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        電子鼻和電子舌聯(lián)用技術(shù)在評(píng)價(jià)醬油風(fēng)味中的應(yīng)用

        2019-07-17 06:53:32易宇文胡金祥劉陽(yáng)彭毅秦鄧靜吳華昌喬明鋒
        食品研究與開(kāi)發(fā) 2019年14期
        關(guān)鍵詞:馬氏電子鼻區(qū)別

        易宇文,胡金祥,劉陽(yáng),彭毅秦,鄧靜,吳華昌,喬明鋒,*

        (1.四川旅游學(xué)院烹飪科學(xué)四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610100;2.四川旅游學(xué)院,四川 成都 610100)

        醬油由大豆、淀粉、小麥等原料經(jīng)過(guò)酵母菌、米曲霉、乳酸菌等微生物發(fā)酵作用,將原料水解成肽、糖類(lèi)、多種氨基酸及有機(jī)酸等物質(zhì),并以這些物質(zhì)為前體,經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng),形成具有一定滋味、香氣和色澤的液態(tài)調(diào)味品[1],是我國(guó)傳統(tǒng)調(diào)味品,歷史悠久,在各大菜系中具有重要地位,研究表明,醬油風(fēng)味受原料及配比、原料處理方式、發(fā)酵方式方法、菌種、添加物等影響[2]。

        電子鼻和電子舌是20 世紀(jì)中后期出現(xiàn)的模擬人類(lèi)嗅覺(jué)和味覺(jué)器官的仿生儀器,統(tǒng)稱(chēng)智能感官,具有檢測(cè)速度快、樣品前處理簡(jiǎn)單、操作方便、重現(xiàn)性好等特點(diǎn),在食品行業(yè)應(yīng)用廣泛[3-7]。一般情況下,僅使用電子鼻或電子舌就能實(shí)現(xiàn)樣品區(qū)分、鑒別,但大多數(shù)食品是氣味和滋味的綜合體,需綜合嗅覺(jué)和味覺(jué)指標(biāo)做出全面評(píng)價(jià),僅從電子鼻氣味或電子舌滋味單一角度評(píng)價(jià)往往難以獲得令人滿意的結(jié)果[8-9]。目前基于智能感官醬油評(píng)價(jià)往往單獨(dú)采用電子鼻[10-12](氣味)或者電子舌[13-14](滋味)進(jìn)行,未進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。因此,采用電子鼻和電子舌傳感器數(shù)據(jù)聯(lián)用,獲得醬油氣味和滋味綜合信息,可準(zhǔn)確全面對(duì)樣品進(jìn)行鑒別、評(píng)價(jià)和區(qū)分[15]。電子鼻和電子舌數(shù)據(jù)信號(hào)聯(lián)用方法有數(shù)據(jù)直接合并融合法、特征值提取后聯(lián)用法和分別建模后重組有效信息法[16];另外,主成分分析法(principal component analysis,PCA)是在不丟失主要信息的前提下,以較少新變量代替原始變量,直觀反應(yīng)原始數(shù)據(jù)信息的分析方法,是電子鼻、電子舌分析常用方法。

        以8 種醬油電子鼻、電子舌檢測(cè)信號(hào)以及電子鼻/舌信號(hào)直接融合為研究對(duì)象,結(jié)合主成分分析、區(qū)別指數(shù)、質(zhì)量控制模型(statistical quality control,SQC)、馬氏距離,從香味和滋味角度綜合評(píng)價(jià)區(qū)分醬油的風(fēng)味,比較數(shù)據(jù)融合的優(yōu)勢(shì),為醬油風(fēng)味評(píng)價(jià)提供方法參考。

