基于电子舌和人工感官评价的菜用大豆食用品质特性分析

程 茜, 黄 璐, 沈 旭, 张晓燕, 袁星星, 薛晨晨,陈 新

(1.南京财经大学食品科学与工程学院,江苏南京 210023; 2.江苏省农业科学院经济作物研究所,江苏南京 210014)

我国作为最早驯化和种植大豆的国家,至少已有5 000年的栽培历史。菜用大豆为豆科大豆属中的一个栽培种,是指在R6(鼓粒盛期)至R7(初熟期)生育期间荚籽粒饱满、豆荚和籽粒都呈翠绿色时采摘,以豆粒供食用的大豆[1-2]。因其荚上有细毛,人们俗称为“毛豆”。菜用大豆因其独特的风味、丰富的营养,受到消费者喜爱;此外,具有调理肠道、降血压及胆固醇等药理活性,对调节人们膳食结构和改善营养状况具有重要作用[3]。近年来,菜用大豆的生产和市场得到迅速发展,市场供应期长、潜力大、经济效益好。目前栽培面积和出口量均达世界前列[4]。菜用大豆符合我国农业未来的发展与要求,特别是在我国对农业供给侧结构不断地理解、深化、改革的阶段,研究和种植菜用大豆都将有利于生态环境的保护,带来较高的经济效益。

根据多年的研究,菜用大豆品质主要包括外观品质、营养品质和食用品质[5]。菜用大豆的外观品质包括豆荚的饱满程度、色泽的翠绿程度及豆粒的大小,决定了菜用大豆的商品性。营养品质是指菜用大豆中的营养成分含量和组成。食用品质是指消费者食用菜用大豆时所获得的感官享受[6-7],一般体现在甜鲜度,其次是香味、口感、质地等方面。甜味是菜用大豆的食用品质之一,因个人差异,标准不一,但一般将甜味、鲜味、质地、香味作为评价菜用大豆的食味性状的指标[8]。研究表明,消费者尤其是年青人喜欢甜度高的菜用大豆[9]。一般来说,甜度高的菜用大豆口感好,这主要取决于籽粒中的蔗糖含量[10],鲜味取决于游离氨基酸含量,质地和糯性主要受脂肪、蛋白质、淀粉等的影响,香味取决于挥发性成分,菜用大豆的食用品质与其化学成分存在着一定的相关性[11]。菜用大豆食用品质评价通常采用传统的人工感官评价方法,受主观因素(个人喜好、情绪等)和外部环境的影响较大,且当样品量较大时,很难在一定程度上保证结果的准确性和客观性[12]。近年来,电子舌作为一种智能感官分析技术,逐步替代感官评价应用到食品品质检测领域中,具有操作简单、检测快速等优点,弥补了传统人工感官品评法主观性强且重复性差,费时费力、极易受环境因素影响的缺陷。电子舌自问世至今几十年,目前已应用于食品生产加工检测的产品的风味评价及比较[13-14]、产地溯源[15-17]、质量分级[18-19]、成熟前后风味变化[20-22]、食品加工[23-24]等各个领域。

江苏省作为我国菜用大豆主要种植和出口省份,其菜用大豆产业发展对全国生产有着重要的影响,目前,对于菜用大豆品种食用品质研究及相关化学组成报道略少,且长期以来对口感的评价一直以传统人工感官判断为主,口感风味智能化检测也缺少相应研究。本研究选择江苏省不同城市6种特色菜用大豆为研究对象(南通市、扬州市、泰州市、徐州市、盐城市、南京市),解析了菜用大豆主要品质性状组成(糖组分、氨基酸组分),采用电子舌和人工感官评价对菜用大豆食用品质进行分析,并分析二者之间的关联性,旨在充分了解菜用大豆食用品质相关主要化学成分组成、不同品种差异与共性特征,为菜用大豆食用品质的智能化评判提供有效参考和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

从江苏省菜用大豆种植面积排行前6位的地级市中各选取1个菜用大豆品种,包括通7-391-1(南通市)、四粒黄(扬州市)、青棵圆豆(泰州市)、邳县四粒糙(徐州市)、青6号(盐城市)、苏豆18号(南京市),于2020年6月种植于江苏省农业科学院南京玄武区试验田,2020年9月收获。试验种植在一个完整的区块,设计为3个重复,种植7行,每行行长4 m,试验收获材料选自内层5行,外层作为隔离保护行。大豆种植行距为0.4 m,株距为 0.15 m。保持所选材料在灌概、施肥与病虫防治等方面一致。所有的菜用大豆都是在种子发育的鼓粒盛期R6期收获。选择成熟且无物理损伤或感染、色泽均一的菜用大豆嫩荚为试验材料。

