基于電子舌技術(shù)結(jié)合聚類/相關(guān)性分析 食鹽品質(zhì)的研究

蘇智敏，吳 振，師 萱，賈鳳霞，周 瑤，黃婧禹

（重慶市中藥研究院 中藥健康學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

食鹽不僅是人們生活中常用的食品調(diào)味劑，還能通過調(diào)節(jié)肌肉、神經(jīng)的正常興奮性和細(xì)胞外液滲透壓保持人體正常生理活動[1]。目前研究表明，無機(jī)元素作為食鹽組成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，不同的無機(jī)元素對味覺的表達(dá)起至關(guān)重要的作用[2-4]。我國食鹽感官試驗(yàn)多采用國家標(biāo)準(zhǔn)要求味咸、無異味，因咸味對評價(jià)員心理狀況及味覺疲勞效應(yīng)等因素影響，此評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)無法定量表述且重現(xiàn)性極低[5-7]。

因此，本研究利用近幾年在食品風(fēng)味檢測中廣泛應(yīng)用基于生物仿生學(xué)原理的電子舌傳感檢測技術(shù)，客觀、可靠分析待測樣通過產(chǎn)生的電流信號表達(dá)出的滋味品質(zhì)[8-17]。同時(shí)在不破壞食鹽晶型結(jié)構(gòu)、水溶性的條件下，利用X射線熒光光譜分析檢測其中9種主要元素的含量[18-19]。通過對電子舌和XRF檢測結(jié)果分別進(jìn)行主成分和聚類分析，探討食鹽產(chǎn)品基本屬性、元素含量及其滋味品質(zhì)之間相關(guān)性，有利于對我國食鹽生產(chǎn)工業(yè)的個(gè)性化發(fā)展有積極地促進(jìn)作用，能進(jìn)一步推動工業(yè)鹽生產(chǎn)的不斷進(jìn)步[20-23]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

（1）本試驗(yàn)供試12種食鹽均購于京東超市網(wǎng)上超市，按主要原料不同來源區(qū)分為湖鹽、井礦鹽、海鹽作為樣本單元[24-25]。樣品基本信息見表1。

表1 食鹽基本信息

（2）娃哈哈純凈水，杭州娃哈哈集團(tuán)；硼酸（分析純），成都市科隆化學(xué)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

電子分析天平AUW220D，日本島津；SHIMADZU賽默飛3600 X射線熒光光譜儀（XRF），美國Thermo Scientific；電子舌系統(tǒng)TS-5000Z，日本Insent公司；低速離心機(jī)TD-6M，四川蜀科儀器。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 電子舌試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取0.5 g食鹽試樣置于250 mL燒杯中，加入純凈水?dāng)嚢柚镣耆芙夂螅退匐x心取其上層清液，定容到100 mL容量器中。取待測試樣上機(jī)進(jìn)行測試。本試驗(yàn)采用的電子舌系統(tǒng)要求每種樣品測量前均需對采集電流信號的傳感器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化清洗，待測樣品循環(huán)測試3次后，結(jié)果取平均值。

1.3.2 X射線熒光光譜分析測定元素含量

稱取0.5 g待測試樣，均勻加入4.5 g粉末狀硼酸，將其置于壓力機(jī)上，緩慢升壓后，停留片刻，減壓取出樣品，需保證樣品表面平整、無裂紋。每個(gè)樣品分別壓片、上機(jī)測試3次，結(jié)果取平均值。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

由SPSS 22.0軟件系統(tǒng)和電子舌檢測儀器自帶DBMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對電子舌檢測系統(tǒng)和XRF采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析、系統(tǒng)聚類法分類分析，對兩種檢測方法的聚類分析結(jié)果進(jìn)行比較。采用SAS 8.2軟件對食鹽中12種主要的無機(jī)元素、電子舌滋味指標(biāo)及產(chǎn)品屬性進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)表示，判定食鹽產(chǎn)品基本屬性、元素含量及其滋味品質(zhì)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子舌檢測各滋味指標(biāo)分析

