曹　靜, 王　敏,*, 張　珍, 陜　方, 徐變娜, 李　榮

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西楊凌 712100;2.山西農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,山西太原 030031;3.西安虎標(biāo)茶果土產(chǎn)食品有限公司,陜西西安 710054)

苦蕎(Fagopyrumtataricum(Linn.)Gaertn.)又稱韃靼蕎麥,木蘭綱(magnoliopsida)蓼目(polygonales)蓼科(polygonaceae)蕎麥屬(Fagopyrum)雙子葉植物,被譽(yù)為“五谷之王”,是國(guó)際上公認(rèn)的藥食兼用糧食作物.苦蕎發(fā)源于我國(guó)雅魯藏布江流域,現(xiàn)在四川涼山地區(qū)廣為種植.苦蕎富含生物類黃酮,具有降低毛細(xì)血管脆性、改善血液循環(huán)的作用,對(duì)預(yù)防心血管疾病,調(diào)節(jié)血糖、血脂等具有顯著的功效[1-2].近年來,苦蕎茶以其口感淳厚、天然保健和便捷時(shí)尚成為當(dāng)下苦蕎市場(chǎng)上的標(biāo)志性產(chǎn)品[3].苦蕎茶并非傳統(tǒng)意義上的茶(如紅茶、綠茶、花茶等),嚴(yán)格來說是一種炒米茶,即將苦蕎的種子(也稱苦蕎米)經(jīng)過篩選、蒸煮、脫殼、炒制等工序加工而成的沖泡飲品.

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)茶的感官品質(zhì)鑒定主要采用感官審評(píng)的方法,但是人的感覺器官在分辨力、敏感度、穩(wěn)定性等方面均存在個(gè)體差異,且易受外界因素(如性別、地域、精神狀態(tài)和身體狀況等)的干擾,難以獲得一致的審評(píng)結(jié)果[4-5].這就有必要引入一些新的分析檢測(cè)手段,運(yùn)用化學(xué)計(jì)量的方法來評(píng)價(jià)苦蕎茶的品質(zhì)差異和質(zhì)量等級(jí).智舌是一種以惰性金屬傳感器為基礎(chǔ),利用伏安法將溶液組分信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的新型伏安型電子舌,它具有檢測(cè)信息量豐富,傳感器使用壽命長(zhǎng),穩(wěn)定性好等特點(diǎn).談國(guó)鳳等[6]利用同原理的伏安型多頻脈沖電子舌檢測(cè)奶粉中抗生素的殘留,結(jié)果顯示,智舌能夠有效地區(qū)分添加不同種抗生素以及不同濃度新霉素的奶粉,定性分析水平能夠達(dá)到國(guó)家最高殘留檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn);牛海霞[7]、張東星等[8]均利用多頻脈沖電子舌對(duì)不同的茶飲料進(jìn)行區(qū)分辨識(shí),區(qū)分效果明顯,表明智舌能夠很好地應(yīng)用于茶類飲料的區(qū)分辨識(shí);田師一等[9]同樣以多頻脈沖電子舌為基礎(chǔ)對(duì)6種不同品牌干紅葡萄酒進(jìn)行初步辨識(shí)區(qū)分,效果顯著.結(jié)合各學(xué)者的研究成果可知,智舌技術(shù)已經(jīng)成熟,能夠應(yīng)用于茶、乳、酒等多種產(chǎn)品的品質(zhì)辨識(shí).智舌測(cè)得的不是被測(cè)樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結(jié)果,而是樣品的整體信息,也稱作“指紋”數(shù)據(jù),可通過適當(dāng)?shù)囟嘣y(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)“指紋”數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)液整體品質(zhì)的客觀分析.目前,研究中常用到的方法主要有主成分分析(principal component analysis,PCA)、線性判別分析(linear discriminant analysis,LDA)、偏最小二乘判別分析(partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural networks,ANN)等.賀瑋等(2009)應(yīng)用PCA對(duì)電子舌所測(cè)得的不同等級(jí)的普洱茶“指紋”數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,有效地區(qū)分了三種等級(jí)的樣品;談國(guó)風(fēng)等[6]通過LDA區(qū)分不同質(zhì)量濃度新霉素的奶粉溶液,區(qū)分效果顯著.本文分別以不同炒制溫度和時(shí)間以及不同儲(chǔ)期的苦蕎茶為對(duì)象,采用智舌技術(shù)及PCA和LDA多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其滋味品質(zhì)進(jìn)行辨識(shí),為智舌在苦蕎茶感官品質(zhì)電子檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立中的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù).

