電子鼻與電子舌在可可椰奶品質(zhì)評價中的應(yīng)用

房一明，初 眾，盧少芳，譚樂和，朱紅英，谷風(fēng)林

（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所，海南萬寧 571533;國家重要熱帶作物工程技術(shù)研究中心，海南萬寧 571533;農(nóng)業(yè)部香辛飲料作物遺傳資源利用重點實驗室，海南萬寧 571533）

電子鼻與電子舌在可可椰奶品質(zhì)評價中的應(yīng)用

房一明，初 眾，盧少芳，譚樂和，朱紅英，谷風(fēng)林

（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所，海南萬寧 571533;國家重要熱帶作物工程技術(shù)研究中心，海南萬寧 571533;農(nóng)業(yè)部香辛飲料作物遺傳資源利用重點實驗室，海南萬寧 571533）

采用電子鼻和電子舌測試了可可粉、砂糖與椰子粉配比不同時的產(chǎn)品信號響應(yīng)值，并應(yīng)用主成分分析法、判別因子分析法和統(tǒng)計質(zhì)量控制分析法對數(shù)據(jù)進行了分析.結(jié)果表明，在3種主要原料配比不同時，電子鼻與電子舌對產(chǎn)品的響應(yīng)信號有明顯區(qū)別，主成分分析法和判別因子分析法等可以區(qū)分不同品質(zhì)的可可椰奶，能夠從氣味、滋味和總體質(zhì)量方面對可可椰奶檢測和鑒定.

電子鼻;電子舌;可可椰奶;品質(zhì)評價

椰奶是一種植物蛋白飲料，它不含膽固醇，但卻含有豐富的蛋白質(zhì)、必需氨基酸、維生素和不飽和脂肪酸，它易于被人體吸收，具有保健功能等特性，因而深受廣大消費者的喜愛［1］.可可粉具有濃烈芬芳的獨特香味，含有類黃酮等多種營養(yǎng)元素，營養(yǎng)價值很高，是制造巧克力的重要原料，也是當(dāng)今世界三大嗜好性飲料之一［2］.可可椰奶是將可可粉與椰漿粉進行配比，加入糖后制成的一種具有海南特色的風(fēng)味飲品，其多酚含量普遍高于其他普通飲品，且椰奶和可可的風(fēng)味協(xié)調(diào)在一起，具有椰奶巧克力香氣.

電子鼻和電子舌是模擬人的鼻和舌功能而設(shè)計的傳感器陣列技術(shù)，其傳感器不是單獨地分析部分氣、味信息，而是分析其綜合的整體信息，可以敏感地識別氣、味指紋，即能檢測四氣五味［3］.電子鼻為分析揮發(fā)性成分的儀器之一，它能快速地提供揮發(fā)性的信息，監(jiān)聽食物的性質(zhì)［4］，電子鼻僅針對評價易揮發(fā)性成分，而電子舌可分析液體樣品［5］，電子舌的幾方面應(yīng)用包括模型分析、食品和飲料分析以及水監(jiān)控［6］.HONG等人已利用電子舌區(qū)分5種不同等級在同一地點同種加工方法下的西湖龍井茶，顯示電子舌在識別茶品質(zhì)上是一種具有潛力的工具［7］.王俊等人利用電子舌對6種不同的葡萄酒檢測，通過對傳感器響應(yīng)信號的處理及選取適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R別方法，區(qū)分了不同產(chǎn)地的葡萄酒，同時對不同品種的葡萄酒也做出了較好的判別［8］.ZOLTAN等人利用電子鼻、電子舌鑒別了純種的斯里蘭卡沖泡茶的產(chǎn)地［9］.SZKUDLARZ Sylwia Mildner等人利用電子鼻監(jiān)控了油菜籽油的自然氧化，發(fā)現(xiàn)電子鼻可以核實腐臭的改變，從而對油進行質(zhì)量管理［10］.目前，國內(nèi)沒有利用電子舌和電子鼻技術(shù)對可可椰奶制品品質(zhì)及風(fēng)味方面進行研究，為此，筆者利用電子鼻和電子舌的主成分和判別因子分析等方法，來討論其是否對不同原料配比的可可椰奶有區(qū)分效果，旨在為可可椰奶的風(fēng)味及品質(zhì)評價體系的建立提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗材料可可粉、椰子粉和砂糖由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所提供.

