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基于感官与主成分分析的可可豆加工品质变化研究

2015-04-29谷风林易桥宾那治国房一明赵友兴徐飞

热带作物学报 2015年10期
关键词:发酵主成分分析品质

谷风林 易桥宾 那治国 房一明 赵友兴 徐飞

摘  要  采用电子鼻、色差仪、水分测定仪测定分析未发酵可可豆、发酵可可豆、焙烤未发酵可可豆和焙烤发酵可可豆的品质,并结合人工审评和主成分分析的方法对其风味进行评定。结果表明:未发酵豆、发酵豆和焙烤豆的电子鼻分析结果差异较大;未发酵豆水分含量高于发酵豆;不同温度焙烤下未发酵可可豆色度值(L*、a*、b*)比较分散,发酵豆较集中;基于人工审评的主成分分析,能区分未发酵豆和发酵豆、以及不同温度焙烤豆,其主要被划分为低温和高温焙烤区;变量与因变量之间的相关性分析,能较好地区分开不同加工可可豆的品质。可见,利用电子感官仪器结合人工评定的方法能有效地鉴别不同加工可可豆的品质。

关键词  海南可可豆;发酵;焙烤;品质;主成分分析

中图分类号  S72          文献标识码  A

Processing Quality of Cocoa Beans Based on Sensory

and Principal Components Analysis

GU Fenglin1,3, YI Qiaobin1,2, NA Zhiguo2, FANG Yiming1,3, ZHAO Youxing4, XU Fei1,3

1 Spice and Beberage Research Institute, CATAS, Wanning, Hainan 571533, China

2 Department of Food and Environmental, East University of Heilongjiang, Harbin, Heilongjiang 150086, China

3 National Center of Important Tropical Grops Engineering and Technology Research, Wanning, Hainan 571533, China

4 Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571101, China

Abstract  The quality of cocoa beans of unfermented, fermented, roasted unfermented and roasted fermented cocoa beans were investigated by electronic nose, colorimeter and moisture meter. The artificial evaluation method and principal component analysis were combined to analyze the difference of flavor. The cocoa beans from different treatments presented a large differences by electronic sensory analysis. The moisture content of unfermented cocoa beans was higher than that of fermented cocoa beans. Roasted at different temperature,the chroma value of unfermented cocoa beans was relatively decentralized,and fermented cocoa beans was relatively concentrate. Unfermented,fermented and roasted cocoa beans were divided into low and high temperature groups by the artificial evaluation method combined with principal component analysis. The quality of cocoa beans was distinguished by analysis of the correlation between variables and the dependent variable. The study demonstrates that the quality of cocoa beans of different treatments can be effective identified by electronic sensory followed by the artificial evaluation method.

Key words  Hainan cocoa beans; Fermentation; Roast; Quality; Principal component analysis

doi  10.3969/j.issn.1000-2561.2015.10.026

可可(Theobroma cacao)是重要的热带经济作物,具有独特的风味和丰富的营养物质,被广泛应用于巧克力、饮料、糕点和冰激凌等行业,与咖啡、茶同被称为世界三大饮料[1-2];也被应用于烟草、化妆品和医药品中。可可豆的加工主要由三个步骤构成,即发酵、干燥和焙烤。发酵过程中发生酶促褐变产生风味前体物质[3-4],同时颜色也发生变化[5-6];在焙烤阶段,有文献表明,20 min~1 h、120~150 ℃为发酵可可豆常用的焙烤条件[7],可可豆在焙烤过程中发生美拉德反应,含氨基类化合物与羰基化合物缩合,产生可可豆的特征风味物质[8-9]。

目前,食品方面风味评价主要采用感官审评方法,审评结果受评审员经验和外界因素影响较大,主观性强,重复性差,随机误差较大[10]。气味指纹分析技术是近年来针对复杂介质和含协同作用的样品而发展起来的一门新技术。采用传感矩阵的电子鼻系统可以模拟人类的嗅觉对气味进行感知。电子鼻检测得到的不是被测样品各种成分的定性和定量结果,而是给予样品中挥发成分的整体信息[11-12],能够分析识别和检测复杂风味及成分,具有快速、客观等优点[13-14],但是电子鼻中传感器为固定检测器,存在系统误差。Olunloyo等[15]研究分析国际可可豆贸易中使用随机抽出人工评价的利弊,并使用电子鼻系统结合主成分分析方法对国际上几种商品可可豆品质进行评级,此法具有准确和快速的优势。房一明等[16]在研究不同发酵方式及焙烤对可可豆风味影响时所采用的电子鼻分析法能较好地区分样品的风味差异。采用电子感官结合人为感官,可有效减少人为随机误差和仪器系统误差。

