基于人工感官、电子舌和σ-τ法研究食品甜香成分对甜味的相互作用规律

张翼鹏，张伟，吴家灿，马宁，王明锋

(云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明 650231)

电子舌作为一种快速检测食品风味的仪器，能够解决人工感官评价中耗时、耗成本的缺点，客观地评价了食品的风味。其原理是电子舌中的味觉传感器阵列部分对待测样品进行响应，将响应值转化为电信号，而电信号会进入到模式识别系统中，通过该系统的处理和转化，会将电信号输出为相对应的味觉结果[1]。电子舌技术发展迅速，传感器的组成阵列由几个增加到数十个，代表着电子鼻技术愈发成熟，检测准确度与灵敏度越来越高。目前电子舌技术已经被运用到黄酒、葡萄酒、橙汁、茶饮料、肉类等食品中，可以用来分析食品中的感官值，建立模型，用来寻找最佳工艺条件或进行样品比对[2]。

目前关于甜味的相关研究可以分为三类：一类是关于甜味物质的测定，该方面研究主要是基于色谱法鉴定单一甜味物质及测定其含量，注重的是鉴定种类和测定含量[3]，可以将香气物质与味觉物质之间的相互作用分为3种，即协同作用、掩盖作用和无作用。香气物质与味觉物质混合在一起时，感官属性增强，则它们之间的相互作用称为协同作用；感官属性减弱，则它们之间的相互作用称为掩盖作用；感官属性强度未发生变化，则它们之间的相互作用称为无作用[4-5]。

σ-τ模型[6]是通过二元混合物的混合感官强度值，研究二元混合物之间的相互作用关系。Laing等[7]通过 σ-τ图法研究得出，当混合物τ小于0.5时，混合物主要在低加成区域。但当τ大于0.5时，大部分混合物会出现在折中区域；Cometto等[8]以感官强度尺度评价16种不同比例的乳酸和甲醛混合物的嗅觉剌激强度，发现两者存在相互叠加作用；Nahon等[9]在黑加仑饮料中加入甜味剂，结果发现：其对果香有促进作用，对酸香有抑制作用；该方法主要对二元香气物质之间的相互作用进行了研究，并没有涉及到香气物质与甜味成分间的相互作用关系。

近年来，随着生活水平的提高，人们的饮食模式也朝着高脂肪、高热量、高糖膳食摄入的方向发展，更易引发慢性疾病，对健康产生不良影响。目前减少添加糖的摄入日益受到世界范围的关注，很多国家和地区均已将降糖提升到国家强制管控层面。全球政策的引导加快了减糖食品产业的发展和新产品的上市，满足了人们对健康食品的需求，低糖食品正在成为新的趋势。如何科学地打造配方，在保障健康饮食的同时，满足人们挑剔的味蕾，“减糖不减味”成为食品行业面临的共同问题。

运用“多感官融合”的原理，通过增强其他感官感受以同步增强甜味的感知，是一种“减糖不减味”的有效方式。研究表明，通过在乳制甜品中加入香草香气，实现了在不影响甜味强度的前提下，使蔗糖含量降低30%～40%[10]。利用香气作为“减糖”工具，其机制可能是利用人们先前对甜味与特定香气组合获得的美好体验，给大脑提供了积极信号，增强了对甜味的感受。

通过多感官融合技术，添加特定的香气成分可以有效增强甜味剂的甜味属性。如肉桂醛具有肉桂香气，使用含有肉桂醛的调味品能够改善卤制品的辛甜风味[11]。苯乙醇具有玫瑰花花香和甜香，在玫瑰醋类似产品中合理使用苯乙醇，能够增加其玫瑰的清甜特征香气[12]。添加呋喃酮类化合物能够赋予酱油焦甜香气[13-14]。该技术可以广泛应用于饮料、烘焙、冰淇淋等领域中，添加特定的香气成分，保持风味的完整性，满足味蕾的需求。

