。

2.2.3電子舌傳感器相應信號的DFA分析DFA分析結果如圖2所示，DF1的貢獻率為94.945%，DF2的貢獻率為4.487%，累計為99.432%，能反映樣品大量的信息，6種酸奶樣品明顯地區分開，說明DFA分析也能在酸奶的種類辨別中發揮很好的作用。判別因子分析（DFA）是一種通過重新組合傳感器數據來優化區分性的分類技術，它的目的是使組間距離最大的同時保證組內差異最小，使各個組間的重心距離最大，DFA法能夠對樣品間差異有更好的區分度，并且同一樣品組內的離散度也比PCA法更小，不同樣品組間的區分更明顯。

圖2　6種酸奶電子舌響應信號值的DFA分析圖Fig.2　DFA plot of electronic tongue sensor response signals from six kinds of yoghourts

2.2.4歐氏距離歐氏距離是指將多次重復測試點以概率加權后的“中心”作為該樣品的代表點[17]，從而計算代表點之間的距離。圖3是以PCA二維分析圖為基礎的歐氏距離比較圖，樣品之間的歐氏距離越大，表明樣品間的相對差異越大。圖中縱坐標表示兩種樣品的歐式距離。

圖3　6種酸奶之間的歐氏距離Fig.3　Comparison of euclidean distance between six kinds of yoghurts

6種酸奶之間的歐式距離數值見表3，從表中縱列來看，伊利牌原味酸奶與其他酸奶比較，它和光明牌酸奶、紅棗酸奶的歐氏距離較大，差異顯著（p＜0.05）；蒙牛牌原味酸奶與光明牌原味酸奶的差異顯著（p＜0.05）；三元牌酸奶與光明牌原味酸奶差異顯著（p＜0.05）；黃桃味酸奶與光明牌原味酸奶的差異顯著（p＜0.05）。

2.3感官評價值與電子舌傳感器響應值的相關性分析

圖4　感官分析結果與傳感器相關性PLSR分析圖Fig.4　PLSR plot of correlation between sensory evaluation and sensors

5個傳感器（ZZ、BB、GA、HA、JB）作為X變量，感官屬性（酸、甜、苦、咸、鮮）作為Y變量，建立偏最小二乘回歸法（PLSR）模型，如圖4所示，結果表明，該模型中89%的X變量解釋了66%的Y變量。圖中的兩個橢圓，分別表示50%和100%的方差貢獻率。傳感器ZZ、BB、GA、HA、JB和感官屬性酸、甜、苦、咸、鮮味位于兩個橢圓之間，說明該模型對這些變量具有很好的解釋能力。由圖4可知，HA傳感器與甜和鮮味具有相關性，以PC1為軸，它們呈顯著負相關（p＜0.05）。苦味與BB和JB兩根傳感器以PC1軸呈顯著正相關（p＜0.05）。

3　結論

3.1本研究表明，6種品牌酸奶樣品的酸、甜感官屬性具有顯著性差異（p＜0.05），苦、咸、鮮的感官屬性差異不顯著。

3.2本實驗應用電子舌交叉選擇型傳感器對不同品牌和風味的酸奶進行檢測，通過對獲得的數據進行PCA和DFA分析發現電子舌可以對不同的酸奶進行辨別區分，并且以PCA二維分析圖為基礎的歐氏距離比較圖更能反映酸奶樣品之間的差異。

3.3PLSR模型可以較好地解釋感官屬性與傳感器響應值的相關性，應用此模型對未知檢測樣本進行預測分析將是我們下一步的工作內容。

[1]Legin A，Rudnitskaya A.Application of electronic tongue for qualitative and quantitative analysis of complex liquid media[J]. Sensors and Actuators B，2000，65（1-3）：232-234.

[2]Krantz-Rülcker C，Stenberg M，Winquist F，et al.Electronic tongue for environmental monitoring based on sensor arrays and pattern recognition：a review[J].Analytica Chemica Acta，2001，426（2）：217-226.

[3]王平.人工嗅覺與人工味覺[M].北京：北京科技出版社，2000.

[4]Jun Kondoh，Takao Muramatsu，Tetsuo Nakanishi，et al. Development of practical surface acoustic wave liquid sensing system and its application for measurement of Japanese tea[J]. Sensors and Actuators B：Chemical，92（1-2）：191-198.

