电子鼻与电子舌在可可椰奶品质评价中的应用

房一明，初 众，卢少芳，谭乐和，朱红英，谷风林

（中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南万宁 571533;国家重要热带作物工程技术研究中心，海南万宁 571533;农业部香辛饮料作物遗传资源利用重点实验室，海南万宁 571533）

电子鼻与电子舌在可可椰奶品质评价中的应用

房一明，初 众，卢少芳，谭乐和，朱红英，谷风林

（中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南万宁 571533;国家重要热带作物工程技术研究中心，海南万宁 571533;农业部香辛饮料作物遗传资源利用重点实验室，海南万宁 571533）

采用电子鼻和电子舌测试了可可粉、砂糖与椰子粉配比不同时的产品信号响应值，并应用主成分分析法、判别因子分析法和统计质量控制分析法对数据进行了分析.结果表明，在3种主要原料配比不同时，电子鼻与电子舌对产品的响应信号有明显区别，主成分分析法和判别因子分析法等可以区分不同品质的可可椰奶，能够从气味、滋味和总体质量方面对可可椰奶检测和鉴定.

电子鼻;电子舌;可可椰奶;品质评价

椰奶是一种植物蛋白饮料，它不含胆固醇，但却含有丰富的蛋白质、必需氨基酸、维生素和不饱和脂肪酸，它易于被人体吸收，具有保健功能等特性，因而深受广大消费者的喜爱［1］.可可粉具有浓烈芬芳的独特香味，含有类黄酮等多种营养元素，营养价值很高，是制造巧克力的重要原料，也是当今世界三大嗜好性饮料之一［2］.可可椰奶是将可可粉与椰浆粉进行配比，加入糖后制成的一种具有海南特色的风味饮品，其多酚含量普遍高于其他普通饮品，且椰奶和可可的风味协调在一起，具有椰奶巧克力香气.

电子鼻和电子舌是模拟人的鼻和舌功能而设计的传感器阵列技术，其传感器不是单独地分析部分气、味信息，而是分析其综合的整体信息，可以敏感地识别气、味指纹，即能检测四气五味［3］.电子鼻为分析挥发性成分的仪器之一，它能快速地提供挥发性的信息，监听食物的性质［4］，电子鼻仅针对评价易挥发性成分，而电子舌可分析液体样品［5］，电子舌的几方面应用包括模型分析、食品和饮料分析以及水监控［6］.HONG等人已利用电子舌区分5种不同等级在同一地点同种加工方法下的西湖龙井茶，显示电子舌在识别茶品质上是一种具有潜力的工具［7］.王俊等人利用电子舌对6种不同的葡萄酒检测，通过对传感器响应信号的处理及选取适当的模式识别方法，区分了不同产地的葡萄酒，同时对不同品种的葡萄酒也做出了较好的判别［8］.ZOLTAN等人利用电子鼻、电子舌鉴别了纯种的斯里兰卡冲泡茶的产地［9］.SZKUDLARZ Sylwia Mildner等人利用电子鼻监控了油菜籽油的自然氧化，发现电子鼻可以核实腐臭的改变，从而对油进行质量管理［10］.目前，国内没有利用电子舌和电子鼻技术对可可椰奶制品品质及风味方面进行研究，为此，笔者利用电子鼻和电子舌的主成分和判别因子分析等方法，来讨论其是否对不同原料配比的可可椰奶有区分效果，旨在为可可椰奶的风味及品质评价体系的建立提供依据.

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验材料可可粉、椰子粉和砂糖由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供.

1.1.2 实验仪器采用的电子鼻系统是α-Genemi（法国Alpha M.O.S公司），主要由6个金属氧化物传感器、HS－100型自动进样器和空气发生器组成，Alpha Soft V12.0软件控制仪器和处理数据.采用的电子舌系统是法国Alpha M.O.S公司研制的ASTREE，该电子舌包含了7个化学传感器阵列和1个Ag/AgCl参比电极.传感器是由有机物覆盖的硅晶体管制成，每个传感器前端有1个电子芯片，芯片表面覆盖一层敏感吸附薄膜，可以选择性吸附液体中的游离分子.电子天平（METTLER TOLEDO AL104，美国），实验室专用超纯水机（KL-RO-20，中国），全自动磨样机（RETSCH RS 200，德国），超速冷冻离心机（Z36HK，德国）.