        1 材料與方法

        1.1 材料與儀器

        1.1.1 材料

        醬油配料見(jiàn)表1。

        表1 樣品及原料Table 1 Samples and raw materials

        1.1.2 儀器

        FOX 4000 型電子鼻(該儀器由18 種金屬氧化物傳感器組成,分布在主機(jī)的3 個(gè)矩陣室,每個(gè)矩陣室內(nèi)有6 根非專(zhuān)一性傳感器,對(duì)一類(lèi)或者幾類(lèi)物質(zhì)敏感[17])、α-ASTREE 型電子舌(該電子舌由7 根非專(zhuān)一性傳感器和一個(gè)Ag/AgCl 參比電極組成,每根傳感器對(duì)酸、咸、甜、苦和鮮敏感,但程度不一[18]):法國(guó)Alpha MOS 公司。

        1.2 方法

        1.2.1 樣品處理

        電子鼻:從醬油瓶中準(zhǔn)確移液2.000 mL,放入10 mL頂空瓶,密封、編號(hào),待用。

        電子舌:從醬油瓶中準(zhǔn)確移液10.000 mL,入100 mL容量瓶,加入蒸餾水定容至100 mL,取80 mL 入電子舌檢測(cè)專(zhuān)用燒杯,編號(hào),待用。

        1.2.2 分析條件

        電子鼻:頂空產(chǎn)生溫度70 ℃;頂空加熱時(shí)間300 s;載氣流量 150 mL/s;進(jìn)樣量 500 μL;進(jìn)樣速度 500 μL/s;數(shù)據(jù)采集時(shí)間120 s;數(shù)據(jù)采集延遲180 s;手動(dòng)進(jìn)樣。每個(gè)樣品平行測(cè)試5 次。取傳感器后3 次在第120 秒時(shí)獲得的穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)行分析。

        電子舌:自動(dòng)進(jìn)樣,數(shù)據(jù)采集時(shí)間120 s,每個(gè)樣品平行檢測(cè)5 次,取傳感器后3 次在120 s 時(shí)采集的穩(wěn)定信號(hào)作為分析數(shù)據(jù)。

        1.3 數(shù)據(jù)處理

        由于電子鼻和電子舌檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)不在同一數(shù)量級(jí),為減少其對(duì)分析結(jié)果的影響,在數(shù)據(jù)處理時(shí)先消除檢測(cè)信號(hào)的數(shù)量級(jí)差異[19]。試驗(yàn)選取電子鼻和電子舌各3 根傳感器(判別能力居前三的傳感器)[20],對(duì)其原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,其公示見(jiàn)式(1)。

        注:y 為標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果,x 為傳感器原始變量,min 為傳感器響應(yīng)值中最小值;max 為傳感器響應(yīng)值中最大值。

        然后分別對(duì)電子鼻和電子舌數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA,最后將電子舌和電子鼻數(shù)據(jù)直接合并后進(jìn)行PCA。PCA、SQC、識(shí)別指數(shù)、馬氏距離均采用電子鼻自帶軟件(V12.3)進(jìn)行處理,作圖采用Origin 9.1。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 電子鼻分析

        8 種醬油電子鼻分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

        圖1a 是主成分分析,第一主成分(PC1)為99.37%,第二主成分(PC2)僅為0.5933%,說(shuō)明在進(jìn)行線性變換時(shí),大量的有效信息保留在PC1。盧小泉[21]認(rèn)為PC1方差越大越能說(shuō)明其包含的信息量大。王瓊等[22]認(rèn)為PC1 和PC2 超過(guò)80%即可反應(yīng)樣品在氣味方面的主要特征信息。8 個(gè)樣品可分為 3 種香味(1、2;3、4、5、7、8;6)。圖中,1、2 號(hào)和 3、4、5、6、7、8 號(hào)樣品分別分布在Y 軸右、左側(cè),4、8 號(hào)樣品有部分交叉(極為相似),說(shuō)明電子鼻能夠從氣味上區(qū)分大部分樣品,部分氣味極為相似的無(wú)法區(qū)分。1、2 號(hào)樣品組內(nèi)差異較明顯;3、4、5、7 和8 號(hào)樣品組內(nèi)差異較?。ǚ植荚谝宰鴺?biāo)軸焦點(diǎn)為圓心的小圓內(nèi)),差異最大的是2 和6 號(hào)樣品,且所有差異均來(lái)自PC1。

