智能感官技術在大米及米酒感官品質分析中的應用

姜燕，郭海南，于潤美，劉方哲

（1.大理大學公共衛生學院，云南大理671000；2.長春工業大學化學與生命科學學院，吉林長春130012）

大米食味性是指人們對米飯視覺、嗅覺、味覺和觸覺的綜合反應，受品種遺傳、栽培條件、干燥方法、儲藏加工、包裝材料及蒸煮等條件影響[1]。“視覺”指米飯顏色、光澤、飯粒完整性；“嗅覺”指咀嚼米飯時的味道；“觸覺”指米飯的硬度、黏彈等物理特性[2]。國內外對米飯的氣味研究較多，已鑒定出米飯的風味成分有100多種，主要是醛、酮、酸、酯、醇、烴以及雜環等化合物。Sriseadka等[3]采用靜態頂空氣相色譜法證了米飯的芳香化合物為2－乙酰基－1－吡咯啉。米酒又稱醪槽、甜酒、酒釀等，以糯米為原料發酵而成。研究人員對紅米[4]、香米[5]、黑米[6]等原料應用于米酒生產的可行性進行了探討，認為滋味和色澤是米酒品質的重要組成部分，其優劣直接決定了消費者對米酒的可接受性。

食品品質評價方法有感官評價、理化指標評價和儀器評價法[7]。人的感官評價主觀性強、重復性較差，而電子鼻[8－9]、電子舌[10]和質構儀[11]等智能感官評價操作簡單快速、分析高效準確。國內外已有用電子鼻、電子舌或質構儀檢測牛肉[12]、蘋果汁[13]、培根肉[14]、蘋果[15]等品質的報道，展現了其在食品感官檢測方面的廣闊前景。本文采用智能感官分析技術，模擬人的鼻、舌和牙齒“感受”目標物的氣味、滋味和質感，并將化學、物理信號轉換成數字信號，與其自身數據庫中的信息進行對比分析[16－17]，以區分不同品種大米和米酒的感官性狀。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 大米

“萬昌”：吉林省永吉縣；“稻花香”、“639”、“長粒香”：黑龍江省五常市；“小粒”、“超級稻”：遼寧省盤錦市。

1.1.2 米酒

1號～3號米酒：湖北省孝感市；4號米酒：吉林省延邊市；5號瑪克麗米酒：韓國。

1.1.3 儀器

SmartNose電子鼻、SmartTongue電子舌：上海昂申智能科技有限公司；CT3質構儀：美國Brookfield公司。

1.2 電子鼻感官檢測

電子鼻系統含有14個不同金屬氧化物傳感器：S1（芳香族化合物類：酚、酚醚、芳香醛）；S2（氮氧化合物和低分子胺類）；S3（硫化物類、硫醇、硫醚、二丙烯基二硫化合物、異硫氰酸酯、硫化丙烯化合物）；S4（有機酸酯和萜類）；S5（生物合成萜類和酯類）；S6香菇精（含5個S和2個亞甲基的七元環狀化合物）；S7（脂肪烴含氧衍生物類和小分子的醇、醛、酸、酯）；S8（胺類）；S9（氫類）；S10（碳氫化合物）；S11（揮發性有機化合物烷類、芳烴類、烯類、鹵烴類、醛類、酮類）；S12（硫化物）；S13（乙烯）；S14（食物揮發的氣體）。利用SmartNose智能識別軟件系統，基于主成分分析方法獲得最佳電子鼻傳感器組合。

量取樣品于電子鼻專用樣品瓶中1/4處密封，室溫放置10 min，待揮發性物質達到平衡狀態后，采用動態頂空法采集氣體進行檢測，每組樣品共測試7次。測定條件：進樣流量1 L/min，檢測時間60 s，等待進樣時間為10 s，平行樣品的清洗時間為60 s，不同樣品間的清洗時間為120 s。

