陳 嶺， 張星海，2， 周曉紅， 虞培力

（1.浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程系，浙江 杭州 310018；2.浙江大學(xué)茶學(xué)系，浙江 杭州 310058）

茶樹人工種植已經(jīng)有三千多年的歷史，長(zhǎng)期以來人們?cè)耘嗖铇渲皇菫榱瞬烧~片，隨著茶樹無性繁殖技術(shù)的日益普及，茶樹花不再承擔(dān)繁殖功能，而逐漸成為茶樹的累贅和茶農(nóng)的負(fù)擔(dān)。近年來的多項(xiàng)研究表明，茶樹鮮花與芽葉的主要化學(xué)成分大體相同，富含蛋白質(zhì)、茶多酚、茶多糖等多種有益成分和活性物質(zhì)，因此具有增強(qiáng)免疫力、延緩衰老、抗氧化、抗腫瘤、降血糖、降血脂、抑菌和防癌抗癌等功效[1-3]。隨著研究的不斷深入，茶樹花逐漸“變廢為寶”，并在2013年衛(wèi)生部的第1號(hào)公告中獲批成為新資源食品。我國(guó)茶樹花資源十分豐富，茶樹花實(shí)際年采量可達(dá)180萬t以上，茶樹花平均產(chǎn)量可達(dá)1650 kg/hm2左右，因此茶樹花的產(chǎn)業(yè)化將惠及1億多茶農(nóng)。

利用茶樹花提取汁的天然茶花芳香，研究在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行茶樹花保健鮮啤酒工藝革新，在啤酒生產(chǎn)中適量添加一定比例與濃度的茶花提取汁取代啤酒香花，生產(chǎn)的茶樹花鮮啤酒在保持啤酒固有口味的同時(shí)，還富含茶花的芬芳與保健功能[4]。

電子舌是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種用于分析、識(shí)別液體總體特征的人工味覺識(shí)別技術(shù)，其基本原理是模仿生物的味覺感受機(jī)制：電子舌系統(tǒng)中的傳感器陣列即相當(dāng)于生物系統(tǒng)中的舌頭，每個(gè)獨(dú)立的傳感器像舌面上的味蕾，可以交互感受不同的化學(xué)物質(zhì)；系統(tǒng)中的電腦代替了生物系統(tǒng)中的大腦功能，通過數(shù)據(jù)處理和模式識(shí)別，能夠區(qū)分辨識(shí)不同性質(zhì)物質(zhì)的整體味覺特征。電子鼻則是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一種用于分析、識(shí)別氣味物質(zhì)總體特征的人工嗅覺識(shí)別技術(shù)，其基本原理是模仿生物的嗅覺感受機(jī)制：電子鼻系統(tǒng)中的傳感器陣列即相當(dāng)于生物系統(tǒng)中的嗅覺感受細(xì)胞，能夠交互感受不同的氣味物質(zhì)；電腦替代大腦功能，通過軟件進(jìn)行分析處理。該系統(tǒng)不僅能夠識(shí)別單一或復(fù)合的氣味，還能夠用于識(shí)別單一成分的氣體、蒸汽或其它混合物[5]。

本文擬采用電子舌與電子鼻技術(shù)，對(duì)自行發(fā)酵的茶樹花保健鮮啤酒與普通全麥鮮啤酒以及其他4種市售品牌啤酒進(jìn)行辨識(shí)區(qū)分，采集不同啤酒樣品的味覺和嗅覺指紋信息，運(yùn)用主成分分析法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，建立信號(hào)與識(shí)別樣品的某些重要品質(zhì)因素之間的相關(guān)性，從而為茶樹花保健鮮啤酒的口感和風(fēng)味評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)樣品：

茶樹花保健鮮啤酒是以100%全麥芽為主料，在傳統(tǒng)啤酒發(fā)酵工藝基礎(chǔ)上工藝革新，利用茶樹花提取液取代傳統(tǒng)啤酒必須添加的啤酒香花，自行發(fā)酵而成的鮮啤酒；

普通全麥鮮啤酒是應(yīng)用傳統(tǒng)啤酒發(fā)酵工藝，使用100%全大麥芽自行發(fā)酵而成的鮮啤酒；

其余四種啤酒樣品為市售品牌啤酒，具體見表1。

表1 啤酒樣品

實(shí)驗(yàn)儀器：智舌（Smartongue）和智鼻（iNose）均為上海昂申智能科技有限公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 基于電子舌的啤酒檢測(cè)區(qū)分研究