        圖1b 是區(qū)別指數(shù)。區(qū)別指數(shù)是根據(jù)被測(cè)樣品和參照樣品的傳感信號(hào)分散百分比與圖譜峰面積的比例轉(zhuǎn)化而來(lái),主要用于明確比較樣品間區(qū)分度[23]。b 中,樣品間區(qū)別指數(shù)最大為99.26%,是2 和6 號(hào)樣品;這與PCA 中2、6 號(hào)樣品分布在X 軸最左和最右端一致,說(shuō)明其差異大。差異最小的是4、7 號(hào)樣品,為2.18%,相似度高;這與PCA 中4、7 號(hào)樣品的位置很靠近一致。在PCA 中,4、8 號(hào)樣品有交叉,電子鼻無(wú)法從香氣上區(qū)分(極為相似),區(qū)別指數(shù)為9.81%,這與4、7 號(hào)樣品間的區(qū)別指數(shù)(2.18%)矛盾。原因可能是4 號(hào)樣品與8 號(hào)樣品在某些香氣成分上極為相似,但總體香氣上不及4、7 號(hào)樣品相似。具體原因需要進(jìn)一步研究。

        圖1c 是以1 號(hào)樣品為參照樣,建立的統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制模型(SQC)圖,分析其他樣品與參照品在香氣上的差異。圖中,與參照品香氣最為接近的是2 號(hào)樣品;這與 PCA 分析中,1、2 號(hào)較為接近一致。3、4、5、7、8 號(hào)樣品分布在區(qū)間(3 000、5 000),相似度高。這和 PCA 分析中分布在以焦點(diǎn)為圓心的小圓內(nèi)一致。2、6 號(hào)樣品分別分布在Y 軸最上端和最下端,說(shuō)明其差異較大,這也與a 中PCA 一致,b 中區(qū)別指數(shù)最大一致;d 中馬氏距離最大一致。

        圖1d 是樣品間馬氏距離。c 中,2,6 號(hào)樣品間的馬氏距離最大,為 1 213;最小為 4、7 號(hào)樣品,為 27;4、8號(hào)樣品間的馬氏距離為 61(較 4、7 號(hào)大),與 PCA 和區(qū)別指數(shù)的分析結(jié)果一致。

        2.2 電子舌分析

        8 種醬油的電子舌分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

        圖2 醬油風(fēng)味電子舌分析Fig.2 Electronic tongue analysis of soy sauce flavor

        圖2a是PCA圖,圖中 PC1 和 PC2 分別為 90.449%和6.813%,總貢獻(xiàn)率為97.262%,能夠反應(yīng)樣品的主要滋味特征。朱文政等[24]認(rèn)為電子舌PC1 和PC2 總貢獻(xiàn)率超過(guò)65.2%即可反應(yīng)樣品的主要滋味特征。8 個(gè)樣品在4 個(gè)象限均有分布且無(wú)交差重合,說(shuō)明電子舌能夠從滋味上區(qū)分 8 種醬油。1、2、3、8 及 6 號(hào)樣品的部分分布在第四象限且被圈在以焦點(diǎn)為圓心的小圓內(nèi),分布較為集中,有一定相似度;2、3 號(hào)樣品僅在PC2 上有差異,相似度高。張曉敏等[25]認(rèn)為如果PC1 和PC2 差異較大,而樣品差異主要體現(xiàn)在PC2 上,則樣品之間差異較小。4、7 號(hào)樣品分布在X 軸兩端,差異大。4 號(hào)樣品所在位置,可以推測(cè)其滋味比較特殊,可能與其配料中海藻膏調(diào)味料以及乳酸有關(guān);7 號(hào)樣品所在位置可能與其添加了玉米有關(guān)。

