基于電子鼻技術(shù)對(duì)米飯食用品質(zhì)中氣味的評(píng)價(jià)

張玉榮 邢曉麗 何雅薔 周顯青

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心糧食儲(chǔ)藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450001）

基于電子鼻技術(shù)對(duì)米飯食用品質(zhì)中氣味的評(píng)價(jià)

張玉榮 邢曉麗 何雅薔 周顯青

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心糧食儲(chǔ)藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450001）

通過(guò)電子鼻測(cè)定15種秈型和15種粳型米飯樣品有關(guān)氣味的10個(gè)傳感器指標(biāo)信息，利用主成分分析分別構(gòu)建了秈型和粳型米飯的氣味品質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型，建立了基于電子鼻技術(shù)的米飯氣味評(píng)價(jià)方法。結(jié)果表明：秈型和粳型米飯氣味前兩個(gè)主成分的特征值均大于1，且兩個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了94.087%和96.408%，可以代表米飯樣品的絕大部分氣味信息；構(gòu)建的米飯氣味評(píng)價(jià)模型分別為Z＝0.782Z1＋0.126Z2（秈米）和Z＝0.838Z1＋0.159Z2（粳米），用此模型獲得米飯氣味的綜合得分，其中除了秈米中4個(gè)樣品和粳米中3個(gè)樣品與感官評(píng)價(jià)的排序有差異外，其余各樣品排序結(jié)果均與感官評(píng)價(jià)相一致。說(shuō)明兩種方法具有很好的一致性，使用電子鼻技術(shù)對(duì)米飯食味品質(zhì)中氣味進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的，并為米飯氣味品質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)探索了一條新途徑。

電子鼻 米飯 食味品質(zhì) 氣味評(píng)價(jià)

中國(guó)是世界上最大的稻米生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，全國(guó)有60%以上的人口以稻米為主食［1］。隨著經(jīng)濟(jì)的全面快速發(fā)展，人們對(duì)其食味品質(zhì)的要求在逐步提高，做好大米食味品質(zhì)的評(píng)價(jià)已顯得越來(lái)越重要和迫切［2］，其中氣味是米飯的重要感官指標(biāo)，與其品種、生長(zhǎng)條件、貯藏時(shí)間和溫度、破碎程度、蒸煮方法等因素有關(guān)［3－6］。傳統(tǒng)的米飯氣味評(píng)價(jià)方法是感官評(píng)價(jià)，根據(jù)香氣濃郁、米飯清香、香氣不明顯、無(wú)香味、有異味等描述指標(biāo)來(lái)評(píng)分，由于評(píng)價(jià)員嗅覺敏感性差異較大，使得評(píng)價(jià)結(jié)果有所差別。目前有許多研究者通過(guò)對(duì)其糧食的氣味物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定以增加測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)鑒定出米飯的119種風(fēng)味成分，主要是一些醛、酮、酸、酯、醇、烴以及雜環(huán)等化合物［7］，Sriseadka等［8］采用靜態(tài)頂空氣相色譜法（HS－GC）的快速方法驗(yàn)證了米飯的芳香化合物為2－乙酰 －1－吡咯啉，Maga［9］采用同時(shí)蒸餾萃取GC－MS方法鑒定出了印度Basmati香米的特征香氣成份，Zheng等［10］基于電子鼻對(duì)4個(gè)大米樣品進(jìn)行了區(qū)分檢測(cè)，胡桂仙等［11］采用商用PEN2電子鼻，對(duì)5個(gè)不同水稻品種進(jìn)行區(qū)分與識(shí)別研究，周顯青等［12］利用電子鼻技術(shù)對(duì)玉米樣品進(jìn)行模式識(shí)別，并對(duì)電子鼻傳感器陣列進(jìn)行優(yōu)化，趙丹等［13］采用PEN3型電子鼻系統(tǒng)對(duì)我國(guó)10個(gè)省份47個(gè)小麥樣品的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

