智能感官技术在工程米研究中的应用*

苑鹏，朱思樾，王雪，王玺，柳嘉，刘士伟，刘杰，刘炎桥，范光森，段盛林

1(中国食品发酵工业研究院，北京，100015)2(中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京，100083)

目前，国内居民的主食以精米精面为主，谷胚和麸皮在加工过程中被碾磨掉，多种营养素遭到破坏。实验表明加工程度越精细，VB1等营养素损失也就越多。长期食用精米和精面会引起VB1缺乏症，导致口角炎和多种神经炎症，如脚气病等［1］。此外，精米精面中缺少人体必需的不饱和脂肪酸，如ω-3和ω-6系列等，长期食用容易影响人的免疫、心脑血管、生殖、内分泌等系统的生理功能，从而引发高血压、高血脂、糖尿病等慢性疾病，进而导致各种亚健康的发生［2］。鉴于此，我国政府连续签发了《中国慢性病防治工作规划(2012～2015年)》、《中国食物与营养发展纲要(2014～2020年)》等文，以引导社会大众进行营养干预和防治未病［3-4］。近年来，以五谷杂粮为主要原料，使用先进的食品加工技术制成的工程米，可针对特殊人群进行营养干预，符合国家发展需求，受到越来越多的重视［5］。

工程米主要是指以淀粉类原料为主，添加膳食纤维、低聚糖、不饱和脂肪酸等营养物质，用挤压重组的方式获得的同天然大米类似的颗粒。工程米实际上是一种更适合现代人营养需求的营养强化米。比如，以五谷杂粮为主要原料生产的工程米，以大米、玉米、马铃薯全粉等为主要原料，辅以小米、青稞、紫薯、黑米、高粱、绿豆、大豆、胡萝卜等食材，按一定比例配比，将原料进行发芽、发酵、混合、水合等预处理后，使用挤压膨化成型，其外观形状和普通大米相似，并达到生熟不松散，煮制不成浆的效果［6］。可针对不同人群进行组方，满足不同人群需要。除了针对性的强化营养外，2015年1月6日农业部召开马铃薯主粮化战略研讨会，明确提出推进马铃薯主粮化，并预计到2020年50%以上的马铃薯将作为主粮消费，借助挤压重组法使用马铃薯粉也可制成同天然米接近的工程米，且营养更丰富，种类多样化［7］。因此，工程米具备广阔的市场前景和社会意义。但是目前工程米的研究以制备方法为主，对工程米的组织结构和感官评价的研究较少［8］。

随着现代仪器分析技术的发展，智能感官分析技术逐渐成熟，广泛应用到食品的生产和开发过程中。相比于传统的感官分析方法，智能感官分析技术具有检测时间短、重复性好、检测结果客观、感官不疲劳等优势［9-11］。在现代智能感官分析设备中，已有许多商业化的设备，如模拟人体舌头的电子舌，模拟人体鼻子的电子鼻，模拟人体咀嚼的电子牙(质构仪)等。现代智能感官分析技术将传统感官分析的内涵扩大，不仅仅依赖于人进行感官评价，而是把分析仪器和智能感官仪器也作为工具，辅助感官评价，使得感官分析更具精确性，并形成了感官大数据系统的初步融合［12-14］。此外，以感官分析与理化分析的相关性研究为核心，将感官分析技术与现代仪器分析技术相结合，多技术融合进行产品品质特征的评价与控制，为规模化和自动化工业生产提供产品感官品质精确评价与控制的技术与方法［15-17］。

1 智能感官在工程米中的应用

1.1 电子舌在工程米研发中的应用

电子舌(electronic tongue)技术是20世纪80年代中期发展起来的一种分析、识别食品“味道”的检测手段。它主要由传感器阵列和模式识别系统组成，传感器阵列对试样做出响应并输出信号，信号经计算机系统进行数据处理和模式识别，得到反映样品味觉特征的结果［18］。它对复杂样品中的甜、酸、苦、咸、鲜、涩等基本的味觉指标进行快速评价［19］。

