基于電子鼻和電子舌技術的辣木籽風味分析

黃璜，王鳳玲，孫超仁，凡琪，楊沛潔

（天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134）

辣木（Moringa oleifera Lam.），辣木科辣木屬多年生植物，在非洲、亞洲地區均有種植[1-2]。目前已知有14個品種，國內較為常見的是印度傳統辣木、非洲辣木和以中國云南為主的印度改良辣木3種[3]。因其根有辛辣味，得名辣木[4]。辣木籽是辣木的種子，其作為一種純天然綠色食品，富含油脂、蛋白質、維生素、黃酮等營養成分[5-6]，具有抗氧化[7]、抗腫瘤[8]、降血糖血脂[9-10]、護膚[11]等多種生物活性，因此近些年來深受人們歡迎，辣木籽相關功能性食品的開發利用也逐漸興起，前景廣闊[12]。

辣木籽口感獨特，不同體質的人可嘗出酸、苦、澀、嘔、腥、甜6種味道，甜味代表體質健康[13]。風味是食品重要品質之一，包括滋味和氣味兩部分，目前多采用感官評價法、氣相色譜法、氣相色譜-質譜聯用法以及電子鼻、電子舌等技術對食品風味進行分析[14]。其中，感官評價法因個人主觀差異易對試驗結果產生較大偏差[15]；氣相色譜法和氣相色譜-質譜聯用法檢測成本高、時間長，無法描述食品整體風味[16]；電子鼻和電子舌聯用技術在肉類[17]、中藥[18]、水果[19]中均有報道，具有快速、簡便、能準確反映食品整體風味等優點。

目前，辣木籽因品種差異導致價格上相差較大，市場上出現以次充好等現象，建立一種能快速鑒別不同品種辣木籽的方法尤為重要。因此，本研究通過電子鼻結合電子舌技術，利用優化后提取檢測條件測定10種辣木籽風味，進行主成分分析（principal component analysis，PCA）、判別因子分析（discriminant factor analysis，DFA）、雷達圖、氣味成分及味覺分析，研究不同品種辣木籽在氣味和滋味上的差異，為辣木籽的品種鑒別以及風味研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

nC6～nC16正構烷烴標準品：美國Restek公司；10種辣木籽于4℃下保存，具體樣品信息見表1。

表1 辣木籽樣品信息Table 1 Information of Moringa seed samples

1.2 儀器與設備

Heracles II快速氣相電子鼻-氣味指紋分析儀、Astree II電子舌味覺指紋分析儀：法國Alpha MOS有限公司；FW135中草藥粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

辣木籽去殼，粉碎，過40目篩，制備辣木籽粉，4℃下密封保存，備用。

電子鼻樣品前處理：分別稱取適量10種辣木籽粉于20 mL頂空瓶中待測，每種樣品平行3次。

電子舌樣品前處理：稱取10種辣木籽粉各5.0 g，加100 mL水溶解，3 000 r/min離心10 min，過濾。取上清液于25 mL燒杯中待測，每種樣品平行3次。

1.3.2 基本參數設定

電子鼻基本參數設定：進樣量5 000 μL、注射速度125 μL/s、進樣口溫度 200 ℃、進樣口壓力 10 kPa、捕集溫度40℃、采集時間110 s、閥溫度250℃、檢測器溫度260℃、振蕩器攪拌速度500 r/min。

電子舌基本參數設定：測定前需經過活化、校準和診斷等過程[20]。室溫25℃下測定，樣品采集時間120 s、采集周期 1.0 s、攪拌率 1 r/s。

1.3.3 提取檢測條件優化

電子鼻試驗條件優化：對辣木籽粉的不同樣品量（0.2、0.5、0.8、1.0 g）、不同孵化溫度（50、60、70、80 ℃）等參數條件進行優化，以峰響應強度和個數為指標，確定最適樣品量和孵化溫度[21]。

電子舌提取方法優化：研究沸水提取法（沸水溶解辣木籽粉，冷卻至室溫25℃）和水浴加熱法（70℃水浴加熱溶解辣木籽粉30 min，冷卻至室溫25℃）2種提取方法對電子舌傳感器響應值相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）的影響，優化辣木籽中滋味物質的提取方法。

1.3.4 辣木籽氣味成分分析

取20 μL正構烷烴標準品，采用1.3.3中電子鼻最優檢測條件進樣分析，記錄各正構烷烴的峰保留時間，根據Kovats保留指數對比Arochembase數據庫，對樣品中氣味成分進行定性分析。