1.1.2 實驗儀器采用的電子鼻系統(tǒng)是α-Genemi（法國Alpha M.O.S公司），主要由6個金屬氧化物傳感器、HS－100型自動進樣器和空氣發(fā)生器組成，Alpha Soft V12.0軟件控制儀器和處理數(shù)據(jù).采用的電子舌系統(tǒng)是法國Alpha M.O.S公司研制的ASTREE，該電子舌包含了7個化學(xué)傳感器陣列和1個Ag/AgCl參比電極.傳感器是由有機物覆蓋的硅晶體管制成，每個傳感器前端有1個電子芯片，芯片表面覆蓋一層敏感吸附薄膜，可以選擇性吸附液體中的游離分子.電子天平（METTLER TOLEDO AL104，美國），實驗室專用超純水機（KL-RO-20，中國），全自動磨樣機（RETSCH RS 200，德國），超速冷凍離心機（Z36HK，德國）.

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品準(zhǔn)備

1.2.1.1 電子鼻樣品制備 稱取5 g可可粉倒入燒杯內(nèi)，加入3 g白砂糖，加入椰子粉，添加的椰子粉與可可粉的比例分別為0;1∶5;2∶5;3∶5;4∶5;5∶5，樣品分別編號為1～6，7號樣品為5 g椰子粉加入3 g白砂糖，攪拌均勻，加入沸水160 mL，攪拌，溶解后靜止15 min，移取1 mL加入頂空瓶，封蓋后電子鼻待測，blk為空白樣品（即沖泡用沸水）.

1.2.1.2 電子舌樣品制備 按照表1進行樣品制備，樣品3 000 r·min－1離心15 min，量取上清液80 mL，倒入燒杯內(nèi)，靜置15 min，電子舌待測.

表1 可可椰奶樣品信息表

1.2.2 實驗采集參數(shù)電子鼻:頂空樣品制備由進樣器自動完成，加熱箱溫度45℃，振蕩速度500 r· min－1，每個樣品加熱300 s;分析條件:以合成干燥空氣為載氣，流速150 mL·min－1，注射體積1 000 μL，注射針溫度55℃，注射針總體積2.5 mL，注射速度1 000 μL·s－1，獲取時間120 s，延滯時間210 s.每個樣品在上述條件下重復(fù)分析3次.

電子舌:各樣品重復(fù)測量4次，采樣時，選取沖泡沸水冷卻（為校準(zhǔn)溶液），每次采樣時間為120 s，每秒鐘采樣1次，電子舌系統(tǒng)軟件每秒鐘自動記錄1次數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與討論

2.1 主成分分析（PCA）PCA是在對樣品特性一無所知的前提下，通過對原始數(shù)據(jù)向量進行線性變換，并從一定的視角來尋找樣品間差異的一種算法［11］.圖1顯示了可可椰奶樣品的電子鼻PCA分析.第一主成分（PC1）與第二主成分（PC2）的貢獻率分別為99.855%和0.081 63%，兩者之和達到了99.936 6%，所以2個主成分對應(yīng)的特征向量所決定的兩維子空間就能夠充分保存原始數(shù)據(jù)的信息.由圖1可見，可可椰奶的揮發(fā)性氣味隨加入椰漿粉比例的不同而發(fā)生改變的現(xiàn)象十分明顯.從分布的區(qū)域看，分布在右半部分的8號空白樣品與7號樣品較為接近，但與其他樣品的區(qū)別最大，其他添加可可粉的樣品，分布距離較近，這說明可可椰奶的氣味主要表現(xiàn)為可可的特征香氣.其中4號和6號樣品有小部分區(qū)域重疊，說明兩者在主成分分析上氣味相近，且2～6號樣品的主成分較為集中，氣味差別較小，而與1號樣品又有一小部分距離，說明不添加椰子粉和添加椰子粉時電子鼻響應(yīng)信號的主成分方向發(fā)生了改變，因此，可可椰奶的氣味是可可與椰漿的協(xié)調(diào)香氣.品評員感官分析的結(jié)果表明，無可可粉和無椰子粉時，可可椰奶的特征風(fēng)味太淡或太濃，與其他配比樣品的差別顯著，這一點在電子鼻數(shù)據(jù)上也得到了證實.因此，通過PCA分析說明，電子鼻能夠區(qū)分不同椰子粉與可可粉配比的氣味變化，對可可椰奶配方的改進也具有一定的指導(dǎo)作用.

