電子鼻和電子舌技術在果汁貨架期監控中的應用

吳偉莉，趙 蕓，劉雄飛，蘇曉霞

（中糧營養健康研究院有限公司品牌食品研發中心，北京 102209）

電子鼻和電子舌技術在果汁貨架期監控中的應用

吳偉莉，趙 蕓，劉雄飛，蘇曉霞

（中糧營養健康研究院有限公司品牌食品研發中心，北京 102209）

基于仿生技術與傳感器技術的電子鼻和電子舌技術的快速發展應用，介紹了電子鼻和電子舌系統的工作原理，并利用電子鼻和電子舌設備對果汁產品進行了貨架期評價試驗。采用主成分分析法（PCA）和判別因子分析法（DFA）對傳感器響應信號進行數據處理，同時結合理化指標，通過感官評價小組評價對結果進行對比。試驗結果表明，電子舌和電子鼻設備可以很好地依據不同條件下的果汁飲料產品特征進行分類，并與感官評價小組評價結果一致。

電子鼻；電子舌；感官評定；果汁飲料貨架期

果汁產品的香氣和口感是重要的品質評價指標，香氣成分是構成食品典型香氣和風味的重要物質基礎；口感是由觸覺和咀嚼而產生的直接感受，是獨立于味覺之外的另一種體驗。在飲料行業中產品的貨架期也是重要的評價指標之一，產品貨架期是一個講時間長度的概念。在這個時間長度范圍內，食品的品質能得到消費者認可；如果超出這個時間長度范圍，則會大大增加食品品質是否被認可的風險。

飲料產品的口感特征分析主要從人工感官評價和理化指標這2個方面展開。傳統的感官測評依據個人的主觀感覺和經驗，會隨著評價員身體狀況、情緒變化、分辨能力等因素而產生不同的結果，人為因素較大，在品評時難以給出比較準確的數據等級，而且培養專業的鑒別人員也需要經過層層的精心挑選，需要投入大量經費和較長時間培訓，才能獲得可靠的結果。如何利用仿生檢測設備對飲料產品進行貨架期的有效監控，不僅是各個生產企業保持和穩定其產品品質的客觀要求，也是產品質量監管的迫切需求[1-2]。仿生檢測設備電子舌和電子鼻是由化學傳感器和模式識別技術構成，能從樣品的響應信號中得到樣品的綜合評價信息，也就是“指紋數據”[3]。

電子舌設備是現代化定性定量分析檢測儀器，利用味覺傳感器或味覺指紋分析儀，由交互敏感傳感器陣列、信號調理系統、測試平臺和應用軟件4個部分組成[4]。由6個電極（鉑電極、金電極、鈀電極、鎢電極、鈦電極、銀電極）和1個輔助電極組成1個獨立單元機構與1個參比電極共同組成1個完整的交互敏感傳感器陣列；信號調理系統由信號激發單元、信號調理單元及數據采集單元組成；測試平臺為樣品安置、檢測提供嚴格的工作環境；應用軟件是在電腦上運行的用于控制電子舌檢測、分析數據、輸出結果的應用程序[5]。

電子舌激發電勢和電流響應信號見圖1。

圖1 電子舌激發電勢和電流響應信號

電子鼻設備是一種氣味指紋檢測方法，其檢測結果所顯示的圖譜又被稱為氣味指紋圖譜。它提供電子指紋圖譜進而檢測、分析、判別氣味及揮發性化合物，利用儲存可再現的指紋圖庫累積定性、定量氣味資料庫，并做氣味分析比對。電子鼻檢測裝置主要由傳感器、計算機、進樣裝置、氣體處理裝置所組成。在進行氣味分別處理的過程中，其核心部件為氣敏傳感器陣列、運算放大器等電子線路和電子計算機[6]。電子鼻的工作原理是模擬人體嗅覺形成過程的一種技術應用。

本文研究目的是利用電子舌和電子鼻技術同時結合人工感官評價方法，以不同儲存溫度及時間下的果汁飲料為研究對象，對產品進行貨架期品質評價，并結合理化指標測定，采用主成分分析法（PCA）和判別因子分析法（DFA）處理數據，對不同儲存條件下的果汁飲料進行區分，為仿生檢測設備在果汁飲料貨架期中的品質控制提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