米飯的電子鼻檢測：稱取50 g大米，經過兩次淘洗后，按米水比1∶2.2（g/mL）加入110 mL礦泉水，電飯鍋煮熟，晾涼至室溫，進行電子鼻檢測。

米酒的電子鼻檢測：將不同品牌的米酒倒入樣品瓶的1/4處，進行電子鼻檢測。

1.3 電子舌感官檢測

將電子舌傳感器經過校準后，量取處理好的樣品于電子舌30 mL專用燒杯中。試驗采用清洗溶液和待測樣品交替檢測序列進行，清洗溶液為蒸餾水。每種樣品檢測7次。用穩定狀態下的信號進行分析，取120 s處的信號作為分析的時間點。

大米的電子舌檢測：稱取10 g大米倒入燒杯中，按米水比1∶10（g/mL）加入100 mL礦泉水浸泡10 min，取浸泡液15 mL進行電子舌檢測[18]。

米酒的電子舌檢測：用紗網過濾米酒15 mL進行電子舌檢測。

1.4 質構儀檢測

將煮熟的米飯裝入圓柱形鋁盒中，晾至室溫，將大米壓成圓柱形，表面平整，各處密度、厚度均勻，進入質構儀全質構（texture profile analysis，TPA）模式檢測[19]。參數設置為：TA－AACC36圓柱形壓縮探頭，觸發點負載7 g，預測試速度2 mm/s，測試速度1 mm/s，返回速度1 mm/s，壓縮比例50%，兩次壓縮間隔時間5 s，循環次數2。每次測試后，用擦鏡紙將探頭擦拭干凈，重復測試操作。

1.5 統計分析方法

利用Winmuster軟件對采集到的信息進行主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA），以樣本數據聚集程度和區別指數為依據對樣品進行定性判別[20]。

1.6 Kramer感官檢驗法

感官評定小組由15名評審員組成，評審員身體健康，無吸煙、酗酒等不良嗜好，對色、香、味有較強的分辨力和靈敏度，且1天內沒有食用辛辣等刺激性食物[21]。在品評前用溫水漱口，間隔30秒后品評下一組。要求品評者根據米飯和米酒的氣味、外觀結構、適口性（包括彈性、黏性、軟硬度等）、滋味和質地按評價指標（見表1）進行評定，并按排序檢驗法對各產品的美味次序進行排序，利用Kramer檢驗法[22]判定各樣品在嗜好性上的差異。

表1 米飯和米酒感官評價指標Table 1 Sensory evaluation indexes of rice and rice wine

2 結果與分析

2.1 米飯氣味的電子鼻分析

在檢測米飯揮發性成分時，傳感器變化最明顯的是S6、S9、S11、S14 4個傳感器，故選為最佳傳感器組合。利用電子鼻Winmuster軟件對6種大米樣品的信號數據進行PCA分析。以兩個主成分Z1和Z2與其對米飯氣味的方差貢獻率構建的米飯氣味綜合評價模型為：Z=0.913Z1+0.052Z2。米飯樣品電子鼻檢測的PCA和LDA圖見圖1。

從PCA圖（圖1a）中可以得到：主成分1和主成分2的區分貢獻率分別為88.5%和5.9%，累計貢獻率為94.4（>85%），能夠反映樣品氣味所含不同成分的整體信息。圖1a中不同種類的樣品在坐標上的分布區域不同，說明樣品間的揮發性成分存在差異。從圖1a可以看出，“超級稻”、“639”和“長粒香”之間有相互重合，說明有相似揮發性成分，“小粒”、“稻花香”和“萬昌”分離較遠，說明其氣味有較大區別，尤其是“萬昌”大米，與其他5種大米分布差別明顯，具有獨特的氣味。萬昌大米是吉林省吉林市永吉縣萬昌鎮所產大米，位于北緯43°，土層深厚，有機質含量高，酸堿度適宜，是世界黃金水稻帶的中央。

圖1 米飯樣品電子鼻檢測的主成分分析和線性判別分析Fig.1 PCA and LDA plots of different rice detected by i-nose

線性判別分析（LDA）是將信息數據進行線性組合而重構判別函數，能夠最大限度地區分不同類型樣品集，結果如圖1b所示。主成分1的區分貢獻率為91.1%，主成分2區分貢獻率為0.2%。第1主成分和第2主成分總的區分貢獻率為91.3%（>90%）。從圖1b中可以看出，6種大米完全分離，在氣味成分上互不相同，說明6種米飯中存在的醛、酮、酸、酯、醇、烴以及雜環等化合物含量均不相同，證明LDA分析法能很好地區分不同品種的米飯樣品。