圖1 不同樣品電子鼻主成分分析（PCA）

圖2 不同樣品電子舌主成分分析（PCA）

由圖2可見，電子舌能夠區(qū)分不同配方下的可可椰奶.主成分1的貢獻率為95.718%，主成分2的貢獻率為3.917%，這說明主成分1和2表達了13組樣品99.635%的系統(tǒng)差異，表達了13組樣品的整體信息.從它們之間的分布來看，有11個樣品聚集在PCA圖的第一、四象限內(nèi)，只有CO1和C1分散在PCA圖的左半?yún)^(qū)域，這表示只有可可粉或者只有椰漿粉存在時，都無法代表可可椰奶的滋味.其中CS1，CS2，CS3， CS3，CS4，CS5之間有較多重疊，說明可可椰奶在含糖量變化時的滋味響應(yīng)值上具有相似性，在試驗范圍內(nèi)含糖量的變化沒有使可可椰奶的滋味產(chǎn)生較明顯變化.從相對距離可以看出CO1與其他樣品間存在大的差異，而且C1與分布在第一、四象限的樣品存在的差異比CO1小，說明在沒有糖存在的情況下，可可椰奶與椰奶的滋味存在較大差異，這可能是因為在可可椰奶中其滋味更多地表現(xiàn)為可可粉的滋味，即苦味和澀味等.CSC3，CSC4，CSC5分布在第四象限內(nèi)，CSC1，CSC2，CC1之間距離較小，幾乎無差異，說明可可椰奶的滋味還是主要由可可粉和椰奶決定的，特別是可可粉對滋味的貢獻較大，在試驗范圍內(nèi)，糖含量對可可椰奶滋味的影響不大，但在可可椰奶中椰漿粉含量提高較多時，表現(xiàn)在主成分2上具有較大差別，說明椰漿粉對可可椰奶滋味具有一定貢獻.這些結(jié)果表明，利用電子舌可以有效地區(qū)分可可椰奶中主要組成成分變化時產(chǎn)品的質(zhì)量變化差異性，同時也表明添加不同比例的可可粉或椰子粉對可可椰奶的風(fēng)味會產(chǎn)生明顯的變化，此外，還表明利用電子舌可以對可可椰奶的配方改進和風(fēng)味改善提供有效的幫助.

o2.2 判別因子分析（DFA）DFA是在有先驗知識的前提下，即知道各樣品所屬類別的情況下，對原始數(shù)據(jù)向量進行線性變換，使得各類樣品能夠更好地被區(qū)分，這是與PCA的區(qū)別［11］.可可椰奶樣品電子鼻DFA分析見圖3，從圖3可見，通過分析添加不同比例椰子粉的可可椰奶，可以得到明顯區(qū)分.8號空白樣品與7號樣品和其他樣品的區(qū)別較大，分析結(jié)果與PCA分析的相一致.4號樣品與6號樣品部分重疊，說明兩者氣味上相似，與其主成分分析一致，結(jié)果顯示:利用判別因子分析，可以使樣品更好地被區(qū)分，可可椰奶配比不同時在DFA圖上會有差別，可以利用電子鼻將其區(qū)分開來.

圖3 不同樣品電子鼻數(shù)據(jù)判別函數(shù)分析（DFA）

從圖4可見，除了CO1（純椰漿溶液）和C1（純可可溶液）外，在電子舌傳感器的DFA響應(yīng)數(shù)據(jù)的各個區(qū)域內(nèi)，點的離散度較小，這一點與PCA圖的表現(xiàn)相似，說明DFA可以良好地區(qū)分不同樣品，也明顯表明可可椰奶的品質(zhì)主要由可可粉和椰漿粉的配比決定.因此，利用電子舌數(shù)據(jù)的判別函數(shù)分析（DFA），可以分離不同類型的樣品，對樣品的鑒定和改進具有借鑒意義.

2.3 雷達圖分析 從圖5中可見，傳感器T30/1和傳感器P30/2響應(yīng)值較高，對可可風(fēng)味具有較高的敏感度.從電子鼻的傳感器響應(yīng)值來看，7號的椰子粉糖溶液樣品與其他樣品有明顯區(qū)別，這表明可可椰奶在主要氣味上表現(xiàn)為可可特征氣味，這與感官評價吻合.所以，通過雷達圖可以直觀地發(fā)現(xiàn)不同樣品在某個傳感器上的差異性.

