基于電子舌技術(shù)分類評(píng)價(jià)核桃內(nèi)種皮的口感品質(zhì)

劉雨霞，張玲，張小軍，楊笑，楊春，曲進(jìn)，劉群龍*

1(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 晉中，030801) 2(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，山西 太原，030031)

核桃(JuglansregiaL.)，為胡桃科(Juglandaceae)核桃屬(Juglans)落葉喬木，又稱胡桃、羌桃、萬歲子等，果實(shí)具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，與扁桃、腰果、榛子并列為“世界四大干果”[1]。核桃堅(jiān)果的種仁外有一層薄皮，為核桃的內(nèi)種皮，富集多酚類物質(zhì)，可以阻止種仁的氧化酸敗，對(duì)核桃果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育及其采后品質(zhì)的保持起著至關(guān)重要的作用[2]。鮮核桃內(nèi)種皮呈黃色或淺黃色，干制后顏色加深并伴隨一定程度的褐變現(xiàn)象[3-4]，由于其具有一定的苦澀味，因此在食品加工過程中會(huì)被剔除或者脫澀后再加工。核桃內(nèi)種皮中對(duì)苦澀味起作用的主要是單寧和黃酮等酚類物質(zhì)。核桃內(nèi)種皮僅占種仁質(zhì)量的5%左右，但對(duì)種仁口感起著決定性作用[5]，不同核桃品種口感存在較大差異。核桃口感評(píng)價(jià)一般采用感官評(píng)價(jià)法，但存在個(gè)人偏好、主觀性強(qiáng)和重復(fù)性差等缺點(diǎn)。電子舌是通過模仿人體味覺機(jī)理而制成的一種新型分析儀器，通過味覺傳感器陣列獲取待測(cè)液信息，采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理，能反映樣本整體信息的“指紋”數(shù)據(jù)，是一種客觀的感受系統(tǒng)，具有可靠性強(qiáng)、靈敏度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)[6-9]。目前，電子舌主要應(yīng)用在茶葉飲料、酒類、咖啡等液體滋味的分類與評(píng)價(jià)等方面[10-16]，也應(yīng)用在肉類、醬類、蜂蜜等食品上[17-21]，還有應(yīng)用在花椒的麻味預(yù)測(cè)上[22]，但在核桃口感品質(zhì)分類評(píng)價(jià)上尚未見相關(guān)報(bào)道。另外，相關(guān)學(xué)者對(duì)核桃的研究主要集中在核桃仁、內(nèi)種皮和青皮等的酚類物質(zhì)的提取優(yōu)化、含量測(cè)定以及抗氧化研究等方面[23-25]，近年來有學(xué)者利用液相色譜、液質(zhì)聯(lián)用等技術(shù)對(duì)核桃內(nèi)種皮、核桃仁的酚類物質(zhì)組分進(jìn)行了研究[26-27]，也有利用轉(zhuǎn)錄組、代謝組等方法對(duì)不同顏色核桃的種仁、內(nèi)種皮進(jìn)行研究[28-29]，但對(duì)核桃內(nèi)種皮口感評(píng)價(jià)的研究很少。本研究利用電子舌系統(tǒng)對(duì)5個(gè)核桃品種內(nèi)種皮水浸提液進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行主成分、聚類以及相似性分析，并測(cè)定了核桃內(nèi)種皮的單寧和黃酮含量，將理化指標(biāo)與電子舌響應(yīng)值進(jìn)行相關(guān)性分析，以期為后續(xù)核桃口感品質(zhì)研究以及核桃種質(zhì)資源分類評(píng)價(jià)等方面提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為‘ND-1’、‘薄殼香’、‘香玲’、‘京861’、‘農(nóng)核1號(hào)’5個(gè)核桃品種的新鮮內(nèi)種皮，2019年9月中旬采于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所核桃資源圃。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室人員對(duì)鮮核桃整仁進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，分為3個(gè)等級(jí)，選擇苦澀味較重的品種(‘ND-1’)、苦澀味略重的品種(‘薄殼香’、‘香玲’和‘京861’)、苦澀味輕的品種(‘農(nóng)核1號(hào)’)用于試驗(yàn)測(cè)定。