2.2 大米的電子舌分析

不同大米的電子舌檢測的PCA和LDA圖見圖2。

圖2 不同大米的電子舌檢測的主成分分析和線性判別分析Fig.2 PCA and LDA plots of different rice detected by i-tongue

利用電子舌Winmuster軟件對6種大米樣品的信號數據進行PCA分析（圖2a）。以兩個主成分Z1和Z2與其對大米滋味的方差貢獻率構建的綜合評價模型為：Z=0.812Z1+0.080 9Z2。其中，第1主成分和第2主成分的貢獻率分別為80.12%和8.09%。從圖中可以看出，“小粒”、“639”、“稻花香”之間有所重疊，說明3種大米在味覺上相似。圖2b為電子舌檢測和區分不同樣品的LDA圖。其中，第1主成分和第2主成分的貢獻率分別為88.17%和11.65%，累計貢獻率為99.82%（>90%），說明采集的數據可以在一定程度上反映大米滋味的整體情況。從圖中可以看出6種大米得到了較好的區分與歸類，其中，產自吉林永吉的“萬昌”大米與其他產地的5種大米相隔很遠，這可能是由于土地、氣候、栽培措施、加工精度及其遺傳物質的不同所導致的。

2.3 米飯的質構儀分析

TPA全質構分析通過模擬人的口腔咀嚼功能來測定米飯的物理性質，客觀地將人的觸覺感受分解成硬度、彈性、黏性、膠著性、咀嚼性、恢復性，從而評價米飯食味優劣。張志清等[23]對23批工程重組米樣品的質構測定值和感官評分進行相關分析得到，硬度和黏性與感官評價各指標呈顯著負相關，咀嚼性、彈性、粘聚性和回復性則為顯著正相關。國家標準GB/T15682-2008《糧油檢驗稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法》中規定，適口性好的米飯應軟硬度適中、彈性高、滑爽、有黏性但不黏牙。質構特性被認為是評價食品食用品質的首要方面，它能夠客觀地反映食品的質地與組織結構。

將6種大米在規定的條件下蒸煮制成米飯后測定其黏性、硬度、彈性、黏聚性、內聚性、咀嚼性等質構特性指標。不同品種大米蒸煮制成米飯后各質構特性指標存在明顯差異，測試結果如表2所示。

表2 米飯的質構儀評價指標Table 2 Evaluation indexes of rice by texture analyzer

由表2可以看出，不同品種大米蒸煮成米飯后其硬度、彈性、咀嚼性的變異系數較大，分別為21.12%、12.59%和26.68%，表明米飯質構特性測試中，硬度、彈性和咀嚼性能夠反映米飯的適口性，這與周顯青的研究結果一致[24]。彈性與咀嚼性成正相關，“萬昌”米飯的彈性和咀嚼性最大，表面米飯越有嚼勁。在大米的質構特性中，“黏硬度比”被作為評價米飯質構特性的一個重要指標[25]，當米飯硬度小、黏性大、黏硬度比越大，米飯的食味品質越好，口感品質最佳。6種樣品中，“超級稻”黏硬度比最大，即其口感品質最好，其次是“639”、“小粒”、“萬昌”，口感較差的是“長粒香”和“稻花香”。

2.4 米飯的Kramer感官鑒定結果

評審員參照感官評價指標（表1）進行評價，通過統計得分得到各樣品的次序數總和Si分別為：S超級稻=25，S639=30，S小粒=36，S萬昌=69，S長粒香=74，S稻花香=82。查找《Kramer次序檢驗表》判定，在置信度1%時，由于Smin即 S超級稻=25（<34），所以 6 種樣品在嗜好性方面存在顯著差異。其中“超級稻”的Si最小，表明其適口性最受評審員喜愛，與質構儀分析米飯的口感具有很好的一致性。