1.4 數據處理與分析

對原始數據進行PCA、DFA、雷達圖和味覺分析，由儀器自帶軟件Alpha soft Version 14.5完成，Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 電子鼻對辣木籽氣味的檢測分析

2.1.1 樣品量優化分析

不同樣品量下的電子鼻響應強度如圖1所示。

圖1 不同樣品量下的電子鼻響應強度Fig.1 Electronic nose response intensity under different sample sizes

由圖1可知，響應強度隨樣品量增加而增大，當樣品量為0.8 g時，圖中色譜峰響應強度適宜，能清楚反映出各氣味成分的強度及個數；增加至1.0 g時，響應強度達到飽和值，考慮保護儀器及節約樣品[22]，選取0.8 g為最適樣品量。

2.1.2 孵化溫度優化分析

不同孵化溫度下的電子鼻響應強度見圖2。

圖2 不同孵化溫度下的電子鼻響應強度Fig.2 Electronic nose response intensity at different incubation temperatures

由圖2可知，隨孵化溫度的升高，響應強度先上升后下降，70℃達到峰值，且峰個數最多；80℃時，強度下降，峰個數減少，可能是溫度過高，部分揮發性氣味成分分解[23]，因此確定最適孵化溫度為70℃。

2.1.3 電子鼻色譜圖分析

根據色譜峰的保留時間和強度繪制10種辣木籽樣品的電子鼻色譜圖見圖3。

圖3 10種辣木籽電子鼻色譜圖Fig.3 Electronic nose chromatograms of 10 Moringa seeds

由圖3可知，3個品種辣木籽的色譜圖中峰響應強度和個數存在較大差異，說明Heracles II電子鼻能很好區分不同品種辣木籽。

2.1.4 PCA結果分析

10種辣木籽的電子鼻PCA結果見圖4。

圖4 10種辣木籽電子鼻PCA圖Fig.4 PCA diagram of 10 Moringa seeds by electronic nose

由圖4可知，PCA的識別指數為90（＞80[24]），說明電子鼻能較好地區分10種產地辣木籽。主成分1和主成分2的方差貢獻率分別為83.106%和9.124%，累積貢獻率為92.230%（＞85%[25]），表明2種主成分能準確反映出10種辣木籽氣味物質的整體信息。

2.1.5 DFA結果分析

對10種辣木籽電子鼻數據進行DFA結果分析，見圖5。

圖5 10種辣木籽電子鼻DFA圖Fig.5 DFA diagram of 10 Moringa seeds for electronic nose

由圖5可知，I1、I2和I3分布在判別因子（discriminant factor，DF）1正半軸，A1與 A2分布在第二象限內，Y1、Y2、Y3、Y4和 Y5則分布在第三象限內，說明同一品種辣木籽的氣味相近，不同品種之間氣味上有較大差異。3個品種辣木籽響應值分布在不同區域內且無重疊，因此可用于判別不同品種辣木籽，與色譜圖分析一致。

2.1.6 氣味成分分析

10種辣木籽的氣味成分、相關指數及感官描述見表2。

表2 10種辣木籽的氣味成分、相關指數及感官描述Table 2 Odor components，correlation indexes and sensory description of 10 Moringa seeds

續表2 10種辣木籽的氣味成分、相關指數及感官描述Continue table 2 Odor components，correlation indexes and sensory description of 10 Moringa seeds

由表2可知，10種辣木籽共檢出64種氣味物質成分，其中醇類化合物8種，酮類化合物9種，醛類化合物9種，酯類化合物12種，烷烴類化合物6種，萜烯類化合物6種，其他類化合物14種。

10種辣木籽中共有氣味成分27種，其中醇類5種，酮類3種，醛類3種，酯類5種，烷烴類3種，萜烯類1種，其他類7種。印度傳統品種辣木籽的特有氣味成分為菊苣酮（強烈的焙烤焦糖香味）和月桂酸丁酯（花生香氣）；中國云南改良品種辣木籽的特有氣味成分為δ-癸內酯（椰子及桃子果香）、乙酸己酯（水果香、梨的酸甜味道）；非洲品種辣木籽的特有氣味成分只有丁香酚（丁香香氣）。