1　材料與方法

1.1　材料

1.1.1不同炒制溫度和時(shí)間制備的苦蕎茶樣品

苦蕎經(jīng)蒸煮、脫殼處理后得到未經(jīng)炒制的苦蕎米,苦蕎米在不同溫度和時(shí)間梯度條件下炒制后得到12組不同處理的苦蕎茶樣品,樣品編號(hào)見表1.

1.1.2不同儲(chǔ)期的7組苦蕎茶樣品

實(shí)驗(yàn)所用不同儲(chǔ)期的苦蕎茶均為炒制樣品,加工工藝參數(shù)一致(180℃,25 min).苦蕎茶成品均置于密封袋中,密封,保持室溫(25±1)℃,儲(chǔ)藏1～8月,樣品編號(hào)見表1.

1.2　儀器與檢測(cè)方法

采用上海昂申智能科技有限公司提供的smartongue智舌檢測(cè)裝置,智舌也常稱為電子舌.智舌系統(tǒng)由交互敏感傳感器陣列、信號(hào)采集電路和基于模式識(shí)別的數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成.傳感器陣列采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極系統(tǒng),直徑為Φ2 mm鉑電極、金電極、鈀電極、鈦電極、鎢電極和銀電極作為工作電極,以鉑柱電極為輔助電極,Ag/AgCl作為參比電極,外鹽橋使用飽和氯化鉀溶液.信號(hào)采集以常規(guī)大幅脈沖激發(fā)信號(hào)為基元模式,每個(gè)脈沖頻率段的幅度變化相同.起始電位1.0 V,終止電位-1.0 V,電平步進(jìn)-0.2 V.采用1,10,100 Hz 3個(gè)脈沖頻率,脈沖時(shí)間間隔0.001 s.

表1　不同炒制溫度、時(shí)間及儲(chǔ)藏時(shí)間的苦蕎茶樣品信息Tab.1　Information of tartary buckwheat tea produced under dif-ferent roasting temperatures,time and storage periods

檢測(cè)樣品之前,設(shè)置智舌掃描靈敏度為10-4mol/L,然后將6種金屬傳感器組成的傳感器陣列置于蒸餾水中,以3個(gè)頻率大幅脈沖作為激發(fā)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,以確保采集所得數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性.檢測(cè)時(shí)間為180 s,每測(cè)完一個(gè)樣,都需用蒸餾水對(duì)電極進(jìn)行清洗.

1.3　樣品預(yù)處理

準(zhǔn)確稱取5 g苦蕎茶為一個(gè)茶樣樣品,每組處理包含隨機(jī)挑選的5個(gè)平行樣品,則12種不同工藝參數(shù)處理的樣品可得容量為60的樣本,7組不同儲(chǔ)藏時(shí)間的樣品可得容量為35的樣本.智舌進(jìn)行檢測(cè)前需對(duì)樣品進(jìn)行處理.按V(茶)∶V(水)=1∶20的比例,用100 mL的沸水(純凈水)沖泡10 min,將茶湯倒出,過濾,取80 mL置于100 mL燒杯中,靜置冷卻至室溫25℃,待測(cè).

2　結(jié)果與分析

2.1　數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和模式識(shí)別均由智舌自帶的smartongue數(shù)據(jù)處理軟件完成.采集的數(shù)據(jù)選取每個(gè)相應(yīng)電流脈沖信號(hào)的最大、最小和2個(gè)拐點(diǎn)共4個(gè)值作為特征值組合進(jìn)行分析.數(shù)學(xué)分析方法采用PCA和LDA.

PCA是模式識(shí)別中最基本的多元統(tǒng)計(jì)分析方法.它是將原變量進(jìn)行線性組合,轉(zhuǎn)換成幾個(gè)互不相關(guān)的新變量(即主成分),能夠盡可能多地表征原變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征而不丟失信息,從而達(dá)到數(shù)據(jù)降維和簡(jiǎn)化問題的目的[10-14].主成分的累計(jì)方差大于總方差的85%,就認(rèn)為基本可以代表原數(shù)據(jù)的特征.PCA方法得到的特征是原變量的最佳描述特征而非最佳分類特征.