为了研究发酵和焙烤对可可豆品质的影响,本实验以海南可可豆为研究对象,发酵与否、焙烤温度作为影响因素,通过电子鼻、色差仪结合人工感官评价,确定了不同加工条件下品质的变化,为可可豆工艺的优化和品质的选择提供理论参考,对优化我国可可豆加工工艺和产品质量具有重要意义。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  材料及样品处理方法   海南可可鲜果由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供。

选择新采摘好的可可鲜果,立即去壳取鲜可可豆,其中一部分用水洗净可可豆外部果胶等果肉部分物质,通风处晾晒干燥,-40 ℃保存记为UF(unfermented);另外一部分置于避光透气较好的木箱中进行发酵(温度在50~60 ℃)[17],6 d后用水洗净可可豆外部发酵残留物,通风处晾晒干燥,-40 ℃保存记为F(fermented)。

可可豆焙烤处理采用PROBAT咖啡烘焙机,根据相关文献20 min~1 h、120~150 ℃为焙烤条件,未发酵可可豆和发酵可可豆在105、115、125、135、145 ℃温度下焙烤,以上选择焙烤的温度都符合文献范围。

磨粉:通过磨样机精细研磨UF、F、UF-105、UF-115、UF-125、UF-135、UF-145、F-105、F-115、F-125、F-135和F-145样品获得待测可可粉。

1.1.2  主要仪器   电子鼻:法国Alpha MOS公司;DG-0.2真空冻干机兰州科近真空冻干技术有限公司;单炉咖啡烘焙机德国PROBAT;全自动磨样机(RS200混合型碾磨仪)德国RETSCH;电子天平(AL104)美国METTLER TOLEDO;色差仪美国Xrite SP62。

1.2  方法

1.2.1  电子鼻分析   准确称量“1.1”中可可粉1.3 g放入进样瓶,上机测定。分析条件:孵化温度50 ℃,振荡速度500 r/min,孵化时间120 s,以合成干燥空气为载气,流速为150 mL/min,注射体积1 500 μL,注射针温度60 ℃,注射速度1 000 μL/s,获取时间90 s,延滞时间300 s,每个样品重复6次。

1.2.2  水分含量测定   按“1.1”的方法准备样品,称取精细研磨的可可粉10 g,分别进样到快速水分测定仪中测定水分,测定温度为105 ℃,测定时间为10 min。

1.2.3  色度测定   按“1.1”的方法准备样品称取精细磨粉和过筛后的可可粉,测定色度值。

1.2.4  香气和口味的人工评审   12个样品(UF、F、UF-105、UF-115、UF-125、UF-135、UF-145、F-105、F-115、F-125、F-135和F-145)香气和味觉感官审评试验在中国热带科学院香料饮料研究所感官审评实验室完成,由12位经过培训的人员(23~35周岁,7 ∶ 5=男 ∶ 女,无饮酒抽烟习惯),进行审评。

香气评审方法:选取果香、青草香、发酵酸味、可可香、甜香、焦味、油脂味和烤香[18]作为审评香味,各评审员按15 cm划线法[19]给出每个样品香气的浓度值。准确称量“1.1”中现磨可可粉1.0 g于10 mL的锥形瓶内,用封口膜封住瓶口待香气评价。香气评审时揭开装有可可粉的锥形瓶封口膜,一个样品重复3次嗅闻,12个评审员划线强度的平均值作为每个样品香气浓度的最终强度值。为了避免评审人员的嗅觉疲劳,进行一个样品审评后通过嗅闻纯净水30 min后再进行下个样品审评。