1.2 实验方法

1.2.1 样品准备

1.2.1.1 电子鼻样品制备 称取5 g可可粉倒入烧杯内，加入3 g白砂糖，加入椰子粉，添加的椰子粉与可可粉的比例分别为0;1∶5;2∶5;3∶5;4∶5;5∶5，样品分别编号为1～6，7号样品为5 g椰子粉加入3 g白砂糖，搅拌均匀，加入沸水160 mL，搅拌，溶解后静止15 min，移取1 mL加入顶空瓶，封盖后电子鼻待测，blk为空白样品（即冲泡用沸水）.

1.2.1.2 电子舌样品制备 按照表1进行样品制备，样品3 000 r·min－1离心15 min，量取上清液80 mL，倒入烧杯内，静置15 min，电子舌待测.

表1 可可椰奶样品信息表

1.2.2 实验采集参数电子鼻:顶空样品制备由进样器自动完成，加热箱温度45℃，振荡速度500 r· min－1，每个样品加热300 s;分析条件:以合成干燥空气为载气，流速150 mL·min－1，注射体积1 000 μL，注射针温度55℃，注射针总体积2.5 mL，注射速度1 000 μL·s－1，获取时间120 s，延滞时间210 s.每个样品在上述条件下重复分析3次.

电子舌:各样品重复测量4次，采样时，选取冲泡沸水冷却（为校准溶液），每次采样时间为120 s，每秒钟采样1次，电子舌系统软件每秒钟自动记录1次数据.

2 结果与讨论

2.1 主成分分析（PCA）PCA是在对样品特性一无所知的前提下，通过对原始数据向量进行线性变换，并从一定的视角来寻找样品间差异的一种算法［11］.图1显示了可可椰奶样品的电子鼻PCA分析.第一主成分（PC1）与第二主成分（PC2）的贡献率分别为99.855%和0.081 63%，两者之和达到了99.936 6%，所以2个主成分对应的特征向量所决定的两维子空间就能够充分保存原始数据的信息.由图1可见，可可椰奶的挥发性气味随加入椰浆粉比例的不同而发生改变的现象十分明显.从分布的区域看，分布在右半部分的8号空白样品与7号样品较为接近，但与其他样品的区别最大，其他添加可可粉的样品，分布距离较近，这说明可可椰奶的气味主要表现为可可的特征香气.其中4号和6号样品有小部分区域重叠，说明两者在主成分分析上气味相近，且2～6号样品的主成分较为集中，气味差别较小，而与1号样品又有一小部分距离，说明不添加椰子粉和添加椰子粉时电子鼻响应信号的主成分方向发生了改变，因此，可可椰奶的气味是可可与椰浆的协调香气.品评员感官分析的结果表明，无可可粉和无椰子粉时，可可椰奶的特征风味太淡或太浓，与其他配比样品的差别显著，这一点在电子鼻数据上也得到了证实.因此，通过PCA分析说明，电子鼻能够区分不同椰子粉与可可粉配比的气味变化，对可可椰奶配方的改进也具有一定的指导作用.

图1 不同样品电子鼻主成分分析（PCA）

图2 不同样品电子舌主成分分析（PCA）

由图2可见，电子舌能够区分不同配方下的可可椰奶.主成分1的贡献率为95.718%，主成分2的贡献率为3.917%，这说明主成分1和2表达了13组样品99.635%的系统差异，表达了13组样品的整体信息.从它们之间的分布来看，有11个样品聚集在PCA图的第一、四象限内，只有CO1和C1分散在PCA图的左半区域，这表示只有可可粉或者只有椰浆粉存在时，都无法代表可可椰奶的滋味.其中CS1，CS2，CS3， CS3，CS4，CS5之间有较多重叠，说明可可椰奶在含糖量变化时的滋味响应值上具有相似性，在试验范围内含糖量的变化没有使可可椰奶的滋味产生较明显变化.从相对距离可以看出CO1与其他样品间存在大的差异，而且C1与分布在第一、四象限的样品存在的差异比CO1小，说明在没有糖存在的情况下，可可椰奶与椰奶的滋味存在较大差异，这可能是因为在可可椰奶中其滋味更多地表现为可可粉的滋味，即苦味和涩味等.CSC3，CSC4，CSC5分布在第四象限内，CSC1，CSC2，CC1之间距离较小，几乎无差异，说明可可椰奶的滋味还是主要由可可粉和椰奶决定的，特别是可可粉对滋味的贡献较大，在试验范围内，糖含量对可可椰奶滋味的影响不大，但在可可椰奶中椰浆粉含量提高较多时，表现在主成分2上具有较大差别，说明椰浆粉对可可椰奶滋味具有一定贡献.这些结果表明，利用电子舌可以有效地区分可可椰奶中主要组成成分变化时产品的质量变化差异性，同时也表明添加不同比例的可可粉或椰子粉对可可椰奶的风味会产生明显的变化，此外，还表明利用电子舌可以对可可椰奶的配方改进和风味改善提供有效的帮助.