1.2 儀器設(shè)備

冷凍干燥機(jī),美國(guó)GOLD-SIM公司；AY120電子天平,日本島津公司；SB25-12DTD超聲波清洗機(jī),寧波新芝生物科技股份有限公司；Centrifuge 5804 R離心機(jī),德國(guó)Eppendorf公司；α-ASTREE電子舌系統(tǒng),法國(guó)Alpha M.O.S公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品前處理

將鮮核桃的內(nèi)種皮用鑷子剝離，冷凍干燥后研成粉末，過100目篩，于-40 ℃條件下保存，待用。

1.3.2 樣品準(zhǔn)備

稱取內(nèi)種皮粉末0.5 g于離心管中，加入50 mL超純水，55 ℃超聲波輔助提取30 min，5 000 r/min離心20 min，取上清液，于電子舌進(jìn)行檢測(cè)。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的單寧酸溶液作為澀味參照物。

準(zhǔn)確稱取內(nèi)種皮粉末0.20 g，加入一定量體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇，55 ℃超聲波輔助提取30 min，10 000 r/min離心10 min，重復(fù)2次，合并上清液，定容，待測(cè)。

1.3.3 電子舌檢測(cè)

采用由法國(guó)Alpha M.O.S公司生產(chǎn)的α-ASTREE電子舌系統(tǒng)，主要由味覺傳感器、信號(hào)采集器和模式識(shí)別系統(tǒng)3部分組成。該電子舌包含7個(gè)傳感器和1個(gè)AlCl3參比電極，7個(gè)傳感器分別為AHS(酸味)、CTS(咸味)、NMS(鮮味)、ANS(甜味)、SCS(苦味)、PKS和CPS感知復(fù)合味道。

數(shù)據(jù)采集前，對(duì)電子舌系統(tǒng)進(jìn)行活化、校準(zhǔn)及診斷等操作，以保證獲得數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性。將上清液倒入電子舌專用小燒杯至刻度線，按照設(shè)置的序列位置放到電子舌自動(dòng)進(jìn)樣器中，清洗液(超純水)與樣品交替，于室溫條件(25 ℃左右)下進(jìn)行測(cè)定。數(shù)據(jù)采集時(shí)間設(shè)置為120 s，每秒采集1個(gè)數(shù)據(jù)，攪拌速率為1次/s，因在100 s之后所有傳感器響應(yīng)強(qiáng)度值均趨于平穩(wěn)，所以取最后20 s測(cè)定值的平均值作為輸出值。每杯樣品重復(fù)測(cè)定9次，選取后5次測(cè)定的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3.4 單寧和黃酮含量的測(cè)定

單寧含量的測(cè)定：參照羅玉潔[30]的方法，稍作修改。吸取0.1 mL提取液到10 mL容量瓶中，分別加入0.5 mL福林酚和1 mL NaCO3溶液，用蒸餾水定容，室溫靜置，反應(yīng)1 h后在725 nm波長(zhǎng)下測(cè)定樣品溶液的吸光度，重復(fù)3次。標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為：y=0.079 9x+0.000 3，R2=0.999 3。

黃酮含量的測(cè)定：參照解利利等[31]、張春梅等[23]的方法，稍作修改。吸取0.5 mL提取液到10 mL容量瓶中，分別加入0.3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaNO2溶液和0.3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Al(NO3)3溶液，再加入4 mL 1 mol/L的NaOH溶液，用體積分?jǐn)?shù)為60%乙醇定容，室溫靜置，反應(yīng)15 min后在510 nm波長(zhǎng)下測(cè)定樣品溶液的吸光度，重復(fù)3次。標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為：y=0.014 9x+0.002 5，R2=0.999 2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用電子舌配套的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行主成分分析和相似性分析；采用SAS 8.0統(tǒng)計(jì)軟件的距離類平均法進(jìn)行聚類分析；采用SPSS 23軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同核桃品種內(nèi)種皮水浸提液的口感品質(zhì)主成分分析