12個(gè)食鹽產(chǎn)品電子舌滋味指標(biāo)結(jié)果見圖1，對其結(jié)果進(jìn)行主成分分析結(jié)果見圖2，提取3個(gè)特征值λs＞0.1以上的主成分進(jìn)行分析可知，前3個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)99.12%，可以反映樣本的真實(shí)情況。由圖1可知，主成分1主要包含了酸味、豐富性的信息，主成分2主要包含了苦味回味、苦味的信息，主成分3主要包含了豐富性和苦味的信息。由圖2可知，12個(gè)食鹽產(chǎn)品可以得到較好的區(qū)分。從各產(chǎn)品的位置來看，樣品編號1、3、4、6、9、10和11呈聚類趨勢，5、8和12呈聚類趨勢，2、7相距較遠(yuǎn)，說明PCA能在空間排布上進(jìn)行一定的區(qū)別。采用系統(tǒng)聚類分析法進(jìn)一步探討12個(gè)食鹽產(chǎn)品的聚類關(guān)系，具體見圖3，當(dāng)距離取5時(shí)可以分為4類。1、3、5、6、9、10和11為第1類，4、8、12為第2類，2、7聚為第3、4類。

圖1 食鹽電子舌滋味品質(zhì)檢測結(jié)果（n=3）

圖2 電子舌滋味檢測聚類分析圖

圖3 主成分得分因子圖

2.2 食鹽中主要無機(jī)元素含量聚類分析

12種食鹽的主要無機(jī)元素含量XRF檢測結(jié)果列于表2。由表2可知，12種食用鹽的中氯元素、鈉元素等主要元素含量均符合GB 2721—2015相關(guān)規(guī)定。12種食用鹽的無機(jī)元素檢測結(jié)果中，海鹽的氯元素含量最高、井礦鹽次之、湖鹽最低，海鹽中鉀元素含量明顯高于井礦鹽、湖鹽；對12種食用鹽主要元素含量指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，得到如圖4所示的樹狀圖。當(dāng)距離取4時(shí)可以分為以下4類，1、2、3、6、7、8、9、10為第1類（其中1、3、10、6、9與2、7、8分別來自兩個(gè)小類），11、12聚為第2類，4、5聚為第3、4類。

表2 不同食鹽中無機(jī)元素含量（單位：%）（n=3）

圖4 無機(jī)元素含量檢測聚類分析圖

2.3 相關(guān)性分析

分析電子舌和XFR檢測結(jié)果的聚類對比情況，具體見表3，兩種不同的檢測方式，僅對樣品1、3、6、9、10、12的聚類分析結(jié)論相同，其樣品聚類分析結(jié)果的相似度達(dá)到50%。

表3 不同檢測方法聚類分析結(jié)果

由相關(guān)性分析圖5可知，Cl含量與鮮味呈顯著正相關(guān)（P＜0.01）、產(chǎn)品類別呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），Si含量與Al含量、Al含量與K含量均呈正相關(guān)性，K含量與鮮味、咸味呈正相關(guān)性，Zn含量與澀味、苦味回味、澀味回味呈顯著正相關(guān)，苦味與產(chǎn)地區(qū)域呈正相關(guān)性，澀味與苦味回味、澀味回味呈正相關(guān)性，苦味回味與澀味回味、產(chǎn)品生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)呈正相關(guān)性，鮮味與咸味呈正相關(guān)性。Na含量與Si含量、Zn含量、澀味、苦味回味及澀味回味呈負(fù)相關(guān)性，酸味與苦味、豐富性、產(chǎn)地區(qū)域呈負(fù)相關(guān)性，澀味與豐富性呈負(fù)相關(guān)性，澀味回味與豐富性呈負(fù)相關(guān)性，咸味與產(chǎn)地標(biāo)準(zhǔn)呈負(fù)相關(guān)性。

3 結(jié)論

（1）通過對電子舌滋味響應(yīng)值的檢測結(jié)果進(jìn)行主成分分析和聚類分析，結(jié)果表明，電子舌結(jié)果能將食鹽產(chǎn)品準(zhǔn)確分為3類，且電子舌檢測結(jié)果的主成分分析中前3個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為99.12%，主成分1主要包含了酸味、豐富性的信息，主成分2主要包含了苦味回味、苦味的信息，主成分3主要包含了豐富性和苦味的信息，可以用來區(qū)分食鹽的味覺品質(zhì)。

（2）XRF檢測發(fā)現(xiàn)，12種食鹽中海鹽的氯元素含量最高、井礦鹽次之、湖鹽最低，與相關(guān)性分析中Cl含量與產(chǎn)品類別呈顯著正相關(guān)（P＜0.01）的結(jié)論一致，表明Cl含量可以作為判斷產(chǎn)品原料來源的主要依據(jù)。

（3）結(jié)合XRF儀器檢測結(jié)論海鹽中鉀元素含量明顯高于井礦鹽、湖鹽，以及食鹽所表現(xiàn)的主要味覺咸味與K含量呈正相關(guān)（P＜0.05）、鮮味呈正相關(guān)（P＜0.01），為健康食鹽開發(fā)、主要原料來源的選擇提供理論依據(jù)。