應(yīng)用電子鼻評(píng)價(jià)加工型辣椒果實(shí)辣度的方法

李穎慧，王輝，楊延杰，林多，馬靜

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山東 青島 266109)

辣椒，其果實(shí)既可以作為鮮食蔬菜，供人們直接食用，也可制成不同風(fēng)味的辣椒醬作為佐餐的調(diào)味佳品，此外，其還是生物堿、天然色素和制藥的重要工業(yè)原料。我國(guó)辣椒栽培面積占世界辣椒的35%，總栽培面積已超過1000 萬(wàn)公頃[1]。我國(guó)辣椒經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和效益居各類蔬菜之首，栽植遍布全國(guó)各地，形成的品種類型間差異巨大，滿足了不同需求。對(duì)辣椒產(chǎn)品加工而言，原材料的質(zhì)量穩(wěn)定和標(biāo)準(zhǔn)化是必要的前提，其中穩(wěn)定辣度篩選是評(píng)價(jià)辣椒品質(zhì)的重要指標(biāo)。企業(yè)在收購(gòu)和使用前，必須對(duì)辣椒果實(shí)的辣度進(jìn)行檢測(cè)，以確保各批產(chǎn)品的辣味穩(wěn)定。因原料數(shù)量巨大、儲(chǔ)運(yùn)加工過程等環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，需要建立快速準(zhǔn)確的辣度檢測(cè)方法。

目前辣椒辣度的測(cè)定方法中，國(guó)標(biāo)(GB 10783-2008)法[2，3]測(cè)定辣椒堿含量，存在使用巨毒藥品、重復(fù)性差等問題；Scoville感官評(píng)定法[4，5]存在測(cè)試環(huán)境限制較多、主觀成分較大的問題；高效液相色譜法(High Performance Liquid Chromatography，HPLC)[6-8]的操作環(huán)境難以摸索，體系難以建立，并且儀器維護(hù)費(fèi)用較高，且不便于田間應(yīng)用。因此，需要建立一種便攜式的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的檢測(cè)技術(shù)。

電子鼻是測(cè)定樣品中揮發(fā)性組分的整體信息，根據(jù)各種不同的氣味測(cè)定不同的信號(hào)，并與已建立數(shù)據(jù)庫(kù)中的信號(hào)進(jìn)行比較、識(shí)別和判斷，具有相似于鼻子的功能[9，10]。目前，電子鼻已應(yīng)用于檢測(cè)評(píng)價(jià)調(diào)味品[11-13]、海鮮[14，15]、果蔬[16，17]等領(lǐng)域，但在檢測(cè)鮮椒辣味領(lǐng)域，電子鼻具有快速、準(zhǔn)確、便攜等優(yōu)點(diǎn)，目前還沒有文獻(xiàn)報(bào)道利用電子鼻評(píng)價(jià)鮮食辣椒的辣度。本試驗(yàn)以品種間辣度差異較大的辣椒鮮果為材料，探索樣品處理和檢測(cè)條件，進(jìn)而建立快速穩(wěn)定的檢測(cè)方法，并驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性，為辣椒果實(shí)辣度的快速準(zhǔn)確測(cè)定提供了技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

采用9種已知辣度的辣椒紅果果實(shí)，建立應(yīng)用電子鼻評(píng)價(jià)加工型辣椒果實(shí)辣度的方法，所用辣椒果實(shí)取自山東省青島農(nóng)業(yè)大學(xué)辣椒栽培基地(見表1)；應(yīng)用所建立的辣度評(píng)價(jià)方法分別檢測(cè)11種辣椒紅果及辣椒綠果，檢測(cè)的11個(gè)辣椒加工基地的原料見表2。將試驗(yàn)材料于常溫、避光保存，待測(cè)定。

表1 用于建立辣度測(cè)定方法的9個(gè)加工型辣椒品種代號(hào)Table 1 Nine processed pepper varieties used for the establishment of pungency degree evaluation method

