蹄葉橐吾功能飲料的制備及其智能感官分析

劉方哲，于潤美，姜燕,2，于繼胤，尤婷婷

（1.長春工業(yè)大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130012）（2.大理大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，云南大理 671000）（3.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150028）

蹄葉橐吾又名馬蹄葉，含有大量的臭根醇、六氫二甲基亞甲基環(huán)癸并呋喃酮及異蜂斗菜酮等活性倍半萜類化合物[1,2]。朝鮮族民間用蹄葉橐吾葉作開胃和化痰的山野菜膳食，具有一定的營養(yǎng)和生理調(diào)節(jié)功能。有研究表明蹄葉橐吾的葉片提取物具有鎮(zhèn)咳祛痰、抗炎抑菌[3,4]和抗氧化[5,6]的作用。本研究將具有清咽潤喉作用的3種原料：蹄葉橐吾、羅漢果和甘草按一定比例熬煮制備蹄葉橐吾飲料，以期緩解不良環(huán)境對人咽喉部的影響。

飲料感官評價的重點是飲料的氣味和滋味[7]，多采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[8]和感官分析進(jìn)行評價。飲料的感官評價一般包括色澤、氣味、口感和液體狀態(tài)等，在性狀描述中難以具體區(qū)分，具有一定的模糊性，人為誤差大、重復(fù)性差，傳統(tǒng)感官評價存在一定的誤差[9]。模糊數(shù)學(xué)感官評價法[10]綜合考慮較多的評定因素，減少評價主體間的主觀評定誤差，建立一個反映其本質(zhì)特征的理想模式，使評定結(jié)果更加科學(xué)和客觀，在食品的感官評定中廣泛應(yīng)用[11,12]。

同時，采用智能感官分析技術(shù)，模擬人的鼻子和舌，“感受到”目標(biāo)物的氣味和滋味，并將化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，與其自身數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行對比分析[13～15]。相較于人的鼻子和舌，智能感官分析技術(shù)具有安全、快速、便于重復(fù)和檢測結(jié)果可靠的優(yōu)點[16]。國內(nèi)外已有用電子鼻或電子舌檢測區(qū)分不同配方、加工工藝或不同品牌的橘子汁[17]、蘋果汁[18]和碳酸飲料[19]等產(chǎn)品品質(zhì)的報道。本文采用模糊數(shù)學(xué)感官評價法優(yōu)化蹄葉橐吾飲料的配方，同時將電子鼻和電子舌技術(shù)用于蹄葉橐吾飲料與市售同類功能飲料的智能感官分析。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蹄葉橐吾，吉林省延邊市；羅漢果，云南省桂林市；甘草，甘肅省桐鄉(xiāng)市；蔗糖，大連林梅食品有限公司。

JE502電子分析天平，上海浦春計量儀器有限公司；GYB30-60高壓均質(zhì)機(jī)最大壓力60 MPa上海諾尼輕工機(jī)械有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，控溫精度±0.5 ℃，江蘇金壇醫(yī)療器械廠；Smartnose電子鼻Smartongue電子舌電壓-10～10 V，上海昂申智能科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

蹄葉橐吾、羅漢果和甘草→除雜→清洗→切碎→浸泡→煎煮→粗濾→調(diào)配→精濾→均質(zhì)→滅菌→冷卻→成品

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 選料

去掉有蟲蛀、破損、枯黃的葉片，并折去葉柄，選取顏色清綠、形狀完整的蹄葉橐吾葉片為原料，用清水沖洗去除泥沙等雜質(zhì)。羅漢果敲碎，選取氣味良好的羅漢果果實用水沖洗除雜。選取顏色嫩黃的甘草片，用水沖洗除雜。

1.2.2.2 浸泡

將洗好的蹄葉橐吾葉片粉碎，與處理好的羅漢果和甘草一并浸泡30 min。

1.2.2.3 煎煮

水浴煮沸1 h。煎煮可提取蹄葉橐吾、羅漢果和甘草中的有效成分，如蹄葉橐吾葉片中的葉多糖[20]、羅漢果甜苷[21]和甘草酸[22]等。

1.2.2.4 過濾

粗濾過300目的濾袋。

1.2.2.5 調(diào)配

將蔗糖在80 ℃左右的熱水中均勻攪拌溶解，一邊攪拌一邊加入到濾液中。

1.2.2.6 精濾

醋酸纖維膜真空抽濾，壓力為0.1 MPa。

1.2.2.7 均質(zhì)

