电子鼻和电子舌技术在五倍子蜂蜜风味识别中的应用.pdf
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1、现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 270 电子鼻和电子舌技术在五倍子蜂蜜风味识别中的应用 邓梦青,袁扬,赵恬,王胤晨,张定红,张锦华*(贵州省畜牧兽医研究所,贵州贵阳 550005)摘要:为实现不同产地五倍子蜂蜜的快速识别,采用德国 AIRSENSE 公司的PEN3 型电子鼻系统和日本 INSENT 公司的味觉分析系统对贵州 12 个不同地区五倍子蜂蜜进行检测,通过主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)、线性判别分析(Linear Discriminant Analysi
2、s,LDA)、传感器区分贡献率(Loadings)分析等,从气味和滋味方面对不同产地五倍子蜂蜜进行识别。不同产地的五倍子蜂蜜在电子鼻 PCA 分析、LDA 分析中第一和第二主成分贡献率之和分别为 99.90%、87.05%,Loadings 分析发现气味差异主要来自于无机硫化物类、氮氧化物类、有机硫化物类、醇醚醛酮类等;在电子舌 PCA 分析中第一和第二主成分贡献率之和为99.35%,通过雷达图离散程度可知,不同地区五倍子蜂蜜在酸味、甜味、苦味上的差异较大。电子鼻和电子舌技术均能区分不同产地的五倍子蜂蜜,可用于今后蜂蜜的鉴别分析中。关键词:五倍子蜂蜜;电子鼻;电子舌;主成分分析(PCA)文章编
3、号:1673-9078(2023)09-270-278 DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2023.9.1519 Application of Electronic Nose and Electronic Tongue Technology in Flavor Identification of Rhus chinensis Honey DENG Mengqing,YUAN Yang,ZHAO Tian,WANG Yinchen,ZHANG Dinghong,ZHANG Jinhua*(Guizhou Animal Husbandry and Veterinary R
4、esearch Institute,Guiyang 550005,China)Abstract:In order to realize rapid identification of Rhuschinensis honey from different regions,the Rhuschinensis honey from 12 different regions in Guizhou province was tested by the PEN3 electronic nose system of AIRSENSE in Germany and the taste analysis sys
5、tem of INSENT in Japan.Principal component analysis(PCA),linear discriminant analysis(LDA)and Loadings analysis were used to identify Rhuschinensis honey from different producing areas in terms of smell and taste.In the electronic nose PCA analysis and LDA analysis,the contribution rates of the firs
6、t and second main components of Rhuschinensis honey from different regions were 99.90%and 87.05%,respectively.Loadings analysis found that the odor differences were mainly from inorganic sulfides,nitrogen oxides,organic sulfides,alcohols,ethers,aldehydes,ketones,etc.The sum of contribution rates of
7、the first and second principal components was 99.35%in electronic tongue PCA analysis.According to the dispersion degree of radar map,there were significant differences in sour,sweet and bitter taste of Rhuschinensis honey in different regions.Both the electronic nose and the electronic tongue techn
8、ology can distinguish Rhuschinensis honey from different origin,which can be used in the identification analysis of honey in the future.Key words:Rhuschinensis honey;electronic nose;electronic tongue;principal component analysis(PCA)引文格式:邓梦青,袁扬,赵恬,等.电子鼻和电子舌技术在五倍子蜂蜜风味识别中的应用J.现代食品科技,2023,39(9):270-278