因此，本文通过人工感官评价结合电子舌味觉分析系统和σ-τ法对甜香物质与甜味之间的相互作用规律进行研究，使香气物质与味觉感官联系起来，旨在更加安全合理地使用这些物质，尽可能地减少甜味剂的添加，符合人们对美好生活的追求[15]，对安全健康食品的开发具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

葡萄糖、肉桂醛、γ-癸内酯、香兰素、呋喃酮、苯乙醇、苯甲醇、乙醇(99.5%)、酒石酸、氯化钾：以上原料均属食品级，均购自上海泰坦科技股份有限公司；超纯水：广州屈臣氏食品饮料有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 溶液配制

不同浓度葡萄糖溶液的配制：在超纯水中加入5%乙醇、0.045 g酒石酸、2.24 g氯化钾，定容至1 L，此溶液作为溶剂。使用该溶剂配制样品，浓度见表1，待检测用。

表1 不同浓度葡萄糖样品Table 1 The glucose samples with different concentration

不同浓度单一香料溶液的配制：在超纯水中加入5%乙醇、0.045 g酒石酸、2.24 g氯化钾，定容至1 L，此溶液作为溶剂。使用该溶剂配制不同浓度原料溶液样品，浓度见表2，待检测用。不同浓度单一香料与50 g/kg葡萄糖的混合物溶液的配制：在超纯水中加入5%乙醇、0.045 g酒石酸、2.24 g氯化钾、50 g葡萄糖，定容至1 L，此溶液作为溶剂。使用该溶剂配制不同浓度原料溶液样品，香料浓度见表2，待检测用。

表2 不同浓度单一香料样品Table 2 The single aroma material samples with different concentration

1.2.2 电子舌分析

实验中使用的是日本Insent公司的TS-5000Z型电子舌，其传感器类型有AE1传感器(检测涩味)、C00传感器(检测苦味)、GL1传感器(检测甜味)、CT0传感器(检测咸味)、AAE传感器(检测鲜味)、CAO传感器(检测酸味)。

使用GL1传感器检测所有样品的甜味值，在检测前需要对电子舌进行稳定性自检，待自检通过后就能进行样品的检测，分别检测不同浓度的葡萄糖溶液、单一香料、葡萄糖和不同浓度单一香料混合物的甜味值，每个样品共测5次，取后3次测定数据的平均值为样品的甜味值。

1.2.3 人工感官评价

人工感官评价人员应符合以下要求：身体健康，嗅觉、味觉正常，具有较高的感官灵敏度；通过专业训练与考核，掌握品评规程及品评方法；不易受个人情绪及外界因素影响，判断评价客观公正；评价人员若出现感冒、疲劳等症状则不宜进行评价，评价前不宜吃刺激性强的食物，也不宜使用带有香气的化妆品，评价过程中不宜吸烟，否则会影响评价的结果。

本实验的感官评价人员共10名(均为上海应用技术大学研究人员，年龄在20～30周岁，男女各5位)，所有评价人员都经过长期的训练，无不良嗜好，评价前均无不良症状等。评价实验是在专门的感官评价室进行，装样品的杯子都统一采同一规格的品尝杯，并且随机编号(三位数的编号，如“212”)，分批次呈现样品给感官人员，为了避免人员疲劳，每轮次中间休息10～20 min。评价标准以10%的蔗糖水溶液的品尝甜度为1，对样品进行相应的甜度打分，若无甜度，则为0[16]。重复3次，结果取平均值。

