智能感官技術(shù)在大米及米酒感官品質(zhì)分析中的應(yīng)用

姜燕，郭海南，于潤(rùn)美，劉方哲

（1.大理大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，云南大理671000；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012）

大米食味性是指人們對(duì)米飯視覺、嗅覺、味覺和觸覺的綜合反應(yīng)，受品種遺傳、栽培條件、干燥方法、儲(chǔ)藏加工、包裝材料及蒸煮等條件影響[1]?！耙曈X”指米飯顏色、光澤、飯粒完整性；“嗅覺”指咀嚼米飯時(shí)的味道；“觸覺”指米飯的硬度、黏彈等物理特性[2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)米飯的氣味研究較多，已鑒定出米飯的風(fēng)味成分有100多種，主要是醛、酮、酸、酯、醇、烴以及雜環(huán)等化合物。Sriseadka等[3]采用靜態(tài)頂空氣相色譜法證了米飯的芳香化合物為2－乙?；?－吡咯啉。米酒又稱醪槽、甜酒、酒釀等，以糯米為原料發(fā)酵而成。研究人員對(duì)紅米[4]、香米[5]、黑米[6]等原料應(yīng)用于米酒生產(chǎn)的可行性進(jìn)行了探討，認(rèn)為滋味和色澤是米酒品質(zhì)的重要組成部分，其優(yōu)劣直接決定了消費(fèi)者對(duì)米酒的可接受性。

食品品質(zhì)評(píng)價(jià)方法有感官評(píng)價(jià)、理化指標(biāo)評(píng)價(jià)和儀器評(píng)價(jià)法[7]。人的感官評(píng)價(jià)主觀性強(qiáng)、重復(fù)性較差，而電子鼻[8－9]、電子舌[10]和質(zhì)構(gòu)儀[11]等智能感官評(píng)價(jià)操作簡(jiǎn)單快速、分析高效準(zhǔn)確。國(guó)內(nèi)外已有用電子鼻、電子舌或質(zhì)構(gòu)儀檢測(cè)牛肉[12]、蘋果汁[13]、培根肉[14]、蘋果[15]等品質(zhì)的報(bào)道，展現(xiàn)了其在食品感官檢測(cè)方面的廣闊前景。本文采用智能感官分析技術(shù)，模擬人的鼻、舌和牙齒“感受”目標(biāo)物的氣味、滋味和質(zhì)感，并將化學(xué)、物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，與其自身數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行對(duì)比分析[16－17]，以區(qū)分不同品種大米和米酒的感官性狀。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 大米

“萬昌”：吉林省永吉縣；“稻花香”、“639”、“長(zhǎng)粒香”：黑龍江省五常市；“小粒”、“超級(jí)稻”：遼寧省盤錦市。

1.1.2 米酒

1號(hào)～3號(hào)米酒：湖北省孝感市；4號(hào)米酒：吉林省延邊市；5號(hào)瑪克麗米酒：韓國(guó)。

1.1.3 儀器

SmartNose電子鼻、SmartTongue電子舌：上海昂申智能科技有限公司；CT3質(zhì)構(gòu)儀：美國(guó)Brookfield公司。

1.2 電子鼻感官檢測(cè)

電子鼻系統(tǒng)含有14個(gè)不同金屬氧化物傳感器：S1（芳香族化合物類：酚、酚醚、芳香醛）；S2（氮氧化合物和低分子胺類）；S3（硫化物類、硫醇、硫醚、二丙烯基二硫化合物、異硫氰酸酯、硫化丙烯化合物）；S4（有機(jī)酸酯和萜類）；S5（生物合成萜類和酯類）；S6香菇精（含5個(gè)S和2個(gè)亞甲基的七元環(huán)狀化合物）；S7（脂肪烴含氧衍生物類和小分子的醇、醛、酸、酯）；S8（胺類）；S9（氫類）；S10（碳?xì)浠衔铮?；S11（揮發(fā)性有機(jī)化合物烷類、芳烴類、烯類、鹵烴類、醛類、酮類）；S12（硫化物）；S13（乙烯）；S14（食物揮發(fā)的氣體）。利用SmartNose智能識(shí)別軟件系統(tǒng)，基于主成分分析方法獲得最佳電子鼻傳感器組合。