LDA屬于有監(jiān)督模式識(shí)別方法,是監(jiān)督模式識(shí)別方法中最常用和研究最廣的方法.LDA選擇能夠最大程度分開所給各類的分割面作為它的投影方向,即找到一個(gè)函數(shù),該函數(shù)的變量為原始變量的線性組合[11,15-20].這種計(jì)算判別函數(shù)的方法可以使投影后模式樣本在新的空間中有最小的類內(nèi)距離和最大的類間距離,即模式在該空間中有最佳的可分離性.

區(qū)分指數(shù)(discrimination index,DI)是滋味指紋分析技術(shù)區(qū)分類間樣品的程度以及類內(nèi)樣品離散度的表征值.當(dāng)類間樣品區(qū)分明顯,各類樣品之間無重疊時(shí),DI呈正值,且類間距離越遠(yuǎn)、類內(nèi)樣品越聚攏,該值越大,最大值為100%;反之,當(dāng)類間樣品出現(xiàn)重疊,樣品區(qū)分不明顯時(shí),DI值呈現(xiàn)負(fù)值,且重疊現(xiàn)象越嚴(yán)重、類內(nèi)樣品越離散,該值越小[12,21-25].

2.2　不同炒制溫度和時(shí)間對(duì)苦蕎茶品質(zhì)的影響

使用智舌的6個(gè)工作電極分別在1,10,100 Hz 3個(gè)頻率段下對(duì)12組不同炒制溫度和時(shí)間制得的苦蕎茶樣品進(jìn)行檢測(cè).由單個(gè)電極區(qū)分不同炒制工藝制備的12組苦蕎茶樣品的結(jié)果見表2,各個(gè)電極在1,10,100 Hz頻率下的區(qū)分效果均不理想,所以應(yīng)采用組合電極對(duì)樣品進(jìn)行區(qū)分,找出具有最佳區(qū)分效果的電極陣列組合方式以及電極最適合的多頻脈沖頻率段.使用smartongue數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行傳感器組合優(yōu)化,結(jié)果顯示,采用在金電極(S2)100 Hz和鈀電極(S3)1 Hz頻率段下測(cè)得DI值最大,為-12.83%,12種苦蕎茶的區(qū)分效果最好,如表3(前10位).

表2　單電極對(duì)不同炒制工藝和儲(chǔ)藏時(shí)間的苦蕎茶樣品的區(qū)分度Tab.2　Discrimination degree of single electrode on tartary buckwheat tea produced under different roasting temperatures and time and storage periods %

2.2.1不同炒制溫度和時(shí)間制備的12組苦蕎茶樣品的PCA結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后的最佳傳感器組合數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA,得到主成分PC1和主成分PC2的主成分得分圖,如圖1.圖中的每個(gè)小框代表該種樣品的整體特性,其中5個(gè)記號(hào)點(diǎn)分別代表此種樣品的5個(gè)重復(fù).圖1顯示,主成分PC1的貢獻(xiàn)率為73.3%,主成分PC2的貢獻(xiàn)率為14.2%,二者的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到87.5%,即保留了原始數(shù)據(jù)的87.5%的信息量.不同樣品類間品質(zhì)差異可以通過主成分得分圖上的距離表征,兩類樣品的距離越近說明其品質(zhì)特性越相似.

由圖1可以看出,PC2可以較好地區(qū)分12組樣品中,160 ℃(LR-4、5、6),170 ℃(LR-7、8、9)和 180℃(LR-10、11、12)條件下炒制的苦蕎茶樣品,且160℃炒制的樣品與其他2組相距較遠(yuǎn),表明160℃處理的樣品與其他處理間差異較大.結(jié)果同樣表明,同一炒制溫度不同炒制時(shí)間制得的樣品之間(如LR-4、LR-5和LR-6)差異很小,無法區(qū)分.而炒制時(shí)間為25 min,炒制溫度分別為145℃(LR-1),150℃(LR-2),和155℃(LR-3)制得的3組樣品聚成一類,介于160℃和170℃樣品之間,但這3組樣品自身之間無法區(qū)分,可能是由于炒制溫度太低,且3組樣品的炒制溫差不大,對(duì)苦蕎茶的滋味品質(zhì)影響不大.

