基于電子舌技術(shù)的大豆肽區(qū)分及苦味評價

惠延波，樊留強(qiáng)，陳復(fù)生，牛群峰，王 莉，賈 芳（河南工業(yè)大學(xué)，河南鄭州450001）

基于電子舌技術(shù)的大豆肽區(qū)分及苦味評價

惠延波，樊留強(qiáng)*，陳復(fù)生，牛群峰，王 莉，賈 芳
（河南工業(yè)大學(xué)，河南鄭州450001）

本文對大豆分離蛋白在風(fēng)味蛋白酶五種不同酶解時間下制取的大豆肽溶液進(jìn)行區(qū)分和苦味評價。采用法國ASTREE電子舌傳感器采集大豆肽溶液的味覺信息，基于判別因子分析法（DFA）對大豆肽溶液進(jìn)行定性分析；基于偏最小二乘法與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別建立苦味得分的定量預(yù)測模型。結(jié)果顯示DFA對不同大豆肽樣品的區(qū)分效果好，區(qū)分指數(shù)DI=100，并能準(zhǔn)確對未知樣品進(jìn)行呈味預(yù)測，識別率為100%；采用偏最小二乘法模型時的建模集和預(yù)測集的RMSE分別為2.47%、6.81%，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時的RMSE分別為0.81%、3.37%，表明采用RBF模型的預(yù)測效果比偏最小二乘法好。研究結(jié)果可為后續(xù)大豆肽產(chǎn)品的呈味特性研究提供一種新的方法途徑。

大豆肽，電子舌，苦味，判別因子分析法（DFA），偏最小二乘法，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

大豆肽作為大豆蛋白的水解產(chǎn)物，比蛋白質(zhì)更易消化吸收，且過敏性和抗原性較低［1］。大豆肽是目前研究大豆蛋白的熱點，主要集中在大豆肽的理化特性和生理活性、酶解工藝、分離純化、苦味產(chǎn)生機(jī)理及脫苦工藝［1-5］而利用電子舌技術(shù)來定量評價大豆肽苦味感官特性還未見相關(guān)報道。酶水解法是目前較常用的生產(chǎn)大豆肽的方法，而在酶解過程中會產(chǎn)生苦味，目前對苦味的判定主要采用感官評價法，但其結(jié)果不夠客觀準(zhǔn)確，易受外界環(huán)境、評價者自身因素的干擾。電子舌作為一種能快速檢測味覺品質(zhì)的新技術(shù)，可以對樣品進(jìn)行味覺的量化，克服感官評價易受主觀影響的不足，具有重復(fù)性、高靈敏性、可靠性等優(yōu)勢。目前，電子舌在飲料、酒類、食用油、污水、醫(yī)藥、肉類等方面得到了廣泛的應(yīng)用研究［6-10］，利用電子舌來對大豆肽的苦味進(jìn)行檢測、評價等方面的研究較少。本文采用法國Alpha MOS公司ASTREE電子舌的電勢型味覺傳感器來采集溶液信號，對大豆肽溶液苦味特性進(jìn)行定性和定量分析評價。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆肽樣品 自制；大豆分離蛋白 購自河南省鯤華生物技術(shù)有限公司；風(fēng)味蛋白酶（酶活力為

2.8×104U/g） 諾維信公司；奎寧 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

ASTREE電子舌分析儀 法國Alpha MOS公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大豆肽樣品的配制 取五份等量的底物濃度為5%的溶液在90℃水浴10 min，然后冷卻至50℃，在pH7.0、酶用量5%條件下分別水解0.5、1、2、3、4 h，然后在90℃水浴10 min，在4000 r/min條件下離心10 min，取上清液獲得五種大豆肽樣品。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集 本文采用法國ASTREE電子舌分析儀采集溶液信息，它由16位自動進(jìn)樣器、傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集和控制器、模式識別軟件等部分組成。傳感器陣列由7根具有交叉敏感性的傳感器（ZZ、JE、BB、CA、GA、HA和JB）和1個Ag/AgCl參比電極組成。數(shù)據(jù)采集前，電子舌系統(tǒng)需完成自檢、初始化、校正和診斷等環(huán)節(jié)，環(huán)境溫度控制在25℃左右［11］。將待測樣品放在電子舌下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待測液和清洗液交替進(jìn)行檢測。樣品數(shù)據(jù)采集時間設(shè)為120 s，取最后3 s的值作為每個樣本的測量數(shù)據(jù)。為減少測量誤差每個樣品重復(fù)采集10次，取后6次測量的各傳感器響應(yīng)值作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。實驗中共有5種樣品對應(yīng)五種酶解時間下的大豆肽，每種樣品下獲得15個樣本數(shù)據(jù)因此共有90個樣本數(shù)據(jù)。從90個樣本中隨機(jī)選取60作為校正集，用于建立校正模型，剩余30個作為預(yù)測集，用于驗證模型性能。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用電子舌采集的傳感器數(shù)據(jù)，采用判別因子分析法（DFA）對5種樣品進(jìn)行區(qū)分，檢驗區(qū)分效果；分別采用PLS和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立電子舌大豆肽苦味的定量評價模型，并比較結(jié)果。在模型的建立過程中采用建模集的相關(guān)系數(shù)、建模集均方根誤差和預(yù)測集的相關(guān)系數(shù)、預(yù)測集均方根誤差評價模型效果［11］。

