基于電子鼻和電子舌技術(shù)對不同品種紅棗香氣和滋味的差異分析

解 云，陳邵德罡，蔡文超，高 俊，單春會，郭 壯，趙慧君*

（1.湖北文理學(xué)院 湖北省食品配料工程技術(shù)研究中心，湖北 襄陽 441053；2.湖北文理學(xué)院 乳酸菌生物技術(shù)與工程襄陽市重點實驗室，湖北 襄陽 441053；3.石河子大學(xué) 食品學(xué)院，新疆 石河子 832000）

紅棗又名大棗，為鼠李科植物，在中國距今已經(jīng)有八千多年的歷史[1-2]。紅棗果實的形狀一般為長圓形，在未成熟時一般為黃色或綠色，成熟后的果實為紅色。紅棗不僅具有獨特的風(fēng)味，而且包含了維生素C、維生素A、糖、有機酸、脂肪、蛋白質(zhì)、微量鈣和鐵等多種營養(yǎng)物質(zhì)[2-6]，具有極高的營養(yǎng)價值。近年來國內(nèi)外學(xué)者對中國紅棗進行研究，包括紅棗的抗氧化活性成分分析[7-9]、紅棗的總多酚分析[10-12]和同一地區(qū)不同品種紅棗的抗氧化能力分析[12-14]等；為提高紅棗的利用率，對紅棗的深加工產(chǎn)品也進行了研究，如李娜等[15]對不同預(yù)處理方式駿棗發(fā)酵的紅棗酒品質(zhì)進行了研究，發(fā)現(xiàn)由棗漿發(fā)酵的紅棗酒品質(zhì)最佳；馬騰臻等[16]對臨澤小棗、小口棗和民勤圓棗為原料釀造的紅棗酒的基本理化指標(biāo)和揮發(fā)性香氣成分進行測定，并經(jīng)感官評價發(fā)現(xiàn)小口棗酒和臨澤小棗感官品質(zhì)較佳；朱俊喆等[17]等采用超高壓再酶解、酶解再超高壓和僅酶解三種方式進行紅棗汁的制備并對其感官品質(zhì)進行評價，結(jié)果顯示超高壓處理能明顯改善紅棗汁的品質(zhì)。在我國栽培了大面積的優(yōu)良棗樹品種[8]，受環(huán)境的影響不同地區(qū)紅棗的品質(zhì)差異較大[18-21]，因此有必要對不同地區(qū)紅棗的品質(zhì)進行研究比較，為后續(xù)不同地區(qū)紅棗品質(zhì)的分析提供科學(xué)依據(jù)。

電子鼻和電子舌是新興的仿生技術(shù)，目前已經(jīng)應(yīng)用到很多食品品質(zhì)的鑒定中。如馮廷闖等[22]使用電子鼻和電子舌對襄陽大頭菜鹵水的滋味和揮發(fā)性物質(zhì)進行了分析；曾詩雨等[23]利用電子鼻和電子舌技術(shù)對鱘魚加工過程中的風(fēng)味變化進行了分析；任敏等[24]利用電子鼻和電子舌技術(shù)對發(fā)酵乳的風(fēng)味品質(zhì)進行了評價。

本研究將不同品種的紅棗破碎為紅棗汁后，利用電子鼻和電子舌對其香氣物質(zhì)和滋味品質(zhì)進行分析，同時結(jié)合多元方差分析（multivariate analysis of variance analysis，MANVA）、主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別式分析（linear discriminant analysis，LDA）對不同品種的紅棗品質(zhì)進行差異性分析，尋找鑒定不同品種紅棗的方法。以期為紅棗發(fā)酵產(chǎn)品的深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

