基于电子舌和质构仪的不同品种樱桃滋味及质地差异分析

任新乐，李长春，孙 斐，傅茂润，韩 聪*

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）食品科学与工程学院，山东济南 250353；2.山东尚春农业科技有限公司，山东济南 250300）

樱桃是蔷薇科李属樱亚属经济木[1]，在我国产地分布较广，已有2 000 多年的栽培历史。樱桃果实生长发育快，成熟期早，被称为“早春第一果”[2]。樱桃果实色彩鲜艳，肉厚多汁，营养丰富，含有丰富的糖类、维生素、花色苷、酚酸类[3]、黄酮类等营养物质[4]，具有抗氧化、预防心血管疾病、预防癌症、提高身体免疫力、提高睡眠质量、缓解疲劳等作用[5]。此外，樱桃还具有调节气血、益肾补精、平肝祛热、健脾祛湿、补血等功效[6]，因此深受消费者喜爱。

电子舌技术是一种高效便捷的识别、分析样品滋味的新型检测技术手段[7]。作为一种仿生味觉系统，电子舌通过模仿生命体的味觉识别机制，即采用与味蕾细胞工作原理相类似的人工脂膜传感技术，故味觉传感器能够探测到接近生命体所能感知的“味觉”[8]。传感器通过测量人工脂膜表面的电势变化检测味道，评估各种口味。目前，电子舌已被广泛应用在食品味道评价、食品掺伪鉴定、食品加工过程检测、中药材鉴别研究、茶叶分级、酒类区分、香辛料评价等领域[9-10]，在食品、医药、化工等行业具有广阔的应用前景。

质构是水果众多评价指标中的主要指标之一[11]。目前对食品质构评价的主要方法有传统的感官评价和质构仪器测量两种[12]。传统的感官评测需要具有专业知识水平和专业判断能力的专业评审员，评价过程效率低、步骤繁琐，而且感官评价结果往往因人而异，主观性差异较大，结果不够稳定。质构仪则能够通过不同的物理处理模式对食品进行加工检测[13]，以数据的形式客观准确地反映食品的力学特征，如食品的硬度、弹性、柔软性等指标[14]。质构仪在水果中主要测试水果的成熟度、果皮的硬度、果实脆性、果皮或果肉的弹性等指标。质构仪因其高效、简便、灵敏度高等优点被广泛应用在各种食品质构评价中[15]。

目前，国内的鲜食樱桃品种繁多，约有100种，主要有‘拉宾斯’‘美早’‘红灯’‘布鲁克斯’‘桑提娜’‘萨米脱’‘早红宝石’‘极佳’等[16]。不同品种的樱桃酸甜不一、滋味各异，而对于不同樱桃品种的滋味分析鲜有研究。此外，不同樱桃品种成熟时的软硬度不同，而软硬度是决定樱桃销售半径的一个重要因素。本研究选择济南当地种植面积较大的五个代表性品种为试验材料，利用质构仪和电子舌对样品进行质构分析和滋味检测，得到不同品种樱桃果实的质构结果和电子舌传感器响应值，并对其进行分析，为不同樱桃品种的采后储运及消费者选择提供理论支持[17]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料于2020 年5 月采自山东省济南市长清区五峰镇纸坊村春汇山庄，选用‘拉宾斯’‘红灯’‘布鲁克斯’‘美早’‘萨米脱’5 个樱桃品种。

1.2 仪器与设备

TS-5000Z 味觉分析系统，日本INSENT 公司；JYL-Y3 型多功能破壁机，九阳股份有限公司；TMS-Pro型专业级食品物性分析仪，美国FTC 公司；KQ-250D 型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；YP5102型电子天平，上海光正医疗仪器有限公司。

1.3 方法

利用电子舌对5 种樱桃样品进行分析时，需要对影响电子舌传感器特征响应值的主要参数进行优化，包括樱桃样品的前处理、试验温度等。实际样品最佳分析方法的确立要满足两个条件：一是电子舌对样品味道的全面提取，寻找并分析不同来源、不同品种樱桃的味道特征，即实现组间差异最大化；二是使样品溶液的味道保持稳定，组内差异减小，以期最大限度地对不同品种的樱桃进行区分。

1.3.1 质构分析

取完整的樱桃果实，样品高度均在22～25 mm 之间，将赤道部分果肉对准质构仪探头。食品物性分析仪直径2 mm 的柱形探头（探头编号：432-076）从起始位置开始，以60 mm/min 的测试前速度接触到样品的表面后（触发力0.05 N），再以3 mm/min 测试速度穿过样品表面并继续穿刺到样品内部，达到8 mm 的穿刺距离后以60 mm/min 的测试速度返回起始位置。每个品种平行测定7个，结果取平均值。

