智能感官技术在大米及米酒感官品质分析中的应用

姜燕，郭海南，于润美，刘方哲

（1.大理大学公共卫生学院，云南大理671000；2.长春工业大学化学与生命科学学院，吉林长春130012）

大米食味性是指人们对米饭视觉、嗅觉、味觉和触觉的综合反应，受品种遗传、栽培条件、干燥方法、储藏加工、包装材料及蒸煮等条件影响[1]。“视觉”指米饭颜色、光泽、饭粒完整性；“嗅觉”指咀嚼米饭时的味道；“触觉”指米饭的硬度、黏弹等物理特性[2]。国内外对米饭的气味研究较多，已鉴定出米饭的风味成分有100多种，主要是醛、酮、酸、酯、醇、烃以及杂环等化合物。Sriseadka等[3]采用静态顶空气相色谱法证了米饭的芳香化合物为2－乙酰基－1－吡咯啉。米酒又称醪槽、甜酒、酒酿等，以糯米为原料发酵而成。研究人员对红米[4]、香米[5]、黑米[6]等原料应用于米酒生产的可行性进行了探讨，认为滋味和色泽是米酒品质的重要组成部分，其优劣直接决定了消费者对米酒的可接受性。

食品品质评价方法有感官评价、理化指标评价和仪器评价法[7]。人的感官评价主观性强、重复性较差，而电子鼻[8－9]、电子舌[10]和质构仪[11]等智能感官评价操作简单快速、分析高效准确。国内外已有用电子鼻、电子舌或质构仪检测牛肉[12]、苹果汁[13]、培根肉[14]、苹果[15]等品质的报道，展现了其在食品感官检测方面的广阔前景。本文采用智能感官分析技术，模拟人的鼻、舌和牙齿“感受”目标物的气味、滋味和质感，并将化学、物理信号转换成数字信号，与其自身数据库中的信息进行对比分析[16－17]，以区分不同品种大米和米酒的感官性状。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 大米

“万昌”：吉林省永吉县；“稻花香”、“639”、“长粒香”：黑龙江省五常市；“小粒”、“超级稻”：辽宁省盘锦市。

1.1.2 米酒

1号～3号米酒：湖北省孝感市；4号米酒：吉林省延边市；5号玛克丽米酒：韩国。

1.1.3 仪器

SmartNose电子鼻、SmartTongue电子舌：上海昂申智能科技有限公司；CT3质构仪：美国Brookfield公司。

1.2 电子鼻感官检测

电子鼻系统含有14个不同金属氧化物传感器：S1（芳香族化合物类：酚、酚醚、芳香醛）；S2（氮氧化合物和低分子胺类）；S3（硫化物类、硫醇、硫醚、二丙烯基二硫化合物、异硫氰酸酯、硫化丙烯化合物）；S4（有机酸酯和萜类）；S5（生物合成萜类和酯类）；S6香菇精（含5个S和2个亚甲基的七元环状化合物）；S7（脂肪烃含氧衍生物类和小分子的醇、醛、酸、酯）；S8（胺类）；S9（氢类）；S10（碳氢化合物）；S11（挥发性有机化合物烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、醛类、酮类）；S12（硫化物）；S13（乙烯）；S14（食物挥发的气体）。利用SmartNose智能识别软件系统，基于主成分分析方法获得最佳电子鼻传感器组合。

量取样品于电子鼻专用样品瓶中1/4处密封，室温放置10 min，待挥发性物质达到平衡状态后，采用动态顶空法采集气体进行检测，每组样品共测试7次。测定条件：进样流量1 L/min，检测时间60 s，等待进样时间为10 s，平行样品的清洗时间为60 s，不同样品间的清洗时间为120 s。

