電子鼻對隴南核桃主栽品種風(fēng)味物質(zhì)的研究

鞏芳娥，虎云青，任志勇，賈星宏

(1.隴南市經(jīng)濟(jì)林研究院核桃研究所；2.甘肅省核桃工程技術(shù)研究中心，甘肅 武都 746000)

隴南市核桃栽培歷史悠久，栽培面積在全國市州排名第二。其主栽品種為香玲，清香和強(qiáng)特勒。目前核桃的食用方式以干果居多，其次為青果(鮮食核桃)或者濕果(脫青皮鮮濕核桃堅果)。核桃的核仁因不同的品種，在不同的狀態(tài)下風(fēng)味物質(zhì)有別，對核仁香氣和風(fēng)味的鑒別多用感官評價的方式，對核仁的風(fēng)味物質(zhì)定量的研究報道較少[5-9]。近年來采用電子鼻對風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行的研究報道逐漸增多[1-4]，該試驗利用電子鼻對風(fēng)味物質(zhì)的識別技術(shù)，對不同的品種的核桃青果、濕果和干果核仁的風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行分析，通過對比電子鼻對氣味的特征值，可快速區(qū)分不同的核桃品種。這為方便、快捷、科學(xué)判斷核桃的品種及建立核桃不同品種風(fēng)味評價體系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗品種由隴南市經(jīng)濟(jì)林研究院核桃研究所黃家壩核桃種質(zhì)資源圃提供，分別為香玲，清香，強(qiáng)特勒。青果在成熟度為八成熟時采摘并挑選無病害無創(chuàng)傷的青果人工剝?nèi)デ嗥10]。濕果(脫青皮鮮濕核桃堅果)為青皮鮮核桃脫青皮后，烘干至堅果表面干，但未發(fā)白，縫合線濕的狀態(tài)，干果為經(jīng)脫青后烘干。

采用 PEN3 型便攜式電子鼻，該電子鼻包括 10 個金屬氧化物傳感器陣列，可以分析不同的揮發(fā)性成分，傳感器陣列及其性能描述見表 1。

1.2 試驗方法

測試條件如下：青果和濕果的果仁，去掉種皮。干果的種仁因無法剝離，盡量剝離。將稱取核桃仁碎樣品1.0 g放入50 mL檢測瓶中，在常溫(25 ℃)條件放置30 min 后進(jìn)行電子鼻檢測分采用頂空吸氣法直接將進(jìn)樣針頭插入檢測瓶。為了保證實驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確度，選取測定過程中第 58～60 s 的數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析，各傳感器特性見表1。

表1 各傳感器特性

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用電子鼻 Winmuster 、SPSS 20.0和SIMCA.14進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 3個品種在青果、濕果和干果時核仁電子鼻傳感器典型響應(yīng)曲線

2.1.1 3個品種青果核仁電子鼻相應(yīng)曲線

1-c:強(qiáng)特勒青果

圖1為3個品種青果核仁電子鼻傳感器典型響應(yīng)曲線。由圖1可知，各傳感器初始值均為1，隨著核桃的氣體揮發(fā)物在傳感器表面附集，傳感器信號發(fā)生較大的變化，對核桃氣味敏感的傳感器電阻比隨之上升。其中傳感器對3個品種青果的風(fēng)味物質(zhì)敏感度最強(qiáng)為清香，對香玲與強(qiáng)特勒敏感度相似，均弱于清香。香玲、清香、強(qiáng)特勒的響應(yīng)值分別在12 s、5 s、8 s附近達(dá)到峰值，且分別在45 s、55 s、35 s之后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.2 3個品種濕果核仁電子鼻傳感器典型響應(yīng)曲線

圖2為3個品種濕果核仁電子鼻傳感器典型響應(yīng)曲線。由圖2可知，傳感器對3個品種濕果核仁的風(fēng)味物質(zhì)敏感度較強(qiáng)的為清香與強(qiáng)特勒，且均強(qiáng)于香玲。香玲、清香、強(qiáng)特勒的響應(yīng)值分別在5 s、8 s、4 s附近達(dá)到峰值，且分別在30 s、32 s、22 s之后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2-a:香玲濕果

2-b:清香濕果

2-c:強(qiáng)特勒濕果

2.1.3 3個品種干果核仁電子鼻傳感器典型響應(yīng)曲線

圖3為3個品種干果核仁電子鼻傳感器典型響應(yīng)曲線。由圖3可知，傳感器對3個品種干果核仁的風(fēng)味物質(zhì)敏感度度與對濕果核仁敏感度相似。香玲無明顯峰值，清香、強(qiáng)特勒分別在4 s、5 s附近達(dá)到峰值，之后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3-a:香玲干果