圖4 不同樣品電子舌數(shù)據(jù)判別函數(shù)分析（DFA）

圖5 不同樣品電子鼻數(shù)據(jù)雷達圖

2.4 質(zhì)量控制分析（SQC）分析 SQC是一種常用的質(zhì)量控制方法，它以樣品符合正態(tài)分布為前提來計算樣品分布的95℅的置信區(qū)間［11］.SQC的數(shù)學(xué)解釋是在考慮樣本的差異性的基礎(chǔ)上，通過計算參考樣本來得出接受區(qū)域和拒絕區(qū)域.未知樣本被映射到圖表中，得出接受或拒絕區(qū)域.通過計算樣本的均值、標(biāo)準(zhǔn)差得出單一的嗅覺值.對每個數(shù)據(jù)點而言，它在氣味單元內(nèi)的距離表明了氣味的差異［12］.從圖6中可以看出，以6號樣品為對照樣品時，4號和5號樣品在可以被接受的區(qū)域，其他樣品在拒絕的區(qū)域，1，2，3號與4，5，6號的距離比較大，說明氣味區(qū)別較大，7號距離最大，說明氣味區(qū)別最大，這與椰子粉添加比例不同有關(guān)，也表明可可椰奶主要表現(xiàn)為可可和椰奶的協(xié)調(diào)氣味，但可可氣味具有重要作用.從圖6中可見，可可粉與椰子粉添加比例分別為5∶3;5∶4;5∶5時可被接受.

圖6 不同樣品電子鼻數(shù)據(jù)統(tǒng)計質(zhì)量控制（SQC）分析

3 結(jié) 論

本文研究表明，電子鼻和電子舌能夠準(zhǔn)確區(qū)分出可可椰奶中主要組成成分變化的樣品，并且添加不同比例椰漿粉的樣品在PCA圖上的分布具有一定的趨勢，表明電子鼻和電子舌分析技術(shù)在可可椰奶產(chǎn)品的風(fēng)味變化上具有獨特的識別能力.從所有分析數(shù)據(jù)和結(jié)果來看，可可椰奶的風(fēng)味主要表現(xiàn)為可可風(fēng)味，椰漿風(fēng)味對可可椰奶的風(fēng)味貢獻要低于可可風(fēng)味，在試驗范圍內(nèi)，糖含量變化對產(chǎn)品風(fēng)味的影響最小.此外，電子鼻和電子舌技術(shù)用于可可椰奶制品品質(zhì)的研究，具有樣品前處理簡單、無污染、分析速度快等特點，對一些組成成分相近或類似的樣品，電子鼻和電子舌分析有著其他傳統(tǒng)儀器不可比擬的優(yōu)越性，因此，可以非常方便地得到與人工品評一致的分析結(jié)果.與人工感官評定和化學(xué)檢測相比較，電子鼻和電子舌具有操作簡單、快速、可靠等優(yōu)勢，可以預(yù)見，隨著化學(xué)計量學(xué)方法的不斷進步，電子感官檢測技術(shù)將在更多的相關(guān)研究領(lǐng)域中得到應(yīng)用，具有非常廣闊的應(yīng)用前景.

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Application of Electronic Noses and Electronic Tongue on Quality Evaluation of Cocoa Coconut milk Drink

FANG Yi-ming，CHU Zhong，LU Shao-fang，TAN Le-he，ZHU Hong-ying，GU Feng-lin

（Spice and Beverage Research Institute，CATAS，Wanning 571533，China;
National Center of Important Tropical Crops Engineering and Technology Research，Wanning 571533，China;
Key Laboratory of Genetic Resources Utilization of Spice and Beverage Crops，Ministry of Agriculture，Wanning 571533，China）

In order to analyze the effect of main components of the coconut milk on the flavor，electronic nose and electronic tongue were used to test signal response values of different ratio of cocoa powder，sugar and coconut powder，and the data were analyzed by principal component analysis，discriminate factor analysis and statistical quality control analysis.The results showed that there are significant differences between the response signal of the electronic nose and that of electronic tongue，the principal component factor analysis and discriminate factor analysis method can distinguish different quality of cocoa coconut milk，and the smell，taste and overall quality of cocoa coconut milk can be detected and identified.

electronic nose;electronic tongue;cocoa coconut milk;quality evaluation

TS 274

A

1004－1729（2012）01－0041－07

2011－05－27

海南省自然科學(xué)基金項目（311085）;熱科院香飲所科技基金項目（Xys1114）;中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項（1630052012001）

房一明（1987－），女，遼寧撫順人，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所研究實習(xí)員.

谷風(fēng)林（1976－），男，助理研究員.研究方向:風(fēng)味化學(xué).Email:xiaogu4117@yahoo.com.cn