电子鼻和电子舌在分析桑果汁风味上的应用

蓬桂华,李文馨,殷 勇,孙小静,韩世玉

(贵州省农业科学院蚕业研究所,贵州贵阳 550009)

桑椹(Fructusmori)又名桑果,是桑树所结的果实,属浆果类水果,其果肉嫩而多汁。富含花青素、活性多糖等功能成分,具有清除自由基增强免疫力等功能[1-2],被国家健康卫生委员会列为首批药食同源的物品之一[3]。

风味是果汁重要的品质之一,影响着消费者的喜好。风味分析多采用人工感官评价或色谱-质谱联用检测。前者受人为因素影响较大,且专业的风味品评人员培养不易;后者分析成本高,且分析结果无法体现整体风味。近年来,专业的现代电子科技设备(电子鼻、电子舌等)在食品、烟草[4]、石油化工[5]、化妆品[6]、环境监测[7]、包装材料[8]、医学[9-10]等中的运用越来越广泛,而在食品研究领域,又主要集中在成熟度判别[11]、质量分级[12-13]、贮藏期品质监控[14-15]、加工工艺研究[16]、产品辨别与比较[17]等方面。目前,有关桑椹风味的分析主要集中在色谱-质谱联用检测上,如陈娟等[18]采用溶剂萃取结合气相色谱-质谱联用的方法,分析了4个桑椹品种(农用桑椹、大十桑椹、红果2号、红果1号)果实的香气成分;于怀龙等[19]采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术测定镇江桑树圃中6种桑椹的香气成分,并进行主成分分析。而利用电子鼻、电子舌分析桑果汁不同生产原料、不同加工工艺、不同贮藏时期风味差异性的研究鲜有报道。

为建立一种快速、便捷、准确的桑果汁产品辨别方法,本研究以市售不同品牌桑果汁为研究对象,采用电子鼻、电子舌进行风味分析,明确2种仪器在区分不同品牌桑果汁上的作用,为果汁加工企业开展原料筛选、品质改良、产品评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

不同品牌桑果汁主要原料包含桑果原汁、浓缩汁及添加剂,于2019年4月购置于京东或淘宝网上商城,不同品牌桑果汁样品信息详见表1。

表1 不同品牌桑果汁样品信息Table 1 Information of different brands of mulberry juice

PEN 3型电子鼻 德国AIRSENSE公司;Insent SA402B型味觉感应系统(电子舌) 北京盈盛恒泰科技有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 电子鼻检测方法 PEN 3型电子鼻传感器含有10种金属氧化物半导体型化学传感元件,它们对不同类型挥发性物质的敏感程度不同,具体性能描述如表2[20-21]。移液枪量取10 mL不同配方的桑果汁,放入50 mL顶空瓶中,静置10 min后,插入电子鼻探头吸取顶端空气,测定挥发性物质。电子鼻参数设置[3]为:样品间隔时间1 s,清洗时间60 s,归零时间10 s,样品准备时间5 s,测定时间120 s,载气流速200 mL/min,进样流量200 mL/min。传感信号在90 s后基本稳定,选定采集信号时间为110 s。不同品牌桑果汁测定3次重复,测定时保持室温 26 ℃。电子鼻测定结果利用Winmuster进行响应值分析、载荷(loadings)分析以及主成分分析(Principal component analysis,PCA)。

表2 电子鼻传感器名称与其响应物质Table 2 Sensor name and its responseto the matter of electronic nose

1.2.2 电子舌检测方法 Insent SA402B电子舌AAE、CT0、CA0、C00、AL1和GL1传感器的响应特性为鲜味、咸味、酸味、苦味、涩味和甜味。依据电子舌操作步骤进行。将不同配方的桑果汁分别装入电子舌专用烧杯中,至烧杯刻度线(约35 mL),置于电子舌分析装置上。酸、苦、涩、鲜、咸等五味采用Sample_Measurement(2 steps_washing)程序测定,平行测定4次,甜味采用GL1_test程序测定,平行测定5次。电子舌检测结果利用Taste analysis application软件转化出滋味味觉值,以参比液作为对照(Interpolating addition process)进行数值修正,选择Foodstuff Evaluation+GL1.ece进行味觉值转换,并进行PCA分析。

1.3 数据处理

所有实验均设3次重复,数据结果表示为平均数±标准偏差。采用数据统计分析软件DPS 7.05v LSD法多重比较获得,采用Origin 9.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 桑果汁样品电子鼻气味分析结果

2.1.1 不同传感器响应分析 不同品牌桑果汁样品气味(挥发性成分)的强度变化,可通过电子鼻的不同传感器在特定时间点(实验选取110 s处)的响应值变化来表示。

表3 不同品牌桑果汁主要传感器响应值Table 3 Response value of electronic nose sensor of different brands mulberry juice

由图1可知,W3C氨类、W6S氢化物、W5C短链烷烃类和W3S长链烷烃类传感器响应值较低且变化不大,说明不同品牌桑果汁挥发性成分在氨类、氢化物和烷烃类的含量上几乎没有变化;W1C芳香成分、W5S氮氧化合物、W1S甲基类、W1W硫化物、W2S醇类与醛酮类、W2W有机硫化物六个传感器上变化较为明显,说明不同品牌桑果汁气味差异主要存在于甲基类、硫化物、氮氧化合物、有机硫化物、醇类与醛酮类、芳香成分等化合物上。