藍莓濃縮漿，因諾客食品有限公司提供；白砂糖，太古股份有限公司提供；果膠、大豆多糖，杜邦（中國）有限公司提供；檸檬酸、檸檬酸鈉，安徽豐原生物化學股份有限公司提供；藍莓香精，奇華頓香料（中國）有限公司提供。

T-18型分散器，德國IKA有限公司產品；Tm5型美善品多功能食品料理機；Millpore純水儀，密理博儀器公司產品；bsa2202s-cw/bsa323s-cw型天平，德國賽多利斯儀器公司產品；色差儀，美國Hunterlab儀器制造公司產品；電子舌，Smar Tongue公司產品；FOXα4000型電子鼻，法國Alpha M.O.S公司產品。

1.2 試驗方法

產品貨架期預測方法主要有品質損失模型、產品貨架期預測模型等。品質損失模型主要是描述食品品質衰敗速度和多種混合因素共同的作用結果，產品貨架期預測模型是將產品自身的品質損失和包裝材料影響相結合起來[7]。但以上2種方法存在對產品貨架期預測的時間較長、效率低、投入大等缺點，為了增加銷售效益，生產廠家都在致力于研究延長貨架期的方法，而加速破壞性試驗（ASLT）也就因此產生了[8]。把最終的產品儲存在比較惡劣的環境下，通過定期檢驗來確定產品保質期。在食品加速試驗上的手段主要有提高溫度、增加濕度、采用光照等，其中用提高溫度進行加速試驗的方法是目前使用最為廣泛的方法。

試驗果汁選擇放置在不同溫度條件下，即4℃冷藏（標準樣品），38℃下儲存1個月，38℃下儲存2個月的試驗條件，放置1～8周來模擬產品貨架期試驗。

1.2.1 果汁飲料的工藝流程

白砂糖、藍莓濃縮漿等主料混合→果膠穩定劑熱溶解（70～80℃）→檸檬酸、檸檬酸鈉、香精等輔料溶解→定容→預熱（60～70℃）→均質（18～20 MPa）→殺菌（105℃，30 s）→灌裝、冷卻→成品。

1.2.2 可溶性固形物含量測定

通過糖度計進行測定。

1.2.3 酸度測定

稱取5.00 g飲料樣品，置于150 mL三角瓶中，加入100 mL蒸餾水，加入3滴0.5%酚酞指示劑，混勻后用0.100 1 mol/L的NaOH標準溶液滴定至粉紅色，并且在30 s內不褪色，記錄消耗NaOH標準溶液的體積，代入計算公式[9]。

計算飲料的酸度含量：

式中：X——果汁中總酸含量，g/100 g（或g/100 mL）；

V1——樣品滴定耗用NaOH標準溶液體積，mL；

V0——空白試驗耗用NaOH標準溶液體積，mL；

C——NaOH標準溶液的濃度，mol/L；

m——樣品的質量，g；

K——換算果汁中適當酸的系數，以檸檬酸計0.07。

1.2.4 飲料pH值測定

用pH計進行測定。

1.2.5 顏色穩定性測定

用色差儀測定顏色的變化。對于多數液體來說，顏色都是一個重要指標，是新鮮度和純度的指標。L值（明亮度）、a值（紅綠值，正值為紅色，負值為綠色）、b值（黃藍值，正值為黃色，負值為藍色）。

1.2.6 電子舌測定

通過電子舌對3款不同儲存條件下產品的電信號圖進行分析，比較產品之間的差異。樣品直接倒入電子舌專用燒杯中，在室溫條件下進行測定，傳感器每秒采集1個數據，采集時間共120 s，每杯樣品15 mL，每個樣品設定5個重復。

1.2.7 電子鼻測定

電子鼻設備以潔凈干燥空氣為載氣，流速150 mL/min，頂空平衡溫度60℃，頂空平衡時間600 s，數據采集時間120 s，選取每根傳感器的最大響應強度值進行分析，每個樣品設定4個重復。

1.2.8 消費者對貨架期間產品的喜好度和接受度影響

通過感官評價人員測試，了解其對貨架期間產品的接受度及產品在不同儲存期和不同儲存溫度時各屬性的變化情況，并與電子舌和電子鼻結果進行比較，為仿生檢測設備在果汁飲料貨架期中的品質控制提供試驗依據。