1.3.2 可溶性固形物（TSS）含量的测定

从每个品种的樱桃果实中随机选取5 个大小、颜色均匀，表皮光滑，无病虫害，无机械伤的样品，去核研磨成浆后，用三层纱布过滤浆液，用PAL-1 手持式折光仪测定可溶性固形物含量，每个处理重复测定3次，取其平均值。

1.3.3 电子舌参数的确定

每个品种分别选择大小、颜色均匀，表皮光滑，无病虫害，无机械伤的八成熟樱桃样品若干，超声洗净后去核，称取50 g 样品切成小块后置于多功能破壁机中，添加200 g 蒸馏水，打碎混匀2 min，四层纱布过滤，取滤液用于电子舌测试。

电子舌经活化、校正、诊断通过，在确保采集得到的数据可靠、稳定的条件下进行测定。在本实验中，25 ℃室温下进行分析测试，进样体积25 mL，数据采集时间120 s，采集周期1 s，清洗时间为10 s。电子舌所得所有数据均是以人工唾液（参比溶液）为标准的绝对输出值，电子舌测试人工唾液的状态，模拟人口腔中只有唾液时的状态。其中参比溶液的输出值为无味点（Tasteless），参比溶液（reference）由氯化钾和酒石酸组成味觉值。每份样品按照平行测试3次，进行分析处理。

1.3.4 味单位的确定

根据韦伯费希纳定律，在同类刺激下，差别阀值的大小随标准刺激强弱呈一定比例关系[18]。对于味道来说，大部分动物对味觉增加的响应与溶液中味觉物质浓度的对数成一定的线性关系[19]。一般来说，味物质的强度发生20%的变化时，人舌可以识别其差异。本实验所用的日本INSENT 电子舌将味物质20%的强度变化定义为一个单位，味单位与味物质强度的对数成正比。

1.3.5 不同品种樱桃的主成分分析

主成分分析（principal component analysis，PCA）是一种常用的统计分析方法。分别以主成分一和主成分二为横、纵坐标，本实验中显示方差贡献率分别为70.58%和25.52%，基于本次测试的所有味觉指标，对5 种樱桃进行主成分分析。

1.4 数据处理

利用Excel 2013 进行数据处理，Origin 2019 用于数据作图，用SPSS 26 进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 5 种樱桃的质构分析

樱桃穿刺试验典型图谱如图1 所示。在0～4 mm 区间内探头位移与质构仪负载呈线性关系，直线的斜率表示樱桃果皮的刚性；在探头位移4 mm时，质构仪负载到达峰值，峰值表示果皮的硬度。峰值所对应的位移，反映了果皮可承受的变形；从位移为0 到峰值对应位移4 mm的区间内，斜线积分形成的面积表示挤压果皮所做的功；峰值对应位移到8 mm 位移区间内的质构仪负载表示果肉硬度位移8 mm 后质构仪负载趋近于0。

图1 樱桃穿刺试验典型图谱Fig.1 Typical atlas of cherry puncture experiment

由表1 可知，樱桃的果皮可承受一定的形变，所有样品在形变4 mm 左右会破裂，但达到果皮硬度时的位移存在差异，其中‘美早’的果皮可形变的程度最差，在达到果皮硬度时的位移为3.38 mm，‘萨米脱’和‘红灯’的果皮可形变的程度较好，在达到果皮硬度时的位移分别为4.09、4.08 mm。几种樱桃的果皮硬度在3～4 N 之间，相较而言，‘美早’和‘萨米脱’的果皮相对较软，‘拉宾斯’和‘布鲁克斯’的果皮相对较硬。根据食品物性学原理，食品模量是指材料在受力状态下应力与应变之比，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即样品硬度越大[20]。样品的最大模量表现出明显差异，‘拉宾斯’的最大模量在所有样品中最大，‘萨米脱’的最大模量在所有样品中最小，这与果皮硬度的结果是一致的。5 个品种所有样品的樱桃果肉非常柔软，与果皮硬度相比，果肉硬度均很低，均在0.5 N 以下。