米饭的电子鼻检测：称取50 g大米，经过两次淘洗后，按米水比1∶2.2（g/mL）加入110 mL矿泉水，电饭锅煮熟，晾凉至室温，进行电子鼻检测。

米酒的电子鼻检测：将不同品牌的米酒倒入样品瓶的1/4处，进行电子鼻检测。

1.3 电子舌感官检测

将电子舌传感器经过校准后，量取处理好的样品于电子舌30 mL专用烧杯中。试验采用清洗溶液和待测样品交替检测序列进行，清洗溶液为蒸馏水。每种样品检测7次。用稳定状态下的信号进行分析，取120 s处的信号作为分析的时间点。

大米的电子舌检测：称取10 g大米倒入烧杯中，按米水比1∶10（g/mL）加入100 mL矿泉水浸泡10 min，取浸泡液15 mL进行电子舌检测[18]。

米酒的电子舌检测：用纱网过滤米酒15 mL进行电子舌检测。

1.4 质构仪检测

将煮熟的米饭装入圆柱形铝盒中，晾至室温，将大米压成圆柱形，表面平整，各处密度、厚度均匀，进入质构仪全质构（texture profile analysis，TPA）模式检测[19]。参数设置为：TA－AACC36圆柱形压缩探头，触发点负载7 g，预测试速度2 mm/s，测试速度1 mm/s，返回速度1 mm/s，压缩比例50%，两次压缩间隔时间5 s，循环次数2。每次测试后，用擦镜纸将探头擦拭干净，重复测试操作。

1.5 统计分析方法

利用Winmuster软件对采集到的信息进行主成分分析（principal component analysis，PCA）和线性判别分析（linear discriminant analysis，LDA），以样本数据聚集程度和区别指数为依据对样品进行定性判别[20]。

1.6 Kramer感官检验法

感官评定小组由15名评审员组成，评审员身体健康，无吸烟、酗酒等不良嗜好，对色、香、味有较强的分辨力和灵敏度，且1天内没有食用辛辣等刺激性食物[21]。在品评前用温水漱口，间隔30秒后品评下一组。要求品评者根据米饭和米酒的气味、外观结构、适口性（包括弹性、黏性、软硬度等）、滋味和质地按评价指标（见表1）进行评定，并按排序检验法对各产品的美味次序进行排序，利用Kramer检验法[22]判定各样品在嗜好性上的差异。

表1 米饭和米酒感官评价指标Table 1 Sensory evaluation indexes of rice and rice wine

2 结果与分析

2.1 米饭气味的电子鼻分析

在检测米饭挥发性成分时，传感器变化最明显的是S6、S9、S11、S14 4个传感器，故选为最佳传感器组合。利用电子鼻Winmuster软件对6种大米样品的信号数据进行PCA分析。以两个主成分Z1和Z2与其对米饭气味的方差贡献率构建的米饭气味综合评价模型为：Z=0.913Z1+0.052Z2。米饭样品电子鼻检测的PCA和LDA图见图1。

从PCA图（图1a）中可以得到：主成分1和主成分2的区分贡献率分别为88.5%和5.9%，累计贡献率为94.4（>85%），能够反映样品气味所含不同成分的整体信息。图1a中不同种类的样品在坐标上的分布区域不同，说明样品间的挥发性成分存在差异。从图1a可以看出，“超级稻”、“639”和“长粒香”之间有相互重合，说明有相似挥发性成分，“小粒”、“稻花香”和“万昌”分离较远，说明其气味有较大区别，尤其是“万昌”大米，与其他5种大米分布差别明显，具有独特的气味。万昌大米是吉林省吉林市永吉县万昌镇所产大米，位于北纬43°，土层深厚，有机质含量高，酸碱度适宜，是世界黄金水稻带的中央。

图1 米饭样品电子鼻检测的主成分分析和线性判别分析Fig.1 PCA and LDA plots of different rice detected by i-nose

线性判别分析（LDA）是将信息数据进行线性组合而重构判别函数，能够最大限度地区分不同类型样品集，结果如图1b所示。主成分1的区分贡献率为91.1%，主成分2区分贡献率为0.2%。第1主成分和第2主成分总的区分贡献率为91.3%（>90%）。从图1b中可以看出，6种大米完全分离，在气味成分上互不相同，说明6种米饭中存在的醛、酮、酸、酯、醇、烃以及杂环等化合物含量均不相同，证明LDA分析法能很好地区分不同品种的米饭样品。

