電子鼻和電子舌在分析桑果汁風(fēng)味上的應(yīng)用

蓬桂華,李文馨,殷 勇,孫小靜,韓世玉

(貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所,貴州貴陽 550009)

桑椹(Fructusmori)又名桑果,是桑樹所結(jié)的果實(shí),屬漿果類水果,其果肉嫩而多汁。富含花青素、活性多糖等功能成分,具有清除自由基增強(qiáng)免疫力等功能[1-2],被國家健康衛(wèi)生委員會(huì)列為首批藥食同源的物品之一[3]。

風(fēng)味是果汁重要的品質(zhì)之一,影響著消費(fèi)者的喜好。風(fēng)味分析多采用人工感官評(píng)價(jià)或色譜-質(zhì)譜聯(lián)用檢測(cè)。前者受人為因素影響較大,且專業(yè)的風(fēng)味品評(píng)人員培養(yǎng)不易;后者分析成本高,且分析結(jié)果無法體現(xiàn)整體風(fēng)味。近年來,專業(yè)的現(xiàn)代電子科技設(shè)備(電子鼻、電子舌等)在食品、煙草[4]、石油化工[5]、化妝品[6]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[7]、包裝材料[8]、醫(yī)學(xué)[9-10]等中的運(yùn)用越來越廣泛,而在食品研究領(lǐng)域,又主要集中在成熟度判別[11]、質(zhì)量分級(jí)[12-13]、貯藏期品質(zhì)監(jiān)控[14-15]、加工工藝研究[16]、產(chǎn)品辨別與比較[17]等方面。目前,有關(guān)桑椹風(fēng)味的分析主要集中在色譜-質(zhì)譜聯(lián)用檢測(cè)上,如陳娟等[18]采用溶劑萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的方法,分析了4個(gè)桑椹品種(農(nóng)用桑椹、大十桑椹、紅果2號(hào)、紅果1號(hào))果實(shí)的香氣成分;于懷龍等[19]采用頂空固相微萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)測(cè)定鎮(zhèn)江桑樹圃中6種桑椹的香氣成分,并進(jìn)行主成分分析。而利用電子鼻、電子舌分析桑果汁不同生產(chǎn)原料、不同加工工藝、不同貯藏時(shí)期風(fēng)味差異性的研究鮮有報(bào)道。

為建立一種快速、便捷、準(zhǔn)確的桑果汁產(chǎn)品辨別方法,本研究以市售不同品牌桑果汁為研究對(duì)象,采用電子鼻、電子舌進(jìn)行風(fēng)味分析,明確2種儀器在區(qū)分不同品牌桑果汁上的作用,為果汁加工企業(yè)開展原料篩選、品質(zhì)改良、產(chǎn)品評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

不同品牌桑果汁主要原料包含桑果原汁、濃縮汁及添加劑,于2019年4月購置于京東或淘寶網(wǎng)上商城,不同品牌桑果汁樣品信息詳見表1。

表1 不同品牌桑果汁樣品信息Table 1 Information of different brands of mulberry juice

PEN 3型電子鼻 德國AIRSENSE公司;Insent SA402B型味覺感應(yīng)系統(tǒng)(電子舌) 北京盈盛恒泰科技有限責(zé)任公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 電子鼻檢測(cè)方法 PEN 3型電子鼻傳感器含有10種金屬氧化物半導(dǎo)體型化學(xué)傳感元件,它們對(duì)不同類型揮發(fā)性物質(zhì)的敏感程度不同,具體性能描述如表2[20-21]。移液槍量取10 mL不同配方的桑果汁,放入50 mL頂空瓶中,靜置10 min后,插入電子鼻探頭吸取頂端空氣,測(cè)定揮發(fā)性物質(zhì)。電子鼻參數(shù)設(shè)置[3]為:樣品間隔時(shí)間1 s,清洗時(shí)間60 s,歸零時(shí)間10 s,樣品準(zhǔn)備時(shí)間5 s,測(cè)定時(shí)間120 s,載氣流速200 mL/min,進(jìn)樣流量200 mL/min。傳感信號(hào)在90 s后基本穩(wěn)定,選定采集信號(hào)時(shí)間為110 s。不同品牌桑果汁測(cè)定3次重復(fù),測(cè)定時(shí)保持室溫 26 ℃。電子鼻測(cè)定結(jié)果利用Winmuster進(jìn)行響應(yīng)值分析、載荷(loadings)分析以及主成分分析(Principal component analysis,PCA)。

表2 電子鼻傳感器名稱與其響應(yīng)物質(zhì)Table 2 Sensor name and its responseto the matter of electronic nose