表1 樱桃质构指标结果表Table 1 Results of cherry texture index

2.2 可溶性固形物（TSS）结果分析

如表2 所示，5 个品种樱桃的TSS 含量有显著差异，TSS 含量由高到低依次是‘萨米脱’＞‘布鲁克斯’＞‘美早’＞‘拉宾斯’＞‘红灯’。

表2 可溶性固形物（TSS）含量表Table 2 Table of Soluble solids (TSS) content

2.3 电子舌结果与分析

2.3.1 味觉指标分析

由表3 可知，樱桃具有明显的酸味，所有品种的酸味在数值上明显高于无味点，如图2 和图3（见下页）所示，5 个品种的樱桃在酸味上存在明显的差异，比较可见‘红灯’的酸味最强，‘萨米脱’的酸味最弱，五个样品酸味由强到弱的顺序是‘红灯’＞‘布鲁克斯’＞‘拉宾斯’＞‘美早’＞‘萨米脱’。甜味由强到弱的顺序是‘萨米脱’＞‘布鲁克斯’＞‘美早’＞‘拉宾斯’＞‘红灯’，‘萨米脱’,最强，‘红灯’最弱，且5 种樱桃的甜味与TSS 含量呈正相关。依靠酸甜味的辨别，容易区分出‘红灯’和‘萨米脱’两个品种。‘布鲁克斯’的甜味和酸味都较强，‘美早’和‘拉宾斯’酸味和甜味数值都处于中等水平，并且酸味和甜味相当，单纯依靠酸甜味很难区别‘美早’和‘拉宾斯’两个品种。

表3 樱桃样品的电子舌试验数据Table 3 Results of electronic tongue test of cherry samples

图2 以RefSol 为基准的樱桃味觉雷达图Fig.2 Cherry taste radar based on Refsol

图3 樱桃的酸味和甜味散点图Fig.3 Scatter plot of sour and sweet flavors of cherry

由图2 可知，樱桃的涩味、苦味回味、涩味回味和丰富性（鲜味回味）接近无味点，这表明樱桃中很难被尝出涩味、苦味回味、涩味回味和丰富性（鲜味回味），并且依靠涩味、苦味回味、涩味回味和丰富性（鲜味回味）不能区分5 个樱桃品种。但5 种樱桃的咸味存在差异，‘布鲁克斯’的咸味最大，‘拉宾斯’的咸味最小，其他3 个品种的樱桃咸味无明显差异。此外樱桃的其他味觉指标的数值均明显高于无味点，均是樱桃有效的味觉指标。

2.3.2 不同品种樱桃的PCA 分析

如图4 所示，5 个樱桃样品被明确地区分开来，‘红灯’和‘萨米脱’在第一主成分上存在明显的差异，‘布鲁克斯’‘美早’‘拉宾斯’在第二主成分上存在明显差异。由表4 可见，甜味、酸味、咸味等对第一主成分的贡献较大，咸味、甜味、鲜味等味觉指标对第二主成分有较大的贡献，由此可见5 个品种的樱桃在味道上的差异主要表现在甜味、酸味、咸味、鲜味等味觉指标上。

图4 樱桃的PCA 分析图Fig.4 Principal component analysis of cherry

表4 味觉指标贡献率表Table 4 Contribution rate of taste index

2.4 方差分析

由表5 可知，m2值反映传感器的区分能力（值越低样品的区分性越好）。误差率：将样品整体偏差作为100%，而后求样品测定误差与其的比率。误差率＝20%：样品最大可识别为5 组；误差率＝50%：样品最大可识别为2 组；误差率＝100%：g=s2，不能有效识别。由表5 可见，9 组滋味数值的m2值分别为17.05%、67.85%、120.48%、20.19%、91.67%、14.87%、11.90%、50.97%、8.98%，除涩味（m2≥100%）外的味觉传感器对樱桃样品的区分性较好。

表5 误差统计分析表Table 5 Table of error statistical analysis

3 结论

由方差分析可得，电子舌的所有传感器对樱桃区分性较好，电子舌所得数据稳定可靠，5 个樱桃样品可被明确地区分开来，味道上的差异主要表现在甜味、酸味、咸味、鲜味等指标上。通过对比5 种樱桃的酸味和甜味，发现5 种樱桃的酸味值都明显高于无味点，且5 种樱桃在酸味上存在明显差异。5 个样品酸味由强到弱的顺序是‘红灯’＞‘布鲁克斯’＞‘拉宾斯’＞‘美早’＞‘萨米脱’；甜味由强到弱的顺序是‘萨米脱’＞‘布鲁克斯’＞‘美早’＞‘拉宾斯’＞‘红灯’，且5 种樱桃的甜味与TSS 含量呈正相关。通过质构仪可很好地进行樱桃果实的质构指标分析，样品之间在多项指标上存在明显的差异，比较而言，‘美早’和‘萨米脱’的果皮相对较软，‘拉宾斯’和‘布鲁克斯’的果皮相对较硬，5 个品种所有样品的樱桃果肉非常柔软，与果皮硬度相比，果肉硬度平均值均很低，均在0.5 N 以下。综上所述，电子舌可以作为区分不同品种樱桃的一种高效快捷的方法，可以为不同品种的樱桃鉴别提供一种高效、快捷的技术手段；质构仪可以以数据的形式客观准确地描述食品的质地特征，具有快捷、客观、准确的优点，能够给食品研究及工作人员带来了极大的方便。