壓力30 MPa，樣品溫度30 ℃，時間3 min。

1.2.2.8 滅菌

90 ℃，30 s。

1.2.2.9 冷卻

滅菌后室溫自然冷卻，灌裝，得到蹄葉橐吾飲料。

1.2.3 蹄葉橐吾飲料配方優(yōu)化實驗

蹄葉橐吾飲料的風(fēng)味與原料的配比有密切關(guān)系。在預(yù)實驗的基礎(chǔ)上，固定甘草片的用量為 1 g，采用L9(34)正交實驗對蹄葉橐吾（A16.0 g、A27.0 g、A38.0 g）、羅漢果（B15.0 g、B26.0 g、B37.0 g）和蔗糖添加量（C140.0 g、C245.0 g、C350.0 g）進(jìn)行優(yōu)化，加水量均為1000 mL。從色澤、氣味、口感和液體狀態(tài)4個方面運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)感官評價法進(jìn)行綜合評判。

1.2.3.1 感官評定人員的選擇

評定小組由 10名經(jīng)過感官評價訓(xùn)練的食品科學(xué)專業(yè)學(xué)生組成，男女各5人，小組成員身體健康，無吸煙、酗酒等不良嗜好，對色、香、味有較強(qiáng)的分辨力和較好的靈敏度，且1 d內(nèi)沒有食用辛辣等刺激性食物。所有樣品均采用三位數(shù)隨機(jī)編碼，在室溫下進(jìn)行品評[23]。在感官評定前用溫水漱口，且每品評完一組后漱口3次，間隔30 s后品評下一組。

1.2.3.2 評定論域的確定

在進(jìn)行食品的感官評價時，選擇最能反映該食品質(zhì)量的指標(biāo)作為評定論域U。本實驗確定產(chǎn)品質(zhì)量由色澤、氣味、口感、液體狀態(tài)4個因素構(gòu)成，即評價對象的評定論域U=（色澤，氣味，口感，液體狀態(tài)）。評語等級論域：對每個因素的評價按 V1、V2、V3、V4四個等級評定，即評語等級論域V=（V1，V2，V3，V4）。感官評定參考標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.2.3.3 模糊數(shù)學(xué)感官評價法權(quán)重的確定

根據(jù)色澤、氣味、口感、液體狀態(tài)在蹄葉橐吾飲料感官評價中的作用，采用強(qiáng)制決定法確定各個含量因素的權(quán)重，分別為色澤（0.20）、氣味（0.30）、口感（0.30）、液體狀態(tài)（0.20），記為 A=（a1,a2,a3,a4）=（0.20,0.30,0.30,0.20）。

表1 模糊數(shù)學(xué)感官評定參考標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard of fuzzy mathematical sensory evaluation

1.2.4 電子鼻檢測方法

選取模糊數(shù)學(xué)法判斷出的最優(yōu)配方飲料（樣品1）與市售的4款同類產(chǎn)品：“加多寶”涼茶（樣品2）、“和其正”涼茶（樣品3）、“無限極”潤和津露（3倍水稀釋，樣品4）和“王老吉”涼茶（樣品5）進(jìn)行對比。量取5種樣品各10 mL于電子鼻專用樣品瓶中，封口，室溫放置10 min，待揮發(fā)性物質(zhì)達(dá)到平衡狀態(tài)后進(jìn)行檢測，每組樣品共測試6次。采用動態(tài)頂空法采集氣體，測定條件：進(jìn)樣流量1 L/min，檢測時間60 s，等待進(jìn)樣時間為10 s，平行樣品的清洗時間為60 s，不同樣品間的清洗時間為 120 s。統(tǒng)計分析電子鼻系統(tǒng)自帶的14個不同選擇性傳感器的檢測數(shù)據(jù)。