1.2.2 電子舌檢測(cè)方法 Insent SA402B電子舌AAE、CT0、CA0、C00、AL1和GL1傳感器的響應(yīng)特性為鮮味、咸味、酸味、苦味、澀味和甜味。依據(jù)電子舌操作步驟進(jìn)行。將不同配方的桑果汁分別裝入電子舌專用燒杯中,至燒杯刻度線(約35 mL),置于電子舌分析裝置上。酸、苦、澀、鮮、咸等五味采用Sample_Measurement(2 steps_washing)程序測(cè)定,平行測(cè)定4次,甜味采用GL1_test程序測(cè)定,平行測(cè)定5次。電子舌檢測(cè)結(jié)果利用Taste analysis application軟件轉(zhuǎn)化出滋味味覺值,以參比液作為對(duì)照(Interpolating addition process)進(jìn)行數(shù)值修正,選擇Foodstuff Evaluation+GL1.ece進(jìn)行味覺值轉(zhuǎn)換,并進(jìn)行PCA分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)均設(shè)3次重復(fù),數(shù)據(jù)結(jié)果表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差。采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件DPS 7.05v LSD法多重比較獲得,采用Origin 9.1軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 桑果汁樣品電子鼻氣味分析結(jié)果

2.1.1 不同傳感器響應(yīng)分析 不同品牌桑果汁樣品氣味(揮發(fā)性成分)的強(qiáng)度變化,可通過電子鼻的不同傳感器在特定時(shí)間點(diǎn)(實(shí)驗(yàn)選取110 s處)的響應(yīng)值變化來表示。

表3 不同品牌桑果汁主要傳感器響應(yīng)值Table 3 Response value of electronic nose sensor of different brands mulberry juice

由圖1可知,W3C氨類、W6S氫化物、W5C短鏈烷烴類和W3S長(zhǎng)鏈烷烴類傳感器響應(yīng)值較低且變化不大,說明不同品牌桑果汁揮發(fā)性成分在氨類、氫化物和烷烴類的含量上幾乎沒有變化;W1C芳香成分、W5S氮氧化合物、W1S甲基類、W1W硫化物、W2S醇類與醛酮類、W2W有機(jī)硫化物六個(gè)傳感器上變化較為明顯,說明不同品牌桑果汁氣味差異主要存在于甲基類、硫化物、氮氧化合物、有機(jī)硫化物、醇類與醛酮類、芳香成分等化合物上。

圖1 不同品牌桑果汁的氣味雷達(dá)圖Fig.1 Radar chart of different brands mulberry juice

結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn),除BS和SY在W1W傳感器上差異不顯著外,其他各品牌在六個(gè)傳感器上的差異均達(dá)到極顯著差異(P<0.01),說明不同品牌的桑果汁飲料在氣味上差異明顯。

2.1.2 載荷分析 載荷分析是電子鼻不同傳感器對(duì)于主成分分析貢獻(xiàn)率大小的分析,各傳感器的載荷貢獻(xiàn)率差異明顯,據(jù)此可對(duì)傳感器進(jìn)行選擇與優(yōu)化,選取貢獻(xiàn)率最大的傳感器進(jìn)行重點(diǎn)研究。

由圖2可知,在主成分1(PC1)貢獻(xiàn)率方面,W1S傳感器貢獻(xiàn)率最大,其次是W1W、W5S、W2W、W2S、W1C;而在主成分2(PC2)貢獻(xiàn)率方面,W1W傳感器貢獻(xiàn)率最大,其次為W5S、W2W。此結(jié)果與傳感器響應(yīng)分析相一致,說明可以選擇W1S、W1W、W5S、W2W、W2S、W1C傳感器所屬的敏感物質(zhì)類型進(jìn)行重點(diǎn)分析研究。

圖2 電子鼻傳感器響應(yīng)值的載荷分析Fig.2 Loadings analysis of responses of electronic nose sensors

2.1.3 桑果汁樣品電子鼻氣味PCA分析 不同品牌桑果汁樣品的電子鼻檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)PCA分析后結(jié)果如圖3所示。主成分1和主成分2的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為99.905%,大于90%,表明2個(gè)主成分已經(jīng)能夠反映樣品的整體信息。圖3中同一樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)在橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)上聚集程度都較高,說明同一樣品的重復(fù)性和穩(wěn)定性相對(duì)較高。從圖3中可明顯看出6個(gè)桑果汁樣品分布在不同的區(qū)域,結(jié)合表4發(fā)現(xiàn),各樣品班別指數(shù)在0.977～1.000 之間,均大于0.800,說明電子鼻能準(zhǔn)確區(qū)分不同的桑果汁樣品。JK樣品與其它5個(gè)樣品在橫坐標(biāo)上距離最大,說明進(jìn)口桑果汁與國內(nèi)桑果汁風(fēng)味差異明顯,而純果汁樣品(SY、BS)與非純果汁樣品(GX、NL、YG)的差異也很明顯。

表4 不同品牌桑果汁電子鼻風(fēng)味檢測(cè)的判別指數(shù)Table 4 Discriminant index of electronic nose flavor detection for different brands mulberry juice

