應用電子鼻評價加工型辣椒果實辣度的方法

李穎慧，王輝，楊延杰，林多，馬靜

(青島農業大學 園藝學院，山東 青島 266109)

辣椒，其果實既可以作為鮮食蔬菜，供人們直接食用，也可制成不同風味的辣椒醬作為佐餐的調味佳品，此外，其還是生物堿、天然色素和制藥的重要工業原料。我國辣椒栽培面積占世界辣椒的35%，總栽培面積已超過1000 萬公頃[1]。我國辣椒經濟產值和效益居各類蔬菜之首，栽植遍布全國各地，形成的品種類型間差異巨大，滿足了不同需求。對辣椒產品加工而言，原材料的質量穩定和標準化是必要的前提，其中穩定辣度篩選是評價辣椒品質的重要指標。企業在收購和使用前，必須對辣椒果實的辣度進行檢測，以確保各批產品的辣味穩定。因原料數量巨大、儲運加工過程等環節的技術要求，需要建立快速準確的辣度檢測方法。

目前辣椒辣度的測定方法中，國標(GB 10783-2008)法[2，3]測定辣椒堿含量，存在使用巨毒藥品、重復性差等問題；Scoville感官評定法[4，5]存在測試環境限制較多、主觀成分較大的問題；高效液相色譜法(High Performance Liquid Chromatography，HPLC)[6-8]的操作環境難以摸索，體系難以建立，并且儀器維護費用較高，且不便于田間應用。因此，需要建立一種便攜式的快速、準確、穩定的檢測技術。

電子鼻是測定樣品中揮發性組分的整體信息，根據各種不同的氣味測定不同的信號，并與已建立數據庫中的信號進行比較、識別和判斷，具有相似于鼻子的功能[9，10]。目前，電子鼻已應用于檢測評價調味品[11-13]、海鮮[14，15]、果蔬[16，17]等領域，但在檢測鮮椒辣味領域，電子鼻具有快速、準確、便攜等優點，目前還沒有文獻報道利用電子鼻評價鮮食辣椒的辣度。本試驗以品種間辣度差異較大的辣椒鮮果為材料，探索樣品處理和檢測條件，進而建立快速穩定的檢測方法，并驗證方法的準確性和重現性，為辣椒果實辣度的快速準確測定提供了技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

采用9種已知辣度的辣椒紅果果實，建立應用電子鼻評價加工型辣椒果實辣度的方法，所用辣椒果實取自山東省青島農業大學辣椒栽培基地(見表1)；應用所建立的辣度評價方法分別檢測11種辣椒紅果及辣椒綠果，檢測的11個辣椒加工基地的原料見表2。將試驗材料于常溫、避光保存，待測定。

表1 用于建立辣度測定方法的9個加工型辣椒品種代號Table 1 Nine processed pepper varieties used for the establishment of pungency degree evaluation method

表2 用于評價11種不同加工基地辣椒辣度的原料Table 2 Raw materials for evaluating the pungency degrees of 11 different processing bases

1.2 材料處理

辣椒果實辣度測定采用PEN3型便攜式電子鼻傳感器(德國Airsense公司)。PEN3式電子鼻具有10個金屬傳感器，對于不同氣味會有不同的響應信號，其敏感物質見表3。

表3 PEN3電子鼻傳感器名稱及性能描述Table 3 Sensors and performance of electronic nose PEN3

1.3 試驗方法

1.3.1 辣度的感官評定

在國際上用斯科維爾指數來表示辣感強弱的量化值，本試驗的感官評定結果是根據GB/T 21265-2007方法[18]進行鑒定所得，將結果分不辣、微辣、辣和超級辣4種情況，其原理是利用乙醇提取測試樣品中的辣椒素類物質，然后過濾，將該提取液制成不同辣椒素濃度的糖水溶液，通過感官分析品評。