o2.2 判别因子分析（DFA）DFA是在有先验知识的前提下，即知道各样品所属类别的情况下，对原始数据向量进行线性变换，使得各类样品能够更好地被区分，这是与PCA的区别［11］.可可椰奶样品电子鼻DFA分析见图3，从图3可见，通过分析添加不同比例椰子粉的可可椰奶，可以得到明显区分.8号空白样品与7号样品和其他样品的区别较大，分析结果与PCA分析的相一致.4号样品与6号样品部分重叠，说明两者气味上相似，与其主成分分析一致，结果显示:利用判别因子分析，可以使样品更好地被区分，可可椰奶配比不同时在DFA图上会有差别，可以利用电子鼻将其区分开来.

图3 不同样品电子鼻数据判别函数分析（DFA）

从图4可见，除了CO1（纯椰浆溶液）和C1（纯可可溶液）外，在电子舌传感器的DFA响应数据的各个区域内，点的离散度较小，这一点与PCA图的表现相似，说明DFA可以良好地区分不同样品，也明显表明可可椰奶的品质主要由可可粉和椰浆粉的配比决定.因此，利用电子舌数据的判别函数分析（DFA），可以分离不同类型的样品，对样品的鉴定和改进具有借鉴意义.

2.3 雷达图分析 从图5中可见，传感器T30/1和传感器P30/2响应值较高，对可可风味具有较高的敏感度.从电子鼻的传感器响应值来看，7号的椰子粉糖溶液样品与其他样品有明显区别，这表明可可椰奶在主要气味上表现为可可特征气味，这与感官评价吻合.所以，通过雷达图可以直观地发现不同样品在某个传感器上的差异性.

图4 不同样品电子舌数据判别函数分析（DFA）

图5 不同样品电子鼻数据雷达图

2.4 质量控制分析（SQC）分析 SQC是一种常用的质量控制方法，它以样品符合正态分布为前提来计算样品分布的95℅的置信区间［11］.SQC的数学解释是在考虑样本的差异性的基础上，通过计算参考样本来得出接受区域和拒绝区域.未知样本被映射到图表中，得出接受或拒绝区域.通过计算样本的均值、标准差得出单一的嗅觉值.对每个数据点而言，它在气味单元内的距离表明了气味的差异［12］.从图6中可以看出，以6号样品为对照样品时，4号和5号样品在可以被接受的区域，其他样品在拒绝的区域，1，2，3号与4，5，6号的距离比较大，说明气味区别较大，7号距离最大，说明气味区别最大，这与椰子粉添加比例不同有关，也表明可可椰奶主要表现为可可和椰奶的协调气味，但可可气味具有重要作用.从图6中可见，可可粉与椰子粉添加比例分别为5∶3;5∶4;5∶5时可被接受.

图6 不同样品电子鼻数据统计质量控制（SQC）分析

3 结 论

本文研究表明，电子鼻和电子舌能够准确区分出可可椰奶中主要组成成分变化的样品，并且添加不同比例椰浆粉的样品在PCA图上的分布具有一定的趋势，表明电子鼻和电子舌分析技术在可可椰奶产品的风味变化上具有独特的识别能力.从所有分析数据和结果来看，可可椰奶的风味主要表现为可可风味，椰浆风味对可可椰奶的风味贡献要低于可可风味，在试验范围内，糖含量变化对产品风味的影响最小.此外，电子鼻和电子舌技术用于可可椰奶制品品质的研究，具有样品前处理简单、无污染、分析速度快等特点，对一些组成成分相近或类似的样品，电子鼻和电子舌分析有着其他传统仪器不可比拟的优越性，因此，可以非常方便地得到与人工品评一致的分析结果.与人工感官评定和化学检测相比较，电子鼻和电子舌具有操作简单、快速、可靠等优势，可以预见，随着化学计量学方法的不断进步，电子感官检测技术将在更多的相关研究领域中得到应用，具有非常广阔的应用前景.