評價員是感官評價小組成員，并且在過去3個月內喝過且購買過果汁飲料產品，飲用頻率在每月1次及以上的。測試基數為42人。樣本量設計：評價員測試3個產品；3個產品循環測試，可以避免因測試順序而帶來的偏頗。

樣本量設計見表1，產品測試具體評價指標見表2。

表1 樣本量設計

表2 產品測試具體評價指標

1.2.9 感官評定小組人員組成

感官評定小組成員通過基本味覺識別對甜味的區別能力進行篩選確定。感官評定小組由50位評定員組成（30位女性和20位男性），年齡25～40歲，為公司員工，且都有感官評定經驗。過去3個月內購買且喝過果汁、果汁飲料產品，飲用頻率在每月1次及以上。

1.2.10 感官評定樣品準備

配制樣品使用二級純水，配制所有的溶液在感官測定前2 h配好，常溫放置。配制的樣品溶液放在50 mL的一次性小杯，每次提供30～40 mL，并用隨機3位數字進行編碼，如585，348等。采用隨機順序上樣。評價員在評定樣品后可以將樣品吐入水槽內，在每個樣品品嘗間隙休息大約1 min，每組樣品間休息10 min左右，以此來減少上次品嘗樣品余味的影響。評定時，使用純凈水或蘇打餅干去除樣品殘留味道。

感官評定在公司的感官測評室內進行，測評室的溫度恒定在25℃。

1.3 數據處理與分析

研究采用主成分分析法（PCA）和判別因子分析法（DFA）進行數據處理。主成分分析（PCA）是一種多元統計分析技術，為排除眾多化學信息共存中互相重疊的信息，可將原變量進行轉換，使少數幾個新變量成為原變量的線性組合，同時這些變量要盡可能多地表征原變量的數據結構特征而不丟失信息[10]。主成分一（PC1） 和主成分二（PC2） 包含了在轉換中得到主成分一和主成分二的貢獻率，貢獻率越大，說明降維后的綜合指標能更多地反映原來多指標的信息。判別因子分析法（DFA）是專門根據若干因素對預測對象進行分類的一種方法，通過分析可以建立用于定性預測的數學模型[11]。用判別分析方法處理問題時，通常要給出一個衡量新樣品與已知組別接近程度的描述指標，即判別函數，同時指定一種判別規則，借以判定新樣品的歸屬[12]。通過對數據的分析，從中得到不同貨架期產品之間的差異，作為進一步研究的基礎。

2 結果與討論

2.1 貨架期產品的理化指標變化

果汁飲料產品貨架期品質變化見表3。

表3 果汁飲料產品貨架期品質變化

由表3可知，可溶性固形物含量在貨架期內沒有發生明顯變化，穩定在9.07%左右；酸度維持在0.26%～0.28%，pH值維持在3.55～3.59，沒有明顯變化。

產品在儲存期間L值的變化見圖2，產品在儲存期間△DE變化情況見圖3。

圖2 產品在儲存期間L值的變化

果汁飲料產品的顏色在儲存期間一直有變化。由圖2可知，在4℃，38℃下儲存1個月，38℃下儲存2個月條件下，L值（明亮度）一直在變化并下降，樣品顏色由玫紅色逐漸加深呈下降趨勢，顏色變化較明顯。圖3中△DE值（總色差）是基于L值，a值，b值色差，并作為一個單獨的指標來表示產品在儲存期間色差變化情況，可看出產品在不同溫度的儲存期間顏色變化差異明顯。

圖3 產品在儲存期間△DE值變化情況

2.2 電子舌結果與分析

電子舌數據結果見表4，不同貨架期果汁飲料產品電子舌數據主成分分析見圖4。

表4 電子舌數據結果

圖4 不同貨架期果汁飲料產品電子舌數據主成分分析

表4中的特征值為6個電極值，數據為5次重復測試樣品的測量平均值；圖4中6個記號點連成的圖形代表此樣品的整體特征，不同樣品類別間品質的不同點、差異可以通過主成分得分的距離表征，樣品距離越近說明樣品品質特征越相似。