1.3.2 辣度的電子鼻檢測

利用辣椒果實中段，去種子后準確稱取5 g樣品，剪碎并存放于100 mL的錐形瓶中，靜置30 min后，利用電子鼻進行檢測。每種樣品做3次生物學重復，分別計算每個傳感器生物學重復的均值。檢測條件：清洗時長70 s，檢測時長60 s。數據分析采用電子鼻自帶分析軟件Winmuster進行分析，包括主成分分析(PCA)、線性判別分析(LDA)和負荷加載分析(Loadings)。

2 結果與分析

2.1 辣椒果實感官辣味評定

試驗使用的9種辣椒品種，其感官評定結果見表4。9種辣椒其感官辣度分為3個范圍：不辣、微辣、辣，其中，不辣和辣這2個區域，感官評定者劃分較為穩定，但微辣區域有所差異。

表4 9個加工型辣椒品種感官評定結果Table 4 Sensory evaluation results of nine processed pepper varieties

2.2 辣椒果實辣度測定的電子鼻方法建立

2.2.1 9個辣椒果實的電子鼻傳感器響應值

以9種紅熟期辣椒3次生物學重復的數值為基礎，做均值處理，整理結果見圖1。

圖1 9個辣椒品種均值分析Fig.1 Mean value analysis of nine pepper varieties

由圖1可知，9種試驗材料各傳感器間存在明顯差異，數值各有不同，其中，W1W傳感器在此試驗中最為敏感，其次是W2W傳感器和W5S傳感器，明顯差別于其他傳感器，而其余傳感器數值差別不大。

2.2.2 9個辣椒品種負荷加載分析

圖2 9個辣椒品種電子鼻負荷加載分析Fig.2 Loadings analysis of electronic nose of nine kinds of peppers

負荷加載分析(Loadings)與PCA分析是相關的，基于同一種算法，區別在于Loadings分析是針對電子鼻傳感器貢獻率進行研究。電子鼻共有10個傳感器，不同傳感器可以反映樣品中揮發性氣味的響應值，傳感器數值離原點越遠，說明該傳感器識別能力越強，反之則越弱。由圖2可知，在第一主成分中，W1W傳感器識別作用最強，其次是W2W傳感器，這2個傳感器與其余傳感器相比，距原點的距離明顯較遠，識別能力強。在第二主成分中，W5S傳感器距原點距離明顯遠于其余傳感器，綜合來看，W5S、W1W、W2W傳感器對9種辣椒品種的辣度評價起到了主要作用，這與圖1中的辣度均值分析結果相吻合。

2.2.3 9個辣椒品種主成分分析

主成分分析(PCA分析)，將傳感器所顯示的多指標數據信息進行轉換和降維，從而轉化為少數綜合指標信息。PC1和PC2分別代表的是第一主成分和第二主成分的貢獻率，橫、縱坐標的比例越大，表示該主成分貢獻率越大,表明此分析方法可以將樣品的多個指標信息較好地反映出來。采用PCA 方法分析不同品種(系)紅熟期辣椒的電子鼻響應值結果，見圖3。

圖3 9個辣椒品種電子鼻主成分分析Fig.3 PCA analysis of electronic nose of nine kinds of peppers

由圖3可知，第一主成分貢獻率為98.48%，第二主成分貢獻率為1.14%，累計貢獻率為99.62%，表明這2個主成分代表了樣品的主要信息特征，證明PCA分析方法可行，幾乎可以用來表示樣品信息，代表不同品種(系)紅熟期辣椒的整體信息。在9種紅熟期辣椒中，除17129和17135品種外，其余7個品種位于不同區域，沒有重疊部分，能較好區分。17129和17135有部分重疊，說明這2類辣椒品種部分樣品可能辣度大致一樣，為此，需進行LDA分析，提高分類精度。兩種方法一起進行分析，既可以解決PCA對不同樣本數據不敏感，又解決了LDA算法中的小樣本，可以獲得較好的分類效果。