1.1.1 指导配方改进

在食品评价中，风味是非常重要的评价指标，是消费者评价食品适口性的主要指标之一［20］。因此，在工程米的配方研究中要明确各种味觉指标和总体味觉指标的信息。电子舌可以提供熟化工程米的酸、甜、苦、咸、鲜、涩及回味的信息，并以精确刻度的形式表达，因此可以调整配方中呈味原料的组成，优化食品的单一味觉成分物质，从而调整工程米的总体口味。比如，添加谷氨酸钠丰富的食材，可以提高工程米的鲜味等，使用电子舌可以得知工程米鲜味的程度，并据此调整配方中的食材添加量。再如，工程米中经常会添加多肽类物质，以提高产品的营养价值，但是多肽类物质有一定的苦味，使用电子舌可以测定在一定接受度内的多肽添加量;或者添加一定的苦味掩味物质，并根据电子舌的反馈信息来调整产品的口感。

工程米的味觉指标的评价可以将天然大米作为参比物，在酸、甜、苦、咸、鲜、涩及回味进行测定，使用电子舌分析工程米和天然大米的味觉差异，不仅可以得到两者之间每个味觉指标的差异度，还可以使用主成分分析的方法分析两者之间的整体相似度。这种精确味觉刻度性分析，对于产品配方的改进、优化和新产品的设计有重要参考意义。

1.1.2 用于原料的鉴定

食品原料的安全性至关重要，工程米的原料安全性也不例外，使用电子舌可以快速检测一些电子舌原料的腐败性，重金属和农残及抗生素等［21］。比如基于生物传感器的电子舌可用于检测食品和农产品中的重金属污染和农药残留。造成农产品污染的重金属种类繁多，主要是Cu、Zn、Pb、Cd和Ni等。由于土壤和水源的污染，杂粮类农作物的重金属污染越来越多，因此使用电子舌系统建立快捷有效的重金属检测手段，可以有效控制工程米的金属污染情况。比如，文献报道，科学家使用生物传感器，对亚锑盐的检出限为1×10-15mol/L，通过电子舌系统，可以检测到1 μg/L 浓度下的 Hg、Pb、Cd、Ni、Zn 和 Cu 等离子的存在［22-24］。Winquist等的研究表明，电子舌能对原料乳进行监控，通过电子舌可以鉴定原料乳的新鲜度和生产过程的清洁度，因子可以借鉴电子舌的质控方法用于工程米原料的安全性评估中［25］。

1.1.3 用于工程米生产监控及保质期判断

电子舌可以对食品味觉信息如酸、甜、苦、咸、鲜、涩及回味等指标进行分析，因此可以根据产品的味觉信息特征来监控工程米生产过程中的产品稳定性，以保证同一批次或者同一配方不同生产批次的口味一致性。比如，借助电子舌对各种味觉信息的原始数据，通过软件对数据进行深度分析，并构建正常产品的味觉置信区间，如果生产过程中的产品味觉信息在置信区间以内，则认为产品是合格的，如果落入置信区间之外，则认为产品存在问题。因此，可以通过味觉信息监控产品是否合格。同样，可根据味觉信息特点，判断产品是否处于保质期内。

1.2 电子鼻在工程米研发中的应用

电子鼻(electronic nose)的概念是在1982年由Persaud和Dodd教授首次提出的，它根据仿生学原理，模仿哺乳动物嗅觉系统的结构和机理，是一种用来分析、识别和检测复杂嗅味和挥发性成分的仪器。目前，市场上大部分商业化电子鼻的核心元件为多个选择性的气敏传感器，另外还包含气味取样器、空气发生器等硬件以及信号处理系统和模式识别系统等软件［26-28］。