2 結(jié)果與分析

2.1 感官評價

感官評價是通過人體的視覺、嗅覺、觸覺、味覺和聽覺并結(jié)合科學(xué)的方法對食品進(jìn)行定性、定量的測量和分析，以獲取產(chǎn)品感官性質(zhì)的重要而有價值的信息。感官評價方法簡便易行，但屬于一種主觀評價的方法，容易受主觀影響和外界干擾。本文首先對大豆肽的苦味特性進(jìn)行人工感官評價，然后再研究電子舌儀器進(jìn)行感官分析。本實驗從對苦味敏感的專業(yè)人員中選取10位感官評價員（5男5女）進(jìn)行感官評價，每次品嘗之后，需要用清水漱口，再進(jìn)行下一次品嘗。最后，將與其口味接近的奎寧標(biāo)準(zhǔn)液濃度對應(yīng)的分值記為此溶液的得分。之后取10位評價人員的平均分為苦味評定分?jǐn)?shù)。以奎寧的作為評分標(biāo)準(zhǔn)，評分標(biāo)準(zhǔn)見表1。表2為風(fēng)味蛋白酶不同水解時間下的苦味得分值。

表1 奎寧標(biāo)準(zhǔn)評分表Table1 Standard grade form of quinine basic liquid

表2 不同水解時間下的苦味得分值Table2 Bitter taste score of five different samples

2.2 DFA區(qū)分

DFA是研究樣品所屬類型的一種統(tǒng)計分析方法，即通過重新組合傳感器數(shù)據(jù)來優(yōu)化區(qū)分性的分類技術(shù)，使組間距離最大的同時保證組內(nèi)差異最小使各個組間的重心距離最大，從而建立判別函數(shù)和判別準(zhǔn)則，判斷樣品屬于哪一類別［12-13］。首先對正確分類的訓(xùn)練樣本集建立DFA模型，然后將未知樣品投影到模型圖譜上，計算未知樣品與模型圖譜上的每類樣品的中心距離，將未知樣品判定為距離最近的那一類［14］?；谂袆e因子分析法建模，得到五種樣品的區(qū)分圖如圖1所示。從DFA二維圖中可知DF1與DF2總貢獻(xiàn)率達(dá)到99.994%，模型區(qū)分指數(shù)DI=100，5種樣品被很好區(qū)分開。從5種樣品的預(yù)測集中分別任意選擇1個樣本（圖中顯示為黑色圓點），根據(jù)建立的DFA模型進(jìn)行區(qū)分，結(jié)果表明5個未知樣本均落在相應(yīng)的組中，識別率為100%，區(qū)分效果良好。

2.3 PLS模型建立及預(yù)測

PLS是一種多元統(tǒng)計數(shù)據(jù)方法，一般在進(jìn)行PLS建模時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后分別在自變量組和因變量組中提取出t和u，使t和u滿足：t和u最大程度攜帶各自數(shù)據(jù)的變異信息；t和u的相關(guān)度最大。提取成分后，利用偏最小二乘回歸實施自變量對t的回歸和因變量對u的回歸，如果回歸方程達(dá)到滿意的精度則算法終止，若不滿足則從殘余信息中進(jìn)一步提取成分直到達(dá)到滿意精度。用PLS建立大豆肽溶液電子舌苦味預(yù)測模型，并對電子舌傳感器響應(yīng)值與人工感官評價得分值間的相關(guān)性進(jìn)行研究。以七根傳感器的響應(yīng)信號值為自變量，以感官得分值為因變量構(gòu)建偏最小二乘模型。建模集為60個樣本，驗證集為30個樣本。結(jié)果如圖2、圖3所示，分別表示建模集、預(yù)測集的實際苦味值與預(yù)測值的相關(guān)圖。

回歸方程如下：

y=130.099+0.001s1+0.003s2+0.001s3-0.013s4-0.033s5+0.001s6-0.019s7

其中y表示電子舌苦味預(yù)測值；s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7分別為ZZ、JE、BB、CA、GA、HA、JB傳感器響應(yīng)值。

對于偏最小二乘模型，p（p=0.000）＜0.05，表明該模型的回歸方程有顯著意義，且該模型的建模集中，真實值與預(yù)測值之間的相關(guān)系數(shù)為0.9923，RMSE為2.47%，預(yù)測集的相關(guān)系數(shù)為0.9890，RMSE為6.81%，預(yù)測效果較好。