乙腈(色谱纯),国药集团化学试剂有限公司生产;磺基水杨酸、亚铁氰化钾三水合物,上海源叶生物科技有限公司生产;果糖、蔗糖、葡萄糖标准品(纯度98%以上),北京索莱宝科技有限公司生产;氨基酸混合标准溶液,美国Sigma公司生产;其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

ASTREE电子舌,法国Alpha M.O.S公司生产;L-8900氨基酸分析仪,日本株式会社日立制作所生产;1260 HPLC高效液相色谱仪,美国Agilent公司生产;GL-21M高速冷冻离心机,上海市离心机械研究所有限公司生产;JYL-C020E九阳打浆机,九阳股份有限公司生产。

1.3 试验方法

1.3.1 糖组分分析 菜用大豆糖组分分析的参考GB 5009.8—2016《食品安全国家标准 食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖的测定》,采用高效液相色谱法(HPLC)。精确称取1 g菜用大豆冻干粉于50 mL离心管中,加入20 mL 80% 乙醇溶液,于70 ℃水浴锅中提取1 h,待冷却至室温,5 000 r/min 离心10 min,吸取上清液,经0.22 μm微孔滤膜过滤,待测。每个样品重复测定3次。

色谱参考条件为色谱柱:氨基柱(4.6 mm×250 mm×5 μm);柱温:40 ℃;流动相:乙腈+水=70%+30%(体积分数);进样体积:20 μL;流速:1.0 mL/min;洗脱时间:18 min。

定量方法:本试验以果糖、葡萄糖和蔗糖为标准品,采用外标法定性定量分析菜用大豆糖组分含量。

1.3.2 游离氨基酸测定 参考方萍的方法[25],略有修改。称取0.500 g冻干粉碎样置于50 mL离心管中,加入30 mL 0.1mol/L HCl,涡旋振荡2 min,以10 000 r/min离心10 min,取离心后的上清液 1.5 mL,加入10%的磺基水杨酸4.5 mL,混合后静置15 min,再次以12 000 r/min离心10 min,吸取1.5 mL离心后的上清液,0.22 μm微孔滤膜过滤,待全自动氨基酸分析仪进行检测。采用游离氨基酸标准物的混合物进行定量。每个样品重复检测3次。

1.3.3 感官评价 随机称取20个颗粒饱满、形态相近的豆荚放入足量煮沸纯净水的电锅中,煮沸 4 min,将豆荚捞出立即放入常温的纯净水中冷却,捞出置于白色瓷盘中备用。样品以3位数编码。采用9分嗜好法对菜用大豆进行感官评定。感官评定标准见表1,其指标包括鲜味、甜味、香味、硬度、糯性、整体接受度。1、5、9分分别表示极度不能接受、一般、非常喜欢。结果表示为评分的平均值。感官评定小组由江苏省农业科学院豆类研究室的8名老师及研究生组成,年龄段为20～40岁。对各样品分别进行品尝,剥出豆粒,慢慢咀嚼,在咀嚼过程中品味其滋味和口感,根据口感品尝评分的赋分标准评分。品评结束后,对各品评员的评定结果进行收集并统计分析。评定人员品尝前不得食用辛、辣、苦、酸、甜味食物和酒等。品评时不得交流讨论,每个样品品尝前用纯净水漱口。

表1 菜用大豆口感品尝评分项目及其赋分标准

1.3.4 电子舌的测定 采用法国 Alpha M. O. S 公司生产的ASTREE电子舌系统,主要由味觉传感器、信号采集器和模式识别系统3个部分组成,包括1个AlCl3参比电极和7个传感器,7个传感器分别为 AHS(酸味)、CTS(咸味)、NMS(鲜味)、ANS(甜味)、SCS(苦味)、PKS和CPS是感知复合味道的探头。菜用大豆蒸煮至熟后,将籽粒和超纯水以1 ∶3(质量比)的比例倒入打浆机中,打浆3 min,在 42 ℃ 的摇床中提取1 h,待样品冷却后离心10 min(10 000 r/min),离心2次,取出上清液待测。在分析之前,按照说明对仪器进行校准和诊断,以确保试验的稳定性和可靠性。然后,设置样品检测方法、检测顺序和清洗程序。样品采集和清洗交替进行。使用超纯水来清洗传感器。仪器参数设置如下:延迟=0 s,采集时间=120 s,间隔=1 s,清洁时间=120 s。在电子舌体系中味觉物质的信号由传感器获得,并以类似人味觉感受方式检测出味觉物质,经数据分析处理获得最终结果。