為了更直觀地分析電子舌系統(tǒng)傳感器對(duì)不同核桃樣品的響應(yīng)強(qiáng)度，將所得數(shù)據(jù)形成雷達(dá)圖，每個(gè)分支代表一個(gè)傳感器，結(jié)果如圖1所示，所有傳感器響應(yīng)值在-300～3 300之間，其中ANS、CPS和NMS的響應(yīng)值較高(均高于2 000)，說明它們是判斷樣品品質(zhì)的重要傳感器。相對(duì)于NMS和CPS來說，CTS、PKS、AHS、SCS和ANS對(duì)不同樣品的響應(yīng)存在較大差異，響應(yīng)值離散度較大，表明這4個(gè)傳感器對(duì)樣品中的某些物質(zhì)存在較高敏感度，從而說明它們對(duì)不同樣品有很好的區(qū)分效果。

由圖2可知，每個(gè)樣品在主成分分析圖上由5個(gè)點(diǎn)組成，第1主成分的貢獻(xiàn)率為73.53%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為14.82%，2者的總貢獻(xiàn)率達(dá)到了88.35%(>85%)，表明第1和第2主成分包含了樣品大量的原始數(shù)據(jù)信息，可以反映樣品的整體情況。

圖1 電子舌傳感器響應(yīng)強(qiáng)度雷達(dá)圖Fig.1 Radar chart of the response intensity of the electronic tongue sensor

圖2 核桃內(nèi)種皮水浸提液和單寧酸溶液的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of water extracts of walnut pellicle and tannic acid solutions

識(shí)別指數(shù)是區(qū)分樣品程度的表征值，該值越大，說明區(qū)分越好，一般該值在80分以上就表明區(qū)分有效。不同品種的核桃內(nèi)種皮水浸提液分布在主成分分析圖的不同區(qū)域，并且不同樣品之間沒有重疊，識(shí)別指數(shù)為87，表明電子舌系統(tǒng)對(duì)這5個(gè)樣品的口感可以有效區(qū)分。

不同樣品之間的品質(zhì)差異可以通過主成分分析圖中的距離表征，若樣品之間的距離越近，說明其品質(zhì)特性越相近。5個(gè)樣品在主成分分析圖中分別分布到3個(gè)區(qū)域中，其中‘農(nóng)核1號(hào)’與其他4個(gè)核桃品種離得較遠(yuǎn)，單獨(dú)分布在第2象限，說明‘農(nóng)核1號(hào)’與它們之間口感差異較大；‘薄殼香’、‘香玲’和‘京861’分布的區(qū)域在第3象限，相互之間離得較近，說明它們的口感相近；‘ND-1’分布在第4象限，但是與第3象限的3個(gè)品種離得較近，說明‘ND-1’的口感與它們相近但又存在差異。‘農(nóng)核1號(hào)’與其他4個(gè)核桃品種的口感主要根據(jù)主成分2進(jìn)行區(qū)分，‘ND-1’與其他4個(gè)核桃品種的口感主要根據(jù)主成分1進(jìn)行區(qū)分。另外，‘ND-1’與單寧酸之間的距離最近，說明兩者之間口感最接近，從而表明‘ND-1’的澀味最重。由此可見，‘ND-1’的澀味最重，‘農(nóng)核1號(hào)’的澀味最輕，其他3個(gè)品種澀味居中。

2.2 不同核桃品種內(nèi)種皮水浸提液的口感品質(zhì)聚類分析

由圖3可知，單寧酸溶液與核桃品種內(nèi)種皮水浸提液被聚為2大類；當(dāng)類平均距離為0.4時(shí)，5個(gè)核桃品種內(nèi)種皮水浸提液被聚為3大類,‘農(nóng)核1號(hào)’、‘ND-1’各為一類，其他3個(gè)核桃品種為一類，這與主成分分析結(jié)果一致。在距離大約為0.19時(shí)，‘京861’和‘香玲’聚為一類；在距離為0.26時(shí)，前兩者與‘薄殼香’聚為一類；這3者與‘ND-1’在距離為0.48左右時(shí)聚為一類。由此可見，‘京861’和‘香玲’內(nèi)種皮水浸提液的口感最接近，‘農(nóng)核1號(hào)’與‘薄殼香’、‘香玲’和‘京861’這3個(gè)核桃品種的口感差異較大，與‘ND-1’的口感差異最大。