2.2 電子舌對辣木籽滋味的檢測分析

2.2.1 提取方法優化分析

試驗比較2種提取方法，每種方法重復測定6次，記錄 AHS（酸味）、PKS（通用）、CTS（咸味）、NMS（鮮味）、CPS（通用）、ANS（甜味）、SCS（苦味）7根傳感器響應值，計算RSD，沸水提取法下RSD分別為1.73%、3.70%、4.05%、1.91%、3.38%、1.44%、3.13%，水浴加熱法下RSD分別為0.82%、0.33%、1.06%、0.47%、1.20%、0.88%、1.84%，水浴加熱法RSD值更小，重復性更好，因此選擇水浴加熱法提取辣木籽中滋味物質。

2.2.2 滋味雷達圖分析

每種辣木籽樣品做3次平行試驗，計算味覺傳感器響應強度的平均值，得到雷達圖見圖6。

圖6 10種辣木籽電子舌雷達圖Fig.6 Radar chart of 10 Moringa seeds by electronic tongue

由圖6可知，I1、I2 和 I3，A1 和 A2，Y1、Y2、Y3、Y4和Y5辣木籽樣品的各傳感器響應強度數值接近，表明同一品種辣木籽的滋味相似；同時，傳感器AHS、CTS、NMS、CPS、ANS 和 SCS 對不同品種辣木籽樣品的響應值離散程度較大，說明這6種傳感器能較好區分不同品種辣木籽。

2.2.3 PCA結果分析

10種辣木籽電子舌PCA結果見圖7。主成分2貢獻率3.037%，累積貢獻率為98.426%，說明2種主成分可以反映出辣木籽整體滋味。中國云南改良品種的 Y1、Y2、Y3、Y4、Y5 分布于 DF1 負半軸，非洲品種的A1、A2集中在第一象限，印度傳統品種的I1、I2、I3集中于第四象限，說明不同品種辣木籽的滋味有很大差異，而同一品種間滋味相近，與雷達圖分析結果一致。

圖7 10種辣木籽電子舌PCA圖Fig.7 PCA diagram of 10 Moringa seeds by electronic tongue

由圖7可知，識別指數為92，說明電子舌對10種辣木籽滋味有良好區分度；主成分1貢獻率95.389%，

2.2.4 DFA結果分析

10種辣木籽電子舌DFA分析結果見圖8。

圖8 10種辣木籽電子舌DFA圖Fig.8 DFA diagram of 10 Moringa seeds by electronic tongue

由圖8可知，DF1貢獻率95.329%，DF2貢獻率2.958%，2種主成分累積貢獻率為98.287%，涵蓋了辣木籽中大部分滋味物質信息。中國云南改良品種辣木籽分布于DF1負半軸，非洲品種辣木籽集中在第四象限，印度傳統品種辣木籽集中于第一象限，3個品種辣木籽的分布規律與PCA圖類似，與雷達圖、PCA結果相互印證。

2.2.5 味覺分析

3個品種辣木籽的味覺分析結果見圖9。

由圖9可知，中國云南改良品種辣木籽有明顯酸甜滋味，可能與其中酯類成分較多有關；印度傳統品種辣木籽具有苦咸鮮口感，可能是由于辣木籽中含有較多刺激性成分；非洲品種辣木籽各傳感器味覺值適中，滋味更為豐富，電子舌的味覺分析進一步印證了電子鼻的風味成分檢測結果。

3 結論

試驗優化了辣木籽中風味物質的提取檢測條件，并在最優參數下，利用電子鼻結合電子舌技術測定印度傳統品種、非洲品種和中國云南改良品種3個品種的10種產地辣木籽風味，對所得數據進行PCA、DFA、雷達圖、氣味成分和味覺分析：PCA和DFA結果表明同一品種的不同產地辣木籽風味相似，不同品種間風味差異較大；雷達圖直觀反映出不同品種辣木籽在氣味和滋味的響應強度上存在差異；氣味成分分析表明10種辣木籽共檢測出64種氣味成分，其中醇、酮、醛、酯類化合物較多；味覺分析結果顯示印度傳統品種辣木籽苦咸鮮味最重，中國云南改良品種辣木籽口感偏酸甜，非洲品種辣木籽各味覺值適中，滋味更為豐富。電子鼻、電子舌技術能快速、準確識別不同品種辣木籽的風味差異，為辣木籽的品種鑒別提供新方法，以及為辣木籽食品的風味研究、開發利用提供理論基礎。