圖1為電子舌系統(tǒng)的示意圖，該電子舌傳感器陣列由六個(gè)工作電極和一個(gè)輔助電極組成，一個(gè)獨(dú)立單元機(jī)構(gòu)與一個(gè)參比電極共同組成一個(gè)完整的傳感器陣列，其中S1～S6六個(gè)工作電極為鉑電極、金電極、鈀電極、鈦電極、鎢電極和鎳電極，輔助電極為1 mm×5 mm的鉑柱電極，參比電極為銀/氯化銀（Ag/AgCl）。通過六通道多頻大幅脈沖信號(hào)激發(fā)采集裝置使工作電極逐個(gè)對(duì)溶液進(jìn)行多頻大幅脈沖伏安法掃描。

電子舌掃描參數(shù)：起始電壓+1.0 V，結(jié)束電壓-1.0 V，步降電壓0.2 V；頻率段為100，10，1 Hz；檢測(cè)時(shí)間為100 s；清洗時(shí)間為90 s。

在檢測(cè)池中加入0.01 mol/L氯化鉀溶液對(duì)電子舌傳感器進(jìn)行預(yù)熱。以3個(gè)頻率大幅脈沖作為激發(fā)掃描信號(hào)進(jìn)行預(yù)掃描并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使響應(yīng)信號(hào)趨于穩(wěn)定并消除漂移現(xiàn)象。取30 mL待測(cè)液在50 mL燒杯中進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間為100 s，傳感器電化學(xué)清洗時(shí)間為90 s，每個(gè)樣品平行檢測(cè)6次，提取響應(yīng)電流信號(hào)的物理化學(xué)特征值，利用電子舌自帶的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和模式識(shí)別[6]。

圖1 電子舌系統(tǒng)示意圖

1.2.2 基于電子鼻的啤酒檢測(cè)區(qū)分研究

本實(shí)驗(yàn)過程所采用的電子鼻測(cè)試系統(tǒng)是由金屬氧化物傳感器陣列、信號(hào)處理系統(tǒng)和模式識(shí)別系統(tǒng)三部分組成，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。智鼻檢測(cè)系統(tǒng)由10個(gè)不同的金屬氧化物傳感器組成，對(duì)醇類、醛類、烷烴類、碳氧化合物、氮氧化合物、芳香類化合物等有機(jī)物質(zhì)有很好的選擇性，能夠檢測(cè)到氣味物質(zhì)的整體響應(yīng)特征。

圖2 電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

儀器采用動(dòng)態(tài)頂空方式進(jìn)樣。將待測(cè)樣品放在隨機(jī)附贈(zèng)的玻璃進(jìn)樣瓶中，旋上瓶蓋，根據(jù)固氣平衡及固液平衡原理，靜置一定的頂空時(shí)間使香氣成份充滿上部的頂空空間。設(shè)置穩(wěn)定的氣體流速，純凈空氣通過試樣瓶，攜帶樣品散發(fā)出的揮發(fā)性成分經(jīng)過傳感器陣列，電子鼻能夠檢測(cè)到氣味物質(zhì)的整體響應(yīng)特征，通過PCA（主成分分析）得到測(cè)試結(jié)果圖。傳感器響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

電子鼻掃描參數(shù)：其中采樣時(shí)間為150 s，氣體流量1 L/min，清洗時(shí)間120 s，等待時(shí)間為10 s，每個(gè)啤酒樣品平行檢測(cè)6次，提取響應(yīng)值。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的傳感器相應(yīng)信號(hào)采用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與辨別分析。PCA是一種通用的數(shù)據(jù)降維處理方法，其研究思路是將具有一定相關(guān)性且數(shù)量較多的多變量指標(biāo)轉(zhuǎn)化為互不相干的綜合指標(biāo)，但是依然能反映原來多變量指標(biāo)的信息。通常把這種新指標(biāo)就稱為主成分，在主成分中方差貢獻(xiàn)率最大的為第一主成分，貢獻(xiàn)率排第二的稱為第二主成分，以此類推。方差貢獻(xiàn)率越大，則說明主成分能夠反映越多的指標(biāo)信息[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于電子舌的啤酒檢測(cè)分析