圖3 核桃內(nèi)種皮水浸提液和單寧酸溶液的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of water extracts of walnut pellicle and tannic acid solutions

2.3 不同核桃品種內(nèi)種皮水浸提液的口感品質(zhì)相似性分析

相似性分析結(jié)果中若距離越小、指紋分辨指數(shù)越小，則樣品之間越相似，差異越小。由表1可知，單寧酸與5個(gè)品種核桃內(nèi)種皮水浸提液之間的距離和指紋分辨指數(shù)都很大(距離>940，指紋分辨指數(shù)>80%)，表明單寧酸與核桃的口感存在較大差異，5個(gè)核桃品種的澀味均不及單寧酸溶液。單寧酸與‘ND-1’的距離和指紋分辨指數(shù)最小(距離為942.55，指紋分辨指數(shù)為83.22%)、與‘香玲’和‘農(nóng)核1號(hào)’的距離和指紋分辨指數(shù)均最大(距離分別為1 241.35、1 222.72，指紋分辨指數(shù)分別為88.26%、89.23%)，表明單寧酸與‘ND-1’的相似性最大、而與‘香玲’和‘農(nóng)核1號(hào)’的相似性最小。因此，‘ND-1’的澀味較其他4個(gè)品種的澀味重。

‘農(nóng)核1號(hào)’與其他4個(gè)核桃品種之間的距離和指紋分辨指數(shù)均較大(距離>480，指紋分辨指數(shù)>70%)，表明‘農(nóng)核1號(hào)’與其他4個(gè)核桃品種在口感上相似性較小、差異較大。‘薄殼香’、‘香玲’和‘京861’之間的距離和指紋分辨指數(shù)均較小(距離<260，指紋分辨指數(shù)<60%)，表明這3個(gè)核桃品種在口感上相似性較大、差異較小。‘農(nóng)核1號(hào)’與‘ND-1’之間的距離和指紋分辨指數(shù)最大(距離為635.71，指紋分辨指數(shù)為97.99%)，表明兩者之間的相似性最小、差異最大。‘京861’與‘香玲’之間的距離和指紋分辨指數(shù)最小(距離為145.14，指紋分辨指數(shù)為12.40%)，表明兩者之間的相似性最大、差異最小。由此可見，5個(gè)核桃品種可以分為3類：‘ND-1’為澀味較重的一類、‘農(nóng)核1號(hào)’為澀味較輕的一類、其他3個(gè)核桃品種為澀味居中的一類。

表1 核桃內(nèi)種皮水浸提液和單寧酸溶液的 相似性分析Table 1 Similarity analysis of water extracts of walnut pellicle and tannic acid solutions

2.4 不同核桃品種內(nèi)種皮單寧和黃酮含量比較

由表2可知，單寧含量從高到低為：‘ND-1’>‘京861’>‘香玲’>‘薄殼香’>‘農(nóng)核1號(hào)’；黃酮含量從高到低為：‘ND-1’>‘薄殼香’>‘京861’>‘香玲’>‘農(nóng)核1號(hào)’。在單寧含量方面，‘ND-1’>600 mg/g，‘農(nóng)核1號(hào)’<400 mg/g，而其他3個(gè)核桃品種均在500 mg/g左右；在黃酮含量方面，‘ND-1’>160 mg/g，‘農(nóng)核1號(hào)’<130 mg/g，而其他3個(gè)核桃品種均在140～150 mg/g。因此，從單寧和黃酮含量可知：‘ND-1’苦澀味較重、‘農(nóng)核1號(hào)’苦澀味較輕、其他3個(gè)核桃品種居中，這與電子舌檢測(cè)結(jié)果大致相同。

2.5 理化指標(biāo)與電子舌響應(yīng)值相關(guān)性分析

表2 不同核桃品種內(nèi)種皮的單寧和黃酮含量 單位：mg/g

為了探究單寧和黃酮含量與電子舌響應(yīng)值的相關(guān)性，利用皮爾遜系數(shù)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。單寧與黃酮、AHS呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與CTS和SCS呈正相關(guān)，與CPS呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與NMS、ANS呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；黃酮與單寧、AHS呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與SCS呈正相關(guān)，與NMS、CPS和ANS呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。由此可見，單寧和黃酮含量與苦味呈正相關(guān)，與甜味呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 理化指標(biāo)與電子舌響應(yīng)值相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of physiochemical indicators and electronic tongue response value