量取樣品于電子鼻專用樣品瓶中1/4處密封，室溫放置10 min，待揮發(fā)性物質(zhì)達(dá)到平衡狀態(tài)后，采用動(dòng)態(tài)頂空法采集氣體進(jìn)行檢測(cè)，每組樣品共測(cè)試7次。測(cè)定條件：進(jìn)樣流量1 L/min，檢測(cè)時(shí)間60 s，等待進(jìn)樣時(shí)間為10 s，平行樣品的清洗時(shí)間為60 s，不同樣品間的清洗時(shí)間為120 s。

米飯的電子鼻檢測(cè)：稱取50 g大米，經(jīng)過兩次淘洗后，按米水比1∶2.2（g/mL）加入110 mL礦泉水，電飯鍋煮熟，晾涼至室溫，進(jìn)行電子鼻檢測(cè)。

米酒的電子鼻檢測(cè)：將不同品牌的米酒倒入樣品瓶的1/4處，進(jìn)行電子鼻檢測(cè)。

1.3 電子舌感官檢測(cè)

將電子舌傳感器經(jīng)過校準(zhǔn)后，量取處理好的樣品于電子舌30 mL專用燒杯中。試驗(yàn)采用清洗溶液和待測(cè)樣品交替檢測(cè)序列進(jìn)行，清洗溶液為蒸餾水。每種樣品檢測(cè)7次。用穩(wěn)定狀態(tài)下的信號(hào)進(jìn)行分析，取120 s處的信號(hào)作為分析的時(shí)間點(diǎn)。

大米的電子舌檢測(cè)：稱取10 g大米倒入燒杯中，按米水比1∶10（g/mL）加入100 mL礦泉水浸泡10 min，取浸泡液15 mL進(jìn)行電子舌檢測(cè)[18]。

米酒的電子舌檢測(cè)：用紗網(wǎng)過濾米酒15 mL進(jìn)行電子舌檢測(cè)。

1.4 質(zhì)構(gòu)儀檢測(cè)

將煮熟的米飯裝入圓柱形鋁盒中，晾至室溫，將大米壓成圓柱形，表面平整，各處密度、厚度均勻，進(jìn)入質(zhì)構(gòu)儀全質(zhì)構(gòu)（texture profile analysis，TPA）模式檢測(cè)[19]。參數(shù)設(shè)置為：TA－AACC36圓柱形壓縮探頭，觸發(fā)點(diǎn)負(fù)載7 g，預(yù)測(cè)試速度2 mm/s，測(cè)試速度1 mm/s，返回速度1 mm/s，壓縮比例50%，兩次壓縮間隔時(shí)間5 s，循環(huán)次數(shù)2。每次測(cè)試后，用擦鏡紙將探頭擦拭干凈，重復(fù)測(cè)試操作。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

利用Winmuster軟件對(duì)采集到的信息進(jìn)行主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA），以樣本數(shù)據(jù)聚集程度和區(qū)別指數(shù)為依據(jù)對(duì)樣品進(jìn)行定性判別[20]。

1.6 Kramer感官檢驗(yàn)法

感官評(píng)定小組由15名評(píng)審員組成，評(píng)審員身體健康，無吸煙、酗酒等不良嗜好，對(duì)色、香、味有較強(qiáng)的分辨力和靈敏度，且1天內(nèi)沒有食用辛辣等刺激性食物[21]。在品評(píng)前用溫水漱口，間隔30秒后品評(píng)下一組。要求品評(píng)者根據(jù)米飯和米酒的氣味、外觀結(jié)構(gòu)、適口性（包括彈性、黏性、軟硬度等）、滋味和質(zhì)地按評(píng)價(jià)指標(biāo)（見表1）進(jìn)行評(píng)定，并按排序檢驗(yàn)法對(duì)各產(chǎn)品的美味次序進(jìn)行排序，利用Kramer檢驗(yàn)法[22]判定各樣品在嗜好性上的差異。

