电子鼻和电子舌技术在果汁货架期监控中的应用

吴伟莉，赵 芸，刘雄飞，苏晓霞

（中粮营养健康研究院有限公司品牌食品研发中心，北京 102209）

电子鼻和电子舌技术在果汁货架期监控中的应用

吴伟莉，赵 芸，刘雄飞，苏晓霞

（中粮营养健康研究院有限公司品牌食品研发中心，北京 102209）

基于仿生技术与传感器技术的电子鼻和电子舌技术的快速发展应用，介绍了电子鼻和电子舌系统的工作原理，并利用电子鼻和电子舌设备对果汁产品进行了货架期评价试验。采用主成分分析法（PCA）和判别因子分析法（DFA）对传感器响应信号进行数据处理，同时结合理化指标，通过感官评价小组评价对结果进行对比。试验结果表明，电子舌和电子鼻设备可以很好地依据不同条件下的果汁饮料产品特征进行分类，并与感官评价小组评价结果一致。

电子鼻；电子舌；感官评定；果汁饮料货架期

果汁产品的香气和口感是重要的品质评价指标，香气成分是构成食品典型香气和风味的重要物质基础；口感是由触觉和咀嚼而产生的直接感受，是独立于味觉之外的另一种体验。在饮料行业中产品的货架期也是重要的评价指标之一，产品货架期是一个讲时间长度的概念。在这个时间长度范围内，食品的品质能得到消费者认可；如果超出这个时间长度范围，则会大大增加食品品质是否被认可的风险。

饮料产品的口感特征分析主要从人工感官评价和理化指标这2个方面展开。传统的感官测评依据个人的主观感觉和经验，会随着评价员身体状况、情绪变化、分辨能力等因素而产生不同的结果，人为因素较大，在品评时难以给出比较准确的数据等级，而且培养专业的鉴别人员也需要经过层层的精心挑选，需要投入大量经费和较长时间培训，才能获得可靠的结果。如何利用仿生检测设备对饮料产品进行货架期的有效监控，不仅是各个生产企业保持和稳定其产品品质的客观要求，也是产品质量监管的迫切需求[1-2]。仿生检测设备电子舌和电子鼻是由化学传感器和模式识别技术构成，能从样品的响应信号中得到样品的综合评价信息，也就是“指纹数据”[3]。

电子舌设备是现代化定性定量分析检测仪器，利用味觉传感器或味觉指纹分析仪，由交互敏感传感器阵列、信号调理系统、测试平台和应用软件4个部分组成[4]。由6个电极（铂电极、金电极、钯电极、钨电极、钛电极、银电极）和1个辅助电极组成1个独立单元机构与1个参比电极共同组成1个完整的交互敏感传感器阵列；信号调理系统由信号激发单元、信号调理单元及数据采集单元组成；测试平台为样品安置、检测提供严格的工作环境；应用软件是在电脑上运行的用于控制电子舌检测、分析数据、输出结果的应用程序[5]。

电子舌激发电势和电流响应信号见图1。

图1 电子舌激发电势和电流响应信号

电子鼻设备是一种气味指纹检测方法，其检测结果所显示的图谱又被称为气味指纹图谱。它提供电子指纹图谱进而检测、分析、判别气味及挥发性化合物，利用储存可再现的指纹图库累积定性、定量气味资料库，并做气味分析比对。电子鼻检测装置主要由传感器、计算机、进样装置、气体处理装置所组成。在进行气味分别处理的过程中，其核心部件为气敏传感器阵列、运算放大器等电子线路和电子计算机[6]。电子鼻的工作原理是模拟人体嗅觉形成过程的一种技术应用。

本文研究目的是利用电子舌和电子鼻技术同时结合人工感官评价方法，以不同储存温度及时间下的果汁饮料为研究对象，对产品进行货架期品质评价，并结合理化指标测定，采用主成分分析法（PCA）和判别因子分析法（DFA）处理数据，对不同储存条件下的果汁饮料进行区分，为仿生检测设备在果汁饮料货架期中的品质控制提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

蓝莓浓缩浆，因诺客食品有限公司提供；白砂糖，太古股份有限公司提供；果胶、大豆多糖，杜邦（中国）有限公司提供；柠檬酸、柠檬酸钠，安徽丰原生物化学股份有限公司提供；蓝莓香精，奇华顿香料（中国）有限公司提供。

T-18型分散器，德国IKA有限公司产品；Tm5型美善品多功能食品料理机；Millpore纯水仪，密理博仪器公司产品；bsa2202s-cw/bsa323s-cw型天平，德国赛多利斯仪器公司产品；色差仪，美国Hunterlab仪器制造公司产品；电子舌，Smar Tongue公司产品；FOXα4000型电子鼻，法国Alpha M.O.S公司产品。

