基于电子鼻和电子舌技术的辣木籽风味分析

黄璜，王凤玲，孙超仁，凡琪，杨沛洁

（天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津 300134）

辣木（Moringa oleifera Lam.），辣木科辣木属多年生植物，在非洲、亚洲地区均有种植[1-2]。目前已知有14个品种，国内较为常见的是印度传统辣木、非洲辣木和以中国云南为主的印度改良辣木3种[3]。因其根有辛辣味，得名辣木[4]。辣木籽是辣木的种子，其作为一种纯天然绿色食品，富含油脂、蛋白质、维生素、黄酮等营养成分[5-6]，具有抗氧化[7]、抗肿瘤[8]、降血糖血脂[9-10]、护肤[11]等多种生物活性，因此近些年来深受人们欢迎，辣木籽相关功能性食品的开发利用也逐渐兴起，前景广阔[12]。

辣木籽口感独特，不同体质的人可尝出酸、苦、涩、呕、腥、甜6种味道，甜味代表体质健康[13]。风味是食品重要品质之一，包括滋味和气味两部分，目前多采用感官评价法、气相色谱法、气相色谱-质谱联用法以及电子鼻、电子舌等技术对食品风味进行分析[14]。其中，感官评价法因个人主观差异易对试验结果产生较大偏差[15]；气相色谱法和气相色谱-质谱联用法检测成本高、时间长，无法描述食品整体风味[16]；电子鼻和电子舌联用技术在肉类[17]、中药[18]、水果[19]中均有报道，具有快速、简便、能准确反映食品整体风味等优点。

目前，辣木籽因品种差异导致价格上相差较大，市场上出现以次充好等现象，建立一种能快速鉴别不同品种辣木籽的方法尤为重要。因此，本研究通过电子鼻结合电子舌技术，利用优化后提取检测条件测定10种辣木籽风味，进行主成分分析（principal component analysis，PCA）、判别因子分析（discriminant factor analysis，DFA）、雷达图、气味成分及味觉分析，研究不同品种辣木籽在气味和滋味上的差异，为辣木籽的品种鉴别以及风味研究提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

nC6～nC16正构烷烃标准品：美国Restek公司；10种辣木籽于4℃下保存，具体样品信息见表1。

表1 辣木籽样品信息Table 1 Information of Moringa seed samples

1.2 仪器与设备

Heracles II快速气相电子鼻-气味指纹分析仪、Astree II电子舌味觉指纹分析仪：法国Alpha MOS有限公司；FW135中草药粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理

辣木籽去壳，粉碎，过40目筛，制备辣木籽粉，4℃下密封保存，备用。

电子鼻样品前处理：分别称取适量10种辣木籽粉于20 mL顶空瓶中待测，每种样品平行3次。

电子舌样品前处理：称取10种辣木籽粉各5.0 g，加100 mL水溶解，3 000 r/min离心10 min，过滤。取上清液于25 mL烧杯中待测，每种样品平行3次。

1.3.2 基本参数设定

电子鼻基本参数设定：进样量5 000 μL、注射速度125 μL/s、进样口温度 200 ℃、进样口压力 10 kPa、捕集温度40℃、采集时间110 s、阀温度250℃、检测器温度260℃、振荡器搅拌速度500 r/min。

电子舌基本参数设定：测定前需经过活化、校准和诊断等过程[20]。室温25℃下测定，样品采集时间120 s、采集周期 1.0 s、搅拌率 1 r/s。

1.3.3 提取检测条件优化

电子鼻试验条件优化：对辣木籽粉的不同样品量（0.2、0.5、0.8、1.0 g）、不同孵化温度（50、60、70、80 ℃）等参数条件进行优化，以峰响应强度和个数为指标，确定最适样品量和孵化温度[21]。

电子舌提取方法优化：研究沸水提取法（沸水溶解辣木籽粉，冷却至室温25℃）和水浴加热法（70℃水浴加热溶解辣木籽粉30 min，冷却至室温25℃）2种提取方法对电子舌传感器响应值相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）的影响，优化辣木籽中滋味物质的提取方法。

1.3.4 辣木籽气味成分分析

取20 μL正构烷烃标准品，采用1.3.3中电子鼻最优检测条件进样分析，记录各正构烷烃的峰保留时间，根据Kovats保留指数对比Arochembase数据库，对样品中气味成分进行定性分析。

