智能感官技術(shù)在工程米研究中的應(yīng)用*

苑鵬，朱思樾，王雪，王璽，柳嘉，劉士偉，劉杰，劉炎橋，范光森，段盛林

1(中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院，北京，100015)2(中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京，100083)

目前，國內(nèi)居民的主食以精米精面為主，谷胚和麩皮在加工過程中被碾磨掉，多種營養(yǎng)素遭到破壞。實驗表明加工程度越精細，VB1等營養(yǎng)素損失也就越多。長期食用精米和精面會引起VB1缺乏癥，導致口角炎和多種神經(jīng)炎癥，如腳氣病等［1］。此外，精米精面中缺少人體必需的不飽和脂肪酸，如ω-3和ω-6系列等，長期食用容易影響人的免疫、心腦血管、生殖、內(nèi)分泌等系統(tǒng)的生理功能，從而引發(fā)高血壓、高血脂、糖尿病等慢性疾病，進而導致各種亞健康的發(fā)生［2］。鑒于此，我國政府連續(xù)簽發(fā)了《中國慢性病防治工作規(guī)劃(2012～2015年)》、《中國食物與營養(yǎng)發(fā)展綱要(2014～2020年)》等文，以引導社會大眾進行營養(yǎng)干預(yù)和防治未病［3-4］。近年來，以五谷雜糧為主要原料，使用先進的食品加工技術(shù)制成的工程米，可針對特殊人群進行營養(yǎng)干預(yù)，符合國家發(fā)展需求，受到越來越多的重視［5］。

工程米主要是指以淀粉類原料為主，添加膳食纖維、低聚糖、不飽和脂肪酸等營養(yǎng)物質(zhì)，用擠壓重組的方式獲得的同天然大米類似的顆粒。工程米實際上是一種更適合現(xiàn)代人營養(yǎng)需求的營養(yǎng)強化米。比如，以五谷雜糧為主要原料生產(chǎn)的工程米，以大米、玉米、馬鈴薯全粉等為主要原料，輔以小米、青稞、紫薯、黑米、高粱、綠豆、大豆、胡蘿卜等食材，按一定比例配比，將原料進行發(fā)芽、發(fā)酵、混合、水合等預(yù)處理后，使用擠壓膨化成型，其外觀形狀和普通大米相似，并達到生熟不松散，煮制不成漿的效果［6］?？舍槍Σ煌巳哼M行組方，滿足不同人群需要。除了針對性的強化營養(yǎng)外，2015年1月6日農(nóng)業(yè)部召開馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略研討會，明確提出推進馬鈴薯主糧化，并預(yù)計到2020年50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費，借助擠壓重組法使用馬鈴薯粉也可制成同天然米接近的工程米，且營養(yǎng)更豐富，種類多樣化［7］。因此，工程米具備廣闊的市場前景和社會意義。但是目前工程米的研究以制備方法為主，對工程米的組織結(jié)構(gòu)和感官評價的研究較少［8］。

隨著現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的發(fā)展，智能感官分析技術(shù)逐漸成熟，廣泛應(yīng)用到食品的生產(chǎn)和開發(fā)過程中。相比于傳統(tǒng)的感官分析方法，智能感官分析技術(shù)具有檢測時間短、重復(fù)性好、檢測結(jié)果客觀、感官不疲勞等優(yōu)勢［9-11］。在現(xiàn)代智能感官分析設(shè)備中，已有許多商業(yè)化的設(shè)備，如模擬人體舌頭的電子舌，模擬人體鼻子的電子鼻，模擬人體咀嚼的電子牙(質(zhì)構(gòu)儀)等?，F(xiàn)代智能感官分析技術(shù)將傳統(tǒng)感官分析的內(nèi)涵擴大，不僅僅依賴于人進行感官評價，而是把分析儀器和智能感官儀器也作為工具，輔助感官評價，使得感官分析更具精確性，并形成了感官大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的初步融合［12-14］。此外，以感官分析與理化分析的相關(guān)性研究為核心，將感官分析技術(shù)與現(xiàn)代儀器分析技術(shù)相結(jié)合，多技術(shù)融合進行產(chǎn)品品質(zhì)特征的評價與控制，為規(guī)?；妥詣踊I(yè)生產(chǎn)提供產(chǎn)品感官品質(zhì)精確評價與控制的技術(shù)與方法［15-17］。