3-b:清香干果

3-c:強(qiáng)特勒干果

2.2 3個品種在青果、濕果和干果時核仁10種氣體成分響應(yīng)值(G/G0值)雷達(dá)圖

圖4 香玲、清香、強(qiáng)特勒氣體成分響應(yīng)值雷達(dá)圖

將3個品種在青果、濕果、干果的核仁電子鼻數(shù)據(jù)做雷達(dá)圖，對比結(jié)果如圖4所示。電子鼻對青果、濕果的核仁風(fēng)味物質(zhì)有明顯的響應(yīng)，且特征響應(yīng)值不同，對干果核仁風(fēng)味物質(zhì)響應(yīng)較為明顯。其中青果核仁風(fēng)味物質(zhì)中，香玲以6號(W1S)、7號(W1W)和9號(W2W)響應(yīng)值高于其它傳感器；清香以2號(W5S)、6號(W1S)、7號(W1W)響應(yīng)值顯著高于其它傳感器；強(qiáng)特勒響應(yīng)值最高的是2號傳感器。濕果核仁風(fēng)味物質(zhì)中，香玲、清香、強(qiáng)特勒分別以2號(W5S)、6號(W1S)和7號(W1W)、2號(W5S)響應(yīng)值顯著高于其它傳感器。由上述分析可知，3個品種的青果、濕果核仁的風(fēng)味物質(zhì)差異較大，干果核仁風(fēng)味物質(zhì)差異較小。

2.3 3個品種在青果、濕果和干果時電子鼻識別分析結(jié)果

2.3.1 3個品種青果核仁電子鼻識別的PCA、LDA分析結(jié)果

運用 PCA、LDA 分析電子鼻檢測所得數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖 5所示。由圖5可知，3個品種測定的數(shù)據(jù)均能成團(tuán)，說明電子鼻數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、重復(fù)性較好[11]。PCA分析中，第1主成分的貢獻(xiàn)率為74.90%，第2主成分貢獻(xiàn)率為15.22%，總貢獻(xiàn)率為90.12%。LDA分析中，線性判別1貢獻(xiàn)率為81.21%，線性判別2的貢獻(xiàn)率為16.99%，總貢獻(xiàn)率為98.20%，總貢獻(xiàn)率均大于 85%，說明兩個主成分可代表樣本揮發(fā)性成分的主要特征[12]。

5-a:3個品種青果核仁風(fēng)味物質(zhì)PCA 分析結(jié)果 5-b:3個品種青果核仁風(fēng)味物質(zhì)LDA分析結(jié)果

LDA分析中3種品種核仁風(fēng)味物質(zhì)區(qū)域無交叉，表明3個品種間核仁風(fēng)味相互獨立。PCA分析中強(qiáng)特勒與清香有少量重疊區(qū)域，但均與香玲距離較遠(yuǎn)，這說明強(qiáng)特勒和清香風(fēng)味物質(zhì)相似、但均與香玲差別較大[13-14]。說明電子鼻 LDA 分析方法能很好地區(qū)分3個品種青果核仁的氣味差異。

2.3.2 3個品種濕果核仁風(fēng)味物質(zhì)電子鼻識別的的PCA、LDA分析結(jié)果

6-a: 3個品種濕果核仁風(fēng)味物質(zhì)PCA 分析結(jié)果 6-b: 3個品種濕果核仁風(fēng)味物質(zhì)LDA分析結(jié)果

圖6為3個品種濕果核仁風(fēng)味物質(zhì)傳感器載荷PCA、LDA分析圖。由圖6可知，PCA分析中，PCA1貢獻(xiàn)率為90.11%，PCA2的貢獻(xiàn)率為9.07%，總貢獻(xiàn)率為99.18%。LDA分析中，LDA1貢獻(xiàn)率為97.92%，LDA2的貢獻(xiàn)率為1.93%，總貢獻(xiàn)率為99.85%。3個品種測定的數(shù)據(jù)均能成團(tuán)，獨立，無重復(fù)，且距離較遠(yuǎn)，說明電子鼻數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、重復(fù)性較好。香玲與強(qiáng)特勒風(fēng)味物質(zhì)相似，且均與清香差別較大。LDA，PCA兩種分析方法均適合于清香，強(qiáng)特勒，香玲濕果核仁的分析判別。

2.3.3 3個品種干果核仁風(fēng)味物質(zhì)電子鼻識別的PCA、LDA分析結(jié)果

7-a: 3個品種干果核仁風(fēng)味物質(zhì)PCA 分析結(jié)果 7-b: 3個品種干果核仁風(fēng)味物質(zhì)LDA分析結(jié)果

圖7為3個品種干果核仁風(fēng)味物質(zhì)傳感器載荷PCA、LDA分析圖。由圖7可知，PCA分析中，PCA1貢獻(xiàn)率為98.84%，PCA2的貢獻(xiàn)率為0.77%，總貢獻(xiàn)率為99.61%。LDA分析中，LDA1貢獻(xiàn)率為90.32%，LDA2的貢獻(xiàn)率為2.49%，總貢獻(xiàn)率為92.81%。3個品種相互獨立，無重復(fù)，清香與強(qiáng)特勒風(fēng)味物質(zhì)相似，且均與香玲差別加大。LDA、PCA分析均能識別不同香玲、清香、強(qiáng)特勒3個品種的干果核仁。