2.2 大米的电子舌分析

不同大米的电子舌检测的PCA和LDA图见图2。

图2 不同大米的电子舌检测的主成分分析和线性判别分析Fig.2 PCA and LDA plots of different rice detected by i-tongue

利用电子舌Winmuster软件对6种大米样品的信号数据进行PCA分析（图2a）。以两个主成分Z1和Z2与其对大米滋味的方差贡献率构建的综合评价模型为：Z=0.812Z1+0.080 9Z2。其中，第1主成分和第2主成分的贡献率分别为80.12%和8.09%。从图中可以看出，“小粒”、“639”、“稻花香”之间有所重叠，说明3种大米在味觉上相似。图2b为电子舌检测和区分不同样品的LDA图。其中，第1主成分和第2主成分的贡献率分别为88.17%和11.65%，累计贡献率为99.82%（>90%），说明采集的数据可以在一定程度上反映大米滋味的整体情况。从图中可以看出6种大米得到了较好的区分与归类，其中，产自吉林永吉的“万昌”大米与其他产地的5种大米相隔很远，这可能是由于土地、气候、栽培措施、加工精度及其遗传物质的不同所导致的。

2.3 米饭的质构仪分析

TPA全质构分析通过模拟人的口腔咀嚼功能来测定米饭的物理性质，客观地将人的触觉感受分解成硬度、弹性、黏性、胶着性、咀嚼性、恢复性，从而评价米饭食味优劣。张志清等[23]对23批工程重组米样品的质构测定值和感官评分进行相关分析得到，硬度和黏性与感官评价各指标呈显著负相关，咀嚼性、弹性、粘聚性和回复性则为显著正相关。国家标准GB/T15682-2008《粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》中规定，适口性好的米饭应软硬度适中、弹性高、滑爽、有黏性但不黏牙。质构特性被认为是评价食品食用品质的首要方面，它能够客观地反映食品的质地与组织结构。

将6种大米在规定的条件下蒸煮制成米饭后测定其黏性、硬度、弹性、黏聚性、内聚性、咀嚼性等质构特性指标。不同品种大米蒸煮制成米饭后各质构特性指标存在明显差异，测试结果如表2所示。

表2 米饭的质构仪评价指标Table 2 Evaluation indexes of rice by texture analyzer

由表2可以看出，不同品种大米蒸煮成米饭后其硬度、弹性、咀嚼性的变异系数较大，分别为21.12%、12.59%和26.68%，表明米饭质构特性测试中，硬度、弹性和咀嚼性能够反映米饭的适口性，这与周显青的研究结果一致[24]。弹性与咀嚼性成正相关，“万昌”米饭的弹性和咀嚼性最大，表面米饭越有嚼劲。在大米的质构特性中，“黏硬度比”被作为评价米饭质构特性的一个重要指标[25]，当米饭硬度小、黏性大、黏硬度比越大，米饭的食味品质越好，口感品质最佳。6种样品中，“超级稻”黏硬度比最大，即其口感品质最好，其次是“639”、“小粒”、“万昌”，口感较差的是“长粒香”和“稻花香”。

2.4 米饭的Kramer感官鉴定结果

评审员参照感官评价指标（表1）进行评价，通过统计得分得到各样品的次序数总和Si分别为：S超级稻=25，S639=30，S小粒=36，S万昌=69，S长粒香=74，S稻花香=82。查找《Kramer次序检验表》判定，在置信度1%时，由于Smin即 S超级稻=25（<34），所以 6 种样品在嗜好性方面存在显著差异。其中“超级稻”的Si最小，表明其适口性最受评审员喜爱，与质构仪分析米饭的口感具有很好的一致性。