本試驗(yàn)以秈米和粳米為原料，制作成米飯，利用電子鼻測(cè)定不同米飯的氣味信息，探索不同米飯的氣味差異。將氣味指標(biāo)進(jìn)行主成分分析后，與感官評(píng)價(jià)相結(jié)合對(duì)不同米飯樣品的氣味進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，建立電子鼻評(píng)價(jià)米飯氣味的方法。

1 材料與方法

1.1 原料

采集2012年產(chǎn)的秈型和粳型稻谷樣品各15種，其中秈米產(chǎn)地為江蘇、湖南、江西等，粳米產(chǎn)地為黑龍江。用礱谷機(jī)去殼得到糙米，將糙米制備成GB 1354—2009中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)精度的大米，置于冰柜中保存。

1.2 主要儀器設(shè)備

SY88－TH礱谷機(jī)：雙龍機(jī)械產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社；NSART100型碾米機(jī)：雙龍機(jī)械產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社；DT系列電子天平：中國(guó)江蘇常熟長(zhǎng)青儀器儀表廠；電磁爐：廣東美的生活電器制造公司；iNose電子鼻（智鼻）：上海昂申智能科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 米飯制備方法

按照 GB／T 15682—2008［14］中小量樣品米飯的制備方法制作米飯樣品。

1.3.2 米飯氣味感官評(píng)價(jià)

將蒸煮燜制后的米飯，按照GB／T 15682—2008的方法組織8位品評(píng)人員進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。

1.3.3 米飯氣味電子鼻測(cè)定方法

采用電子鼻對(duì)米飯氣味進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試條件：清洗時(shí)間120 s，進(jìn)氣速度0.8 L／min，檢測(cè)時(shí)間120 s，每0.1 s記錄存儲(chǔ)1次電子鼻數(shù)據(jù)［11］。電子鼻示意圖和氣敏傳感器陣列見圖1和表1。

圖1 電子鼻示意圖

表1 傳感器陣列

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 電子鼻測(cè)定米飯氣味特征曲線

采用以上試驗(yàn)方法測(cè)得的米飯氣味揮發(fā)性成分相應(yīng)信號(hào)典型曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著采樣時(shí)間的推進(jìn)，揮發(fā)性物質(zhì)相應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，在第100 s之后，曲線逐漸趨于穩(wěn)定，所以采集100 s之后的200個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為揮發(fā)性物質(zhì)在該傳感器上的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度。

由于有10個(gè)傳感器，不同米飯?jiān)诟鱾鞲衅魃系母袘?yīng)值不同，且各傳感器指標(biāo)間存在著一定的相關(guān)性，所采集的數(shù)據(jù)在一定程度上信息會(huì)有所重疊，因此無(wú)法對(duì)各米飯樣品的氣味進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，此時(shí)采用主成分分析的方法（PCA），將多個(gè)指標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為較少的新的指標(biāo)問(wèn)題，并且這些新的指標(biāo)既是互不相關(guān)，又能綜合反映原指標(biāo)，從而對(duì)不同的秈米和粳米米飯樣品的氣味進(jìn)行評(píng)定。

圖2 米飯樣品的響應(yīng)曲線

2.2 不同米飯主成分分析結(jié)果

2.2.1 各氣味成分感應(yīng)值及相關(guān)分析

用電子鼻測(cè)定米飯氣味，以10個(gè)傳感器所感應(yīng)的氣味信息為10個(gè)指標(biāo)（分別為X1，X2，….X10）進(jìn)行主成分分析。各測(cè)定指標(biāo)具有不同的量綱，為了消除由此可能帶來(lái)的不合理影響，在進(jìn)行主成分分析之前需先對(duì)所得結(jié)果數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理。結(jié)果如表2和表3所示。

采用SPSS16.0軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行皮爾遜積矩陣相關(guān)系數(shù)計(jì)算，結(jié)果各指標(biāo)之間都有不同程度的相關(guān)性，因而這些指標(biāo)在一定程度上反映的信息會(huì)有所重疊，所以采用主成分分析的方法對(duì)不同米飯樣品的氣味進(jìn)行成分篩選。