        圖2b 是8 個(gè)樣品區(qū)別指數(shù)。4、7 號(hào)樣品區(qū)別指數(shù)為99.94%,為最大。這與PCA 中分別分布在X 軸最左和最右端一致。2、3 號(hào)樣品區(qū)別指數(shù)為88.27%,差異最小,這與PCA 中僅在PC2 上有差異,一致。

        圖2c 是以1 號(hào)樣品為參照樣,建立的統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制模型(SQC) 圖。圖中,4、7 號(hào)樣品分別分布在(400,450)和(-250,-300),為差異最大樣品組。這與PCA、區(qū)別指數(shù)和馬氏距離分析結(jié)果一致。2、3 號(hào)樣品分布在(-50,-120),差異較小。這與PCA、區(qū)別指數(shù)和馬氏距離分析結(jié)果一致。1、2、3、6、8 號(hào)樣品分布在(50,-300),這與PCA、區(qū)別指數(shù)和馬氏距離分析結(jié)果一致。

        圖2d 是樣品馬氏距離。4、7 號(hào)樣品間馬氏距離840,為最大(相似度最低)。這與PCA 中分布在X 兩端一致;區(qū)別指數(shù)99.94%(最大)一致。2、3 號(hào)樣品間的馬氏距離62,為最?。ㄏ嗨贫茸罡撸?。這與PCA 中僅在PC2 上有差異一致;區(qū)別指數(shù)88.27%(最?。┮恢隆?、2、3、6、8 號(hào)樣品間的馬氏距離均在 200 以下,差異較小,這與PCA 中分布在第四象限且被小圓圈住一致;與相互間區(qū)別指數(shù)最高98.61%一致。

        結(jié)合圖1和圖2,可以看出電子鼻PCA 不能完全區(qū)分8 個(gè)樣品,4 和8 號(hào)樣品存在交叉;而電子舌則可以完全將8 個(gè)樣品區(qū)分開(kāi)來(lái)。說(shuō)明某些在氣味上極為相似的樣品,電子鼻區(qū)分能力不足。此時(shí)電子舌可以區(qū)分樣品。但僅依靠電子舌或者電子鼻進(jìn)行評(píng)價(jià)只能說(shuō)明樣品在滋味或者氣味方面的異同,并不能從總體上對(duì)樣品進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。僅僅從滋味或氣味評(píng)價(jià)食品的方法是有缺陷的。

        2.3 電子鼻和電子舌信號(hào)聯(lián)用醬油風(fēng)味區(qū)分

        電子鼻/電子舌傳感器數(shù)據(jù)融合分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

        圖3 電子鼻和電子舌信號(hào)聯(lián)用醬油風(fēng)味分析Fig.3 Analysis of soy sauce flavor by combination of E-nose and E-tongue