1.2.1 工程米中谷物类原料的质量控制

谷物类是工程米加工过程中使用的主要原料，但是目前我国在谷物霉变的检测上有一定的滞后性。全世界每年大约有5%～7%的谷物因为霉变而不能食用，造成了很大的浪费。目前国内判断谷物是否霉变用的手段主要是测定温度和实例抽样检测。国内的一些小型谷物储藏机构还使用嗅觉、视觉的感官方法来判断谷物霉变。因此为了保证工程米的产品安全性，可以使用灵敏度高的电子鼻系统对谷物进行霉变检测［29-30］。对正常的谷物进行测定后提取气味特征值，通过软件对特征值进行归一化处理，并使用诸如主成分分析或者径向基函数神经网络算法进行分析，建立正确的谷物置信区间，有实验表明使用电子鼻系统可对霉变小麦、水稻、玉米的识别率超过90%，而这种检测快捷、方便，排除了人工检测的主观性，对于大型粮食加工企业监测粮食安全十分有用。此外，有研究表明，电子鼻在谷物储藏中虫害检测有成功应用，无论虫子量多量少，虫体死亡与否，其散发的气味与标准储粮样品有很大差异，因此电子鼻能明显捕捉并检测到这种气味差异［31］。电子鼻系统还被用于粮食储存年限的检测中，比如张红梅等人利用德国电子鼻系统成功对不同储存时间的小麦进行了分辨［32］。综上应用可使用电子鼻系统来监控工程米加工原料中的安全性。

1.2.2 工程米中珍贵原料的鉴伪

除了杂粮原料的安全性以外，工程米的加工过程中会用到一些药食同源或者可以用于保健食品的原料，比如松花粉等。由于这些原料较为昂贵，因此市场上有很多掺入玉米粉、蒲黄等廉价原料的仿制松花粉。借助电子鼻系统可以建立松花粉的嗅觉数据库系统，针对不同产地的真实松花粉建立置信区间。如果是掺假松花粉，由于掺入物质带有不同的气味信息，因此会被电子鼻检测到并被归之于置信区间之外。可在此基础上，使用电镜等设备对其进一步的真实性检测。同样，电子鼻系统对于工程米加工过程中的其他珍贵药食同源原料具有一定的鉴伪作用。

1.3 质构仪在工程米中的应用

质构仪(又叫物性分析仪、物性测试仪，texture analyzer)是用于客观评价物体质地特性的主要仪器，在食品领域应用中质构仪又被成为电子牙［33-34］。它能够根据样品的物性特点做出数据化的准确表述，是精确的感官量化测量仪器。质构仪具有专门的分析软件包，可以通过计算机选择各种检测分析模式，并实时传输数据，绘制检测过程曲线。它还拥有内部计算功能，对有效数据进行分析计算，并可对多组实验数据进行比较分析，获得有效的物性分析结果［35］。在工程米测试中可以测定黏度、硬度、弹性、最大负载、回复能量等指标［36］。

米饭的质构品质被认为是大米食用品质中最重要的因素，传统上对米饭适口性的评价为感官评价法，但此方法存在主观性强、操作繁琐、耗时长等缺点。随着科技的发展，用质构仪来代替人的感觉器官，可更为客观、快速、准确，尤其是针对于工程米的研发和评价，质构仪得到的结果重复性更好。战旭梅等使用质构仪通过对13种稻谷样品的蒸煮品质指标、质构品质及其相关性的研究得出，可以用弹性、黏着性、硬度、黏度来代替蒸煮指标中的碘盐值、膨胀率、米汤干物质、吸水率来评价大米的食用品质，比如米饭的弹性与膨胀率、碘蓝值呈显著的正相关，黏度与吸水率呈显著的正相关等［37］。借助电子牙，可以将工程米的口感和天然稻米进行对比，并找出差异化信息，进而指导科学家进行配方修改等。