12個不同品種紅棗：酸棗（Ziziphus jujubavar.spinosa（Bunge）），棗長約2.5 cm，果實整體較小且果皮厚果肉薄，大多數(shù)酸棗入口較酸，產(chǎn)地新疆；大平頂棗（Ziziphus jujubaMill.cv.Dapingding），棗長約3 cm，果實整體呈長倒卵形且果皮薄果肉厚，入口清甜，產(chǎn)地遼寧；圓鈴棗（Ziziphus jujubacv.Yuanlingzao），棗長大約2.8 cm，果實整體接近圓形，肉質(zhì)較脆，入口香甜，產(chǎn)地山東省；靈武長棗（Zizyphus jujubacv.Lingwuchangzao）棗長大約4 cm，果實呈橢圓形，果肉較厚，入口酸甜，產(chǎn)地寧夏靈武市；壺瓶棗（Zizyphus jujubacv.Huping），棗長大約4.5 cm，果實整體呈長倒卵形，皮薄肉厚且入口甘甜，產(chǎn)地山西；狗頭棗（Zizyphus jujubacv.Goutouzao），棗長大約5.5 cm，果實整體呈圓柱形或圓錐形，果肉厚且肉質(zhì)細密，入口香甜可口，產(chǎn)地陜西；金絲小棗（Zizyphus jujubacv.Jinsixiaozao），棗長約2.8 cm，果實整體呈鵝卵形，果皮較薄，果肉細膩且豐滿，入口香甜，產(chǎn)地河北；灰棗（Zizyphus jujubacv.Huizao），棗長約3 cm，果實整體呈長倒卵形，果皮薄果核小且果肉致密有彈性，產(chǎn)地新疆；靈寶大棗（Zizyphus jujubacv.Lingbaozao），棗長約3 cm，果實較大整體呈扁圓形，果肉致密且厚，入口酸甜，產(chǎn)地河南省靈寶市；木棗（Zizyphus jujubacv.Muzao），棗長約3.7 cm，果實大整體呈圓柱形，果肉厚且松軟，入口香甜，產(chǎn)地山西；石門大棗（Ziziphusjujubavar.Inermis（Bunge）Rehd.），棗長約4 cm，果實個大整體呈橢圓形或球形，果皮薄果肉厚，入口香甜醇厚，產(chǎn)地甘肅；駿棗（Zizyphus jujubacv.Junzao），棗長約5.7 cm，果實大整體呈長倒卵形或圓柱形，皮薄肉厚，入口甘甜醇厚，產(chǎn)地新疆。

陽離子溶液、陰離子溶液、參比溶液和內(nèi)溶液：日本Insent公司；果膠酶（50 000 U/g）：和氏璧生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

PEN3電子鼻：德國Airsense公司；SY-013-1多功能料理機（全營養(yǎng)破壁料理機）：廣州政邦電器有限公司；SA-402B電子舌：日本Insent公司；3-18k離心機：德國Sigma實驗室離心機股份有限公司；LRH-150生化培養(yǎng)箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；MM721NG1-PW微波爐：廣東美的廚房電器制造有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 紅棗汁制備工藝流程及操作要點

紅棗預(yù)處理→打漿→浸提→過濾、離心→收集上清液→紅棗汁

操作要點：

紅棗預(yù)處理：挑選優(yōu)質(zhì)紅棗清洗并去核后用微波爐750 W加熱1 min；

打漿：在破壁機中破壁30 s（果肉與水的質(zhì)量比為1∶4）；

浸提：加入紅棗果肉總質(zhì)量0.05%的果膠酶在45 ℃培養(yǎng)箱中浸提2 h；

過濾、離心：4 層濾紙過濾后使用離心機（8 000 r/min、4 ℃）離心5 min后收集上清液即得紅棗汁。

1.3.2 電子鼻對不同品種紅棗香氣的測定

取過濾離心后的紅棗汁15 mL置于頂空瓶中，參照楊江等[25]的方法使用PEN3電子鼻對紅棗汁的香氣品質(zhì)進行測定。測試時間1 min，取49～51 s的數(shù)據(jù)進行紅棗汁香氣分析。

1.3.3 電子舌對不同品種紅棗滋味的測定

取紅棗汁30 mL并加入其體積3倍的去離子水進行混合，參照楊成聰?shù)萚26]的方法使用SA402B電子舌對紅棗汁的5個基本味（酸味、苦味、澀味、咸味和鮮味）和3個回味（后味A：澀的回味，后味B：苦的回味，豐度：鮮的回味）進行滋味品質(zhì)測定，每個樣品測4次，選取后3次的測量數(shù)據(jù)進行分析。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