图1 不同品牌桑果汁的气味雷达图Fig.1 Radar chart of different brands mulberry juice

结合表1可以发现,除BS和SY在W1W传感器上差异不显著外,其他各品牌在六个传感器上的差异均达到极显著差异(P<0.01),说明不同品牌的桑果汁饮料在气味上差异明显。

2.1.2 载荷分析 载荷分析是电子鼻不同传感器对于主成分分析贡献率大小的分析,各传感器的载荷贡献率差异明显,据此可对传感器进行选择与优化,选取贡献率最大的传感器进行重点研究。

由图2可知,在主成分1(PC1)贡献率方面,W1S传感器贡献率最大,其次是W1W、W5S、W2W、W2S、W1C;而在主成分2(PC2)贡献率方面,W1W传感器贡献率最大,其次为W5S、W2W。此结果与传感器响应分析相一致,说明可以选择W1S、W1W、W5S、W2W、W2S、W1C传感器所属的敏感物质类型进行重点分析研究。

图2 电子鼻传感器响应值的载荷分析Fig.2 Loadings analysis of responses of electronic nose sensors

2.1.3 桑果汁样品电子鼻气味PCA分析 不同品牌桑果汁样品的电子鼻检测数据经PCA分析后结果如图3所示。主成分1和主成分2的累计方差贡献率为99.905%,大于90%,表明2个主成分已经能够反映样品的整体信息。图3中同一样品的数据点在横坐标、纵坐标上聚集程度都较高,说明同一样品的重复性和稳定性相对较高。从图3中可明显看出6个桑果汁样品分布在不同的区域,结合表4发现,各样品班别指数在0.977～1.000 之间,均大于0.800,说明电子鼻能准确区分不同的桑果汁样品。JK样品与其它5个样品在横坐标上距离最大,说明进口桑果汁与国内桑果汁风味差异明显,而纯果汁样品(SY、BS)与非纯果汁样品(GX、NL、YG)的差异也很明显。

表4 不同品牌桑果汁电子鼻风味检测的判别指数Table 4 Discriminant index of electronic nose flavor detection for different brands mulberry juice

图3 桑果汁样品电子鼻气味PCA分析图Fig.3 PCA analysis of mulberryjuice samples by electronic nose

2.2 桑果汁样品电子舌滋味分析结果

通过提取电子舌5个传感器的响应值,建立不同桑果汁样品的滋味雷达图(图4)。从图4中可以看出,6个品牌的桑果汁样品在酸味、苦味、鲜味、咸味的差异较为明显;涩味、苦味回味、涩味回味、丰富性虽有变化,但相对集中;甜味变化较为异常,仅YG样品为正值,其他样品均为负值,与实际的“酸甜”口感不符,可能是由于酸味对甜味产生掩盖作用有关。

图4 不同品牌桑果汁的滋味雷达图Fig.4 The radar chart of mulberryjuice taste of different brands

利用电子舌自带分析软件对获得的6种桑果汁样品的酸味、苦味、涩味、苦味回味、涩味回味、鲜味、丰富性、咸味等数据进行主成分分析,以第一主成分为横坐标、第二主成分为纵坐标,建立前2个主成分的二维图(如图5)。从图5中可以看到第一主成分和第二主成分的累计方差贡献率96.59%,说明第一主成分和第二主成分能够反映样品的整体信息。从图5可以看出,样品BS、GX、NL、JK分布在不同的区域,而YG和SY样品分布区域则发生重叠,说明其在口感上比较接近,不能完全区分。

图5 桑果汁样品电子舌PCA分析图Fig.5 PCA of mulberry juice samples by electronic tongue

3 讨论与结论

电子鼻与电子舌通过分析检测饮料的理化指标和卫生指标,可以应用于饮料的种类识别、定量分析及品质监控研究中,再结合感官评价来考察饮料的感官指标,则能够准确判断人们对其的喜好程度和可接受性[22]。刘立等[23]以五种不同品牌的牛奶为研究对象,经感官评价与电子鼻电子舌检测发现,现决定牛奶受欢迎程度的主要因素为牛奶的奶香味、甜味、后味和口感,而电子鼻和电子舌均能较好区分五种不同品牌牛奶,同时发现牛奶制品的奶香味对电子鼻的区分结果起主导作用,而牛奶制品的奶甜味对于电子舌的区分结果起主导作用。黎量等[24]利用电子鼻、电子舌技术进行不同产区、不同基源山楂鉴别区分研究,发现电子鼻、电子舌技术可用于不同产地及不同基源山楂的鉴别区分,其二者结合化学计量学可作为气、味鉴别的新方法。易宇文等[25]研究发现,电子鼻/电子舌检测信号联用能从气味和滋味综合评价酱油,且分辨能力强,是智能感官评价食品风味的新趋势。本研究发现,电子鼻对桑果汁气味分析显示其差异主要存在于甲基类、硫化物、氮氧化合物、有机硫化物、醇类与醛酮类、芳香成分等化合物上,主成分分析累计方差贡献率达99.905%,各样品判别指数在 0.977～1.000之间,说明电子鼻能准确区分不同桑果汁样品。电子舌对桑果汁滋味分析显示其差异主要存在于酸味、苦味、鲜味和咸味上,主成分分析时部分样品出现重叠,说明电子舌分析结果不能完全区分不同品牌的桑果汁。尽管电子鼻分析技术能够区分不同品牌的桑果汁,但是由于缺乏感官评价、市场认可度等数据,所以并不能判断不同品牌桑果汁的市场认可度。今后,应该在不同果桑品种、不同果汁加工工艺方面综合开展感官评价、电子鼻电子舌检测等研究,丰富研究成果,进一步指导果汁加工企业。