1.2 试验方法

产品货架期预测方法主要有品质损失模型、产品货架期预测模型等。品质损失模型主要是描述食品品质衰败速度和多种混合因素共同的作用结果，产品货架期预测模型是将产品自身的品质损失和包装材料影响相结合起来[7]。但以上2种方法存在对产品货架期预测的时间较长、效率低、投入大等缺点，为了增加销售效益，生产厂家都在致力于研究延长货架期的方法，而加速破坏性试验（ASLT）也就因此产生了[8]。把最终的产品储存在比较恶劣的环境下，通过定期检验来确定产品保质期。在食品加速试验上的手段主要有提高温度、增加湿度、采用光照等，其中用提高温度进行加速试验的方法是目前使用最为广泛的方法。

试验果汁选择放置在不同温度条件下，即4℃冷藏（标准样品），38℃下储存1个月，38℃下储存2个月的试验条件，放置1～8周来模拟产品货架期试验。

1.2.1 果汁饮料的工艺流程

白砂糖、蓝莓浓缩浆等主料混合→果胶稳定剂热溶解（70～80℃）→柠檬酸、柠檬酸钠、香精等辅料溶解→定容→预热（60～70℃）→均质（18～20 MPa）→杀菌（105℃，30 s）→灌装、冷却→成品。

1.2.2 可溶性固形物含量测定

通过糖度计进行测定。

1.2.3 酸度测定

称取5.00 g饮料样品，置于150 mL三角瓶中，加入100 mL蒸馏水，加入3滴0.5%酚酞指示剂，混匀后用0.100 1 mol/L的NaOH标准溶液滴定至粉红色，并且在30 s内不褪色，记录消耗NaOH标准溶液的体积，代入计算公式[9]。

计算饮料的酸度含量：

式中：X——果汁中总酸含量，g/100 g（或g/100 mL）；

V1——样品滴定耗用NaOH标准溶液体积，mL；

V0——空白试验耗用NaOH标准溶液体积，mL；

C——NaOH标准溶液的浓度，mol/L；

m——样品的质量，g；

K——换算果汁中适当酸的系数，以柠檬酸计0.07。

1.2.4 饮料pH值测定

用pH计进行测定。

1.2.5 颜色稳定性测定

用色差仪测定颜色的变化。对于多数液体来说，颜色都是一个重要指标，是新鲜度和纯度的指标。L值（明亮度）、a值（红绿值，正值为红色，负值为绿色）、b值（黄蓝值，正值为黄色，负值为蓝色）。

1.2.6 电子舌测定

通过电子舌对3款不同储存条件下产品的电信号图进行分析，比较产品之间的差异。样品直接倒入电子舌专用烧杯中，在室温条件下进行测定，传感器每秒采集1个数据，采集时间共120 s，每杯样品15 mL，每个样品设定5个重复。

1.2.7 电子鼻测定

电子鼻设备以洁净干燥空气为载气，流速150 mL/min，顶空平衡温度60℃，顶空平衡时间600 s，数据采集时间120 s，选取每根传感器的最大响应强度值进行分析，每个样品设定4个重复。

1.2.8 消费者对货架期间产品的喜好度和接受度影响

通过感官评价人员测试，了解其对货架期间产品的接受度及产品在不同储存期和不同储存温度时各属性的变化情况，并与电子舌和电子鼻结果进行比较，为仿生检测设备在果汁饮料货架期中的品质控制提供试验依据。

评价员是感官评价小组成员，并且在过去3个月内喝过且购买过果汁饮料产品，饮用频率在每月1次及以上的。测试基数为42人。样本量设计：评价员测试3个产品；3个产品循环测试，可以避免因测试顺序而带来的偏颇。

样本量设计见表1，产品测试具体评价指标见表2。

表1 样本量设计

表2 产品测试具体评价指标

1.2.9 感官评定小组人员组成

感官评定小组成员通过基本味觉识别对甜味的区别能力进行筛选确定。感官评定小组由50位评定员组成（30位女性和20位男性），年龄25～40岁，为公司员工，且都有感官评定经验。过去3个月内购买且喝过果汁、果汁饮料产品，饮用频率在每月1次及以上。

1.2.10 感官评定样品准备

配制样品使用二级纯水，配制所有的溶液在感官测定前2 h配好，常温放置。配制的样品溶液放在50 mL的一次性小杯，每次提供30～40 mL，并用随机3位数字进行编码，如585，348等。采用随机顺序上样。评价员在评定样品后可以将样品吐入水槽内，在每个样品品尝间隙休息大约1 min，每组样品间休息10 min左右，以此来减少上次品尝样品余味的影响。评定时，使用纯净水或苏打饼干去除样品残留味道。