表3　智舌測(cè)定不同炒制溫度和時(shí)間制得的苦蕎茶數(shù)據(jù)的傳感器優(yōu)化組合Tab.3　Optimized sensor combination of tartary buckwheat tea produced under different roasting temperatures and time

圖1　不同炒制溫度和時(shí)間制得的苦蕎茶樣品的主成分分析Fig.1　PCA of tartary buckwheat tea produced under different roasting temperatures and time

2.2.2不同炒制溫度和時(shí)間制備的12組苦蕎茶樣品的LDA結(jié)果

危難關(guān)頭，他雙手握住鐵棍，猛地向上一抬，將棍身卡在了對(duì)方的刀柄處。刀尖抵在他的心口前，用力下壓，奈何對(duì)方氣力太小，不能使之前進(jìn)分毫。

圖2是對(duì)經(jīng)傳感器優(yōu)化組合后的12組不同處理的苦蕎茶樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行LDA的分析結(jié)果.從圖2中可以看出,LDA可以將12組樣品很好地區(qū)分開來,類間樣品無重疊,類內(nèi)樣品聚攏,其區(qū)別指數(shù)(DI值)達(dá)到99.8%.類間距離表明,12組樣品間,分別在160,170,180℃下炒制的3組樣品均各自聚集,且160℃條件下炒制的樣品與170℃和180℃條件下炒制的樣品距離較遠(yuǎn),滋味品質(zhì)差異較大;而炒制溫度相同,炒制時(shí)間不同(分別為15,20和25 min)的3組樣品間距離較近,滋味品質(zhì)相似.分別在145,150,155℃下,炒制25 min的3組樣品滋味品質(zhì)相似,距離較近.

圖2　不同炒制溫度和時(shí)間制得的苦蕎茶樣品的線性判別分析Fig.2　LDA of tartary buckwheat tea produced under different roasting temperatures and time

2.3　不同儲(chǔ)期對(duì)苦蕎茶品質(zhì)的影響

單個(gè)電極區(qū)分不同儲(chǔ)藏時(shí)間的7組苦蕎茶樣品的結(jié)果(表2)可見,各個(gè)電極在1,10,100 Hz頻率下的區(qū)分效果均不理想,所以應(yīng)采用組合電極對(duì)樣品進(jìn)行區(qū)分,找出具有最佳區(qū)分效果的電極陣列組合方式以及電極最適合的多頻脈沖頻率段.首先,使用smartongue數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感器組合優(yōu)化,結(jié)果如表4(前10位).表4顯示,采用在鉑電極(S1)100 Hz,金電極(S2)100 Hz和鈦電極(S5)1 Hz頻率段下測(cè)得 DI值最大,為 -82.73%,7種苦蕎茶樣品的區(qū)分效果最好.

2.3.1不同儲(chǔ)期的7組苦蕎茶樣品的PCA結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后的最佳傳感器組合數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA,得到主成分1和主成分2的主成分得分圖,如圖3.結(jié)果表明,主成分PC1的貢獻(xiàn)率為55.4%,主成分PC2的貢獻(xiàn)率為8.6%,二者的累計(jì)貢獻(xiàn)率為64%,即只保留了原始數(shù)據(jù)64%的信息量.依次往下,各個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率越來越小,則至少需要5個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率才能保留原始數(shù)據(jù)85%以上的信息量.由于前2個(gè)主成分保留原始數(shù)據(jù)信息量太少,圖中7組樣品相互重疊,組內(nèi)樣品分布離散,分類效果并不理想.