2.1.1 電子舌響應(yīng)信號(hào)分析

電子舌檢測(cè)數(shù)據(jù)是基于傳感器陣列的多維數(shù)據(jù)，因此用主成分分析進(jìn)行表征，提取電流采集信號(hào)的頂點(diǎn)和拐點(diǎn)值作為檢測(cè)樣品的變量。以行向量代表樣品，列向量代表變量，把不同電極不同頻率段的數(shù)據(jù)分別保存成數(shù)據(jù)表格，進(jìn)行主成分分析與優(yōu)化。

分析發(fā)現(xiàn)不同啤酒樣品組分上的差異，能夠利用多頻脈沖伏安信號(hào)，使其反應(yīng)在傳感器上的充電電流與氧化還原電流中，通過主成分分析進(jìn)行很好的表征[8]。

2.1.2 啤酒樣品的電子舌主成分分析（PCA）

應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化，篩選最適合采集6種啤酒樣品信息的傳感器列陣為S1-100 Hz鉑電極、S2-100 Hz金電極、S3-10 Hz鈀電極、S4-1 Hz鎢電極、S6-1 Hz銀電極。

經(jīng)PCA分析后得到的區(qū)別指數(shù)（discrimination index，DI）是判斷電子舌是否能區(qū)分樣品的重要指標(biāo)，DI值越大表示區(qū)分效果越理想。一般當(dāng)DI值大于80時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)對(duì)樣品能夠進(jìn)行良好的區(qū)分，如果DI值為負(fù)，則代表樣品有部分重合。由最佳傳感器陣列 （S1-100 Hz、S2-100Hz、S3-10 Hz、S4-1 Hz、S6-1 Hz） 分析得到的區(qū)別指數(shù)（DI值）為88.94，大于80，由此可知采用電子舌技術(shù)可以有效區(qū)分此6款不同的啤酒樣品。

如圖3和圖4所示，對(duì)啤酒樣品的電子舌信息采集貢獻(xiàn)率最大的第1主成分（PC1）與貢獻(xiàn)率次之的第2主成分（PC2）的貢獻(xiàn)率分別為62.0%與9.3%，累積方差貢獻(xiàn)率為71.3%，說明主成分1和2包含了啤酒樣品的大量信息。比較6款啤酒樣品發(fā)現(xiàn)，無醇啤酒的第1與第2主成分與其他啤酒區(qū)別最大，離散程度高，分布趨勢(shì)截然不同，說明無醇啤酒與其他5款啤酒樣品的口感差別最大；茶樹花鮮啤酒與純生啤酒相比較，樣品在兩張主成分分析圖上的主成分軸（即坐標(biāo)軸）方向上的分布趨勢(shì)均不相同，說明這兩款啤酒口感與風(fēng)味差距比較大；茶樹花鮮啤酒與不添加茶樹花汁的普通全麥鮮啤酒相比較，在PC1上區(qū)別較大，而在PC2和PC3上無明顯差別，甚至出現(xiàn)坐標(biāo)模型疊加現(xiàn)象（如圖4），茶樹花鮮啤酒應(yīng)用茶樹花汁取代啤酒香花發(fā)酵而成，其鮮啤酒風(fēng)味與口感主要體現(xiàn)在PC1上，而其他主要成分體現(xiàn)全麥啤酒的原有風(fēng)味，由于兩者的生產(chǎn)工藝基本相似，因此區(qū)別不大；茶樹花鮮啤酒比較小麥啤酒與黑啤，其主要成分差別分別體現(xiàn)于第1主成分與第2主成分。

2.2 基于電子鼻的啤酒檢測(cè)分析

2.2.1 電子鼻對(duì)啤酒信號(hào)響應(yīng)

電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)10個(gè)不同金屬氧化物傳感器對(duì)啤酒樣品進(jìn)行檢測(cè)掃描，得到其特征響應(yīng)曲線與雷達(dá)圖，響應(yīng)曲線是傳感器信號(hào)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，而雷達(dá)圖則顯示了10個(gè)傳感器信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)弱。由圖5可見，所有啤酒樣品中4號(hào)傳感器信號(hào)普遍最強(qiáng)，這主要是因?yàn)?號(hào)傳感器對(duì)氮氧化合物的靈敏度最高。