感官评定在公司的感官测评室内进行，测评室的温度恒定在25℃。

1.3 数据处理与分析

研究采用主成分分析法（PCA）和判别因子分析法（DFA）进行数据处理。主成分分析（PCA）是一种多元统计分析技术，为排除众多化学信息共存中互相重叠的信息，可将原变量进行转换，使少数几个新变量成为原变量的线性组合，同时这些变量要尽可能多地表征原变量的数据结构特征而不丢失信息[10]。主成分一（PC1） 和主成分二（PC2） 包含了在转换中得到主成分一和主成分二的贡献率，贡献率越大，说明降维后的综合指标能更多地反映原来多指标的信息。判别因子分析法（DFA）是专门根据若干因素对预测对象进行分类的一种方法，通过分析可以建立用于定性预测的数学模型[11]。用判别分析方法处理问题时，通常要给出一个衡量新样品与已知组别接近程度的描述指标，即判别函数，同时指定一种判别规则，借以判定新样品的归属[12]。通过对数据的分析，从中得到不同货架期产品之间的差异，作为进一步研究的基础。

2 结果与讨论

2.1 货架期产品的理化指标变化

果汁饮料产品货架期品质变化见表3。

表3 果汁饮料产品货架期品质变化

由表3可知，可溶性固形物含量在货架期内没有发生明显变化，稳定在9.07%左右；酸度维持在0.26%～0.28%，pH值维持在3.55～3.59，没有明显变化。

产品在储存期间L值的变化见图2，产品在储存期间△DE变化情况见图3。

图2 产品在储存期间L值的变化

果汁饮料产品的颜色在储存期间一直有变化。由图2可知，在4℃，38℃下储存1个月，38℃下储存2个月条件下，L值（明亮度）一直在变化并下降，样品颜色由玫红色逐渐加深呈下降趋势，颜色变化较明显。图3中△DE值（总色差）是基于L值，a值，b值色差，并作为一个单独的指标来表示产品在储存期间色差变化情况，可看出产品在不同温度的储存期间颜色变化差异明显。

图3 产品在储存期间△DE值变化情况

2.2 电子舌结果与分析

电子舌数据结果见表4，不同货架期果汁饮料产品电子舌数据主成分分析见图4。

表4 电子舌数据结果

图4 不同货架期果汁饮料产品电子舌数据主成分分析

表4中的特征值为6个电极值，数据为5次重复测试样品的测量平均值；图4中6个记号点连成的图形代表此样品的整体特征，不同样品类别间品质的不同点、差异可以通过主成分得分的距离表征，样品距离越近说明样品品质特征越相似。

图4中横坐标主成分1贡献率68.25%，纵坐标主成分2贡献率22.31%，累计2个成分的百分数为90.56%。当贡献率累计达到85%以上时就认为基本上能用这2个主成分组成的二维图来表示整体的信息情况。

由图4可知，3款不同货架期产品间PCA分析（主成分分析）中能很好地落在各自的范围内而互不干扰；并且各个区域内点的离散度比较小，不同储存条件下的产品之间没有重合区域，存在一定的差异，说明电子舌系统可以很好地区分3款不同储存条件下货架期的样品。

2.3 电子鼻结果与分析

饮料产品的电子鼻响应信号见图5，电子鼻传感器数据结果见表5。

图5 饮料产品的电子鼻响应信号

表5 电子鼻传感器数据结果

图5中的每一条曲线代表1个传感器，曲线上的每1个点代表气味成分通过电子鼻传感器通道时相对电导率随采样时间的响应情况。横坐标是采样时间；纵坐标为传感器阵列的响应信号，是传感器接触到样品挥发物后的电阻G与传感器在经过洁净空气时电阻G0的比值。当传感器接触到样品挥发物后，电导率G发生改变，与初始电导率G0的比值G/G0随之变化。刚开始时相对电导率比较低，随着采样时间延长，挥发性物质在传感器表面进行还原反应，传感器的相对电阻率在不断增大，最后趋于平稳。表5是电子鼻的18根金属氧化物阵列传感器，分别为LY2/LG，TA/2，T40/1，T40/2，P30/2，P40/2，P30/1，PA/2，T70/2，P40/1，P10/2，P10/1，T30/1，LY2/gCT，LY2/gCTL，LY2/GH，LY2/AA，LY2/G的4次重复检测平均值。