2.2.4 9個辣椒品種線性判別分析

線性判別分析(LDA分析)是判斷樣品所屬類型的一種統計方法，與PCA相比，更加注重樣品在空間的分布狀態及各品種間的距離，使不同類別的數據差異達到最大，進而反映不同辣椒品種的辣度差異，提高分類精度。 LDA分析圖能較好地區分各類樣品，見圖4，除17151和17129這2個品種有極小重疊外，其余7個辣椒品種均無重合部分，說明其余7種是完全不同的辣椒品種。與PCA分析相比，LDA分析數據更為集中，分類更加明顯，因此，在評定辣椒辣度及其種類應綜合2種方法進行分析。

圖4 9個辣椒品種電子鼻線性判別分析Fig.4 LDA analysis of electronic nose of nine kinds of peppers

2.2.5 9個辣椒品種辣度測定結果

根據9個辣椒品種的量化測定結果分析可得，用于建立辣度測定方法的9種辣椒均為不同品種，存在明顯差異，且W5S、W1W和W2W傳感器為檢測辣椒辣度的主要敏感傳感器，與電子鼻分析結果吻合，從而驗證電子鼻區分辣椒品種的可行性。將W5S、W1W、W2W傳感器的均值相加，發現感官評價為不辣的辣椒品種，其W5S、W1W、W2W數值之和在1～10之間；感官評價為微辣的辣椒品種，其W5S、W1W、W2W傳感器辣度值之和在10.1～20之間；感官評價為辣的辣椒品種，其W5S、W1W、W2W傳感器辣度值之和在20.1～50之間，見表5，此結論與感官評價結果相一致，證明建立方法有效。

表5 9個辣椒品種辣度量化測定結果Table 5 Quantitative determination of pungency degrees of 9 pepper varieties

注：不同辣椒品種傳感器測量值后的字母標注不同，表示差異顯著(P<0.05)；字母標注相同，則表示在品種間差異不顯著(P<0.05)，下同。

2.3 電子鼻法在辣椒原料果實辣度測定上的應用

表6 應用辣度測定方法的11種辣椒原料檢測結果Table 6 Detection results of eleven kinds of pepper raw materials by using pungency degree evaluation method

由表6可知，11種辣椒原料存在顯著性差異，說明利用電子鼻可以有效區分辣椒品種。且所有紅熟期辣椒、所有綠熟期辣椒和同一品種紅綠果辣椒辣度測定結果均與上述結果吻合：感官評價為不辣的辣椒原料，其W5S、W1W、W2W數值之和在1～10之間；感官評價為微辣的辣椒原料，其W5S、W1W、W2W傳感器辣度值之和在10.1～20之間；感官評價為辣的辣椒原料，其W5S、W1W、W2W傳感器辣度值之和在20.1～50，其中，魔鬼椒的W5S、W1W、W2W傳感器辣度值之和大于50.1，評定為超辣，證明電子鼻測定辣椒辣度的可行性。

3 結論

電子鼻技術相對于其他檢測方法具備技術簡單、檢測快速、儀器便攜等優點，對于辣椒加工企業而言，利用電子鼻技術可以維持同一辣椒加工品不同批次間恒定的辣度與風味，保證產品的辣度穩定性。本文采用感官評定法和電子鼻技術，對鮮椒辣度進行評價，在感官評定基礎上，利用電子鼻3個辣味敏感傳感器進行檢測，結果與感官評定相匹配，由此，劃分辣度區間。

結果表明，電子鼻傳感器識別效應較好，可有效區分辣椒果實品種；負荷加載分析顯示電子鼻傳感器中對辣味最為敏感的3個傳感器是：W5S、W1W和W2W；通過傳感器W5S、W1W和W2W對辣椒果實響應值建立評價辣椒辣度的測定方法，并劃分辣度區間，即：不辣(1～10)、微辣(10.1～20)、辣(20.1～50)、超級辣(50.1～70)；應用該測定方法對產自11個辣椒加工基地的原料進行了檢驗，均能顯著區分辣椒果實的辣度差異，說明此方法可為辣椒加工企業的辣度控制提供一種快速有效的檢測方法。