1.4 数据处理与分析

对原始数据进行PCA、DFA、雷达图和味觉分析，由仪器自带软件Alpha soft Version 14.5完成，Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 电子鼻对辣木籽气味的检测分析

2.1.1 样品量优化分析

不同样品量下的电子鼻响应强度如图1所示。

图1 不同样品量下的电子鼻响应强度Fig.1 Electronic nose response intensity under different sample sizes

由图1可知，响应强度随样品量增加而增大，当样品量为0.8 g时，图中色谱峰响应强度适宜，能清楚反映出各气味成分的强度及个数；增加至1.0 g时，响应强度达到饱和值，考虑保护仪器及节约样品[22]，选取0.8 g为最适样品量。

2.1.2 孵化温度优化分析

不同孵化温度下的电子鼻响应强度见图2。

图2 不同孵化温度下的电子鼻响应强度Fig.2 Electronic nose response intensity at different incubation temperatures

由图2可知，随孵化温度的升高，响应强度先上升后下降，70℃达到峰值，且峰个数最多；80℃时，强度下降，峰个数减少，可能是温度过高，部分挥发性气味成分分解[23]，因此确定最适孵化温度为70℃。

2.1.3 电子鼻色谱图分析

根据色谱峰的保留时间和强度绘制10种辣木籽样品的电子鼻色谱图见图3。

图3 10种辣木籽电子鼻色谱图Fig.3 Electronic nose chromatograms of 10 Moringa seeds

由图3可知，3个品种辣木籽的色谱图中峰响应强度和个数存在较大差异，说明Heracles II电子鼻能很好区分不同品种辣木籽。

2.1.4 PCA结果分析

10种辣木籽的电子鼻PCA结果见图4。

图4 10种辣木籽电子鼻PCA图Fig.4 PCA diagram of 10 Moringa seeds by electronic nose

由图4可知，PCA的识别指数为90（＞80[24]），说明电子鼻能较好地区分10种产地辣木籽。主成分1和主成分2的方差贡献率分别为83.106%和9.124%，累积贡献率为92.230%（＞85%[25]），表明2种主成分能准确反映出10种辣木籽气味物质的整体信息。

2.1.5 DFA结果分析

对10种辣木籽电子鼻数据进行DFA结果分析，见图5。

图5 10种辣木籽电子鼻DFA图Fig.5 DFA diagram of 10 Moringa seeds for electronic nose

由图5可知，I1、I2和I3分布在判别因子（discriminant factor，DF）1正半轴，A1与 A2分布在第二象限内，Y1、Y2、Y3、Y4和 Y5则分布在第三象限内，说明同一品种辣木籽的气味相近，不同品种之间气味上有较大差异。3个品种辣木籽响应值分布在不同区域内且无重叠，因此可用于判别不同品种辣木籽，与色谱图分析一致。

2.1.6 气味成分分析

10种辣木籽的气味成分、相关指数及感官描述见表2。

表2 10种辣木籽的气味成分、相关指数及感官描述Table 2 Odor components，correlation indexes and sensory description of 10 Moringa seeds

续表2 10种辣木籽的气味成分、相关指数及感官描述Continue table 2 Odor components，correlation indexes and sensory description of 10 Moringa seeds

由表2可知，10种辣木籽共检出64种气味物质成分，其中醇类化合物8种，酮类化合物9种，醛类化合物9种，酯类化合物12种，烷烃类化合物6种，萜烯类化合物6种，其他类化合物14种。

10种辣木籽中共有气味成分27种，其中醇类5种，酮类3种，醛类3种，酯类5种，烷烃类3种，萜烯类1种，其他类7种。印度传统品种辣木籽的特有气味成分为菊苣酮（强烈的焙烤焦糖香味）和月桂酸丁酯（花生香气）；中国云南改良品种辣木籽的特有气味成分为δ-癸内酯（椰子及桃子果香）、乙酸己酯（水果香、梨的酸甜味道）；非洲品种辣木籽的特有气味成分只有丁香酚（丁香香气）。