圖3 六種不同啤酒樣品電子舌主成分分析圖（1）

圖4 六種不同啤酒樣品電子舌主成分分析圖（2）

圖5 電子鼻掃描特征響應(yīng)曲線與雷達(dá)圖

2.2.2 啤酒樣品電子鼻主成分分析（PCA）

圖6 六種不同啤酒樣品電子鼻主成分分析圖

應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)最佳傳感器陣列進(jìn)行優(yōu)化，尋找最適合區(qū)分啤酒樣品的傳感器組合為S5、S6、S7、S8傳感器陣列，并進(jìn)行主成分分析。結(jié)果如圖6所示，優(yōu)化完成的最佳傳感器陣列主成分1（PC1）與主成分2（PC2）的累積方差貢獻(xiàn)率為99.80%，足以反映6種啤酒樣品特征信息。而主成分1體現(xiàn)樣品主要信息的貢獻(xiàn)度（95.9%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主成分 2（3.9%）。

由圖6可知，每種啤酒樣品的6個(gè)平行樣離散度較小，不同樣品之間互不干擾，經(jīng)PCA分析后得到的區(qū)別指數(shù)（DI值）達(dá)到95.9，由此可知電子鼻可區(qū)分這6類不同的啤酒樣品。比較不同啤酒樣品區(qū)分度發(fā)現(xiàn)，無醇啤酒與其他五類啤酒分散度大，主成分1差別較大，口味更清爽；而其他五款啤酒區(qū)別更多體現(xiàn)在主成分2上。茶樹花保健鮮啤酒香味更接近于進(jìn)口小麥啤酒與普通全麥芽鮮啤酒。其與普通全麥芽鮮啤酒相比，麥芽香味相同，而其茶樹花芬芳相比啤酒香花更加與眾不同。

3 討論

本實(shí)驗(yàn)利用電子舌與電子鼻技術(shù)分析工藝革新后的茶樹花保健鮮啤酒口感與風(fēng)味，區(qū)別于普通全麥鮮啤酒與其他不同品質(zhì)和品牌的啤酒，通過應(yīng)用主成分分析（PCA）辨識(shí)技術(shù)，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感器優(yōu)化，篩選最適傳感器陣列對(duì)主成分分析比較，發(fā)現(xiàn)電子舌與電子鼻技術(shù)可以有效區(qū)分和辨識(shí)此6種不同啤酒樣品。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，茶樹花保健鮮啤酒相比在相同條件下應(yīng)用相同原料發(fā)酵而成的普通全麥鮮啤酒，其工藝革新 （利用茶樹花提取汁取代啤酒香花）后，啤酒口感區(qū)別主要體現(xiàn)在主成分1上，而風(fēng)味物質(zhì)區(qū)別主要體現(xiàn)在主成分2，而其他風(fēng)味成分比較相似；相比較其他幾款具有代表性的啤酒，無論風(fēng)味還是口感都有較顯著區(qū)別。

通過電子鼻可辨識(shí)茶樹花保健鮮啤酒與全麥鮮啤酒主成分的定性鑒定區(qū)分，而無法辨別其具體風(fēng)味物質(zhì)化學(xué)組分，后續(xù)將應(yīng)用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）對(duì)茶樹花保健鮮啤酒的香氣組分作深入探討與研究。

[1]Yang Z,Tu Y,Dong F,et al.Liquid chromatographicmass spectrometric analysis of phenolics and evaluation of the an-tioxidant compounds of extracts from flowers of the teaplant(Camellia sinensis)[J].YakugakuZasshi，2007，127(Suppl.4)：10-12.

[2]Yang Z,Jie G L,He P M,et al.Study on the antioxidant activity of tea flowers(Camellia sinensis)[J].Asia Pacific Journal of Clinical Nutrition，2007，16(Suppl.1)：148-152.

[3]Han Q,Ling Z J,He P M,et al.Immunomodulatory and antitumor activity of polysaccharide isolated from tea plant flower [J].Progressin Biochemistry and Biophysics,2010，37(6)：646-653.

[4]張星海，虞培力，許金偉，等.保健茶花鮮啤酒生產(chǎn)工藝開發(fā)與研究[A].第十五屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第20分會(huì)場(chǎng)：科技創(chuàng)新與茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇論文集[C].2013.

[5]戴鑫，于海燕，肖作兵.電子鼻和電子舌在飲料酒分析中的應(yīng)用近況[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2012,38（8）：114-118.

[6]談國(guó)鳳，田師一，沈宗根，等.電子舌檢測(cè)奶粉中抗生素殘留[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（4）：361-365.

[7]王璐，黃明泉，孫寶國(guó)，等.電子舌技術(shù)在甜面醬口感評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].食品科學(xué)，2012，33（20）：347-351.

[8]韓劍眾，黃麗娟，顧振宇，等.基于電子舌的魚肉品質(zhì)及新鮮度評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2008，24（12）：141-144.