1.2.5 電子舌檢測方法

將電子舌傳感器經(jīng)過校準(zhǔn)后，量取5種樣品各15 mL于電子舌專用燒杯中，按照設(shè)置的序列放置在電子舌自動進(jìn)樣器上。試驗采用清洗溶液（蒸餾水）和待測樣品交替檢測序列進(jìn)行。每種樣品檢測 6次，5種待測樣品共檢測30個樣本。用穩(wěn)定狀態(tài)下的信號進(jìn)行分析，取120 s處的信號作為分析的時間點。

1.3 統(tǒng)計分析方法

利用Winmuster軟件對采集到的信息進(jìn)行主成分分析（PCA）和線性判別分析（LDA），以樣本數(shù)據(jù)聚集程度為依據(jù)對樣品進(jìn)行定性判別。

2 結(jié)果與分析

2.1 模糊數(shù)學(xué)感官評定分析

2.1.1 建立模糊矩陣

評定人員對蹄葉橐吾飲料的感官評價結(jié)果如表 2所示。

由表2可知，在10人對產(chǎn)品的色澤評價中，1號實驗組有8人認(rèn)為是優(yōu)，2人認(rèn)為是良，0人認(rèn)為是合格，0人認(rèn)為是不合格，則得到A色澤=[0.8 0.2 0 0]。同理得到 A氣味=[0.2 0.4 0.4 0]，A口感=[0.1 0 0.7 0.2]，A液體狀態(tài)=[1.0 0 0 0]。把上面得到的四個單因素的評價結(jié)果寫成一個矩陣，得到：

作加權(quán)系數(shù)矩陣A與評價矩陣R的模糊乘積運(yùn)算，Y=A○R。為了突出飲料的整體評價，采用M(·，⊕)算子確定模糊評判集Y，按最大隸屬度原則進(jìn)行評判。

則對第j號實驗組的綜合評價結(jié)果為：Yj=A○Rj。

因此1號實驗組的綜合評價結(jié)果為見公式1：

按此方法對各配方樣品的綜合模糊評判結(jié)果見表3。

表2 模糊數(shù)學(xué)感官評定實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of fuzzy mathematical sensory evaluation

表3 模糊變換結(jié)果Table 3 Results of fuzzy transformation

2.1.2 評定結(jié)論

將模糊向量單值化進(jìn)行比較排序，給四個等級V1、V2、V3、V4依次賦予分值 90、80、70、60。將綜合評定結(jié)果中各個量分別乘以其對應(yīng)分值，并進(jìn)行加和，最后可得出每個樣品的最終感官得分，結(jié)果列入表 2。例如，1號試驗組最后的感官總得分=0.45×90+0.16×80+0.33×70+0.03×60=80.00。

從表2可以看出，試驗3、4、8的感官得分相對較高，均在82以上，處于V1和V2之間，可為消費(fèi)者所接受，其中試驗 8（A3B2C1）感官評分最高，即蹄葉橐吾8.0 g/L，羅漢果6.0 g/L，蔗糖40.0 g/L，甘草1.0 g/L，將此配方作為蹄葉橐吾飲料的最優(yōu)組合。

2.2 不同品牌飲料的電子鼻分析結(jié)果及討論

圖1 不同樣品電子鼻檢測的PCA圖Fig.1 PCA plot of different samples detected by i-nose

利用電子鼻Winmuster分析軟件對5種飲料樣品的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。從PCA圖（圖1）中可以得到主成分1的貢獻(xiàn)率為98.3%，主成分2的貢獻(xiàn)率為0.8%，主成分1和2的累計貢獻(xiàn)率為99.1%，大于85%，能夠反映樣品氣味的整體信息。圖1中主成分1的方差貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主成分2的方差貢獻(xiàn)率，表明樣品間在橫坐標(biāo)上的距離越大，其差異也越大；而樣品在縱坐標(biāo)上的距離即使很大，由于主成分2的方差貢獻(xiàn)率相對較小，其差異也不會很大。從圖1可以看出，1號樣品與其余四組樣品分布較遠(yuǎn)，在氣味上1號樣品與其他樣品區(qū)別明顯，4、5號樣品的分布區(qū)域分離較近，兩樣品在氣味上較為相似。2、3號樣品在橫坐標(biāo)上的投影幾乎重合，僅在縱坐標(biāo)上略有區(qū)別，說明其主要氣味比較相似。