2.2 电子舌对辣木籽滋味的检测分析

2.2.1 提取方法优化分析

试验比较2种提取方法，每种方法重复测定6次，记录 AHS（酸味）、PKS（通用）、CTS（咸味）、NMS（鲜味）、CPS（通用）、ANS（甜味）、SCS（苦味）7根传感器响应值，计算RSD，沸水提取法下RSD分别为1.73%、3.70%、4.05%、1.91%、3.38%、1.44%、3.13%，水浴加热法下RSD分别为0.82%、0.33%、1.06%、0.47%、1.20%、0.88%、1.84%，水浴加热法RSD值更小，重复性更好，因此选择水浴加热法提取辣木籽中滋味物质。

2.2.2 滋味雷达图分析

每种辣木籽样品做3次平行试验，计算味觉传感器响应强度的平均值，得到雷达图见图6。

图6 10种辣木籽电子舌雷达图Fig.6 Radar chart of 10 Moringa seeds by electronic tongue

由图6可知，I1、I2 和 I3，A1 和 A2，Y1、Y2、Y3、Y4和Y5辣木籽样品的各传感器响应强度数值接近，表明同一品种辣木籽的滋味相似；同时，传感器AHS、CTS、NMS、CPS、ANS 和 SCS 对不同品种辣木籽样品的响应值离散程度较大，说明这6种传感器能较好区分不同品种辣木籽。

2.2.3 PCA结果分析

10种辣木籽电子舌PCA结果见图7。主成分2贡献率3.037%，累积贡献率为98.426%，说明2种主成分可以反映出辣木籽整体滋味。中国云南改良品种的 Y1、Y2、Y3、Y4、Y5 分布于 DF1 负半轴，非洲品种的A1、A2集中在第一象限，印度传统品种的I1、I2、I3集中于第四象限，说明不同品种辣木籽的滋味有很大差异，而同一品种间滋味相近，与雷达图分析结果一致。

图7 10种辣木籽电子舌PCA图Fig.7 PCA diagram of 10 Moringa seeds by electronic tongue

由图7可知，识别指数为92，说明电子舌对10种辣木籽滋味有良好区分度；主成分1贡献率95.389%，

2.2.4 DFA结果分析

10种辣木籽电子舌DFA分析结果见图8。

图8 10种辣木籽电子舌DFA图Fig.8 DFA diagram of 10 Moringa seeds by electronic tongue

由图8可知，DF1贡献率95.329%，DF2贡献率2.958%，2种主成分累积贡献率为98.287%，涵盖了辣木籽中大部分滋味物质信息。中国云南改良品种辣木籽分布于DF1负半轴，非洲品种辣木籽集中在第四象限，印度传统品种辣木籽集中于第一象限，3个品种辣木籽的分布规律与PCA图类似，与雷达图、PCA结果相互印证。

2.2.5 味觉分析

3个品种辣木籽的味觉分析结果见图9。

由图9可知，中国云南改良品种辣木籽有明显酸甜滋味，可能与其中酯类成分较多有关；印度传统品种辣木籽具有苦咸鲜口感，可能是由于辣木籽中含有较多刺激性成分；非洲品种辣木籽各传感器味觉值适中，滋味更为丰富，电子舌的味觉分析进一步印证了电子鼻的风味成分检测结果。

3 结论

试验优化了辣木籽中风味物质的提取检测条件，并在最优参数下，利用电子鼻结合电子舌技术测定印度传统品种、非洲品种和中国云南改良品种3个品种的10种产地辣木籽风味，对所得数据进行PCA、DFA、雷达图、气味成分和味觉分析：PCA和DFA结果表明同一品种的不同产地辣木籽风味相似，不同品种间风味差异较大；雷达图直观反映出不同品种辣木籽在气味和滋味的响应强度上存在差异；气味成分分析表明10种辣木籽共检测出64种气味成分，其中醇、酮、醛、酯类化合物较多；味觉分析结果显示印度传统品种辣木籽苦咸鲜味最重，中国云南改良品种辣木籽口感偏酸甜，非洲品种辣木籽各味觉值适中，滋味更为丰富。电子鼻、电子舌技术能快速、准确识别不同品种辣木籽的风味差异，为辣木籽的品种鉴别提供新方法，以及为辣木籽食品的风味研究、开发利用提供理论基础。