电子鼻检测的PCA和DFA见图6。

由图6（a）可知，PC1贡献率96.44%，PC2贡献率3.33%，累计2个成分的百分数99.77%，3款不同储存期间的果汁饮料能够通过PCA分析很好地区分开来。图6（b）为基于不同货架期条件样品主成分分析，采用判别因子分析法建模的DFA分析图结果。经DFA分析后可以得出，通过分析可以将不同储存时间及储存条件的果汁饮料区分出来，区分效果良好。

图6 电子鼻检测的PCA和DFA

2.4 感官评价结果与分析

产品的总体喜好度情况见表6，产品在储存期间各属性变化情况见图7。

表6 产品的总体喜好度情况

通过对评价员测试，样品选择在避光的环境下测试，避免由于颜色对评价员造成的干扰，评价员对不同储存条件下的果汁饮料进行产品喜好度及接受度评价，并与电子舌结果进行比较。由表6和图7可知，3个样品的喜好度得分介于一般和有点喜欢之间，且在95%置信度下有显著性差异；接受度得分均介于一般和有点接受之间，且在95%置信度下有显著性差异。产品在4℃下储存2个月，38℃下储存1个月，38℃下储存2个月的花香气味上有明显差异。

3 结论

图7 产品在储存期间各属性变化情况

试验利用仿生检测设备电子鼻和电子舌，同时结合人工感官评价对果汁饮料货架期产品进行监控并加以鉴别区分，电子鼻、电子舌设备均能把不同储存条件的果汁饮料产品区分开，且可以与人工感官评价相结合对比，通过多方面数据分析可以更全面、合理地分析不同货架期果汁饮料产品的口感特点。随着对传感器技术、新材料技术及多元统计技术研究的不断深入，电子鼻、电子舌等仿生检测设备的应用前景将更加广阔。

[1]杨小兰，杨俊锋，张美霞.电子舌在食品加工在线检测中的应用研究 [J].饮料工业，2007，10（9）：6-9.

[2]姜莎，陈芹芹，胡雪芳，等.电子舌在红茶饮料区分辨识中的应用 [J].农业工程学报，2009， 25（11）：345-349.

[3]邹小波，赵杰文.电子鼻在饮料识别中的应用研究 [J].农业工程学报，2002，18（3）：146-149.

[4]Vlasov Yu G，Legin A，Rudnitskaya A M，et al.Electronic tongue-new analytical tool for liquid analysis on the basis of non-specific sensors and methods of pattern recognition[J].Sensors and Actuators B，2000，65：235-236.

[5]Seh ra G，Cole M，Gardner J W.Miniature taste sensing system based on Dual SH-SAW sensor device an electronic tongue[J].Sensors and Actuators B，2004，103：233-239.

[6]辛松林，杨妍.电子鼻的原理、应用现状及前景 [J].四川烹饪高等专科学校学报，2011（1）：23－25.

[7]王晓兰，云战友.包装食品的货架期及其预测方法 [J].乳业导刊，2006（2）：35-37.

[8]蔡燕芬，刘期成.食品储存期加速测试及其应用 [J].粮油加工与食品机械，2003（10）：76-79.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 12143—2008饮料通用分析方法 [S].北京：中国标准出版社，2008.

[10]何晓群.多元统计分析 [M].北京：中国人民大学出版社，2004：135-165.

[11]许禄，邵学广.化学计量学方法 [M].第2版.北京：科学出版社，2004：47-58.

[12]吴浩，刘源，顾赛麒，等.电子鼻、电子舌分析和感官评价在鱼糜种类区分中的应用 [J].食品工业科技，2013（18）：80-83.◇

Applications of Electronic Nose and Electronic Tongue in Monitoring the Quality and Shelf Life of Fruit Juice Drinks Products

WU Weili，ZHAO Yun，LIU Xiongfei，SU Xiaoxia
（Brand Food R&D Center，COFCO Nutrition&Health.，Beijing 102209，China）

Electronic nose and electronic tongue have been widely used with the development of bionic technology and sensor technology.The working principle of electronic nose and electronic tongue are introduced.And monitoring the quality and shelf life of fruit juice products.The data is obtained by PCA and DFA at the same time combined with physical and chemical analysis.And the results are compared sensory evaluation.The results show that the electronic tongue and electronic nose equipment can be a good basis for the different conditions of fruit juice drinks product features classification，and the results are consistent with the results of sensory evaluation.

electronic nose；electronic tongue；sensory evaluation；monitoring of shelf life

TS252.7

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.12.026

1671-9646（2016）12b-0001-05

2016-11-01

吴伟莉（1974— ），女，硕士，工程师，研究方向为食品科学与工程。