[5]Wu Ren-Jang，Yeh Cheng-Hsiu，Yu Ming-Ru，et al. Application of taste sensor array to sports drinks by using impedance measurement technology[J].Sensor Letters，2008，62（6）：765-770.

[6]Medeiros Eliton S，Gregório Rinaldo，Martinez Rodrigo A，et al.A taste sensor array based on polyaniline nanofibers for orange juice quality assessment[J].Sensor Letters，2009，79（7）：24-30.

[7]Mirjana Hru?kar，Nikola Major，Marina Krpan，et al.Evaluation of milk and dairy products by electronic tongue[J].Mljekarstvo/ Dairy，2009，59（3）：193-200.

[8]Robert B Bjorklund，Christian Magnusson，Per M?rtensson，et al.Continuous monitoring of yoghurt fermentation using a noble metal electrode array[J].International Journal of Food Science& Technology，2009，44（3），635-640.

[9]Zhenbo Wei，Jun Wang，Xi Zhang.Monitoring of quality and storage time of unsealed pasteurized milk by voltammetric electronic tongue[J].Electrochimica Acta，2013，88（2）：231-239.

[10]Katrien Beullens，Péter Mészáros，Steven Vermeir，et al. Analysis of tomato taste using two types of electronic tongues[J]. Sensors and Actuators B：Chemical，2008，131（1）：10-17.

[11]Murray JM，Delahunty CM，Baxter IA.Descriptive sensory analysis：past，present and future[J].Food Research International，2001，34（6）：461-471.

[12]Wei He，Xiaosong Hu，Lei Zhao，et al.Evaluation of Chinese tea by the electronic tongue：Correlation with sensory properties and classification according to geographical origin and grade level[J].Food Research International，2009，42（10）：1462-1467.

[13]Gunilla Wormbs，Annika Larsson，Josefine Alm，et al.The use of design of experiment and sensory analysis as tools for the evaluation of production methods for milk[J].Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems，2004，73（1）：67-71.

[14]王璐，黃明泉，孫寶國，等.電子舌技術在甜面醬口感評價中的應用[J].食品科學，2012，33（20）：347-351.

[15]楊天偉，李濤，張霽，等.紫外光譜結合歐氏距離和主成分分析法快速鑒別牛肝菌[J].食品科學，2014，35（16）：105-109. [16]Moreno-Rojas R，Sα＇nchez-Segarra PJ，Cα＇mara-Martos F，et al.Multivariate analysis techniques as tools for categorization ofSouthern Spanish cheeses：nutritional composition and mineral content[J].European Food Research and Technology，2010，231（6）：841-845.

[17]宋運紅，李振祥，孫連輝，等.馬氏距離與歐式距離方法在地球化學異常處理中的對比[J].吉林地質，2008，27（4）：117-121.

Taste distinguishing of yoghourts using electronic tongue

CONG Yan-jun1，2，YI Hong1，3，ZHENG Fu-ping1，2，*
（1.College of Food Science，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China；2.Beijing Key Laboratory for Flavor Chemistry，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China；3.Beijing Higher Institution Engineering Research Center for Food Additives and Ingredients，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

In order to explore the feasibility of applying electronic tongue distinguish yogurt taste，four different brands of yoghurt and two kinds of flavor yoghurt were detected using electronic tongue in this paper.The electronic tongue used in this study was based on potentiometry and cross-type sensors.The data obtained from the electronic tongue was processed by principal components analysis（PCA）and discriminant factorial analysis（DFA）.The correlationship of sensory evaluation and sensor response signals was analyzed by PCA and partial least squares regression（PLSR），respectively.Results demonstrated that electronic tongue technique was very effective in distinguishing different yoghurts selected in this study.Moreover，PLSR model might be better used to predict the yogurt taste attributes.The signal value of sensor named as HA correlated with sweetness，umami based on PC1（p＜0.05），and BB，JB response with bitterness based on PC1（p＜0.05）.

electronic tongue；yoghourt；principal components analysis；partial least squares regression；sensory evaluation

TS252.7

A

1002-0306（2015）04-0049-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.04.001

2014－09－01

叢艷君（1978-），女，博士，副教授，研究方向：乳品科學。

鄭福平（1969-），男，博士，教授，研究方向：食品香精香料。

北京市自然科學基金項目（6132004）；國家自然科學基金青年基金項目（31101236）；國家“863”計劃項目（2011AA100903）；北京市科技新星計劃項目（Z131102000413005）。