9、 DENG Mengqing,YUAN Yang,ZHAO Tian,et al.Application of electronic nose and electronic tongue technology in flavor identification of Rhus chinensis honey J.Modern Food Science and Technology,2023,39(9):270-278 收稿日期:2022-11-29 基金项目:贵州省科技计划项目(黔科合支撑20201Y110 号;黔科合支撑20192290 号;黔科合支撑2023一般018;黔科合成果2022一般
10、006);国家重点研发计划项目(2022YFD1601703);观山湖区科技计划项目(观科合同202204 号)作者简介:邓梦青(1994-),女,硕士,研究实习员,研究方向:蜂学及蜂产品加工,E-mail: 通讯作者:张锦华(1973-),男,博士,研究员,研究方向:特种经济动物,E-mail: 五倍子树,又称盐肤木(Rhus chinensis Mill.),漆树科植物,是重要的蜜源植物。在我国,该树产量 占世界产量的 90%以上,产地主要集中在贵州、四川、湖北等省份1-4,开花时间为八月至九月份。蜜蜂采集五倍子花蜜,酿造出的五倍子蜂蜜为独具特色的中草药蜜,然而蜂蜜的品质与蜜源植物、产地环
11、境、气候等密切相关,不同产地的蜂蜜在品质和风味上存在一定差异。目前国内暂无对五倍子蜂蜜气味和滋味的鉴别研究5,行业内多以看颜色、闻气味等较为主观的现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 271 感官评价方法来鉴别蜂蜜种类、判别真假等,有失客观性、准确性和重复性。电子鼻技术是一种根据仿生学原理模拟人类嗅觉系统的人工智能电子仪器6,7,能够识别简单与复杂的气味,检测样本整体信息后通过主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)、线性判别分析(Linear Discriminant Ana
12、lysis,LDA)、传感器区分贡献率(Loadings)分析对数据进行解析,能通过挥发性气味识别不同物质。近年来电子鼻技术主要应用于酒类、制药、食品等领域8-10,并在风味分析11,12、掺假检测13,14、种类鉴别15,16等方面取得了一定进展。电子鼻的应用能够克服人为主观评价、重复性差等问题。电子舌技术,是一种能够快速检测液体样本信息的仪器17,18,能够模拟人的味觉感受系统,当样本与人工脂膜传感器相互作用时发生的膜电势变化,可以反映样本的滋味特点,实现对不同蜂蜜之间味道的识别19,20。滋味在食品开发中具有重要作用,就食品的接受度和依从性而言,口味是决定市场成功与否的主要因素之一21,
13、通过味觉分析装置能够准确识别食品滋味,为筛选或开发出更易于接受的食品节约成本。因此,本文从五倍子蜂蜜的气味、滋味方面进行检测分析,运用电子鼻、电子舌技术对 12 个不同地区的五倍子蜂蜜气味进行识别,以期建立快速、可靠的方法来鉴别不同地区五倍子蜂蜜,为蜂蜜的种类鉴别及蜂蜜产地溯源提供参考。1 材料与方法 1.1 主要材料与设备 1.1.1 材料 五倍子蜂蜜收集于贵州省12个不同地区的蜂场,各个蜂场以五倍子为主要蜜源且无其他大量蜜源植物开花的天然山林;所有样品均来自一线蜂农,为自然成熟的封盖蜜。样品采集后立即保存于4 冰箱,直至检测。具体信息见表1。表 1 五倍子蜂蜜样品信息 Table 1 In
14、formation of Rhus chinensis honey sample 样品编号蜂蜜名称 产地 生产日期 R1 五倍子蜂蜜 台江县 2021 年9 月R2 五倍子蜂蜜 开阳县 2021 年9 月R3 五倍子蜂蜜 桐梓县 2021 年9 月R4 五倍子蜂蜜 福泉市 2021 年9 月R5 五倍子蜂蜜 习水县 2021 年9 月R6 五倍子蜂蜜 正安县 2021 年9 月R7 五倍子蜂蜜 息烽县 2021 年9 月R8 五倍子蜂蜜 凤冈县 2021 年9 月R9 五倍子蜂蜜 纳雍县 2021 年11 月R10 五倍子蜂蜜 息烽县 2021 年6 月R11 五倍子蜂蜜 松桃县 2021 年
15、9 月R12 五倍子蜂蜜 贵阳市 2021 年9 月1.1.2 主要设备 德国AIRSENSE公司的电子鼻系统(PEN3),传感器组成见表2;日本INSENT公司的味觉分析系统(TS-5000Z),该系统能采集到的味道见表3。表 2 电子鼻传感器 Table 2 Electronic nose sensor 阵列序号传感器名称 性能描述 1 W1C 对芳香成分,苯类灵敏2 W5S 对氮氧化合物灵敏 3 W3C 对氨类,芳香成分灵敏4 W6S 对氢化物有选择性 5 W5C 对烷烃芳香成分灵敏 6 W1S 对甲烷等短链烷烃灵敏7 W1W 对无机硫化物灵敏 8 W2S 对醇醚醛酮类灵敏 9 W2W
16、对有机硫化物灵敏 10 W3S 对长链烷烃类灵敏 表 3 电子舌传感器 Table 3 Electronic tongue sensor 传感器名称 可评价的味道 基本味(相对值)回味(CPA)值 鲜味传感器(AAE)鲜味(如氨基酸等物质引起)鲜味丰富度(可持续感知的鲜味)咸味传感器(CT0)咸味(如食盐等无机盐引起)无 酸味传感器(CA0)酸味(如醋酸、柠檬酸等引起)无 甜味传感器(GL1)甜味(糖或糖醇产生的甜味)无 苦味传感器(C00)苦味(低浓度下被感知为丰富性)苦味回味(如咖啡等食品的苦味)涩味传感器(AE1)涩味(低浓度下感知为刺激性回味)涩味回味(如红酒等呈现的涩味)现代食品科技