表4　智舌測(cè)定不同儲(chǔ)期的苦蕎茶數(shù)據(jù)的傳感器優(yōu)化組合Tab.4　Optimized sensor combination of tartary buckwheat tea produced under different storage period

2.3.2不同儲(chǔ)期的7組苦蕎茶樣品的PCA結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后的最佳傳感器組合數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA,得到主成分1和主成分2的主成分得分圖,如圖3.結(jié)果表明,主成分PC1的貢獻(xiàn)率為55.4%,主成分PC2的貢獻(xiàn)率為8.6%,二者的累計(jì)貢獻(xiàn)率為64%,即只保留了原始數(shù)據(jù)64%的信息量.依次往下,各個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率越來越小,則至少需要5個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率才能保留原始數(shù)據(jù)85%以上的信息量.由于前2個(gè)主成分保留原始數(shù)據(jù)信息量太少,圖中7組樣品相互重疊,組內(nèi)樣品分布離散,分類效果并不理想.

2.3.3不同儲(chǔ)期的7組苦蕎茶樣品的LDA結(jié)果

圖4是對(duì)經(jīng)傳感器組合優(yōu)化后的7組不同儲(chǔ)藏時(shí)間的苦蕎茶樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行LDA的分析結(jié)果.從圖中可以看出,LDA可以將7組樣品很好地區(qū)分開來,類內(nèi)樣品聚攏,類間樣品無重疊,且距離較遠(yuǎn),其區(qū)別指數(shù)(DI值)達(dá)到99.7%,表明不同儲(chǔ)藏時(shí)間的苦蕎茶樣品間滋味品質(zhì)差異較大.

圖3　不同儲(chǔ)期的苦蕎茶樣品的主成分分析Fig.3　PCA of tartary buckwheat tea produced under different storage periods

圖4　不同儲(chǔ)期的苦蕎茶樣品的線性判別分析Fig.4　LDA of tartary buckwheat tea produced under different storage periods

3　討論與結(jié)論

不同炒制溫度和時(shí)間制備的苦蕎茶樣品的PCA和LDA結(jié)果均表明,炒制溫度對(duì)苦蕎茶的滋味品質(zhì)影響較大,樣品之間差異顯著.相比之下,炒制時(shí)間對(duì)苦蕎茶滋味品質(zhì)的影響不顯著.且PCA和LDA二者在苦蕎茶滋味品質(zhì)鑒別上的區(qū)分結(jié)果趨勢(shì)一致,但LDA的區(qū)分效果更為精確.不同儲(chǔ)期的苦蕎茶樣品的LDA結(jié)果表明,儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)苦蕎茶的滋味品質(zhì)的影響顯著.因此,在苦蕎茶的生產(chǎn)過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制炒制溫度,防止因炒制溫度改變而導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)不一致;同時(shí)依據(jù)銷售情況控制生產(chǎn),確保庫內(nèi)貨物及時(shí)流通,避免因貨物囤積,儲(chǔ)藏時(shí)間太久致使產(chǎn)品品質(zhì)降低而產(chǎn)生的售后投訴的現(xiàn)象.

苦蕎茶作為近年來新興起的一種保健類的非傳統(tǒng)茶,因其富含黃酮類物質(zhì),適合“三高”類人群飲用而被人熟知,但目前關(guān)于苦蕎茶的科學(xué)研究較少,僅有的研究主要集中在苦蕎茶中蘆丁和黃酮類物質(zhì)含量的測(cè)定以及新型復(fù)配型苦蕎茶的研制,對(duì)于苦蕎茶的感官品質(zhì)和質(zhì)量控制方面的研究甚少.但隨著苦蕎茶產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,不同加工工藝的苦蕎茶產(chǎn)品陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng),由于缺乏統(tǒng)一生產(chǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),加之苦蕎品種和加工技術(shù)等各種因素影響,苦蕎茶的品質(zhì)差異較大,質(zhì)量參差不齊.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,智舌能夠有效地區(qū)分不同炒制溫度和時(shí)間以及不同儲(chǔ)期條件下制得的苦蕎茶樣品并且顯示出不同的苦蕎茶樣品具有明顯不同的品質(zhì)特征.依據(jù)智舌的自身優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),其有望成為苦蕎茶品質(zhì)特性、質(zhì)量等級(jí)劃分以及品質(zhì)穩(wěn)定性控制等方面的有效輔助工具,具有很好的應(yīng)用前景,為規(guī)范苦蕎茶的生產(chǎn)加工和消費(fèi)流通,建立苦蕎茶感官品質(zhì)電子檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系打下了基礎(chǔ).