1.2.4 σ-τ分析

Pattet在前人的基础上通过研究二元混合物的混合感官，提出了σ-τ强度模型。通过对A，B化合物单独存在时的甜度值与它们混合物的甜度值进行比较来判断A，B之间甜度值的关系和影响。混合物甜度值与单独组分甜度值之和的比值定义为σ，计算公式为：σ=IAB/(IA+IB)；单独组分甜味值与单独组分甜度值之和的比值定义为τA或者τB，计算公式为τA=IA/(IA+IB)，τB=IB/(IA+IB)。其中IAB是A和B混合物的整体感知甜度值，IA和IB是A和B组分在单独品尝时的甜度值。组分间的5种相互作用关系见图1。若混合物的甜度值大于各组分单独存在时的甜度值之和，即σ>1时，表现为超加成或协同作用效果；若混合物的甜度值等于各组分单独存在时的甜度值之和，即σ=1时，表现为完全加成效果；若混合物的甜度值小于各组分单独存在时的甜度值之和，即σ<1时，表现为低加成作用效果。低加成作用还分为以下3种情况：①当max(τA，τB)<σ<1时，表现为加成作用效果；②当min(τA，τB)<σ

图1 σ-τ图Fig.1 σ-τ diagram

2 结果与讨论

2.1 不同浓度葡萄糖的甜味值

由表3和图2中a可知，在5～200 g/kg的浓度范围内，电子舌检测的甜味值随着葡萄糖浓度的增加而增加，其中最高的甜味值为5.56，最低的为-0.337，浓度为5 g/kg和10 g/kg时甜味值出现负值的原因可能是该葡萄糖的浓度低于电子舌仪器的检测浓度范围。同样的浓度范围内，人工感官评价得出的甜味值也随着葡萄糖浓度的增加而增加，其中最高甜味值为1.75，最低为0.175，该人工感官的结果甜味值和电子舌的结果甜味值增长趋势都是随着浓度的增加而增加，说明两结果相一致。人工感官甜味值最低值高于电子舌测得的甜味值，最大值小于电子舌测得的甜味值，说明电子舌结果可以更好地体现甜味效果。在研究不同物质对葡萄糖甜味的影响作用时，选择浓度为50 g/kg的葡萄糖，此时甜度增长速率最快，适宜研究。50 g/kg的葡萄糖电子舌测得的甜味值为1.473，人工感官测得的甜味值为0.575。

表3 不同浓度单物质及混合物质的甜味值Table 3 The sweetness values of different concentration of single substance and mixtures

续 表

图2 不同浓度葡萄糖的电子舌与人工感官甜味值对比图(a)和6种香料与葡萄糖混合物的甜味值图(b～g)Fig.2 Comparison of sweetness values of different concentration of glucose by electronic tongue and artificial senses and the sweetness values of 6 kinds of aroma raw materials and glucose mixtures (b～g)

2.2 不同浓度香气物质与葡萄糖混合物的甜味值

为了考察香气物质与葡萄糖的相互作用，选取6种香气物质作为研究对象(苯甲醇、苯乙醇、肉桂醛、γ-癸内酯、香兰素、呋喃酮)，采用电子舌技术结合人工感官评价和σ-τ法研究香气物质与葡萄糖的协同作用规律。

不同浓度苯甲醇和苯乙醇与葡萄糖混合溶液的甜味值测定结果见表3、图3中h和图3中i。这两种香料表现出相同的规律，即单一香料在电子舌与人工评价结果中，甜味值随着浓度的增加而增加。在与葡萄糖混合后，电子舌检测的甜味值和人工感官评价结果中，混合后的甜味值随着苯甲醇和苯乙醇浓度的增加而增加且大于葡萄糖和单一香料的甜味值。浓度为50 g/kg的葡萄糖溶液的电子舌甜味值是1.473，分别添加不同浓度的苯甲醇和苯乙醇后，电子舌测得混合物的甜味值分别大于1.473，说明苯甲醇和苯乙醇有提高葡萄糖甜味值的作用。由图2中b和c可知，在苯甲醇和苯乙醇较低浓度时(浓度<20 mg/kg)，葡萄糖的甜味增加最快，在浓度较高时，混合物的甜味增长趋势趋于平缓，原因可能是苯甲醇或苯乙醇浓度过高，协同效果趋于饱和。