17、 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 272 1.2 方法 1.2.1 感官评价 参照食品安全国家标准 蜂蜜(GB 14963-2011)22和进出口蜂蜜检验规程(SN/T 0852-2012)23中的方法对蜂蜜样品进行感官评价。1.2.2 电子鼻技术 分别称取 2 g 蜂蜜至 100 mL 烧杯中,用双层保鲜膜将其密封后于室温下静置 30 min,再将电子鼻进样针头插入样品中进行测定。电子鼻检测参数设置:采集蜂蜜样品的时间为 1 s/组;味觉传感器自清洗时间为80 s,归零时间为 5 s;蜂蜜样品准备时间为 5 s;进样流量
18、为 400 mL/min;分析时间为 80 s。每个蜂蜜样品重复测定 3 次。1.2.3 电子舌技术 准确称取 15 g 蜂蜜置于 300 mL 烧杯中,加入 85 g温度为 40 的纯水。使用磁力搅拌器搅拌 10 min 冷却至室温。加入 50 g 的基准液(使最终稀释后得到的样品溶液中,蜂蜜经 10 倍稀释,基准液占比为 1/3),用玻璃棒充分搅拌,混合均匀后的溶液,即为待测样品溶液。Vr 表示基准电势,测量的是参比溶液,Vs 表示蜂蜜样品电势,Vr表示用参比溶液清洗蜂蜜样品残留后的电势,Vs-Vr 值可用于检测酸、甜、苦、鲜、咸味;Vr-Vr 值可用于检测苦、涩、鲜味的回味。每个蜂蜜样品
19、进行 3 次重复。1.2.4 数据分析 电子鼻原始数据用其系统自带的软件 Winmuster(Version 1.6.2)进行 PCA、LDA、Loadings 分析;电子舌原始数据用其系统自带的软件 Taste sensing system TS-5000Z analysis Application(Version 1.7.0)进行 PCA 分析、Excel 进行雷达图分析。2 结果与讨论 2.1 感官评价结果与分析 不同地区五倍子蜂蜜色泽上除R6为深色、R10颜色为浅琥珀色外,均为琥珀色;滋味上除R2、R4地区五倍子蜂蜜酸味较重,R10、R11地区五倍子蜂蜜无酸味外,普遍入口微酸、回味甘甜
20、圆润;气味上均有五倍子特有的芳香味,R6地区蜂蜜明显比其他地区花香味浓郁,R1、R5、R9地区蜂蜜花香味较浓,而R10地区香气较淡;常温时均为粘稠流体状,低温下易结晶,呈细腻的沙粒状。正常视力下均无可见幼虫、蜡屑等其他杂质(表4)。从色泽、滋味、气味、状态等感官评价中,能大致对五倍子蜂蜜进行区分,但对样品间的差异大小并未十分清晰,无法精准比较和分类。利用现代电子仪器设备对蜂蜜滋味和气味进行数字化、可视化对于蜂蜜品种的鉴定区分、溯源等具有重要作用。表 4 不同地区五倍子蜂蜜样品感官评价结果 Table 4 Sensory evaluation results of Rhus chinensis
21、honey samples from different regions 样品 感官指标 色泽 滋味、气味 状态 杂质 R1 琥珀色 微酸、甜润;芳香味较浓 常温下呈粘稠流体状,低温下结晶呈细腻的沙粒状 无杂质;色泽均一通透 R2 琥珀色 酸味较重、甘甜;芳香味 R3 琥珀色 微酸、甘甜;芳香味 R4 琥珀色 酸味较重、甘甜;芳香味 R5 琥珀色 微酸、甘甜;芳香味较浓 R6 深色 微酸、甘甜;芳香味浓郁 R7 琥珀色 微酸、甘甜;芳香味 R8 琥珀色 微酸、甘甜;芳香味 R9 浅琥珀色微酸、甘甜;芳香味较浓 R10 琥珀色 无酸味、甘甜;芳香味较淡 R11 琥珀色 无酸味、甜润;芳香味 R1
22、2 琥珀色 微酸、甘甜;芳香味 2.2 电子鼻测试结果与分析 2.2.1 电子鼻对不同地区五倍子蜂蜜的信号响应 12个地区五倍子蜂蜜在电子鼻系统中的响应结果如图1所示。从原始信号可以看出电子鼻对不同地区的五倍子蜂蜜有明显的应答。前10 s时响应值较高是因为蜂蜜在密封过程中形成了较高的顶空浓度,达到峰值后,逐渐趋于平稳。从图中可以看出,R6地区五倍子蜂蜜气味最浓郁,前10 s时G/G0(G0/G)值最高接近300.00;R9、R1、R5、R3地区五倍子蜂蜜气味较浓,现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 273 响应值
23、在30.0070.00之间;R4、R11、R10地区的蜂蜜气味较弱,响应值在10.00以内。在70s左右响应值趋于稳定时,除R6响应值最高接近40.00外,其余地区均低于10.00,不同地区的同种蜂蜜在气味表现上具有一定的差异。a b c d e f g h i j 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 274 k l 图1 电子鼻对12个地区五倍子蜂蜜的信号响应情况 Fig.1 Signal response of electronic nose to Rhus chinensis honey from 12 r
24、egions 注:图 al 分别为 R1-R12 地区五倍子蜂蜜在电子鼻中的信号响应值。每图左边为整个测试过程中传感器的响应值曲线,右上为69 s 时传感器的响应值,右下为 69 s 时传感器响应值的雷达图。图 2 不同地区五倍子蜂蜜样品的 PCA 主成分分析及贡献率表 Fig.2 PCA principal component analysis and contribution rate table of Rhus chinensis honey samples from different regions 注:图a 为 12 个地区五倍子蜂蜜主成分分析及贡献率表;图 b 为除去R6 后,1
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