1.4 数据处理

单项试验重复3次,结果表示为“平均值±标准差”;使用Excel 2016软件整理试验数据;使用SPSS 26.0统计软件进行单因素方差分析和显著性分析。由Origin 2021进行绘图。

2 结果与分析

2.1 糖组分分析

如表2所示,不同菜用大豆样品间糖组分含量存在显著性差异,蔗糖在菜用大豆中均检测出且在糖组分中占比最高,含量范围为75.32～108.56 mg/g。青6号的葡萄糖含量最高,为5.86 mg/g,邳县四粒糙果糖含量最高,为2.31 mg/g。菜用大豆食用品质主要体现在甜度方面,其次是香味、口感、质地等方面。甜味是菜用大豆的食用品质之一,研究表明,消费者一般喜欢有甜味的菜用大豆,[26]。甜度主要取决于籽粒中的蔗糖含量[27]。一般甜度高的菜用大豆口感相对较好,王丹英等把菜用大豆的甜味得分与糖组分含量、游离氨基酸含量进行相关分析,相关系数最高的为蔗糖,其次是葡萄糖,可以把蔗糖含量作为评价菜用大豆食用品质中甜味的指标[28]。由图2可知,6种菜用大豆样品之间存在显著性差异。品种通7-391-1的蔗糖含量最高,为108.56 mg/g,其次依次为苏豆18号为 95.45 mg/g、邳县四粒糙为93.70 mg/g、青6号为89.08 mg/g、青棵圆豆为81.23 mg/g、四粒黄为75.32 mg/g。表明通7-391-1可能具有最高的甜味值,需要进一步进行味觉属性鉴定。

表2 菜用大豆糖组分比较

2.2 氨基酸组分分析

由表3可以看出,共检测出15种氨基酸,其中,通 7-391-1均检测出。检测出来的氨基酸在不同菜用大豆品种间都表现出显著差异性(P<0.05)。氨基酸总量范围为720.02～838.82 mg/100 g,与Song等的报道[29]相一致。通7-391-1的总游离氨基酸含量最高,为838.82 mg/100 g,其次是青棵圆豆,为817.11 mg/100 g,青6号为808.50 mg/100 g。苏豆18号的总游离氨基酸含量最低,为 720.02 mg/100 g。15种氨基酸中,丝氨酸含量相对较高,最高的品种是通7-391-1,含量为 248.99 mg/100 g。此外,通7-391-1的丙氨酸含量也最高,为44.04 mg/100 g。这些都是菜用大豆甜味的主要贡献者。氨基酸组成及含量是消费者在意的营养成分,游离氨基酸含量也影响菜用大豆鲜味[30],王艳等报道,进行菜用大豆氨基酸营养评价时,应以氨基酸总含量为主要评价指标[31]。由于菜用大豆是在相同的气候条件和相同的管理因素(灌溉、施肥、害虫管理)下种植的,本试验游离氨基酸的含量主要由品种因素决定,根据分析结果,通 7-391-1 食用品质更佳。

表3 菜用大豆游离氨基酸组成

2.3 感官评价结果

菜用大豆感官评价结果见图1,对于不同的评估项目,菜用大豆样品间显著性P(P<0.05)分别为 0.138、0.045、0.521、0.401、0.029、0.079,即除鲜味和糯性方面,其他均无显著性差异。不同类型的菜用大豆的感官评价得分存在较大的差异性。通7-391-1甜味值最高,为5.50,甜味明显。苏豆18号在鲜味(6.25)、香味(5.75)、糯性(6.75)、硬度(6.75)方面得分最高,而且综合平均得分最高,为6.25,说明从整体来看,苏豆18号具有菜用大豆固有的香气,鲜味,口感软糯滋味相对较好。四粒黄得分最低,为3.67,且与其他样品的得分离散程度最大,说明口感滋味不符合大众喜欢。味道是味觉器官受到食物的刺激后所产生的一种感觉,目前人类对于味觉的分类并没有一致的看法,但都包含了酸、甜、苦、咸这4种味感。菜用大豆的食用品质主要是通过风味和口感而被区分,外观对菜用大豆的食用品质影响不明显[30]。人工感官评价是在食品风味评定中常用的方法之一,受主观因素影响较大,特别是当样品量较大时,结果的准确性和客观性很难保证,还需采用智能感官评价方式电子舌对菜用大豆口感进行进一步鉴定。