1 智能感官在工程米中的應(yīng)用

1.1 電子舌在工程米研發(fā)中的應(yīng)用

電子舌(electronic tongue)技術(shù)是20世紀80年代中期發(fā)展起來的一種分析、識別食品“味道”的檢測手段。它主要由傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)組成，傳感器陣列對試樣做出響應(yīng)并輸出信號，信號經(jīng)計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和模式識別，得到反映樣品味覺特征的結(jié)果［18］。它對復(fù)雜樣品中的甜、酸、苦、咸、鮮、澀等基本的味覺指標進行快速評價［19］。

1.1.1 指導配方改進

在食品評價中，風味是非常重要的評價指標，是消費者評價食品適口性的主要指標之一［20］。因此，在工程米的配方研究中要明確各種味覺指標和總體味覺指標的信息。電子舌可以提供熟化工程米的酸、甜、苦、咸、鮮、澀及回味的信息，并以精確刻度的形式表達，因此可以調(diào)整配方中呈味原料的組成，優(yōu)化食品的單一味覺成分物質(zhì)，從而調(diào)整工程米的總體口味。比如，添加谷氨酸鈉豐富的食材，可以提高工程米的鮮味等，使用電子舌可以得知工程米鮮味的程度，并據(jù)此調(diào)整配方中的食材添加量。再如，工程米中經(jīng)常會添加多肽類物質(zhì)，以提高產(chǎn)品的營養(yǎng)價值，但是多肽類物質(zhì)有一定的苦味，使用電子舌可以測定在一定接受度內(nèi)的多肽添加量;或者添加一定的苦味掩味物質(zhì)，并根據(jù)電子舌的反饋信息來調(diào)整產(chǎn)品的口感。

工程米的味覺指標的評價可以將天然大米作為參比物，在酸、甜、苦、咸、鮮、澀及回味進行測定，使用電子舌分析工程米和天然大米的味覺差異，不僅可以得到兩者之間每個味覺指標的差異度，還可以使用主成分分析的方法分析兩者之間的整體相似度。這種精確味覺刻度性分析，對于產(chǎn)品配方的改進、優(yōu)化和新產(chǎn)品的設(shè)計有重要參考意義。

1.1.2 用于原料的鑒定

食品原料的安全性至關(guān)重要，工程米的原料安全性也不例外，使用電子舌可以快速檢測一些電子舌原料的腐敗性，重金屬和農(nóng)殘及抗生素等［21］。比如基于生物傳感器的電子舌可用于檢測食品和農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬污染和農(nóng)藥殘留。造成農(nóng)產(chǎn)品污染的重金屬種類繁多，主要是Cu、Zn、Pb、Cd和Ni等。由于土壤和水源的污染，雜糧類農(nóng)作物的重金屬污染越來越多，因此使用電子舌系統(tǒng)建立快捷有效的重金屬檢測手段，可以有效控制工程米的金屬污染情況。比如，文獻報道，科學家使用生物傳感器，對亞銻鹽的檢出限為1×10-15mol/L，通過電子舌系統(tǒng)，可以檢測到1 μg/L 濃度下的 Hg、Pb、Cd、Ni、Zn 和 Cu 等離子的存在［22-24］。Winquist等的研究表明，電子舌能對原料乳進行監(jiān)控，通過電子舌可以鑒定原料乳的新鮮度和生產(chǎn)過程的清潔度，因子可以借鑒電子舌的質(zhì)控方法用于工程米原料的安全性評估中［25］。

1.1.3 用于工程米生產(chǎn)監(jiān)控及保質(zhì)期判斷

電子舌可以對食品味覺信息如酸、甜、苦、咸、鮮、澀及回味等指標進行分析，因此可以根據(jù)產(chǎn)品的味覺信息特征來監(jiān)控工程米生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品穩(wěn)定性，以保證同一批次或者同一配方不同生產(chǎn)批次的口味一致性。比如，借助電子舌對各種味覺信息的原始數(shù)據(jù)，通過軟件對數(shù)據(jù)進行深度分析，并構(gòu)建正常產(chǎn)品的味覺置信區(qū)間，如果生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品味覺信息在置信區(qū)間以內(nèi)，則認為產(chǎn)品是合格的，如果落入置信區(qū)間之外，則認為產(chǎn)品存在問題。因此，可以通過味覺信息監(jiān)控產(chǎn)品是否合格。同樣，可根據(jù)味覺信息特點，判斷產(chǎn)品是否處于保質(zhì)期內(nèi)。

1.2 電子鼻在工程米研發(fā)中的應(yīng)用

電子鼻(electronic nose)的概念是在1982年由Persaud和Dodd教授首次提出的，它根據(jù)仿生學原理，模仿哺乳動物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機理，是一種用來分析、識別和檢測復(fù)雜嗅味和揮發(fā)性成分的儀器。目前，市場上大部分商業(yè)化電子鼻的核心元件為多個選擇性的氣敏傳感器，另外還包含氣味取樣器、空氣發(fā)生器等硬件以及信號處理系統(tǒng)和模式識別系統(tǒng)等軟件［26-28］。