2.4 3個品種在青果、濕果和干果時核仁風(fēng)味物質(zhì)的主成分分析

將10個探頭檢測到的敏感揮發(fā)氣體單項指標(biāo)利用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，得到主成分個數(shù)及累積方差貢獻(xiàn)率，如表2所示。第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為65.229 %，第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為20.447%，前2個主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為85.676 %，且特征值均大于1，說明這2個主成分能夠代表10個特征指標(biāo)的絕大部分信息[15]。

表2 主成分特征值和貢獻(xiàn)率

由成分矩陣表3可知，第一主成分上的性狀指標(biāo)主要是W1C(S1)，W3C(S3)，W6S(S4)，W2S(S8)，W1S(S6)，W1W(S7)，W2W(S9)，W3S(S10)。第二主成分上的性狀指標(biāo)是W5S(S2),W5C(S5)。

表3 成分矩陣

根據(jù)主成分的特征向量和特征值，計算不同處理核仁風(fēng)味物質(zhì)的主成分綜合得分[16]，并進(jìn)行排序，結(jié)果如表4所示。

表4 不同處理主成分綜合得分

根據(jù)表4可知，綜合得分大于1的有2個，得分排名前3的處理依次是清香濕果、強(qiáng)特勒青果、香玲青果，其綜合得分分別為3.13、1.43、1.25；綜合得分在0至1之間的有2個處理，分別為清香青果、強(qiáng)特勒濕果。綜合得分小于0的有4個處理，依次為香玲濕果、清香干果、強(qiáng)特勒干果、香玲干果，其綜合得分分別為-0.73、-0.92、-1.36、-3.75。綜合得分越高，說明，該處理的風(fēng)味物質(zhì)越濃。因此，9個處理中，以清香濕果風(fēng)味物質(zhì)最濃，其次為強(qiáng)特勒青果、香玲青果，香玲干果的風(fēng)味物質(zhì)最淡。

圖8 不同處理核仁風(fēng)味物質(zhì)得分投影圖

采用SIMCA.14軟件作不同處理的得分投影分布圖，成分1的貢獻(xiàn)率為60.04 %，成分2的貢獻(xiàn)率為20.46 %。因此，在成分1上載荷絕對值越大的得分相對較高。由圖8可知，同一類群中處理的得分投影分布點較為集中，不同類群之間投影分布點相對獨立。從圖中各處理的分布區(qū)域還可大致比較不同處理的得分情況，如：清香干果、清香濕果和強(qiáng)特勒青果等的得分較高，并與表4中主成分綜合得分結(jié)果大致相符。聚集在同一區(qū)域中的處理相似且綜合得分相近，并明顯區(qū)別于其他區(qū)域的不同處理。表現(xiàn)為：香玲、清香和強(qiáng)特勒干果基本處于同一區(qū)域，強(qiáng)特特濕果、香玲濕果處于同一區(qū)域。

3 討論與結(jié)論

電子鼻傳感器對香玲、清香、強(qiáng)特勒核仁風(fēng)味物質(zhì)以青果核仁最為敏感，且品種間差別較大，電子鼻對香玲、清香、強(qiáng)特勒核仁風(fēng)味物質(zhì)以青果核仁最為敏感，且品種間差別較大，香玲、清香、強(qiáng)特勒核仁風(fēng)味物質(zhì)響應(yīng)明顯的為(W1S、W1W、W2W)、(W5S、W1S、W1W)、W5S；對濕果核仁風(fēng)味物質(zhì)較為敏感，品種間差別較小，表現(xiàn)為香玲、清香、強(qiáng)特勒響應(yīng)明顯的分別為W5S、(W1S、W1W)、W5S；對干果核仁風(fēng)味物質(zhì)品種間無明顯差異，即香玲、清香、強(qiáng)特勒3個品種的青果、濕果、干果核仁，以清香濕果核仁風(fēng)味物質(zhì)最濃、其次為強(qiáng)特勒青果核仁、香玲青果核仁。這與龐林江[17]、羅凡[19]的研究結(jié)果相似，傳感器對核桃氣味反應(yīng)大對應(yīng)響應(yīng)值也比較大；由于核桃仁中含有高達(dá)69.8%～74.01%含油率，核桃油氣味中乙醇、對硫化物、氮氧化合物以及芳香成分、有機(jī)硫化物等的揮發(fā)成為不同的核桃品種特有的風(fēng)味。香玲、清香、強(qiáng)特勒3個品種從青果到濕果到干果的變化過程中，是核仁風(fēng)味物質(zhì)降低的過程，尤其以濕果到干果的變化中風(fēng)味物質(zhì)劇烈減弱。這為方便、快捷、科學(xué)判斷核桃的品種及建立核桃不同品種風(fēng)味評價體系提供理論依據(jù)。