圖2 PLS建模集Fig.2 Result of modeling set

圖3 PLS預(yù)測集Fig.3 Result of prediction set

2.4 RBF模型建立與預(yù)測

研究徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立大豆肽的電子舌傳感器響應(yīng)值與人工感官得分值間的相關(guān)性和預(yù)測模型。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種局部逼近網(wǎng)絡(luò)，從理論上可以證明它能以任意的精度逼近任意連續(xù)函數(shù)，即具有唯一最佳逼近特性、且無局部極小問題［15-16］，廣泛應(yīng)用于短時交通量預(yù)測，需水量預(yù)測等諸多領(lǐng)域。它是一種3層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含輸入層、隱含層、輸出層。隱含層節(jié)點通過基函數(shù)執(zhí)行一種非線性變化，從而將輸入空間映射到一個新的空間，輸出層在這個新空間進(jìn)行線性加權(quán)組合。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型第1層為輸入層，輸入節(jié)點個數(shù)由所描述的問題特征而定；第2層為隱含層，采用徑向基函數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)；第3層為輸出層，采用線性激活函數(shù)。本文的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入層節(jié)點為7，對應(yīng)7根傳感器響應(yīng)值，隱層節(jié)點選用高斯徑向基函數(shù)作為激活函數(shù)，隱層節(jié)點個數(shù)的具體值在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程中按最優(yōu)準(zhǔn)則確定；輸出量只有一個，對應(yīng)溶液苦味值。

本文采用的是基于K均值聚類的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)來建立定量的預(yù)測模型，其中建模集為60個樣本，預(yù)測集為30個樣本。在建模過程中重疊系數(shù)和隱含層個數(shù)是影響該模型的主要參數(shù)［16］。在不同參數(shù)組合下的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的均方根誤差對比如表3所示。從表3可以看出：當(dāng)overlap=3時，建模集的RMSE均小于overlap為2時的RMSE，預(yù)測效果也較好，因此overlap設(shè)為3。當(dāng)隱含層節(jié)點設(shè)為15時對應(yīng)的RMSE最小。經(jīng)分析對比，本文采用的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為7-15-1，數(shù)值分別對應(yīng)輸入層、隱含層、輸出層。圖4為該參數(shù)組合下的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果。從圖4可以看出建模集的相關(guān)系數(shù)為0.9950，預(yù)測集的相關(guān)系數(shù)為0.9814。綜上所述，該模型達(dá)到很好的預(yù)測效果。

采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建模集和預(yù)測集的RMSE分別為0.81%、3.37%，均小于PLS模型時的2.47%、6.81%；RBF模型建模集相關(guān)性為0.9950大于PLS預(yù)測集的0.9923，RBF模型和PLS模型預(yù)測集相關(guān)性分別為為0.9814，0.9890，均大于0.98，相關(guān)性較好，因此采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測效果要優(yōu)于PLS模型。

表3 不同參數(shù)組合下的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的均方根誤差Table3 RMSE of RBF model with different combinations of parameters

圖4 最優(yōu)參數(shù)下RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果Fig.4 Prediction result of RBF model with optimal parameters

3 結(jié)論

采用法國Alpha M.O.S電子舌對制取的五種不同酶解時間條件下的樣品進(jìn)行苦味特性研究。分別采用DFA模式識別方法和PLS、RBF預(yù)測模型對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量分析，研究表明：采用DFA分析法能夠?qū)ξ宸N不同的大豆肽樣品的呈味特性和味覺相似程度進(jìn)行定性評價并能對未知樣品進(jìn)行呈味預(yù)測；采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測效果要優(yōu)于PLS模型；大豆肽的苦味預(yù)測結(jié)果與實際感官評價吻合。研究結(jié)果為后續(xù)大豆肽產(chǎn)品的呈味特性研究提供一種新的方法途徑。

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Discrimination and bitter flavor characteristics assessments of soybean peptide by intelligent electronic tongue

HUI Yan-bo，F(xiàn)AN Liu-qiang*，CHEN Fu-sheng，NIU Qun-feng，WANG Li，JIA Fang
（Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

In this paper，the discrimination and bitter flavor characteristics assessments of five different samples was studied.The taste information of soybean peptide solution was collected by the French ASTRESS electronic tongue sensor and the method of DFA was applied to do qualitative analysis of the solution.The relationship between the sensor response value and bitter taste score was analyzed and two qualitative prediction modes was established based respectively on the methods of RBF and partial least squares.The results showed that the method of DFA had a good discrimination of different soybean peptide samples with 100 distinction index and accurately predicted the taste of unknown samples with 100%recognition rate.The RMSE based on partial least squares of modeling and prediction sets were 2.47%and 6.81%respectively while the model based on the methods of RBF were 0.81%and 3.37%.It showed that the model based on RBF did better in the prediction than the model based on partial least squares and the results might provide a way to the follow-up study of the flavor characteristics of soybean peptide product.

soybean peptide；electronic tongue；bitter asses；DFA；partial least squares；RBF neural network

TS201.1

A

1002-0306（2016）08-0097-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.08.011

2015－07－27

惠延波（1964-），男，教授，研究方向：制造業(yè)信息化、糧油食品檢測技術(shù)與裝置，E-mail：huiyb@haut.edu.cn。

*通訊作者：樊留強(qiáng)（1990-），男，在讀碩士研究生，研究方向：糧油食品檢測技術(shù)與裝置，E-mail：18037800946@163.com。