1.2.1 工程米中谷物類原料的質(zhì)量控制

谷物類是工程米加工過程中使用的主要原料，但是目前我國在谷物霉變的檢測上有一定的滯后性。全世界每年大約有5%～7%的谷物因為霉變而不能食用，造成了很大的浪費。目前國內(nèi)判斷谷物是否霉變用的手段主要是測定溫度和實例抽樣檢測。國內(nèi)的一些小型谷物儲藏機構(gòu)還使用嗅覺、視覺的感官方法來判斷谷物霉變。因此為了保證工程米的產(chǎn)品安全性，可以使用靈敏度高的電子鼻系統(tǒng)對谷物進行霉變檢測［29-30］。對正常的谷物進行測定后提取氣味特征值，通過軟件對特征值進行歸一化處理，并使用諸如主成分分析或者徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行分析，建立正確的谷物置信區(qū)間，有實驗表明使用電子鼻系統(tǒng)可對霉變小麥、水稻、玉米的識別率超過90%，而這種檢測快捷、方便，排除了人工檢測的主觀性，對于大型糧食加工企業(yè)監(jiān)測糧食安全十分有用。此外，有研究表明，電子鼻在谷物儲藏中蟲害檢測有成功應(yīng)用，無論蟲子量多量少，蟲體死亡與否，其散發(fā)的氣味與標準儲糧樣品有很大差異，因此電子鼻能明顯捕捉并檢測到這種氣味差異［31］。電子鼻系統(tǒng)還被用于糧食儲存年限的檢測中，比如張紅梅等人利用德國電子鼻系統(tǒng)成功對不同儲存時間的小麥進行了分辨［32］。綜上應(yīng)用可使用電子鼻系統(tǒng)來監(jiān)控工程米加工原料中的安全性。

1.2.2 工程米中珍貴原料的鑒偽

除了雜糧原料的安全性以外，工程米的加工過程中會用到一些藥食同源或者可以用于保健食品的原料，比如松花粉等。由于這些原料較為昂貴，因此市場上有很多摻入玉米粉、蒲黃等廉價原料的仿制松花粉。借助電子鼻系統(tǒng)可以建立松花粉的嗅覺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，針對不同產(chǎn)地的真實松花粉建立置信區(qū)間。如果是摻假松花粉，由于摻入物質(zhì)帶有不同的氣味信息，因此會被電子鼻檢測到并被歸之于置信區(qū)間之外。可在此基礎(chǔ)上，使用電鏡等設(shè)備對其進一步的真實性檢測。同樣，電子鼻系統(tǒng)對于工程米加工過程中的其他珍貴藥食同源原料具有一定的鑒偽作用。

1.3 質(zhì)構(gòu)儀在工程米中的應(yīng)用

質(zhì)構(gòu)儀(又叫物性分析儀、物性測試儀，texture analyzer)是用于客觀評價物體質(zhì)地特性的主要儀器，在食品領(lǐng)域應(yīng)用中質(zhì)構(gòu)儀又被成為電子牙［33-34］。它能夠根據(jù)樣品的物性特點做出數(shù)據(jù)化的準確表述，是精確的感官量化測量儀器。質(zhì)構(gòu)儀具有專門的分析軟件包，可以通過計算機選擇各種檢測分析模式，并實時傳輸數(shù)據(jù)，繪制檢測過程曲線。它還擁有內(nèi)部計算功能，對有效數(shù)據(jù)進行分析計算，并可對多組實驗數(shù)據(jù)進行比較分析，獲得有效的物性分析結(jié)果［35］。在工程米測試中可以測定黏度、硬度、彈性、最大負載、回復(fù)能量等指標［36］。

米飯的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)被認為是大米食用品質(zhì)中最重要的因素，傳統(tǒng)上對米飯適口性的評價為感官評價法，但此方法存在主觀性強、操作繁瑣、耗時長等缺點。隨著科技的發(fā)展，用質(zhì)構(gòu)儀來代替人的感覺器官，可更為客觀、快速、準確，尤其是針對于工程米的研發(fā)和評價，質(zhì)構(gòu)儀得到的結(jié)果重復(fù)性更好。戰(zhàn)旭梅等使用質(zhì)構(gòu)儀通過對13種稻谷樣品的蒸煮品質(zhì)指標、質(zhì)構(gòu)品質(zhì)及其相關(guān)性的研究得出，可以用彈性、黏著性、硬度、黏度來代替蒸煮指標中的碘鹽值、膨脹率、米湯干物質(zhì)、吸水率來評價大米的食用品質(zhì)，比如米飯的彈性與膨脹率、碘藍值呈顯著的正相關(guān)，黏度與吸水率呈顯著的正相關(guān)等［37］。借助電子牙，可以將工程米的口感和天然稻米進行對比，并找出差異化信息，進而指導科學家進行配方修改等。