表1 米飯和米酒感官評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 Sensory evaluation indexes of rice and rice wine

2 結(jié)果與分析

2.1 米飯氣味的電子鼻分析

在檢測(cè)米飯揮發(fā)性成分時(shí)，傳感器變化最明顯的是S6、S9、S11、S14 4個(gè)傳感器，故選為最佳傳感器組合。利用電子鼻Winmuster軟件對(duì)6種大米樣品的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析。以兩個(gè)主成分Z1和Z2與其對(duì)米飯氣味的方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建的米飯氣味綜合評(píng)價(jià)模型為：Z=0.913Z1+0.052Z2。米飯樣品電子鼻檢測(cè)的PCA和LDA圖見圖1。

從PCA圖（圖1a）中可以得到：主成分1和主成分2的區(qū)分貢獻(xiàn)率分別為88.5%和5.9%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為94.4（>85%），能夠反映樣品氣味所含不同成分的整體信息。圖1a中不同種類的樣品在坐標(biāo)上的分布區(qū)域不同，說明樣品間的揮發(fā)性成分存在差異。從圖1a可以看出，“超級(jí)稻”、“639”和“長(zhǎng)粒香”之間有相互重合，說明有相似揮發(fā)性成分，“小?！?、“稻花香”和“萬昌”分離較遠(yuǎn)，說明其氣味有較大區(qū)別，尤其是“萬昌”大米，與其他5種大米分布差別明顯，具有獨(dú)特的氣味。萬昌大米是吉林省吉林市永吉縣萬昌鎮(zhèn)所產(chǎn)大米，位于北緯43°，土層深厚，有機(jī)質(zhì)含量高，酸堿度適宜，是世界黃金水稻帶的中央。

圖1 米飯樣品電子鼻檢測(cè)的主成分分析和線性判別分析Fig.1 PCA and LDA plots of different rice detected by i-nose

線性判別分析（LDA）是將信息數(shù)據(jù)進(jìn)行線性組合而重構(gòu)判別函數(shù)，能夠最大限度地區(qū)分不同類型樣品集，結(jié)果如圖1b所示。主成分1的區(qū)分貢獻(xiàn)率為91.1%，主成分2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91.3%（>90%）。從圖1b中可以看出，6種大米完全分離，在氣味成分上互不相同，說明6種米飯中存在的醛、酮、酸、酯、醇、烴以及雜環(huán)等化合物含量均不相同，證明LDA分析法能很好地區(qū)分不同品種的米飯樣品。

2.2 大米的電子舌分析

不同大米的電子舌檢測(cè)的PCA和LDA圖見圖2。

圖2 不同大米的電子舌檢測(cè)的主成分分析和線性判別分析Fig.2 PCA and LDA plots of different rice detected by i-tongue

利用電子舌Winmuster軟件對(duì)6種大米樣品的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析（圖2a）。以兩個(gè)主成分Z1和Z2與其對(duì)大米滋味的方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)模型為：Z=0.812Z1+0.080 9Z2。其中，第1主成分和第2主成分的貢獻(xiàn)率分別為80.12%和8.09%。從圖中可以看出，“小粒”、“639”、“稻花香”之間有所重疊，說明3種大米在味覺上相似。圖2b為電子舌檢測(cè)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88.17%和11.65%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為99.82%（>90%），說明采集的數(shù)據(jù)可以在一定程度上反映大米滋味的整體情況。從圖中可以看出6種大米得到了較好的區(qū)分與歸類，其中，產(chǎn)自吉林永吉的“萬昌”大米與其他產(chǎn)地的5種大米相隔很遠(yuǎn)，這可能是由于土地、氣候、栽培措施、加工精度及其遺傳物質(zhì)的不同所導(dǎo)致的。