圖3 桑果汁樣品電子鼻氣味PCA分析圖Fig.3 PCA analysis of mulberryjuice samples by electronic nose

2.2 桑果汁樣品電子舌滋味分析結(jié)果

通過提取電子舌5個(gè)傳感器的響應(yīng)值,建立不同桑果汁樣品的滋味雷達(dá)圖(圖4)。從圖4中可以看出,6個(gè)品牌的桑果汁樣品在酸味、苦味、鮮味、咸味的差異較為明顯;澀味、苦味回味、澀味回味、豐富性雖有變化,但相對(duì)集中;甜味變化較為異常,僅YG樣品為正值,其他樣品均為負(fù)值,與實(shí)際的“酸甜”口感不符,可能是由于酸味對(duì)甜味產(chǎn)生掩蓋作用有關(guān)。

圖4 不同品牌桑果汁的滋味雷達(dá)圖Fig.4 The radar chart of mulberryjuice taste of different brands

利用電子舌自帶分析軟件對(duì)獲得的6種桑果汁樣品的酸味、苦味、澀味、苦味回味、澀味回味、鮮味、豐富性、咸味等數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,以第一主成分為橫坐標(biāo)、第二主成分為縱坐標(biāo),建立前2個(gè)主成分的二維圖(如圖5)。從圖5中可以看到第一主成分和第二主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率96.59%,說明第一主成分和第二主成分能夠反映樣品的整體信息。從圖5可以看出,樣品BS、GX、NL、JK分布在不同的區(qū)域,而YG和SY樣品分布區(qū)域則發(fā)生重疊,說明其在口感上比較接近,不能完全區(qū)分。

圖5 桑果汁樣品電子舌PCA分析圖Fig.5 PCA of mulberry juice samples by electronic tongue

3 討論與結(jié)論

電子鼻與電子舌通過分析檢測(cè)飲料的理化指標(biāo)和衛(wèi)生指標(biāo),可以應(yīng)用于飲料的種類識(shí)別、定量分析及品質(zhì)監(jiān)控研究中,再結(jié)合感官評(píng)價(jià)來考察飲料的感官指標(biāo),則能夠準(zhǔn)確判斷人們對(duì)其的喜好程度和可接受性[22]。劉立等[23]以五種不同品牌的牛奶為研究對(duì)象,經(jīng)感官評(píng)價(jià)與電子鼻電子舌檢測(cè)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)決定牛奶受歡迎程度的主要因素為牛奶的奶香味、甜味、后味和口感,而電子鼻和電子舌均能較好區(qū)分五種不同品牌牛奶,同時(shí)發(fā)現(xiàn)牛奶制品的奶香味對(duì)電子鼻的區(qū)分結(jié)果起主導(dǎo)作用,而牛奶制品的奶甜味對(duì)于電子舌的區(qū)分結(jié)果起主導(dǎo)作用。黎量等[24]利用電子鼻、電子舌技術(shù)進(jìn)行不同產(chǎn)區(qū)、不同基源山楂鑒別區(qū)分研究,發(fā)現(xiàn)電子鼻、電子舌技術(shù)可用于不同產(chǎn)地及不同基源山楂的鑒別區(qū)分,其二者結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)可作為氣、味鑒別的新方法。易宇文等[25]研究發(fā)現(xiàn),電子鼻/電子舌檢測(cè)信號(hào)聯(lián)用能從氣味和滋味綜合評(píng)價(jià)醬油,且分辨能力強(qiáng),是智能感官評(píng)價(jià)食品風(fēng)味的新趨勢(shì)。本研究發(fā)現(xiàn),電子鼻對(duì)桑果汁氣味分析顯示其差異主要存在于甲基類、硫化物、氮氧化合物、有機(jī)硫化物、醇類與醛酮類、芳香成分等化合物上,主成分分析累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)99.905%,各樣品判別指數(shù)在 0.977～1.000之間,說明電子鼻能準(zhǔn)確區(qū)分不同桑果汁樣品。電子舌對(duì)桑果汁滋味分析顯示其差異主要存在于酸味、苦味、鮮味和咸味上,主成分分析時(shí)部分樣品出現(xiàn)重疊,說明電子舌分析結(jié)果不能完全區(qū)分不同品牌的桑果汁。盡管電子鼻分析技術(shù)能夠區(qū)分不同品牌的桑果汁,但是由于缺乏感官評(píng)價(jià)、市場(chǎng)認(rèn)可度等數(shù)據(jù),所以并不能判斷不同品牌桑果汁的市場(chǎng)認(rèn)可度。今后,應(yīng)該在不同果桑品種、不同果汁加工工藝方面綜合開展感官評(píng)價(jià)、電子鼻電子舌檢測(cè)等研究,豐富研究成果,進(jìn)一步指導(dǎo)果汁加工企業(yè)。