图3 6种单一香料与混合物的甜味值对比图(h～m)Fig.3 Comparison of sweetness values of 6 kinds of single aroma materials and mixtures (h～m)

由表3和图2中d、图3中j可知，肉桂醛的人工感官评价的甜味值和电子舌检测的甜味值呈现随着浓度的增加而降低的趋势。葡萄糖与不同浓度的肉桂醛混合物的电子舌检测和人工感官评价中，在0.1～1 mg/kg范围内肉桂醛与葡萄糖混合物的电子舌检测的甜味值随着浓度的增加而增加，在1～50 mg/kg范围内随着浓度的增加而降低，同样，人工感官评价结果中也发现了相似的结果，说明肉桂醛和葡萄糖在低浓度(0.1～1 mg/kg)有协同作用，在高浓度(150 mg/kg)有掩盖作用。可能是因为肉桂醛作为一种辛香料，在低浓度时，辛香浓度作用效果较弱，因而甜味比1.473还要高；浓度增加后，辛香气息较强，抑制效果增强，因而甜味降低。

由表3、图2中e和图3中k可知，当不同浓度的γ-癸内酯与葡萄糖混合时，检测结果显示γ-癸内酯的人工感官评价的甜味值和电子舌检测的甜味值随着浓度的增加而减少，在葡萄糖与不同浓度的γ-癸内酯混合物结果中，电子舌检测的甜味值总体随着γ-癸内酯浓度的增加而减少，浓度为50 g/kg的葡萄糖溶液的电子舌甜味值是1.473，而混合物电子舌测得的甜味值始终高于1.77，说明γ-癸内酯的加入使得葡萄糖的甜味值增加，但是随着γ-癸内酯浓度的增加，加成效果反而下降。

不同浓度香兰素与葡萄糖混合溶液的甜味值检测结果由表3、图2中f和图3中l，香兰素单一香料的人工感官评价和电子舌检测的甜味值随着浓度的增加先降低后升高。葡萄糖与不同浓度的香兰素混合物的检测中，电子舌检测的甜味值随着浓度的增加而增加，但始终小于单一葡萄糖所表现出的甜味值。即浓度为50 g/kg的葡萄糖溶液的电子舌甜味值是1.473，添加香兰素之后，在添加的香料浓度范围内，混合物的电子舌测得的甜味值始终比单一葡萄糖的甜味值低，说明香兰素在此范围内和葡萄糖有掩盖作用。

不同浓度呋喃酮与葡萄糖的混合溶液表现出的规律见表3、图2中g和图3中m，呋喃酮的人工感官评价的甜味值和电子舌检测的甜味值随着浓度的增加而减少。在葡萄糖与不同浓度的呋喃酮混合物检测中，电子舌检测的甜味值随着浓度的增加而减少，同样的，人工感官评价结果中，也发现了甜味值总体趋势为随着呋喃酮浓度的增加而减少，而且电子舌检测的甜味值始终小于单一葡萄糖溶液的甜味值，说明呋喃酮和葡萄糖有掩盖作用。

2.3 不同与葡萄糖混合物之间的相互作用

由图4中A可知，50 g/kg葡萄糖与7个浓度(0.5，1，5，10，20，40，50 mg/kg)的苯甲醇混合物的点落在了加成区域，说明这几个点与葡萄糖发生加成作用；而50 g/kg葡萄糖与30 mg/kg的苯甲醇混合物的点落在了协同区域，则说明发生了协同作用。通过分析可以得出，低浓度苯甲醇会与葡萄糖发生加成，随着浓度的升高会出现协同作用，但浓度过高时，甜味值的增加速率缓慢，呈现加成作用效果，这与电子舌测得的甜味值结果一致，当不同浓度的苯甲醇加入葡萄糖溶液中，使得葡萄糖溶液的甜味值增加。和苯甲醇与葡萄糖之间的结果类似，50 g/kg葡萄糖与8个浓度(0.1，0.5，1，5，10，20，40，50 mg/kg)的苯乙醇混合物的点落在了加成区域，见图3中B，说明这几个点与葡萄糖发生加成作用;而浓度为30 mg/kg的苯乙醇所分析出的点落在了完全加成区域，说明该浓度点的苯乙醇与葡萄糖发生完全加成作用，同样与葡萄糖溶液混合后显示出加成效果的还有肉桂醛。50 g/kg葡萄糖与4个浓度点(0.1，0.5，5，10 mg/kg)的肉桂醛混合物的点落在了加成区域，说明与葡萄糖发生加成作用；而与浓度为1，20 mg/kg的点落在完全加成区域，说明发生完全加成作用。因为浓度为30，40，50 mg/kg的点的τ值都超出了1，使得3个点在图中的作用区域没有出现，因此无法判断这几个浓度点的作用。