［1］邵焕.椰奶的加工工艺研究［J］.四川食品与发酵，2008，44（5）:24－27.

［2］金永生，朱卫娟，廖祥儒.可可粉中几种外源植物源性成分的PCR检测［J］.生物技术通报，2008（5）:118－121.

［3］盛良.再论用电子鼻、电子舌检测中西药共同药效物质基础［J］.现代中西医结合杂志，2008，17（28）:4386－4387.

［4］PARK Min H，JEONG Min K，DYEO Ju，et al.Application of solid phase-microextraction（SPME）and electronic nose techniques to differentiate volatiles of sesame oils prepared with diverse roasting conditions［J］.Journal of Food Science.2011，76 （1）:80－88.

［5］ZOLTAN K，ISTVAN D，LARINA L，et al.Geographical origin identification of pure Sri Lanka tea infusions with electronic nose，electronic tongue and sensory profile analysis［J］.Chemometrics，2010，24:121－130.

［6］DEISINGH D C，STONE M，THOMPSON M.Applications of electronic noses and tongues in food analysis［J］.International Journal of Food Science and Technology，2004（39）:587－604.

［7］HONG X，JUN W.Discrimination of Xihulongjing tea grade using an electronic tongue［J］.African Journal of Biotechnology，2009，8（24）:6985－6992.

［8］王俊，姚聪.基于电子舌技术的葡萄酒分类识别研究［J］.传感技术学报，2009，22（8）:1088－1092.

［9］ZOLTAN K，ISTVAN D，LARINA L，et al.Geographical origin identification of pure Sri Lanka tea infusions with electronic nose，electronic tongue and sensory profile analysis［J］.Chemometrics，2010（24）:121－130.

［10］SZKUDLARZ S M，JELEN H H，WOJTASIAK R Z.The use of electronic and human nose for monitoring rapeseed oil autoxidation［J］.Eur J Lipid Sci Technol，2008，110（1）:61－72.

［11］阎红，辛松林，彭德川.花椒的气味指纹分析技术应用与探索［J］.四川烹饪高等专科学校学报，2010（2）:21－24.

［12］彭华胜，程铭恩，张玲，等.基于电子鼻技术的野生白术与栽培白术气味比较［J］.中药材，2010，33（4）:503－506.

Application of Electronic Noses and Electronic Tongue on Quality Evaluation of Cocoa Coconut milk Drink

FANG Yi-ming，CHU Zhong，LU Shao-fang，TAN Le-he，ZHU Hong-ying，GU Feng-lin

（Spice and Beverage Research Institute，CATAS，Wanning 571533，China;
National Center of Important Tropical Crops Engineering and Technology Research，Wanning 571533，China;
Key Laboratory of Genetic Resources Utilization of Spice and Beverage Crops，Ministry of Agriculture，Wanning 571533，China）

In order to analyze the effect of main components of the coconut milk on the flavor，electronic nose and electronic tongue were used to test signal response values of different ratio of cocoa powder，sugar and coconut powder，and the data were analyzed by principal component analysis，discriminate factor analysis and statistical quality control analysis.The results showed that there are significant differences between the response signal of the electronic nose and that of electronic tongue，the principal component factor analysis and discriminate factor analysis method can distinguish different quality of cocoa coconut milk，and the smell，taste and overall quality of cocoa coconut milk can be detected and identified.

electronic nose;electronic tongue;cocoa coconut milk;quality evaluation

TS 274

A

1004－1729（2012）01－0041－07

2011－05－27

海南省自然科学基金项目（311085）;热科院香饮所科技基金项目（Xys1114）;中央级公益性科研院所基本科研业务专项（1630052012001）

房一明（1987－），女，辽宁抚顺人，中国热带农业科学院香料饮料研究所研究实习员.

谷风林（1976－），男，助理研究员.研究方向:风味化学.Email:xiaogu4117@yahoo.com.cn