圖2 不同樣品電子鼻檢測的LDA圖Fig.2 LDA plot of different samples detected by i-nose

線性判別分析（LDA）結(jié)果如圖2所示。第1主成分（揮發(fā)性有機(jī)化合物烷類、氮氧化合物、硫化物、甲烷類、有機(jī)芳香硫化物、醇類）區(qū)分貢獻(xiàn)率為98.1%，第2主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為0.2%。第1主成分和第2主成分總的區(qū)分貢獻(xiàn)率為98.3%，大于90%，可以用第1、2主成分反映總體信息。從圖2中可以看出，相比于PCA圖，LDA圖能夠更好地區(qū)分5種樣品。其中，4號和5號樣品相比于其他樣品仍然較為接近，說明兩者的氣味在一定程度上具有相似性，1號樣品與其他的4組樣品相距較遠(yuǎn)，表示1號樣品具有獨特的風(fēng)味。由于蹄葉橐吾葉片中含有大量的z-9-十八烷烯醛、α-金合歡烯、石竹烯等萜類、醇類及酯類等[24]，故認(rèn)為是這些具有揮發(fā)性的物質(zhì)決定了蹄葉橐吾樣品的特征香氣。

2.3 不同品牌飲料的電子舌分析結(jié)果及討論

圖3 不同樣品的電子舌檢測的PCA圖Fig.3 PCA plot of different samples detected by i-tongue

圖4 不同樣品的電子舌檢測的LDA圖Fig.4 LDA plot of different samples detected by i-tongue

圖3為電子舌檢測和區(qū)分不同樣品的PCA圖。其中，第 1主成分和第 2主成分的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到67.89%和19.23%。從圖中可以看出，多數(shù)樣品能較明顯地區(qū)分開，其中，2、3、5號樣品比較接近，1、4號樣品距離其他樣品較遠(yuǎn)，說明2、3、5號樣品在口感上較為接近，1、4號樣品在口感上與其他3個樣品均有明顯區(qū)別?？赡苁怯捎谔闳~橐吾葉片中含有大量的葉多糖如半乳糖醛酸、鼠李糖和半乳糖等[22]，使其具備了獨特風(fēng)味。

圖4為電子舌檢測和區(qū)分不同樣品的LDA圖。其中，第1主成分和第2主成分的貢獻(xiàn)率分別為79.6%和13.4%，總貢獻(xiàn)率為93.0%，大于90.0%，說明采集的數(shù)據(jù)可以代替整體情況。由圖看出，每組樣品多次檢測得到的樣品點分布極為接近，只在組與組之間有明顯的區(qū)別。同電子鼻相比，電子舌的檢測圖譜中同一種樣品的分布點更加集中，數(shù)據(jù)的波動范圍更窄，不同樣品的分布區(qū)域較為分散，表明電子舌的檢測區(qū)分度更高。

3 結(jié)論

模糊數(shù)學(xué)感官評定法可以降低人為誤差對結(jié)果的干擾，優(yōu)化蹄葉橐吾飲料的配方為：蹄葉橐吾添加量8.0 g/L，羅漢果添加量6.0 g/L，蔗糖添加量40.0 g/L，甘草添加量1.0 g/L。通過電子鼻和電子舌智能感官技術(shù)結(jié)合主成分分析法（PCA）和線性判別分析法（LDA）分析，可以驗證本研究所制備的蹄葉橐吾飲料與市面上同類的4款飲料相比具有獨特的氣味和滋味。這可能是由于葉片中特有的葉多糖和具有揮發(fā)性的萜類和醇類等物質(zhì)引起的，下一步將繼續(xù)研究決定蹄葉橐吾飲料氣味和滋味的成分，并驗證蹄葉橐吾飲料的鎮(zhèn)咳祛痰和抗炎抑菌功效。