图4 6种香料与葡萄糖混合物的σ-τ图Fig.4 σ-τ diagram of 6 kinds of aroma materials and glucose mixtures注：A为苯甲醇；B为苯乙醇；C为肉桂醛；D为葵内酯；E为香兰素；F为呋喃酮，PPT+BJC0.1表示葡萄糖与0.1 mg/kg苯甲醇组合；PPT+BYC0.1表示葡萄糖与0.1 mg/kg苯乙醇组合；P+RGQ0.1表示葡萄糖与0.1 mg/kg肉桂醛组合；P+GNZ0.1表示葡萄糖与0.1 mg/kg γ-癸内酯组合；P+XLS0.1表示葡萄糖与0.1 mg/kg香兰素组合；P+FNT0.1表示葡萄糖与0.5 mg/kg呋喃酮组合。

由图4中D可知， 50 g/kg葡萄糖与9个浓度(0.1，0.5，1，5，10，20，30，40，50 mg/kg)的γ-癸内酯混合物的点落在了加成区域，说明这几个点与葡萄糖发生了加成作用。另外，有一些与葡萄糖溶液发生了折中作用，见图4中E和F，50 g/kg葡萄糖与9个浓度(0.1，0.5，1，5，10，20，30，40，50 mg/kg)的香兰素混合物的点落在了折中区域，说明这几个点与葡萄糖发生了折中作用，即香兰素的加入使得葡萄糖的甜味值降低，使得混合物的甜味值小于葡萄糖的甜味值。另外，有研究表明香兰素可以提升蔗糖的感官甜度值，这一结果可能由于人的感官差异导致，因为在研究中丹麦人群甜度值打分高于中国人群。50 g/kg葡萄糖与浓度为0.5，1，5，10，20，50 mg/kg 的呋喃酮点落在折中区域，说明这几个浓度的呋喃酮与葡萄糖发生了折中作用，即呋喃酮的加入使得葡萄糖的甜味值降低，使得混合物的甜味值小于葡萄糖的甜味值。而浓度为100，200，500 mg/kg浓度的呋喃酮的点因为它们的τ值大于1，且σ值小于0，未出现在作用区域内，故无法判断相互作用。

3 结论

本文通过电子舌分析、人工感官评价和σ-τ法，研究了具有甜香韵的物质苯甲醇、苯乙醇、肉桂醛、γ-癸内酯、香兰素和呋喃酮对葡萄糖甜味值的影响。结果发现，苯甲醇、苯乙醇、γ-癸内酯与葡萄糖的混合物的甜味值全都高于单一葡萄糖的甜味值；肉桂醛与葡萄糖的混合物的甜味值出现部分低于单一葡萄糖的甜味值，另一部分高于单一葡萄糖的甜味值；香兰素、呋喃酮与葡萄糖的混合物的甜味值全都低于单一葡萄糖的甜味值。通过本课题的研究，成功找到了对甜味属性具有增强作用的香气成分，为实现后续饮料、饼干、面包、冰淇淋等产品“减糖不减味”的目标，保持食品风味，满足人们的味蕾享受，最终实现安全健康的饮食提供了重要参考。