3 結(jié)論與討論

苦澀味主要來自單寧、黃酮類和兒茶素類物質(zhì)，是由單寧等多酚類物質(zhì)與唾液蛋白之間的相互作用引起的。未成熟的柿子具有典型的澀味，黃瓜、茶和堅(jiān)果等也有苦澀味。費(fèi)學(xué)謙等[32]研究認(rèn)為柿單寧主要成分是兒茶素和沒食子酸。田恒祿[33]認(rèn)為黃瓜中主要澀味物質(zhì)為兒茶素類物質(zhì)。劉敏[34]發(fā)現(xiàn)茶葉澀味主要物質(zhì)是兒茶素類物質(zhì)，兒茶素是茶多酚類的主體物質(zhì)。乜蘭春等[35]研究得出引起蘋果果實(shí)澀感的主要物質(zhì)是綠原酸、兒茶素、表兒茶素和原花青素。夏勃[36]在研究中提到核桃中的苦味和澀味物質(zhì)主要成分是單寧，但是沒有對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的研究。俞文君等[37]對(duì)38份核桃資源的7個(gè)顯苦澀味物質(zhì)進(jìn)行了研究，得出單寧是核桃果實(shí)中主要苦澀味物質(zhì)的結(jié)論。另外，甜味對(duì)苦澀味有一定的掩蔽性，本研究中甜味高的品種其苦澀味低也證明了這一點(diǎn)。雖然核桃營(yíng)養(yǎng)豐富，對(duì)人們的身體有很大益處，但是因其內(nèi)種皮具有苦澀味而使人們?cè)谑秤眠^程中會(huì)將其剔除而造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，因此找到低苦澀味的核桃對(duì)于核桃育種和生產(chǎn)實(shí)踐是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

本研究利用法國(guó)Alpha M.O.S公司生產(chǎn)的α-ASTREE電子舌系統(tǒng)對(duì)5個(gè)核桃品種的內(nèi)種皮水浸提液進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)行了主成分、聚類以及相似性分析，并測(cè)定了核桃內(nèi)種皮的單寧和黃酮含量，將理化指標(biāo)與電子舌響應(yīng)值進(jìn)行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)該電子舌系統(tǒng)對(duì)5個(gè)核桃品種進(jìn)行了有效區(qū)分，并將5個(gè)核桃品種分為3類：‘ND-1’和‘農(nóng)核1號(hào)’各為一類，其他3個(gè)核桃品種為一類；‘ND-1’苦澀味較重、‘農(nóng)核1號(hào)’苦澀味較輕、其他3個(gè)核桃品種居中；單寧和黃酮含量與苦味呈正相關(guān)，與甜味呈顯著負(fù)相關(guān)。因此，在科研實(shí)踐中，可以利用電子舌系統(tǒng)對(duì)不同核桃品種以及核桃種質(zhì)資源的口感品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)和分類等。

主成分分析圖可清楚地看到各品種的分布區(qū)域及相互間的距離，聚類分析結(jié)果可更直觀顯示出各品種間的分類情況，相似性分析結(jié)果可直觀看到各品種兩兩之間距離和指紋分辨指數(shù)，且這3種分析結(jié)果基本一致，說明電子舌系統(tǒng)可有效區(qū)分各核桃品種。這些分析結(jié)果雖不能直觀地顯示出哪個(gè)品種好，但可顯示出各品種的差別，并將它們進(jìn)行分類。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中可將電子舌檢測(cè)結(jié)合感官評(píng)價(jià)對(duì)核桃乳等產(chǎn)品的口感滋味進(jìn)行調(diào)控。與口感評(píng)價(jià)相比，電子舌在食品口感品質(zhì)評(píng)價(jià)方面具有客觀、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景非常廣闊。本研究為電子舌技術(shù)在核桃以及其他堅(jiān)果的口感品質(zhì)評(píng)價(jià)方面提供了新思路，也為今后核桃乳生產(chǎn)實(shí)踐中口感檢測(cè)以及尋找低苦澀味核桃品種等研究提供了重要依據(jù)。