2.2.2 主成分篩選及其貢獻(xiàn)率

利用SPSS16.0軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率分別見表4和表5。

表2 秈米數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

表3 粳米數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

表4 秈米米飯氣味的特征值

表5 粳米米飯氣味的特征值

從表4和表5中可以看出，第一主成分和第二主成分的特征值均大于1，秈米第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為78.227%，第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為15.860%，兩者累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了94.087%；粳米第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為83.837%，第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為12.571%，兩者累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.408%。由此可知不論秈米還是粳米，氣味的主成分均為2個(gè)，其包含了樣品氣味的絕大部分信息，因而可以選取前兩個(gè)主成分進(jìn)行分析。特征向量分別見表6和表7。

由表6可知，秈米除了X1和X3屬于第二主成分外，第一主成分主要包括其余8個(gè)指標(biāo)的信息，它們具有較大的載荷，其中X10在Z1上的載荷最大。由表7可知，粳米的第一主成分主要包括X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X10的信息，其中X4在Z1上的載荷最大；第二主成分主要包括X1和X9的信息，其中X9在Z2上的載荷最大。

表6 秈米氣味特征向量

表7 粳米氣味特征向量

2.2.3 米飯氣味品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)

2.2.3.1 秈米米飯氣味綜合評(píng)價(jià)

據(jù)表6中秈米各成分的特征向量，可以構(gòu)建主成分與秈米米飯各氣味指標(biāo)的線性關(guān)系如下：

以2個(gè)主成分Z1，Z2與其方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建出秈米米飯氣味的綜合評(píng)價(jià)模型Z，Z是主成分Z1，Z2的線性組合，即Z＝0.782Z1＋0.126Z2。

利用該數(shù)學(xué)模型對(duì)15種秈米米飯的氣味品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表8，主成分得分越高，秈米米飯的氣味越好。

表8 秈米米飯氣味主成分得分

以Z1的得分值為橫坐標(biāo)，Z2的得分值為縱坐標(biāo)，得出秈米米飯氣味主成分得分的散點(diǎn)圖，如圖3所示。

從圖3可以看出，主成分1和主成分2的總貢獻(xiàn)率為94.087%，能夠反映樣品的整體信息。另外，從圖3可以看出，除個(gè)別樣品外，秈米米飯分為3類，不同的秈米飯因其氣味的不同被分為不同的類別，且分布在坐標(biāo)軸的不同區(qū)域內(nèi)，相互之間沒有重疊，說(shuō)明電子鼻能將秈米樣品的氣味進(jìn)行很好地區(qū)分開，這樣可以根據(jù)測(cè)得的米飯電子鼻信息將其歸類，進(jìn)而評(píng)價(jià)米飯的氣味好壞。

圖3 秈米米飯氣味分布圖

2.2.3.2 粳米米飯氣味綜合評(píng)價(jià)

粳米米飯各氣味指標(biāo)的線性關(guān)系：

以2個(gè)主成分Z1、Z2與其方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建出粳米米飯氣味的綜合評(píng)價(jià)模型Z，Z是主成分Z1、Z2的線性組合，即Z＝0.838Z1＋0.159Z2。

利用該數(shù)學(xué)模型對(duì)15種粳米米飯的氣味品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表9，得分越高，粳米米飯的氣味越好。

表9 粳米米飯氣味的主成分得分

以Z1的得分值為橫坐標(biāo)，Z2的得分值為縱坐標(biāo)，得粳米米飯氣味主成分得分的散點(diǎn)圖，如圖4所示。

圖4 粳米米飯氣味分布圖

由圖4可知，粳米米飯氣味主成分1和主成分2的總貢獻(xiàn)率為96.408%，能夠反映樣品的整體信息。另外，除了1個(gè)樣品外，其余的粳米米飯被分為3類，不同的米飯因其氣味的不同被分為不同的類別，且分布在坐標(biāo)軸的不同區(qū)域內(nèi)，相互之間基本沒有重疊，說(shuō)明電子鼻也能將粳米米飯樣品的氣味進(jìn)行很好地區(qū)分開，這樣可以根據(jù)測(cè)得的米飯電子鼻信息將其歸類，進(jìn)而評(píng)價(jià)米飯的氣味好壞。