2.3 米飯的質(zhì)構(gòu)儀分析

TPA全質(zhì)構(gòu)分析通過模擬人的口腔咀嚼功能來測(cè)定米飯的物理性質(zhì)，客觀地將人的觸覺感受分解成硬度、彈性、黏性、膠著性、咀嚼性、恢復(fù)性，從而評(píng)價(jià)米飯食味優(yōu)劣。張志清等[23]對(duì)23批工程重組米樣品的質(zhì)構(gòu)測(cè)定值和感官評(píng)分進(jìn)行相關(guān)分析得到，硬度和黏性與感官評(píng)價(jià)各指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)，咀嚼性、彈性、粘聚性和回復(fù)性則為顯著正相關(guān)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15682-2008《糧油檢驗(yàn)稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法》中規(guī)定，適口性好的米飯應(yīng)軟硬度適中、彈性高、滑爽、有黏性但不黏牙。質(zhì)構(gòu)特性被認(rèn)為是評(píng)價(jià)食品食用品質(zhì)的首要方面，它能夠客觀地反映食品的質(zhì)地與組織結(jié)構(gòu)。

將6種大米在規(guī)定的條件下蒸煮制成米飯后測(cè)定其黏性、硬度、彈性、黏聚性、內(nèi)聚性、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)特性指標(biāo)。不同品種大米蒸煮制成米飯后各質(zhì)構(gòu)特性指標(biāo)存在明顯差異，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 米飯的質(zhì)構(gòu)儀評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Evaluation indexes of rice by texture analyzer

由表2可以看出，不同品種大米蒸煮成米飯后其硬度、彈性、咀嚼性的變異系數(shù)較大，分別為21.12%、12.59%和26.68%，表明米飯質(zhì)構(gòu)特性測(cè)試中，硬度、彈性和咀嚼性能夠反映米飯的適口性，這與周顯青的研究結(jié)果一致[24]。彈性與咀嚼性成正相關(guān)，“萬昌”米飯的彈性和咀嚼性最大，表面米飯?jiān)接薪绖?。在大米的質(zhì)構(gòu)特性中，“黏硬度比”被作為評(píng)價(jià)米飯質(zhì)構(gòu)特性的一個(gè)重要指標(biāo)[25]，當(dāng)米飯硬度小、黏性大、黏硬度比越大，米飯的食味品質(zhì)越好，口感品質(zhì)最佳。6種樣品中，“超級(jí)稻”黏硬度比最大，即其口感品質(zhì)最好，其次是“639”、“小?！?、“萬昌”，口感較差的是“長(zhǎng)粒香”和“稻花香”。

2.4 米飯的Kramer感官鑒定結(jié)果

評(píng)審員參照感官評(píng)價(jià)指標(biāo)（表1）進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過統(tǒng)計(jì)得分得到各樣品的次序數(shù)總和Si分別為：S超級(jí)稻=25，S639=30，S小粒=36，S萬昌=69，S長(zhǎng)粒香=74，S稻花香=82。查找《Kramer次序檢驗(yàn)表》判定，在置信度1%時(shí)，由于Smin即 S超級(jí)稻=25（<34），所以 6 種樣品在嗜好性方面存在顯著差異。其中“超級(jí)稻”的Si最小，表明其適口性最受評(píng)審員喜愛，與質(zhì)構(gòu)儀分析米飯的口感具有很好的一致性。

2.5 米酒氣味的電子鼻分析

米酒中的呈香物質(zhì)主要為醇類和酯類等，檢測(cè)米酒揮發(fā)性成分最明顯的傳感器組合是S7、S11、S12、S13。不同米酒樣品的電子鼻檢測(cè)的PCA和LDA圖見圖3。

圖3 不同米酒樣品的電子鼻檢測(cè)的主成分分析和線性判別分析Fig.3 PCA and LDA plots of different rice wines detected by inose

利用電子鼻Winmuster軟件對(duì)5種米酒進(jìn)行分析，從PCA圖（圖3a）中可以得到主成分1和主成分2的貢獻(xiàn)率分別為76.2%和22.3%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為98.5%（＞85%），能夠反映樣品氣味的整體信息，以兩個(gè)主成分Z1和Z2與其對(duì)米酒氣味的方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建的米酒氣味綜合評(píng)價(jià)模型為：Z=0.762Z1+0.223Z2。從圖3a可以看出，5種樣品間分布較遠(yuǎn)，說明揮發(fā)性氣體成分存在顯著差異。LDA結(jié)果如圖3b所示，第1主成分和第2主成分區(qū)分的貢獻(xiàn)率分別為80.2%和16.1%，第1、2主成分總的區(qū)分貢獻(xiàn)率為96.3%（＞90%）。5種樣品分布間距很大，各自有著不同的氣味，這是因?yàn)?種米酒的原料、配比、發(fā)酵時(shí)間和工藝不同，不同品牌米酒含有不同的醇、酯等揮發(fā)性氣體成分。