2.5 米酒氣味的電子鼻分析

米酒中的呈香物質主要為醇類和酯類等，檢測米酒揮發性成分最明顯的傳感器組合是S7、S11、S12、S13。不同米酒樣品的電子鼻檢測的PCA和LDA圖見圖3。

圖3 不同米酒樣品的電子鼻檢測的主成分分析和線性判別分析Fig.3 PCA and LDA plots of different rice wines detected by inose

利用電子鼻Winmuster軟件對5種米酒進行分析，從PCA圖（圖3a）中可以得到主成分1和主成分2的貢獻率分別為76.2%和22.3%，累計貢獻率為98.5%（＞85%），能夠反映樣品氣味的整體信息，以兩個主成分Z1和Z2與其對米酒氣味的方差貢獻率構建的米酒氣味綜合評價模型為：Z=0.762Z1+0.223Z2。從圖3a可以看出，5種樣品間分布較遠，說明揮發性氣體成分存在顯著差異。LDA結果如圖3b所示，第1主成分和第2主成分區分的貢獻率分別為80.2%和16.1%，第1、2主成分總的區分貢獻率為96.3%（＞90%）。5種樣品分布間距很大，各自有著不同的氣味，這是因為5種米酒的原料、配比、發酵時間和工藝不同，不同品牌米酒含有不同的醇、酯等揮發性氣體成分。

2.6 米酒的電子舌分析

不同樣品的電子舌檢測的PCA和LDA圖見圖4。

圖4a為用電子舌檢測和區分不同米酒樣品的PCA圖。第1主成分和第2主成分的貢獻率分別為73.73%和24.54%，由圖可看出所有的樣品均能被較明顯地區分開。圖4b為電子舌檢測和區分不同米酒樣品的LDA圖。其中，第1主成分和第2主成分的貢獻率分別為88.23%和11.67%，總貢獻率為99.9%，大于90.0%，說明采集的數據可以代替米酒滋味的整體情況，5種米酒得到了很好的分離。

圖4 不同樣品的電子舌檢測的主成分分析和線性判別分析Fig.4 PCA and LDA plots of different rice wines detected by itongue

米酒具有味覺和嗅覺的特征，是由芳香族分子在液體和氣體狀態下不同引起的。1號米酒的原料為糯米、酒曲、白砂糖；2號和3號米酒的原料為糯米、酒曲；4號米酒的原料為糯米、大米、大麥；5號米酒的原料為大米、酒曲、酵母、香蕉泥。由于不同的產地、原料和制作工藝使得米酒的成分（如有機酸、還原糖、氨基酸、乙醇、丙醇、淀粉、麥芽糖等）不同，因而導致了氣味和滋味的不同。產自吉林延吉的4號米酒由于加入了大麥，使其在嗅覺與味覺方面與其他米酒差異較大。

2.7 米酒的Kramer感官鑒定結果

評審員參照感官評價指標表1進行評價，經統計得到各米酒樣品的次序數總和Si分別為：S5號=26，S2號=30，S1號=31，S3號=59，S4號=73。查《Kramer次序檢驗表》判定，在置信度1%時，Smin即S5號=26（＜30），所以5 種米酒在氣味、滋味、色澤方面都存在顯著性差異。根據排序結果可以得出，最受評審員喜愛的是5號米酒，與其成分中添加的香蕉泥有關；其次是同一產地的1號～3號米酒，最不受歡迎的是4號米酒。

3 結論

本研究將電子鼻、電子舌和質構儀結合人的感官評定應用到米飯和米酒的氣味、滋味及適口性的品質評價中。通過電子鼻和電子舌的PCA和LDA分析法可以將不同品種的米飯和米酒樣品進行辨別區分。質構儀測得米飯的硬度、彈性和咀嚼性能夠反映米飯的適口性，其中“超級稻”米飯的黏硬度比最大為0.69，說明其適口性最好，這與人的感官評定結果具有較好的一致性。5種米酒在氣味、滋味、色澤方面都存在顯著性差異，其中5號米酒最受消費者喜愛。智能感官技術與人的感官評價有機結合，可更有效地評價大米和米酒的感官品質。