表2 用于評(píng)價(jià)11種不同加工基地辣椒辣度的原料Table 2 Raw materials for evaluating the pungency degrees of 11 different processing bases

1.2 材料處理

辣椒果實(shí)辣度測(cè)定采用PEN3型便攜式電子鼻傳感器(德國(guó)Airsense公司)。PEN3式電子鼻具有10個(gè)金屬傳感器，對(duì)于不同氣味會(huì)有不同的響應(yīng)信號(hào)，其敏感物質(zhì)見表3。

表3 PEN3電子鼻傳感器名稱及性能描述Table 3 Sensors and performance of electronic nose PEN3

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 辣度的感官評(píng)定

在國(guó)際上用斯科維爾指數(shù)來(lái)表示辣感強(qiáng)弱的量化值，本試驗(yàn)的感官評(píng)定結(jié)果是根據(jù)GB/T 21265-2007方法[18]進(jìn)行鑒定所得，將結(jié)果分不辣、微辣、辣和超級(jí)辣4種情況，其原理是利用乙醇提取測(cè)試樣品中的辣椒素類物質(zhì)，然后過濾，將該提取液制成不同辣椒素濃度的糖水溶液，通過感官分析品評(píng)。

1.3.2 辣度的電子鼻檢測(cè)

利用辣椒果實(shí)中段，去種子后準(zhǔn)確稱取5 g樣品，剪碎并存放于100 mL的錐形瓶中，靜置30 min后，利用電子鼻進(jìn)行檢測(cè)。每種樣品做3次生物學(xué)重復(fù)，分別計(jì)算每個(gè)傳感器生物學(xué)重復(fù)的均值。檢測(cè)條件：清洗時(shí)長(zhǎng)70 s，檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)60 s。數(shù)據(jù)分析采用電子鼻自帶分析軟件Winmuster進(jìn)行分析，包括主成分分析(PCA)、線性判別分析(LDA)和負(fù)荷加載分析(Loadings)。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒果實(shí)感官辣味評(píng)定

試驗(yàn)使用的9種辣椒品種，其感官評(píng)定結(jié)果見表4。9種辣椒其感官辣度分為3個(gè)范圍：不辣、微辣、辣，其中，不辣和辣這2個(gè)區(qū)域，感官評(píng)定者劃分較為穩(wěn)定，但微辣區(qū)域有所差異。

表4 9個(gè)加工型辣椒品種感官評(píng)定結(jié)果Table 4 Sensory evaluation results of nine processed pepper varieties

2.2 辣椒果實(shí)辣度測(cè)定的電子鼻方法建立

2.2.1 9個(gè)辣椒果實(shí)的電子鼻傳感器響應(yīng)值

以9種紅熟期辣椒3次生物學(xué)重復(fù)的數(shù)值為基礎(chǔ)，做均值處理，整理結(jié)果見圖1。

圖1 9個(gè)辣椒品種均值分析Fig.1 Mean value analysis of nine pepper varieties

由圖1可知，9種試驗(yàn)材料各傳感器間存在明顯差異，數(shù)值各有不同，其中，W1W傳感器在此試驗(yàn)中最為敏感，其次是W2W傳感器和W5S傳感器，明顯差別于其他傳感器，而其余傳感器數(shù)值差別不大。

2.2.2 9個(gè)辣椒品種負(fù)荷加載分析

圖2 9個(gè)辣椒品種電子鼻負(fù)荷加載分析Fig.2 Loadings analysis of electronic nose of nine kinds of peppers