味觉评审方法:选取果味、甜味、苦味、涩味、咸味、酸味、可可味、巧克力味、土腥味和烧烤味[20]作为审评味觉种类,各评审员按15 cm划线法给出每个样品味道的浓度值。按“1.1”的方法准备样品,称取精细研磨的可可粉,各5 g,加入60 mL沸水,过滤后得滤液,冷却至适宜温度(40~50 ℃)后进行,味觉评审时,一个样品重复3次,12个评审员划线强度的平均值作为每个样品味觉浓度的最终强度值。审评时间为饭前或饭后2 h纯净水漱口后进行审评品尝,为了避免评审人员的味觉疲劳,每次只对4个样品进行评价。

1.3  数据处理

电子鼻和电子舌数据分析采用Alphasoft V11操作及数据处理软件系统,其带有PCA(主成分分析)等多变量统计分析功能。采用Spss19进行显著性分析,并通过Canoco4.5、SIMCA-P11.5软件进行数据主成分分析和Origin9.1进行图像处理。

2  结果与分析

2.1  电子鼻分析

图1是12种(UF、UF-105、UF-115、UF-125、UF-135、UF-145、F、F-105、F-115、F-125、F-135、F-145)不同处理的可可豆磨粉后电子鼻PCA分析结果,椭圆区域内的点为8种不同处理样品气味的数据采集点。图中结果显示PC1、PC2的贡献率分别为96.071%和 3.92%,PC1、PC2的总贡献率为99.99%,可见PCA分析可有效区分不同处理下可可豆的气味。由图1可知,发酵后的可可豆与未发酵的可可豆相比,风味发生较大变化,可可豆经不同温度焙烤后气味同样也发生了较大变化,并呈现一定的变化规律,不同温度焙烤的未发酵豆和发酵豆在PCA分析图中呈现一定的聚类特性,由PCA分析特点知,气味特征越相似,数据分布越紧密。在105、115、125、135、145 ℃等不同温度焙烤下的可可豆电子鼻风味图分布在不同的位置,未发酵豆高温焙烤区UF-135和UF-145 2个样品的可可豆气味差异较小,UF-135和F-135风味趋近,发酵豆高温焙烤区F-135和F-145差异明显;经125 ℃焙烤可可豆,分布在低温和高温之间,未发酵豆和发酵豆之间有明显差异;在115 ℃低温焙烤下,未发酵豆和发酵豆风味趋近,105 ℃焙烤下二者风味相差显著。整体风味品质可以区分为低温焙烤区、125 ℃焙烤区和高温焙烤区。发酵和焙烤是可可豆加工过程中的两个阶段,发酵后可可豆风味有明显差异,在一定的温度焙烤下未发酵可可豆和发酵可可豆的风味品质趋近。

2.2  水分含量分析

可可豆含水量是其重要的一个品质[16]。从表1可知,未发酵可可豆和发酵可可豆通过相同的方法干燥后,未发酵豆水分含量高于发酵豆,可能是发酵后可可豆内部结构遭到破坏,变得更为疏松便于干燥过程水分的散失,故发酵豆水分含量低于未发酵豆。经不同温度焙烤,未发酵豆和发酵豆水分含量都呈现降低的趋势,未发酵豆随温度变化较大,125 ℃后趋近于平衡变化量较小,发酵豆整体的基础含水量较低。

2.3  可可豆色度分析

未发酵可可豆、发酵可可豆和焙烤可可豆的色泽差异比较见表2。其中反射光谱波长为400~ 700 nm,反射率为8.0%~29.0%,色度值L*值是色彩的明度值,表示色彩的明暗程度,a*值和b*值是色彩的色度值,a*值从红(+a*)到绿(-a*)渐变、b*值从黄(+b*)到蓝(-b*)渐变[21]。从表2可以看出色差计测定后其L*、a*、b*值随温度的变化均存在一定的变化趋势:未焙烤豆L*值为UF>F,不同温度焙烤豆L*值分别为UF-105>UF-115>UF-125>UF-135>UF-145和F-105>F-115>F-125>F-135>F-145。未发酵可可豆L*值大于发酵可可豆,说明未发酵豆颜色明度要好于发酵豆,温度越高L*越小颜色明度越差;未焙烤豆的a*值UF