1.4 電子眼在工程米中的應(yīng)用

食品領(lǐng)域中的電子眼主要用來測定食物的顏色值。由于工程米是由擠壓重組制成的，因此可以根據(jù)需求添加諸如藻類、紫薯類、玉米粉等原料，將其塑造成天然綠色、紫色、黃色等米制品，滿足消費者對于主食制品的食欲要求。電子眼可以針對食品的顏色特征對其進行視覺分析，也可以對食品的外形和表面進行分析，還可以自動判別樣品中各成分的權(quán)重，某些品牌的電子眼可以得到樣品的顏色值如L*、a*、b*等，這樣可以通過對工程米顏色數(shù)據(jù)的測量，對生產(chǎn)進行質(zhì)控。但是目前電子眼主要用于工程米的配方調(diào)整、色澤優(yōu)化等方面，在生產(chǎn)中主要使用類似電子眼的色選機挑選工程米中的異色顆粒，以保證工程米顆粒的色澤統(tǒng)一性。

2 結(jié)論

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和進步，擬人化的智能感官設(shè)備越來越多，其硬件設(shè)施和配套軟件越來越完善。以往各種以人作為主體才能進行的感官評價通過智能感官設(shè)備變得數(shù)字化、科學化，而智能感官設(shè)備又具備了人體所不能企及的高靈敏度、高重復(fù)性、低疲勞度，且排除了人體感官評價的主觀因素，避免了環(huán)境、記憶和情緒等因素帶來的主觀偏差。但是，畢竟人有千種，物有萬味。食物最終是否適口，是否符合市場，是否迎合消費者需求最終還由人來決定，食物的色、香、味、形是呈現(xiàn)給消費者的綜合印象。因此，在工程米的研發(fā)中，需要將智能感官評價和人體主觀評價結(jié)果相結(jié)合。智能感官與人體主觀評價互補，并在研發(fā)、生產(chǎn)中發(fā)揮各自優(yōu)勢，比如用主觀評價主要確定工程米的市場接受度，用智能感官評價完善、調(diào)整工程米的研發(fā)方向和配方等，通過智能感官的數(shù)字化、科學化、客觀化表征來引導消費者進行工程米口感的選擇等，真正實現(xiàn)智能和人工的融合。

［1］ 陳秋羽.吃糙米遠離糖尿?。跩］.糖尿病天地，2012(11):28.

［2］ 呂子同.更新觀念，糙米更益健康［J］.糧食與油脂，2003(5):41-41.

［3］ 中華人民共和國衛(wèi)生部等.《中國慢性病防治工作規(guī)劃(2012-2015年)》.2012:34號文.http://www.moh.gov.cn/zhuzhan/wsbmgz/201304/b8de7b7415ca4996b3567e-5a0943300.shtml

［4］ 國務(wù)院辦公廳.《中國食物與營養(yǎng)發(fā)展綱要(2014—2020年)》.2014:3號文.http://www.gov.cn/xxgk/pub/govpublic/mrlm/201402/t20140208_66624.html

［5］ 于衍霞，魯戰(zhàn)會，安紅周，等.中國米制品加工學科發(fā)展報告［J］.中國糧油學報，2011，26(1):1-9.

［6］ 程力.擠壓強化米的研究進展［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工，2009，176(6):61-64.

［7］ 農(nóng)業(yè)部網(wǎng)站.http://www.moa.gov.cn/zwllm/zwdt/201501/t20150107_4324333.htm.

［8］ 安紅周，金征宇，趙曉文.擠壓法制備營養(yǎng)方便米的品質(zhì)［J］.食品與生物技術(shù)學報，2005，24(2):23-26.

［9］ Ouyang Q，ZHAO J，CHEN Q，et al.Instrumental intelligent test of food sensory quality as mimic of human panel test combining multiple cross-perception sensors and data fusion［J］.Analtica Chimic Acta，2014，841:68-76.

［10］ Fikri N A，Adom A H，Shakaff A Y M，et al.Development of Human Sensory Mimicking System ［J］.Sensor Letters，2011，9(1):423-427.