負(fù)荷加載分析(Loadings)與PCA分析是相關(guān)的，基于同一種算法，區(qū)別在于Loadings分析是針對(duì)電子鼻傳感器貢獻(xiàn)率進(jìn)行研究。電子鼻共有10個(gè)傳感器，不同傳感器可以反映樣品中揮發(fā)性氣味的響應(yīng)值，傳感器數(shù)值離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，說明該傳感器識(shí)別能力越強(qiáng)，反之則越弱。由圖2可知，在第一主成分中，W1W傳感器識(shí)別作用最強(qiáng)，其次是W2W傳感器，這2個(gè)傳感器與其余傳感器相比，距原點(diǎn)的距離明顯較遠(yuǎn)，識(shí)別能力強(qiáng)。在第二主成分中，W5S傳感器距原點(diǎn)距離明顯遠(yuǎn)于其余傳感器，綜合來(lái)看，W5S、W1W、W2W傳感器對(duì)9種辣椒品種的辣度評(píng)價(jià)起到了主要作用，這與圖1中的辣度均值分析結(jié)果相吻合。

2.2.3 9個(gè)辣椒品種主成分分析

主成分分析(PCA分析)，將傳感器所顯示的多指標(biāo)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和降維，從而轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合指標(biāo)信息。PC1和PC2分別代表的是第一主成分和第二主成分的貢獻(xiàn)率，橫、縱坐標(biāo)的比例越大，表示該主成分貢獻(xiàn)率越大,表明此分析方法可以將樣品的多個(gè)指標(biāo)信息較好地反映出來(lái)。采用PCA 方法分析不同品種(系)紅熟期辣椒的電子鼻響應(yīng)值結(jié)果，見圖3。

圖3 9個(gè)辣椒品種電子鼻主成分分析Fig.3 PCA analysis of electronic nose of nine kinds of peppers

由圖3可知，第一主成分貢獻(xiàn)率為98.48%，第二主成分貢獻(xiàn)率為1.14%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為99.62%，表明這2個(gè)主成分代表了樣品的主要信息特征，證明PCA分析方法可行，幾乎可以用來(lái)表示樣品信息，代表不同品種(系)紅熟期辣椒的整體信息。在9種紅熟期辣椒中，除17129和17135品種外，其余7個(gè)品種位于不同區(qū)域，沒有重疊部分，能較好區(qū)分。17129和17135有部分重疊，說明這2類辣椒品種部分樣品可能辣度大致一樣，為此，需進(jìn)行LDA分析，提高分類精度。兩種方法一起進(jìn)行分析，既可以解決PCA對(duì)不同樣本數(shù)據(jù)不敏感，又解決了LDA算法中的小樣本，可以獲得較好的分類效果。

2.2.4 9個(gè)辣椒品種線性判別分析

線性判別分析(LDA分析)是判斷樣品所屬類型的一種統(tǒng)計(jì)方法，與PCA相比，更加注重樣品在空間的分布狀態(tài)及各品種間的距離，使不同類別的數(shù)據(jù)差異達(dá)到最大，進(jìn)而反映不同辣椒品種的辣度差異，提高分類精度。 LDA分析圖能較好地區(qū)分各類樣品，見圖4，除17151和17129這2個(gè)品種有極小重疊外，其余7個(gè)辣椒品種均無(wú)重合部分，說明其余7種是完全不同的辣椒品種。與PCA分析相比，LDA分析數(shù)據(jù)更為集中，分類更加明顯，因此，在評(píng)定辣椒辣度及其種類應(yīng)綜合2種方法進(jìn)行分析。

圖4 9個(gè)辣椒品種電子鼻線性判別分析Fig.4 LDA analysis of electronic nose of nine kinds of peppers