不同处理可可豆色度的L*、a*和b*值进行主成分分析整体结果见图2。由图2可知,12个不同处理可可豆样品分散在3个主成分组成的三维空间中,未发酵可可豆分散的区域较广,发酵豆分布较为集中,经145 ℃焙烤后的发酵豆离发酵豆集中区域较远。经不同温度焙烤后的未发酵可可豆色度值差异较大,发酵豆115~125 ℃温度范围内色度值差异较小。由图3可知,不同处理可可豆色度值的第一主成分分析结果可分为三个区域,第一区域为-1~-2之间包含:F、F-135、F-145,属于发酵豆的未焙烤区和高温焙烤区;第二区域为-1~1之间包含:UF、UF-105、UF-145、F-105、F-115、F-125,属于第一主成分中未发酵豆和发酵豆色度值差异较小的区域;第三区域为1~3之间包含:UF-115、UF-125、UF-135,属于未发酵中温焙烤区。在只考虑第一主成分时,第二区间为未发酵豆和发酵豆的交叉区域,说明未发酵豆和发酵豆在一定的处理条件下色度值趋近。

2.4  可可豆香气的评审

从表3可见,未发酵豆、发酵豆和焙烤豆的香味15 cm人工审评强度值,男女性的平均值有一定的差异,通过求二者的平均值得到最后不同样品对应的香气类型强度值,若评审强度值小于或等于2.25时则表示香气浓度很弱或者为审评员闻不到香气,若强度值大于或等于13.5则表示香气很浓,审评员对同个样品之间的差异显著性p<0.05。利用仪器自带的Canoco4.5软件,对未发酵豆、发酵豆和焙烤豆的香气审评强度值进行主成分分析,得到主成分的贡献率见表3。由表3可知,第1主成分的贡献率为54.1%,第2主成分的贡献率为36.3%,第3主成分的贡献率为6.3%,第4主成分的贡献率为1.6%,4个成分的累计贡献率已经达到98.2%,根据主成分分析一般提取主成分包含90%以上信息的原理[22],可见此4个主成分足以说明该数据的变化趋势,故根据其贡献大小将其命名为第1、2、3、4主成分。由图4可知,人工审评的八类香气强度集中于三块,分别位于主成分分析图中的4个区域两两交界处,说明经不同处理方式获得的可可豆共有多种香气,仅强度存在差异。

2.5  可可豆的味觉评审

从表4、5可见,未发酵、发酵豆和焙烤豆十种味觉的15 cm人工审评强度值,男性、女性的平均值有一定的差异,通过求二者的平均值得到最后的样品对应味觉类型的强度值,当值小于或等于2.25时,表示很弱或者表示审评员品尝不出对应的味道类型,值大于或等于13.5时表示味道很浓,审评员对同个样品之间的差异显著性p<0.05。发酵与否、焙烤温度对十种味觉有较明显的影响。果味随温度升高强度降低;未发酵豆苦味强于发酵豆,可可豆随温度升高苦味强度变化较小;可可豆甜味较弱,随温度变化有减弱的趋势;可可豆涩味强,且随温度升高变化较小;可可豆的咸味几乎品尝不到;未发酵豆酸味较弱,发酵豆有明显的发酵酸味;经焙烤后可可豆的巧克力味和可可粉味增强,发酵豆的巧克力味浓于未发酵豆;土腥味强度较弱,随温度变化不明显;焦糊味随温度变化鲜明。通过主成分分析得到人工审评的十种味道强度主成分贡献率见表6。由图6可知,人工审评的十种味道强度集中于四个象限中,可以区分为四个区域:未发酵低、中温区域;未发酵高温区域;发酵中、高温区域;发酵低温区域。未发酵豆的中温区域趋近于低温区域,发酵豆的中温区域趋近于高温区域可可豆,说明未发酵豆可能需要较高的温度焙烤才能引起较大的味觉变化,发酵豆在较低的温度焙烤下可能就会引起较大的味觉变化。与电子鼻分析结果比较没有明显的125 ℃中温区域;与香气人工审评结果比较果味、巧克力味和焦糊味有类似于香气审评中果香、可可香和焦味类型的变化趋势;味觉中甜味的强度值并不符合香气审评中甜香浓郁的结果,由于可可豆具有多种醇类[23],故其水果香和甜香比较强,又含大量的多酚类物质[23]味觉品尝是苦涩味强而掩盖其甜味。