［11］ Ghasemi-Varnamkhasti M，Mohtasebi S S，Siadat M.Biomimetic-based odor and taste sensing systems to food quality and safety characterization:An overview on basic principles and recent achievements［J］.Journal of Food Engineering，2010，100(3):377-387.

［12］ 黨美珠，張秀鳳，李兆棣，等.智能感官分析技術(shù)在食品開發(fā)中的應(yīng)用研究［J］.中外食品工業(yè)，2013，(11):74-75.

［13］ Haddi Z，Mabrouk S，Bougrini M，et al.E-Nose and e-Tongue combination for improved recognition of fruit juice samples［J］.Food Chemistry，2014，150:246-253.

［14］ Rodriguez-Mendez M L，Arrieta A A，Parra V，et al.Fusion of three sensory modalities for the multimodal characterization of red wines ［J］.Ieee Sensors Journal，2004，4(3):348-354.

［15］ 趙鐳，劉文，牛麗影，等.食品感官科學技術(shù):發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)［J］.中國食品學報，2009，(6):138-143.

［16］ Skov T，Bro R.A new approach for modelling sensor based data ［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2005，106(2):719-729.

［17］ Rodríguez S D，Barletta D A，Wilderjans T F，et al.Fast and efficient food quality control using electronic noses:adulteration detection achieved by unfolded cluster analysis coupled with time-window selection［J］.Food Analytical Methods，2014，7(10):2 042-2 050.

［18］ WU R，YAN C，YU M，et al.Application of taste sensor array to sports drinks by using impedance measurement technology ［J］.Sensor Letters，2008，6(5):765-770.

［19］ 黃星奕，張浩玉，趙杰文.電子舌技術(shù)在食品領(lǐng)域應(yīng)用研究進展［J］.食品科技，2007(7):2-24.

［20］ 丁耐克.食品風味化學［M］.北京:中國輕工出版社，1996:5.

［21］ 談國鳳，田師一.電子舌檢測奶粉中抗生素殘留［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(4):361-365.

［22］ 林科.電子舌研究進展及其在食品檢測中的應(yīng)用研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2008，36(15):6602-6604.

［23］ Winquist F，Wide P，Lundstr?m I.An electronic tongue based on voltammetry ［J］.Analytica Chimica Acta，1997，357(12):21-31.

［24］ Sliwinska M，Wisniewska P，Dymerski T，et al.Food analysis using artificial senses［J］.2014，62(7):1 423-1 448.

［25］ Winquist F，Bjorklund R，Krantz-Rülcker C，et al.An electronic tongue in the dairy industry［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2005，111:299-304.

［26］ 于勇，王俊，周鳴，等.電子鼻技術(shù)的研究進展及其在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用［J］.浙江大學學報:農(nóng)業(yè)與生命科學版，2003，29(5):579-584.

［27］ Persaud K，Dodd G.Analysis of discrimination mechnisms in the mammalian olfactory system using a model nose［J］.Nature，1982，299(5881):352-355.

［28］ Gardner J W，Bartlett P N.A brief history of electronic noses［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，1994，18(13):210-211.

［29］ 潘天紅，陳山，趙德安.電子鼻技術(shù)在谷物霉變識別中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005，3:51～52.

［30］ 崔麗靜，周顯青，林家永等.電子鼻快速判別玉米霉變技術(shù)研究［J］.中國糧油學報，2011，26(10):103-107.

［31］ 蔣德云，孔曉玲，李寶筏，等.電子鼻在儲糧害蟲檢測中的應(yīng)用研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)大學學報，2005，32(2):254-257.

［32］ 張紅梅，王俊.電子鼻傳感器陣列優(yōu)化及其在小麥儲藏年限檢測中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22(12):164-167.

［33］ Proctor B E，Davison S，Malecki G J，et al.A recording strain-gage denture tenderometer for foods，I:instrument evaluation and initial tests［J］.Food Technology，1955，9:471-477.

［34］ Szczesniak A S.Objective measurements of food texture［J］.Journal of Food Science，1963，28(4):410-420.

［35］ 楚炎沛.物性測試儀在食品品質(zhì)評價中的應(yīng)用研究［J］.糧食與飼料工業(yè)，2003(7):40-42.

［36］ 周顯青，王云光，王學鋒等.質(zhì)構(gòu)儀對米飯適口性的評價研究［J］.糧油食品科技，2013，21(5):47-51.

［37］ 戰(zhàn)旭梅，鄭鐵松，陶錦鴻.質(zhì)構(gòu)儀在大米品質(zhì)評價中的應(yīng)用研究［J］.食品科學，2007，28(9):62-65.