使用多元方差分析對不同品種紅棗之間香氣和滋味品質(zhì)差異進行了評價，使用主成分分析對不同紅棗的香氣和滋味進行分析，使用線性判別式分析對不同紅棗的香氣進行定性判別，同時使用SAS9.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，使用Origin2021軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻對不同品種紅棗香氣的分析

2.1.1 電子鼻對不同品種紅棗香氣的差異性評價

本研究選取不同品種的優(yōu)質(zhì)紅棗進行破碎榨汁后使用電子鼻對紅棗汁進行香氣品質(zhì)差異性評價。各傳感器對不同品種紅棗響應(yīng)值的差異性分析如表1所示。

由表1可知，電子鼻的10個傳感器對不同品種紅棗的響應(yīng)值均差異顯著（P＜0.05），表明電子鼻對不同品種紅棗之間的氣味敏感，因此能夠有效的區(qū)別不同品種的紅棗。

表1 各電子鼻傳感器對不同品種紅棗響應(yīng)值的差異性分析Table 1 Difference analysis of response values of each electronic sensor for different varieties of jujubes

2.1.2 電子鼻傳感器對不同品種紅棗香氣響應(yīng)強度的評價

使用電子鼻各傳感器對不同品種紅棗香氣的響應(yīng)強度進行差異性評價。各傳感器對不同品種紅棗香氣響應(yīng)強度的差異性分析見圖1。

圖1 不同品種紅棗香氣相對強度雷達圖Fig.1 Radar plot of relative aroma intensity of different varieties of jujubes

由圖1可知，電子鼻傳感器W3S和W6S對12 種紅棗香氣響應(yīng)強度的差異不明顯；傳感器W2W、W5C、W1C和W3C對12 種紅棗香氣響應(yīng)強度的差異較明顯；傳感器W1S、W1W、W5S和W2S對12 種紅棗香氣響應(yīng)強度的差異明顯。由此可知，12 種紅棗的香氣在氫氣、烷烴類和芳香類物質(zhì)間的差異并不明顯，而其香氣的差異主要集中在甲烷、乙醇、氫氧化物和有機硫化物等化合物上。

2.1.3 不同品種紅棗電子鼻的主成分分析和線性判別式分析

主成分分析是（PCA）能將多指標(biāo)信息的數(shù)據(jù)降維為特征向量并對其線性分類的一種無監(jiān)督多元統(tǒng)計方法[27]；線性判別式分析（LDA）是一種有監(jiān)督的降維技術(shù)，可以最大程度地區(qū)別不同種類樣品的差異[28]。本研究基于上述電子鼻各傳感器對不同品種紅棗香氣的差異性分析，使用主成分分析（PCA）對不同品種紅棗香氣的差異進行分析。結(jié)果顯示主成分分析的信息主要集中在前2個主成分，第一主成分的方差貢獻率為83.57%，第二主成分的方差貢獻率為10.96%，累計貢獻率為94.53%，而第一主成分的方差貢獻率接近85%，說明其包含的主要信息多，因此不同品種紅棗在X軸的距離越大其差異越大。基于電子鼻不同品種紅棗的主成分分析見圖2。

圖2 不同品種紅棗香氣主成分分析結(jié)果Fig.2 Principal component analysis results of aroma of different varieties of jujubes

由圖2可知，木棗和狗頭棗在X軸和Y軸的距離近，且兩種棗之間分布不明顯；而石門大棗、壺瓶棗、酸棗、平頂棗、圓鈴棗、駿棗、灰棗、靈武長棗、靈寶大棗和金絲小棗的分布分散，因此其差異明顯。由此可知，除木棗和狗頭棗外，經(jīng)電子鼻主成分分析能夠較明顯的區(qū)別不同品種紅棗的差異。

為了更好地區(qū)分木棗和狗頭棗，在對不同品種紅棗的香氣進行主成分分析的基礎(chǔ)上進一步使用線性判別式分析（LDA）對不同紅棗的香氣進行定性判，結(jié)果顯示LDA的總貢獻率為94.16%，其中第一函數(shù)的貢獻率為86.13%，第二函數(shù)的貢獻率為8.03%，在LDA中不同品種紅棗的之間的分散程度越大，則其差異越明顯。基于電子鼻不同品種紅棗香氣線性判別式分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同品種紅棗香氣線性判別式分析結(jié)果Fig.3 Linear discriminant analysis results of aroma of different varieties of jujubes