2.4 菜用大豆电子舌味觉属性分析

菜用大豆酸味、苦味、甜味、鲜味及咸味5种味觉属性值见图2-a。菜用大豆各滋味值之间存在显著性差异(P<0.05),其中在5个味觉属性中,鲜甜咸味突出。从鲜味值来看,苏豆18号的鲜味的响应值为2 947.47,高于其他5个品种的响应值。在甜味的响应值上,响应值范围在2 975.50～ 3 472.11,各样品甜味响应值从大到小依次为通 7-391-1 为 3 472.11、苏豆18号为3 427.22、邳县四粒糙为 3 352.83、青6号为3 344.78、青棵圆豆为3 297.19、四粒黄为2 975.50,与感官评价各样品鲜甜味数值大小排序一致。从味觉响应值数据可以看出,电子舌分析的结果和感官评价评分的结果有一定相关性,但需要进行进一步的相关性分析。

此外,本研究对6种不同品种菜用大豆的电子舌响应值进行了主成分分析(图2-b)。第1主成分贡献率为71.7%,第2主成分贡献率为18.9%,第1主成分、第2主成分的累计贡献率达到90.6%,几乎包含了样品的全部信息,可很好地表征各菜用大豆样品间的差异性。不同区域代表不同菜用大豆样品的整体味觉特性分布,不同区域间的距离表明菜用大豆样品间的差异性。在PCA得分图中,根据样品在横坐标、纵坐标轴上的距离判断样品之间的差异性:横坐标表示第1主成分贡献率的大小,通常情况下,第1主成分贡献率较大,因此,如果不同样品之间在横坐标上的距离差距较大,说明它们之间的差异较明显;而样品在纵坐标上的距离即使很大,由于第2主成分的贡献率较小,不同样品之间的实际差异可能较小。从图2-b可以看出,不同品种菜用大豆所在区域互不重叠,说明利用电子舌可很好地区分不同菜用大豆样品,差异显著,其中青棵圆豆和苏豆18号较类似,与其他样品味觉有较大差异。四粒黄分布区域和其他样品距离较远,差异尤其明显,与感官评价结果一致。

2.5 电子舌和感官评价相关性分析

为了探究菜用大豆感官评价与电子舌响应值的相关性,利用皮尔逊系数对菜用大豆电子舌评价值和人工感官评价得分进行相关性分析,结果(图3)表明,电子舌酸味与咸味和苦味呈极显著正相关,相关系数分别为0.919、0.996。咸味与苦味呈极显著正相关,r>0.930。同时,在感官评价中,发现对菜用大豆的整体评价与其甜味、鲜味、风味、硬度和糯性均呈现高度相关性。说明整体食用品质较好的菜用大豆,必然呈现鲜甜软糯,具有大豆固有的清甜香味。菜用大豆主要味觉差异表现在甜味和鲜味上。值得注意的是,电子舌鲜甜味与人工感官评价的鲜甜味关联度较高,电子舌鲜甜味与感官评价鲜甜味呈极显著正相关,鲜味相关系数达0.926,甜味的相关系数达到0.983。说明电子舌与感官评价对菜用大豆的滋味品评具有一致性,尤其体现在菜用大豆的甜味和鲜味2个味觉属性,采用电子舌技术可以实现对甜味、鲜味的精准测定和评价。

3 讨论与结论

菜用大豆作为我国农业的重要模块,近年来,国内外研究学者对其遗传育种研究较为关注,但对其食用品质特性研究较少。本研究旨在从营养组成探讨江苏省不同地区特色菜用大豆品种之间差异,同时以传统人工感官评价结合电子舌技术,对菜用大豆食用品质进行定量表征。结果表明,6种菜用大豆蔗糖含量为75.32～108.56 mg/g。共检出15种游离氨基酸,品种通7-391-1中均检出,不同品种在氨基酸组成和含量上差异显著,总游离氨基酸含量为720.02～838.82 mg/100 g。在人工感官评价中,通7-391-1甜味值最高,为5.50。苏豆18在鲜味(6.25)、香味(5.75)、糯性(6.75)、硬度(6.75)方面得分最高,而且综合平均得分最高,为6.25。从整体来看,苏豆18号更易受消费者欢迎。此外,电子舌分析结果显示,苏豆18号的鲜味的电子舌响应值最高,为2 947.47,甜味响应值最高的品种是通7-391-1,为3 472.11。主成分分析结果表明,电子舌技术能很好地区分不同品种菜用大豆。通过人工感官评价和电子舌滋味响应值数值进行相关性分析,二者在鲜甜味方面呈现极显著相关性,鲜味相关系数达0.926,甜味的相关系数达0.983,说明电子舌与人工感官评价的结果在菜用大豆甜味和鲜味上具有高度一致性。由此可见,电子舌在不同品种菜用大豆滋味区分鉴别上具有较大的应用潜力,可以实现菜用大豆甜鲜味智能化评判,提高优质品种筛选和选育效率。