2.5 米酒气味的电子鼻分析

米酒中的呈香物质主要为醇类和酯类等，检测米酒挥发性成分最明显的传感器组合是S7、S11、S12、S13。不同米酒样品的电子鼻检测的PCA和LDA图见图3。

图3 不同米酒样品的电子鼻检测的主成分分析和线性判别分析Fig.3 PCA and LDA plots of different rice wines detected by inose

利用电子鼻Winmuster软件对5种米酒进行分析，从PCA图（图3a）中可以得到主成分1和主成分2的贡献率分别为76.2%和22.3%，累计贡献率为98.5%（＞85%），能够反映样品气味的整体信息，以两个主成分Z1和Z2与其对米酒气味的方差贡献率构建的米酒气味综合评价模型为：Z=0.762Z1+0.223Z2。从图3a可以看出，5种样品间分布较远，说明挥发性气体成分存在显著差异。LDA结果如图3b所示，第1主成分和第2主成分区分的贡献率分别为80.2%和16.1%，第1、2主成分总的区分贡献率为96.3%（＞90%）。5种样品分布间距很大，各自有着不同的气味，这是因为5种米酒的原料、配比、发酵时间和工艺不同，不同品牌米酒含有不同的醇、酯等挥发性气体成分。

2.6 米酒的电子舌分析

不同样品的电子舌检测的PCA和LDA图见图4。

图4a为用电子舌检测和区分不同米酒样品的PCA图。第1主成分和第2主成分的贡献率分别为73.73%和24.54%，由图可看出所有的样品均能被较明显地区分开。图4b为电子舌检测和区分不同米酒样品的LDA图。其中，第1主成分和第2主成分的贡献率分别为88.23%和11.67%，总贡献率为99.9%，大于90.0%，说明采集的数据可以代替米酒滋味的整体情况，5种米酒得到了很好的分离。

图4 不同样品的电子舌检测的主成分分析和线性判别分析Fig.4 PCA and LDA plots of different rice wines detected by itongue

米酒具有味觉和嗅觉的特征，是由芳香族分子在液体和气体状态下不同引起的。1号米酒的原料为糯米、酒曲、白砂糖；2号和3号米酒的原料为糯米、酒曲；4号米酒的原料为糯米、大米、大麦；5号米酒的原料为大米、酒曲、酵母、香蕉泥。由于不同的产地、原料和制作工艺使得米酒的成分（如有机酸、还原糖、氨基酸、乙醇、丙醇、淀粉、麦芽糖等）不同，因而导致了气味和滋味的不同。产自吉林延吉的4号米酒由于加入了大麦，使其在嗅觉与味觉方面与其他米酒差异较大。

2.7 米酒的Kramer感官鉴定结果

评审员参照感官评价指标表1进行评价，经统计得到各米酒样品的次序数总和Si分别为：S5号=26，S2号=30，S1号=31，S3号=59，S4号=73。查《Kramer次序检验表》判定，在置信度1%时，Smin即S5号=26（＜30），所以5 种米酒在气味、滋味、色泽方面都存在显著性差异。根据排序结果可以得出，最受评审员喜爱的是5号米酒，与其成分中添加的香蕉泥有关；其次是同一产地的1号～3号米酒，最不受欢迎的是4号米酒。

3 结论

本研究将电子鼻、电子舌和质构仪结合人的感官评定应用到米饭和米酒的气味、滋味及适口性的品质评价中。通过电子鼻和电子舌的PCA和LDA分析法可以将不同品种的米饭和米酒样品进行辨别区分。质构仪测得米饭的硬度、弹性和咀嚼性能够反映米饭的适口性，其中“超级稻”米饭的黏硬度比最大为0.69，说明其适口性最好，这与人的感官评定结果具有较好的一致性。5种米酒在气味、滋味、色泽方面都存在显著性差异，其中5号米酒最受消费者喜爱。智能感官技术与人的感官评价有机结合，可更有效地评价大米和米酒的感官品质。