2.2.4 米飯氣味評(píng)價(jià)模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證米飯氣味品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)效果，與國(guó)標(biāo)法的感官評(píng)價(jià)結(jié)果（表10和表11）對(duì)比表明，本研究所建立的評(píng)價(jià)模型與感官評(píng)價(jià)法具有較好的一致性。秈米中除了4、8、10、14號(hào)，粳米中除了3、14、15的排序結(jié)果出現(xiàn)差錯(cuò)外，其余的均一致，說(shuō)明本研究所建立的預(yù)測(cè)模型是可行的。但是由于我國(guó)大米樣品種類繁多，且氣味品質(zhì)的影響因素很多，因而本研究所建立的米飯氣味品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的普遍性會(huì)受到一定程度的限制，需要進(jìn)一步補(bǔ)充試驗(yàn)樣品，來(lái)擴(kuò)大模型的適用性。

表10 不同秈米米飯的氣味感官評(píng)價(jià)表

表11 不同粳米米飯的氣味感官評(píng)價(jià)表

3 結(jié)論

本研究基于電子鼻技術(shù)對(duì)米飯氣味進(jìn)行測(cè)定，應(yīng)用主成分分析的方法對(duì)秈米和粳米米飯氣味進(jìn)行了研究，建立了電子鼻評(píng)價(jià)米飯氣味的方法。確定了反應(yīng)米飯氣味的2個(gè)主成分因子，其中秈米米飯氣味的2個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為94.087%；粳米米飯氣味的2個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.408%，均可以代表米飯氣味的大部分信息；以主成分和方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建的米飯氣味評(píng)價(jià)模型分別為Z＝0.782Z1＋0.126Z2（秈米）和Z＝0.838Z1＋0.159Z2（粳米）；且用此模型對(duì)米飯氣味進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果與感官評(píng)定結(jié)果基本一致。表明通過(guò)電子鼻測(cè)定米飯氣味信息，利用主成分分析的方法評(píng)定米飯氣味品質(zhì)是可行的，從而建立了一種基于電子鼻技術(shù)的米飯氣味評(píng)價(jià)方法。

［1］周顯青，王學(xué)鋒，張玉榮，等.米飯食味品質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)展［J］.糧油食品科技，2013，21（1）：56－61

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Odor Evaluation of Rice Eating Quality Based on Electronic Nose

Zhang Yurong Xing Xiaoli He Yaqiang Zhou Xianqing

（Henan University of Technology college food science and technology，Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops，Henan Collaborative Innovation Center of Grain Storage and Security，Zhengzhou，450001，China）

The odor properties of cooked rice of 15 kinds of indica rice and 15 kinds of japonica rice had been measured and analyzed by Electronic Nose to objectively assess the odor quality of cooked rice；the forecast evaluation model was established based on principal component analysis method；the method of odor evaluation was established based on Electronic Nose.The results showed that the eigenvalues of the first two main ingredients of indica and Japonica were greater than 1；the contribution rates of two main components were 94.09%and 96.41%respectively，which could represent the vast majority of odor information of rice samples；the odor evaluation models of cooked rice were as follows：Z＝0．782Z1＋0．126Z2（indica）；Z＝0．838Z1＋0．159Z2（japonica）.After the composite scores of all varieties were obtained，the results were proved to be consistent with those from sensory evaluation at the rate upper of 80%，which indicated that the two methods both had good consistency；the method shall be acceptable and available for assessment of the odor quality of eating quality of cooked rice application of electronic nose.

electronic nose，cooked rice，eating quality，odor evaluation

TQ432.2

A

1003－0174（2015）09－0127－06

2014－03－25

張玉榮，女，1967年出生，教授，糧食儲(chǔ)藏技術(shù)與品質(zhì)控制

周顯青，男，1964年出生，教授，谷物科學(xué)及產(chǎn)后加工與利用