由圖3可知，同種類別的紅棗均聚集在一起，而不同種類的紅棗之間距離遠，分散程度大。由此可見，LDA可憑不同品種紅棗之間的香氣差異區(qū)分不同品種的紅棗。

2.2 電子舌對不同品種紅棗滋味的分析

2.2.1 電子舌對不同品種紅棗滋味的差異性評價

本研究使用電子舌對不同品種紅棗的5個基本味和3個回味進行了差異性分析，結(jié)果見表2。

由表2可知，酸味、苦味、澀味、咸味和鮮味數(shù)據(jù)并不是在所有不同品種紅棗中均差異顯著（P＜0.05），而后味A（澀味的回味）、后味B（苦味的回味）和豐度（鮮味的回味）對不同品種紅棗的滋味均差異不顯著（P＞0.05）。

表2 各電子舌滋味指標(biāo)對不同紅棗響應(yīng)值的差異性分析Table 2 Difference analysis of response value of each electronic tongue taste indicator for different varieties of jujubes

2.2.2 電子舌傳感器對不同品種紅棗滋味響應(yīng)強度的評價

使用電子舌各傳感器對不同品種紅棗滋味的響應(yīng)強度進行差異性評價。各傳感器對不同品種紅棗滋味響應(yīng)強度的差異性分析如圖4所示。

圖4 不同品種紅棗滋味相對強度雷達圖Fig.4 Radar plot of relative taste intensity of different varieties of jujubes

由圖4可知，酸味、咸味和鮮味3個電子舌滋味指標(biāo)對12種紅棗的相應(yīng)強度差異較明顯；而后味A（澀味的回味）、后味B（苦味的回味）、豐度（鮮味的回味）、苦味和澀味5個電子舌滋味指標(biāo)對12種紅棗的相應(yīng)強度差異不明顯。因此，各傳感器對不同品種紅棗滋味的響應(yīng)強度進行差異性分析發(fā)現(xiàn)，不能夠有效的區(qū)別不同品種紅棗的滋味差異。

2.2.3 不同品種紅棗電子舌的主成分分析

基于上述電子舌各傳感器對不同品種紅棗滋味的差異性分析，使用主成分分析（PCA）對不同品種紅棗香氣的差異進行評價。結(jié)果顯示主成分分析的信息主要集中在前3個主成分，其累計方差貢獻率為93.13%，第一主成分的方差貢獻率為51.49%，第二主成分的方差貢獻率為30.68%，第三主成分的方差貢獻率為10.98%，本研究選用第一主成分和第二主成分作不同品種紅棗滋味的主成分分析圖。基于電子舌不同品種紅棗的主成分分析見圖5。

由圖5可知，灰棗和靈武長棗分布較分散，則其差異較明顯；而其余10種棗的分布較集中，則其差異不明顯，結(jié)果表明基于電子舌的不同品種紅棗主成分分析發(fā)現(xiàn)12種紅棗之間的差異并不明顯。結(jié)合上述電子舌各傳感器對不同品種紅棗的差異性分析和對不同品種紅棗響應(yīng)強度的評價，可知電子舌不能明顯的區(qū)分不同品種紅棗的差異。

圖5 不同品種紅棗滋味主成分分析結(jié)果Fig.5 Principal component analysis results of taste of different varieties of jujubes

3 結(jié)論

本研究使用電子鼻各傳感器對不同品種紅棗進行差異性分析、相對強度分析、主成分分析和線性判別式分析，結(jié)果表明，不同品種紅棗之間的揮發(fā)性物質(zhì)有顯著差異，可以用于區(qū)分不同品種紅棗；使用電子舌各傳感器對不同品種紅棗滋味品質(zhì)進行差異性分析、相對強度分析和PCA分析，結(jié)果表明，不同品種紅棗之間滋味品質(zhì)差異不顯著，因此電子舌不能區(qū)分不同品種紅棗。綜上所述，可使用電子鼻對不同品種的紅棗進行鑒別。