圖4中橫坐標主成分1貢獻率68.25%，縱坐標主成分2貢獻率22.31%，累計2個成分的百分數為90.56%。當貢獻率累計達到85%以上時就認為基本上能用這2個主成分組成的二維圖來表示整體的信息情況。

由圖4可知，3款不同貨架期產品間PCA分析（主成分分析）中能很好地落在各自的范圍內而互不干擾；并且各個區域內點的離散度比較小，不同儲存條件下的產品之間沒有重合區域，存在一定的差異，說明電子舌系統可以很好地區分3款不同儲存條件下貨架期的樣品。

2.3 電子鼻結果與分析

飲料產品的電子鼻響應信號見圖5，電子鼻傳感器數據結果見表5。

圖5 飲料產品的電子鼻響應信號

表5 電子鼻傳感器數據結果

圖5中的每一條曲線代表1個傳感器，曲線上的每1個點代表氣味成分通過電子鼻傳感器通道時相對電導率隨采樣時間的響應情況。橫坐標是采樣時間；縱坐標為傳感器陣列的響應信號，是傳感器接觸到樣品揮發物后的電阻G與傳感器在經過潔凈空氣時電阻G0的比值。當傳感器接觸到樣品揮發物后，電導率G發生改變，與初始電導率G0的比值G/G0隨之變化。剛開始時相對電導率比較低，隨著采樣時間延長，揮發性物質在傳感器表面進行還原反應，傳感器的相對電阻率在不斷增大，最后趨于平穩。表5是電子鼻的18根金屬氧化物陣列傳感器，分別為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次重復檢測平均值。

電子鼻檢測的PCA和DFA見圖6。

由圖6（a）可知，PC1貢獻率96.44%，PC2貢獻率3.33%，累計2個成分的百分數99.77%，3款不同儲存期間的果汁飲料能夠通過PCA分析很好地區分開來。圖6（b）為基于不同貨架期條件樣品主成分分析，采用判別因子分析法建模的DFA分析圖結果。經DFA分析后可以得出，通過分析可以將不同儲存時間及儲存條件的果汁飲料區分出來，區分效果良好。

圖6 電子鼻檢測的PCA和DFA

2.4 感官評價結果與分析

產品的總體喜好度情況見表6，產品在儲存期間各屬性變化情況見圖7。

表6 產品的總體喜好度情況

通過對評價員測試，樣品選擇在避光的環境下測試，避免由于顏色對評價員造成的干擾，評價員對不同儲存條件下的果汁飲料進行產品喜好度及接受度評價，并與電子舌結果進行比較。由表6和圖7可知，3個樣品的喜好度得分介于一般和有點喜歡之間，且在95%置信度下有顯著性差異；接受度得分均介于一般和有點接受之間，且在95%置信度下有顯著性差異。產品在4℃下儲存2個月，38℃下儲存1個月，38℃下儲存2個月的花香氣味上有明顯差異。

3 結論

圖7 產品在儲存期間各屬性變化情況

試驗利用仿生檢測設備電子鼻和電子舌，同時結合人工感官評價對果汁飲料貨架期產品進行監控并加以鑒別區分，電子鼻、電子舌設備均能把不同儲存條件的果汁飲料產品區分開，且可以與人工感官評價相結合對比，通過多方面數據分析可以更全面、合理地分析不同貨架期果汁飲料產品的口感特點。隨著對傳感器技術、新材料技術及多元統計技術研究的不斷深入，電子鼻、電子舌等仿生檢測設備的應用前景將更加廣闊。

[1]楊小蘭，楊俊鋒，張美霞.電子舌在食品加工在線檢測中的應用研究 [J].飲料工業，2007，10（9）：6-9.

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[3]鄒小波，趙杰文.電子鼻在飲料識別中的應用研究 [J].農業工程學報，2002，18（3）：146-149.

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[8]蔡燕芬，劉期成.食品儲存期加速測試及其應用 [J].糧油加工與食品機械，2003（10）：76-79.

[9]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 12143—2008飲料通用分析方法 [S].北京：中國標準出版社，2008.

[10]何曉群.多元統計分析 [M].北京：中國人民大學出版社，2004：135-165.

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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

吳偉莉（1974— ），女，碩士，工程師，研究方向為食品科學與工程。