2.6 米酒的電子舌分析

不同樣品的電子舌檢測(cè)的PCA和LDA圖見圖4。

圖4a為用電子舌檢測(cè)和區(qū)分不同米酒樣品的PCA圖。第1主成分和第2主成分的貢獻(xiàn)率分別為73.73%和24.54%，由圖可看出所有的樣品均能被較明顯地區(qū)分開。圖4b為電子舌檢測(cè)和區(qū)分不同米酒樣品的LDA圖。其中，第1主成分和第2主成分的貢獻(xiàn)率分別為88.23%和11.67%，總貢獻(xiàn)率為99.9%，大于90.0%，說明采集的數(shù)據(jù)可以代替米酒滋味的整體情況，5種米酒得到了很好的分離。

圖4 不同樣品的電子舌檢測(cè)的主成分分析和線性判別分析Fig.4 PCA and LDA plots of different rice wines detected by itongue

米酒具有味覺和嗅覺的特征，是由芳香族分子在液體和氣體狀態(tài)下不同引起的。1號(hào)米酒的原料為糯米、酒曲、白砂糖；2號(hào)和3號(hào)米酒的原料為糯米、酒曲；4號(hào)米酒的原料為糯米、大米、大麥；5號(hào)米酒的原料為大米、酒曲、酵母、香蕉泥。由于不同的產(chǎn)地、原料和制作工藝使得米酒的成分（如有機(jī)酸、還原糖、氨基酸、乙醇、丙醇、淀粉、麥芽糖等）不同，因而導(dǎo)致了氣味和滋味的不同。產(chǎn)自吉林延吉的4號(hào)米酒由于加入了大麥，使其在嗅覺與味覺方面與其他米酒差異較大。

2.7 米酒的Kramer感官鑒定結(jié)果

評(píng)審員參照感官評(píng)價(jià)指標(biāo)表1進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到各米酒樣品的次序數(shù)總和Si分別為：S5號(hào)=26，S2號(hào)=30，S1號(hào)=31，S3號(hào)=59，S4號(hào)=73。查《Kramer次序檢驗(yàn)表》判定，在置信度1%時(shí)，Smin即S5號(hào)=26（＜30），所以5 種米酒在氣味、滋味、色澤方面都存在顯著性差異。根據(jù)排序結(jié)果可以得出，最受評(píng)審員喜愛的是5號(hào)米酒，與其成分中添加的香蕉泥有關(guān)；其次是同一產(chǎn)地的1號(hào)～3號(hào)米酒，最不受歡迎的是4號(hào)米酒。

3 結(jié)論

本研究將電子鼻、電子舌和質(zhì)構(gòu)儀結(jié)合人的感官評(píng)定應(yīng)用到米飯和米酒的氣味、滋味及適口性的品質(zhì)評(píng)價(jià)中。通過電子鼻和電子舌的PCA和LDA分析法可以將不同品種的米飯和米酒樣品進(jìn)行辨別區(qū)分。質(zhì)構(gòu)儀測(cè)得米飯的硬度、彈性和咀嚼性能夠反映米飯的適口性，其中“超級(jí)稻”米飯的黏硬度比最大為0.69，說明其適口性最好，這與人的感官評(píng)定結(jié)果具有較好的一致性。5種米酒在氣味、滋味、色澤方面都存在顯著性差異，其中5號(hào)米酒最受消費(fèi)者喜愛。智能感官技術(shù)與人的感官評(píng)價(jià)有機(jī)結(jié)合，可更有效地評(píng)價(jià)大米和米酒的感官品質(zhì)。