2.2.5 9個(gè)辣椒品種辣度測(cè)定結(jié)果

根據(jù)9個(gè)辣椒品種的量化測(cè)定結(jié)果分析可得，用于建立辣度測(cè)定方法的9種辣椒均為不同品種，存在明顯差異，且W5S、W1W和W2W傳感器為檢測(cè)辣椒辣度的主要敏感傳感器，與電子鼻分析結(jié)果吻合，從而驗(yàn)證電子鼻區(qū)分辣椒品種的可行性。將W5S、W1W、W2W傳感器的均值相加，發(fā)現(xiàn)感官評(píng)價(jià)為不辣的辣椒品種，其W5S、W1W、W2W數(shù)值之和在1～10之間；感官評(píng)價(jià)為微辣的辣椒品種，其W5S、W1W、W2W傳感器辣度值之和在10.1～20之間；感官評(píng)價(jià)為辣的辣椒品種，其W5S、W1W、W2W傳感器辣度值之和在20.1～50之間，見表5，此結(jié)論與感官評(píng)價(jià)結(jié)果相一致，證明建立方法有效。

表5 9個(gè)辣椒品種辣度量化測(cè)定結(jié)果Table 5 Quantitative determination of pungency degrees of 9 pepper varieties

注：不同辣椒品種傳感器測(cè)量值后的字母標(biāo)注不同，表示差異顯著(P<0.05)；字母標(biāo)注相同，則表示在品種間差異不顯著(P<0.05)，下同。

2.3 電子鼻法在辣椒原料果實(shí)辣度測(cè)定上的應(yīng)用

表6 應(yīng)用辣度測(cè)定方法的11種辣椒原料檢測(cè)結(jié)果Table 6 Detection results of eleven kinds of pepper raw materials by using pungency degree evaluation method

由表6可知，11種辣椒原料存在顯著性差異，說明利用電子鼻可以有效區(qū)分辣椒品種。且所有紅熟期辣椒、所有綠熟期辣椒和同一品種紅綠果辣椒辣度測(cè)定結(jié)果均與上述結(jié)果吻合：感官評(píng)價(jià)為不辣的辣椒原料，其W5S、W1W、W2W數(shù)值之和在1～10之間；感官評(píng)價(jià)為微辣的辣椒原料，其W5S、W1W、W2W傳感器辣度值之和在10.1～20之間；感官評(píng)價(jià)為辣的辣椒原料，其W5S、W1W、W2W傳感器辣度值之和在20.1～50，其中，魔鬼椒的W5S、W1W、W2W傳感器辣度值之和大于50.1，評(píng)定為超辣，證明電子鼻測(cè)定辣椒辣度的可行性。

3 結(jié)論

電子鼻技術(shù)相對(duì)于其他檢測(cè)方法具備技術(shù)簡(jiǎn)單、檢測(cè)快速、儀器便攜等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于辣椒加工企業(yè)而言，利用電子鼻技術(shù)可以維持同一辣椒加工品不同批次間恒定的辣度與風(fēng)味，保證產(chǎn)品的辣度穩(wěn)定性。本文采用感官評(píng)定法和電子鼻技術(shù)，對(duì)鮮椒辣度進(jìn)行評(píng)價(jià)，在感官評(píng)定基礎(chǔ)上，利用電子鼻3個(gè)辣味敏感傳感器進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果與感官評(píng)定相匹配，由此，劃分辣度區(qū)間。

結(jié)果表明，電子鼻傳感器識(shí)別效應(yīng)較好，可有效區(qū)分辣椒果實(shí)品種；負(fù)荷加載分析顯示電子鼻傳感器中對(duì)辣味最為敏感的3個(gè)傳感器是：W5S、W1W和W2W；通過傳感器W5S、W1W和W2W對(duì)辣椒果實(shí)響應(yīng)值建立評(píng)價(jià)辣椒辣度的測(cè)定方法，并劃分辣度區(qū)間，即：不辣(1～10)、微辣(10.1～20)、辣(20.1～50)、超級(jí)辣(50.1～70)；應(yīng)用該測(cè)定方法對(duì)產(chǎn)自11個(gè)辣椒加工基地的原料進(jìn)行了檢驗(yàn)，均能顯著區(qū)分辣椒果實(shí)的辣度差異，說明此方法可為辣椒加工企業(yè)的辣度控制提供一種快速有效的檢測(cè)方法。