1.4 电子眼在工程米中的应用

食品领域中的电子眼主要用来测定食物的颜色值。由于工程米是由挤压重组制成的，因此可以根据需求添加诸如藻类、紫薯类、玉米粉等原料，将其塑造成天然绿色、紫色、黄色等米制品，满足消费者对于主食制品的食欲要求。电子眼可以针对食品的颜色特征对其进行视觉分析，也可以对食品的外形和表面进行分析，还可以自动判别样品中各成分的权重，某些品牌的电子眼可以得到样品的颜色值如L*、a*、b*等，这样可以通过对工程米颜色数据的测量，对生产进行质控。但是目前电子眼主要用于工程米的配方调整、色泽优化等方面，在生产中主要使用类似电子眼的色选机挑选工程米中的异色颗粒，以保证工程米颗粒的色泽统一性。

2 结论

随着科学技术的发展和进步，拟人化的智能感官设备越来越多，其硬件设施和配套软件越来越完善。以往各种以人作为主体才能进行的感官评价通过智能感官设备变得数字化、科学化，而智能感官设备又具备了人体所不能企及的高灵敏度、高重复性、低疲劳度，且排除了人体感官评价的主观因素，避免了环境、记忆和情绪等因素带来的主观偏差。但是，毕竟人有千种，物有万味。食物最终是否适口，是否符合市场，是否迎合消费者需求最终还由人来决定，食物的色、香、味、形是呈现给消费者的综合印象。因此，在工程米的研发中，需要将智能感官评价和人体主观评价结果相结合。智能感官与人体主观评价互补，并在研发、生产中发挥各自优势，比如用主观评价主要确定工程米的市场接受度，用智能感官评价完善、调整工程米的研发方向和配方等，通过智能感官的数字化、科学化、客观化表征来引导消费者进行工程米口感的选择等，真正实现智能和人工的融合。

［1］ 陈秋羽.吃糙米远离糖尿病［J］.糖尿病天地，2012(11):28.

［2］ 吕子同.更新观念，糙米更益健康［J］.粮食与油脂，2003(5):41-41.

［3］ 中华人民共和国卫生部等.《中国慢性病防治工作规划(2012-2015年)》.2012:34号文.http://www.moh.gov.cn/zhuzhan/wsbmgz/201304/b8de7b7415ca4996b3567e-5a0943300.shtml

［4］ 国务院办公厅.《中国食物与营养发展纲要(2014—2020年)》.2014:3号文.http://www.gov.cn/xxgk/pub/govpublic/mrlm/201402/t20140208_66624.html

［5］ 于衍霞，鲁战会，安红周，等.中国米制品加工学科发展报告［J］.中国粮油学报，2011，26(1):1-9.

［6］ 程力.挤压强化米的研究进展［J］.农产品加工，2009，176(6):61-64.

［7］ 农业部网站.http://www.moa.gov.cn/zwllm/zwdt/201501/t20150107_4324333.htm.

［8］ 安红周，金征宇，赵晓文.挤压法制备营养方便米的品质［J］.食品与生物技术学报，2005，24(2):23-26.

［9］ Ouyang Q，ZHAO J，CHEN Q，et al.Instrumental intelligent test of food sensory quality as mimic of human panel test combining multiple cross-perception sensors and data fusion［J］.Analtica Chimic Acta，2014，841:68-76.

［10］ Fikri N A，Adom A H，Shakaff A Y M，et al.Development of Human Sensory Mimicking System ［J］.Sensor Letters，2011，9(1):423-427.

［11］ Ghasemi-Varnamkhasti M，Mohtasebi S S，Siadat M.Biomimetic-based odor and taste sensing systems to food quality and safety characterization:An overview on basic principles and recent achievements［J］.Journal of Food Engineering，2010，100(3):377-387.

［12］ 党美珠，张秀凤，李兆棣，等.智能感官分析技术在食品开发中的应用研究［J］.中外食品工业，2013，(11):74-75.

［13］ Haddi Z，Mabrouk S，Bougrini M，et al.E-Nose and e-Tongue combination for improved recognition of fruit juice samples［J］.Food Chemistry，2014，150:246-253.