2.6  不同处理可可豆变量与因变量相关性分析

采用主成分分析法对不同处理条件所获得可可豆的水分含量、色度值(L*、a*、b*)、香气审评和味觉审评强度值进行相关性分析。由图7可知,水分含量、色度值、香味和味道,与发酵与否、焙烤温度之间有较强的相关性,可可豆品质可分为三个区域,第一区域为未焙烤和低温焙烤区域,主要表现为水分含量高,汤色好且偏黄,具有较强的水果类型自然风味,且苦涩味较强,发酵豆还具有较强的发酵酸味;第二区域较为鲜明的未发酵豆高温焙烤区域,以焦糊味为主;第三区域为发酵豆中、高温区域,水分含量较低,颜色偏红,属于巧克力和焙烤风味。相关性也能较好地解释变量与因变量之间的相关性[19],以及变量之间的差异性,并在一定程度上可鉴别出不同加工条件获得的可可豆,通过分析可可豆表现出来的风味特征可以区分其属于哪个焙烤区域以及是否发酵。

3  讨论与结论

Gu等[24]研究表明,不同地区、不同年份的可可豆中氨基酸、多酚和黄酮等多种物质的含量可通过比较可可豆电子感官风味反应其品质差异。Olunloyo等[15]主要是对国际商品可可豆进行品质的抽查分析,大部分为未焙烤和未发酵豆,分析不够全面,并未结合可可豆的加工工艺对其品质变化进行分析。本研究采用电子感官和人工感官评价,有效结合主成分分析方法分析,不需测定过多的物质含量,较全面分析了可可豆在整个加工过程中不同条件对其品质的影响,并可有效地减少人为的随机误差、仪器的系统误差,同前两种分析方法相比,本方法具有方便、快速、全面、耗材少等优点。

未发酵豆和发酵豆之间风味有明显的差异,经不同温度焙烤后,可可豆风味也有较大的差异。未发酵豆具有水果类的自然风味,且苦涩味偏重,其焙烤豆焦糊味浓烈,颜色偏黄;发酵豆有明显的发酵类型风味,偏酸,且油脂味较强,经135 ℃焙烤后具有可可独特的风味及浓郁的烤香和巧克力味,颜色较好。经分析认为,出现上述风味差异可能由以下几个方面因素导致的:①发酵过程中可可豆在其内源酶和微生物的作用下,发酵过程多酚氧化,蛋白质分解,从而产生可可豆特征风味的前体物质,酚类大部分被氧化,苦涩味降低,同时一些糖类物质被氧化后产生醇和酸,最终发酵豆多具有醇香和酸味[25-26];②发酵后可可豆种皮表面果胶基本被分解,果味和甜香较弱;③未发酵豆表面残存果胶较多,风味中表现为未发酵豆具有较多的水果甜香味,未发酵豆多酚类物质含量高,其味道比发酵豆苦,吃起来苦涩味重,香而不甜;④发酵过程中可可豆内部结构发生改变,相对于未发酵豆更为疏松便于水分的散失和氧气的进入,焙烤过程的美拉德反应更加完全,更有利于产生含氮、含氧的杂环类可可豆特征风味物质;⑤葡萄糖和果糖等单糖在酸性pH条件下产生较少的呋喃,葡萄糖和果糖高于90 ℃后开始产生呋喃类,蔗糖高于130 ℃后才产生较多呋喃类[27],呋喃类是焦糊味的主要来源;发酵后产生较多的酸,pH较低,多糖水解成单糖,故发酵豆相对于未发酵豆焦糊味较弱;未发酵豆在高温焙烤下焦糊味浓烈。

经发酵及不同温度焙烤后可可豆的电子鼻风味分析结果、水分含量、色度值、人工审评的香味和味道有明显的差异性;未发酵豆的和发酵豆的比较,发酵豆具有较好的风味。焙烤区间基本上可分为三个区域:第一区域为未发酵豆中低温和发酵豆低温区;第二区域为未发酵豆高温区;第三区域为发酵豆中高温区。三个区域的电子鼻、色度值、人工评审结果差异明显,其中第二区域发酵中高温区域风味和成色较好,适合开发可可豆常用焙烤条件。

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