        圖3a 中PC1 和PC2 的累計(jì)貢獻(xiàn)率為97.272 %,結(jié)合王瓊等[22]和朱文政等[24]的研究,97.272%可以反應(yīng)出樣品在滋味和氣味上的特征差異。圖3c 中,1、2 號(hào)樣品分布在Y 軸的右側(cè),其他樣品分布在左側(cè),樣品間均無(wú)交叉重合,說(shuō)明電子鼻/電子舌信號(hào)融合較單獨(dú)使用電子鼻的區(qū)別能力強(qiáng),能夠提高辨別能力,從氣味和滋味上綜合評(píng)價(jià)醬油。1、2 號(hào)樣品分布在第一象限,相對(duì)較為接近;區(qū)別指數(shù)為88.66%;馬氏距離為304;SQC 分析分布在(700,-4 680),較為接近,說(shuō)明 1、2 號(hào)樣品組在氣味和滋味上相對(duì)其他樣品較為接近。在電子鼻、電子舌分析中,1、2 號(hào)樣品在PCA、區(qū)別指數(shù)、SQC、馬氏距離分析中都比較接近,這能夠印證數(shù)據(jù)融合后1、2 號(hào)樣品依然較為接近。4、5 和6 號(hào)樣品分別分布在第二、三象限。馬氏距離表明5、6 號(hào)樣品較為接近(301),最遠(yuǎn)是 4、6 號(hào)樣品(639);PCA 表明 4、5、6 號(hào)樣品的差異主要來(lái)源于PC2,PCA 坐標(biāo)圖表明5、6 號(hào)較為接近,4、5 號(hào)較 5、6 號(hào)遠(yuǎn);SQC 分析表明 5、6 號(hào)樣品分布在(8 500,10 500),較 4、5 號(hào)分布的區(qū)間窄,所以5、6 號(hào)樣品在風(fēng)味上相對(duì)相似度高,4、6 號(hào)樣品差異大。在電子舌分析中,4、5、6 號(hào)樣品在PCA、SQC、區(qū)別指數(shù)、馬氏距離分析中與電子舌和電子鼻信號(hào)融合趨勢(shì)一致。電子鼻分析中,4、5、6 號(hào)樣品在PCA、區(qū)別指數(shù)、SQC、馬氏距離分析中 4、5 號(hào)樣品更為相似(接近)。這與信號(hào)聯(lián)用后(綜合評(píng)價(jià))有差異。這說(shuō)明信號(hào)融合,綜合滋味和香味信息后,對(duì)樣品相對(duì)位置及馬氏距離等產(chǎn)生了影響,能夠綜合評(píng)價(jià)樣品的風(fēng)味。3、7、8 號(hào)樣品分布在第三象限,較為集中,說(shuō)明這3 個(gè)樣品在風(fēng)味上比較相似。馬氏距離顯示7、8 號(hào)樣品最為靠近(198),最遠(yuǎn)為 3、7 號(hào)樣品(287);PCA 顯示 7、8 號(hào)樣品差異主要來(lái)源于 PC2,3 和 7、8 號(hào)樣品的差異來(lái)源于PC1+PC2。這表明7 和8 號(hào)樣品在風(fēng)味上綜合評(píng)價(jià)上相似度最高,3 與7、8 號(hào)樣品較為相似。電子舌分析表明7、8 號(hào)樣品在滋味上差異較為明顯;3與8 號(hào)差異較小,與7 號(hào)差異較大。電子鼻PCA、區(qū)別指數(shù)、馬氏距離、SQC 分析表明3、7、8 號(hào)樣品差異較小。

        3 結(jié)論

        以8 種醬油的電子鼻、電子舌檢測(cè)信號(hào)及其融合信號(hào)為研究對(duì)象,結(jié)合主成分、區(qū)別指數(shù)、質(zhì)量控制模型、馬氏距離,從香味和滋味角度綜合評(píng)價(jià)醬油的風(fēng)味。電子鼻分析表明:從香氣上可將8 種醬油分成3組,電子鼻能夠區(qū)分大多數(shù)樣品,無(wú)法區(qū)分某些在香氣成分上極為相似的樣品,4、7、8 號(hào)樣品相似度極高(電子鼻無(wú)法區(qū)分4、8 號(hào)樣品),3、4 號(hào)樣品相似度高,1、2 號(hào)樣品有一定相似度。電子舌分析表明:樣品在滋味上特征明顯,電子舌能夠區(qū)分8 種醬油,2、3 號(hào)樣品相似度最高;1、5、6 和 8 號(hào)樣品有一定相似度;4、7 號(hào)樣品差異最大。電子鼻和電子舌檢測(cè)信號(hào)融合分析表明8 個(gè)樣品分成3 組(即3 種風(fēng)味),且每組樣品無(wú)交叉重合,區(qū)分效果好。研究結(jié)果表明,相對(duì)于單獨(dú)使用電子鼻或電子舌,電子鼻/舌信號(hào)融合后綜合評(píng)價(jià)能力強(qiáng),能夠綜合氣味和滋味信息,凸顯樣品間細(xì)微的差異,是智能感官評(píng)價(jià)食品風(fēng)味的新趨勢(shì)。

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