［14］ Rodriguez-Mendez M L，Arrieta A A，Parra V，et al.Fusion of three sensory modalities for the multimodal characterization of red wines ［J］.Ieee Sensors Journal，2004，4(3):348-354.

［15］ 赵镭，刘文，牛丽影，等.食品感官科学技术:发展的机遇和挑战［J］.中国食品学报，2009，(6):138-143.

［16］ Skov T，Bro R.A new approach for modelling sensor based data ［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2005，106(2):719-729.

［17］ Rodríguez S D，Barletta D A，Wilderjans T F，et al.Fast and efficient food quality control using electronic noses:adulteration detection achieved by unfolded cluster analysis coupled with time-window selection［J］.Food Analytical Methods，2014，7(10):2 042-2 050.

［18］ WU R，YAN C，YU M，et al.Application of taste sensor array to sports drinks by using impedance measurement technology ［J］.Sensor Letters，2008，6(5):765-770.

［19］ 黄星奕，张浩玉，赵杰文.电子舌技术在食品领域应用研究进展［J］.食品科技，2007(7):2-24.

［20］ 丁耐克.食品风味化学［M］.北京:中国轻工出版社，1996:5.

［21］ 谈国凤，田师一.电子舌检测奶粉中抗生素残留［J］.农业工程学报，2011，27(4):361-365.

［22］ 林科.电子舌研究进展及其在食品检测中的应用研究［J］.安徽农业科学，2008，36(15):6602-6604.

［23］ Winquist F，Wide P，Lundström I.An electronic tongue based on voltammetry ［J］.Analytica Chimica Acta，1997，357(12):21-31.

［24］ Sliwinska M，Wisniewska P，Dymerski T，et al.Food analysis using artificial senses［J］.2014，62(7):1 423-1 448.

［25］ Winquist F，Bjorklund R，Krantz-Rülcker C，et al.An electronic tongue in the dairy industry［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2005，111:299-304.

［26］ 于勇，王俊，周鸣，等.电子鼻技术的研究进展及其在农产品加工中的应用［J］.浙江大学学报:农业与生命科学版，2003，29(5):579-584.

［27］ Persaud K，Dodd G.Analysis of discrimination mechnisms in the mammalian olfactory system using a model nose［J］.Nature，1982，299(5881):352-355.

［28］ Gardner J W，Bartlett P N.A brief history of electronic noses［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，1994，18(13):210-211.

［29］ 潘天红，陈山，赵德安.电子鼻技术在谷物霉变识别中的应用［J］.仪表技术与传感器，2005，3:51～52.

［30］ 崔丽静，周显青，林家永等.电子鼻快速判别玉米霉变技术研究［J］.中国粮油学报，2011，26(10):103-107.

［31］ 蒋德云，孔晓玲，李宝筏，等.电子鼻在储粮害虫检测中的应用研究［J］.安徽农业大学学报，2005，32(2):254-257.

［32］ 张红梅，王俊.电子鼻传感器阵列优化及其在小麦储藏年限检测中的应用［J］.农业工程学报，2006，22(12):164-167.

［33］ Proctor B E，Davison S，Malecki G J，et al.A recording strain-gage denture tenderometer for foods，I:instrument evaluation and initial tests［J］.Food Technology，1955，9:471-477.

［34］ Szczesniak A S.Objective measurements of food texture［J］.Journal of Food Science，1963，28(4):410-420.

［35］ 楚炎沛.物性测试仪在食品品质评价中的应用研究［J］.粮食与饲料工业，2003(7):40-42.

［36］ 周显青，王云光，王学锋等.质构仪对米饭适口性的评价研究［J］.粮油食品科技，2013，21(5):47-51.

［37］ 战旭梅，郑铁松，陶锦鸿.质构仪在大米品质评价中的应用研究［J］.食品科学，2007，28(9):62-65.