牛肉味覺(jué)品質(zhì)快速檢測(cè)的傳感器陣列優(yōu)化方法

王笑丹 徐麗萍 王洪美 才英明 金佳慧 朱靈濤

(吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130062)

牛肉味覺(jué)品質(zhì)快速檢測(cè)的傳感器陣列優(yōu)化方法

王笑丹 徐麗萍 王洪美 才英明 金佳慧 朱靈濤

(吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130062)

為了快速辨識(shí)不同味覺(jué)品質(zhì)的牛肉汁，對(duì)牛肉味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)進(jìn)行劃分，構(gòu)建了由12個(gè)離子電極與1個(gè)參比電極組成的味覺(jué)傳感器陣列，將該陣列應(yīng)用于牛肉汁的等級(jí)辨識(shí)中，評(píng)價(jià)30組牛肉汁樣品味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)。采用基于歐氏距離的聚類分析方法劃分牛肉味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)。針對(duì)牛肉汁味覺(jué)品質(zhì)評(píng)價(jià)自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，對(duì)用于牛肉汁等級(jí)評(píng)價(jià)的傳感器陣列進(jìn)行了篩選優(yōu)化。采用單因素方差分析對(duì)各離子電極響應(yīng)信號(hào)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果選擇S1、S2、S5、S7、P2、P3離子電極構(gòu)建新的傳感器陣列，并對(duì)30組牛肉汁進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明:優(yōu)化后的傳感器陣列對(duì)牛肉汁的等級(jí)評(píng)定正確率為93.33%，高于未經(jīng)優(yōu)化的傳感器陣列的等級(jí)評(píng)定正確率(80.00%)。

牛肉;味覺(jué);單因素方差分析;傳感器陣列優(yōu)化;歐氏距離

引言

牛肉味覺(jué)品質(zhì)是影響牛肉適口性至關(guān)重要的因素。從實(shí)際情況來(lái)看，牛肉品質(zhì)檢測(cè)主要針對(duì)氣味［1］、嫩度［2－3］、新鮮度［4－5］、顏色、pH 值［6］、含水率［7－8］、微生物檢測(cè)等方面［9－11］，對(duì)于牛肉味覺(jué)品質(zhì)檢測(cè)方面的研究較局限化。為了對(duì)牛肉味覺(jué)品質(zhì)快速劃分等級(jí)，迫切需要開(kāi)發(fā)牛肉味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)辨識(shí)的方法。近年來(lái)，多傳感器陣列因其與傳統(tǒng)化學(xué)檢測(cè)方法比較而言具有快速、全面和客觀的優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于多種食品的分類辨識(shí)過(guò)程中［12］。國(guó)內(nèi)，研究人員構(gòu)建傳感器陣列研究了肉制品品質(zhì)［13－14］以及玉米飲料［15］、白酒［16－18］、純牛奶［19］、食醋［20］、水果［21－22］、小麥［23］、甜菊糖的氣味和味覺(jué)［24］。國(guó)外，研究人員利用電子舌分辨橄欖油［25］、茶、清潔劑［26］、軟飲料［27］、紅葡萄酒［28］。傳感器陣列可以快速準(zhǔn)確地辨識(shí)牛肉汁味覺(jué)品質(zhì)的等級(jí)。然而，牛肉汁成分復(fù)雜，盡可能多地選擇傳感器固然可以比較全面地表示牛肉汁的特征，但同時(shí)也會(huì)引入一些對(duì)其等級(jí)劃分造成干擾的因素，使結(jié)論產(chǎn)生誤差，因而需要對(duì)傳感器陣列進(jìn)行優(yōu)化。

本文依據(jù)伯德羅味覺(jué)理論構(gòu)建包含12個(gè)離子電極與1個(gè)參比電極的味覺(jué)傳感器陣列，依據(jù)傳感器對(duì)不同牛肉汁樣品的識(shí)別能力和單因素方差分析對(duì)傳感器陣列進(jìn)行優(yōu)化，并選取6個(gè)傳感器作為優(yōu)化陣列。利用SPSS 20.0軟件，通過(guò)歐氏距離和組間聯(lián)接方法進(jìn)行聚類分析，從而分析得出牛肉汁等級(jí)，并利用感官評(píng)定進(jìn)行驗(yàn)證。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用的牛眼肉購(gòu)于吉林省長(zhǎng)春市皓月清真肉業(yè)股份有限公司，均為健康沃金黑牛，體質(zhì)量為400～550 kg，月齡為30～36月，育肥6個(gè)月以上。屠宰前24 h禁食，8 h禁水;按NY/T 676—2010《牛肉等級(jí)規(guī)格》要求的操作規(guī)程屠宰，屠宰后冷卻24 h，取牛眼肉部位進(jìn)行測(cè)定。該肉經(jīng)24 h冷卻排酸，充分解僵，質(zhì)地較好［29］。

1.2 儀器與設(shè)備

H型數(shù)顯恒溫水浴器，金壇市金城國(guó)盛實(shí)驗(yàn)儀器廠;DH070A型干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司;雷磁電極，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司; CHI660D型電化學(xué)工作站，上海辰華儀器有限公司;BSA124S型電子分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)責(zé)任公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

共購(gòu)買30組不同的牛肉樣品，每組250 g，編號(hào)1～30。每組試驗(yàn)樣品切成尺寸10 mm×10 mm× 10mm的小塊，剔除試驗(yàn)樣品中的肌間脂肪和結(jié)締組織。將樣品在去離子水中洗凈，去除表面污染物，分裝入保鮮袋并密封，放入75～80℃的水浴鍋中加熱，待牛肉內(nèi)部溫度達(dá)到70℃后再煮15 min，擠出其中的肉汁，過(guò)濾，自然冷卻至室溫(20℃)，每組取100mL濾液，即為檢測(cè)樣品［29］。

1.3.2 基于伯德羅味覺(jué)理論的傳感器陣列構(gòu)建

伯德羅理論提出味覺(jué)的產(chǎn)生是呈味物質(zhì)的刺激在味感受體上達(dá)到熱力學(xué)平衡的過(guò)程，不同呈味物質(zhì)在味感神經(jīng)去電荷形式上的不同會(huì)引起脈沖數(shù)的變化，從而在大腦中形成不同的味覺(jué)。本研究根據(jù)伯德羅味覺(jué)理論，選擇對(duì)于不同離子敏感度不同而引起電位差異的傳感器構(gòu)建陣列，包含12個(gè)離子電極和1個(gè)飽和甘汞參比電極。傳感器陣列中的12個(gè)離子電極包含2個(gè)玻璃電極(傳感器編號(hào)為:G1、G2)、3個(gè)液膜電極(傳感器編號(hào)為:P1、P2、P3)和7個(gè)難溶鹽(固態(tài))膜電極(傳感器編號(hào)為:S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7)。對(duì)于干燥保存的全部離子電極，需在去離子水中掃描電位-時(shí)間曲線，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，待用，傳感器類型及活化參數(shù)如表1［30］所示。

表1 傳感器類型及活化參數(shù)Tab．1 Type of sensors and parameters of activation

1.3.3 牛肉味覺(jué)品質(zhì)檢測(cè)及傳感器陣列優(yōu)化方法

試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，將傳感器陣列進(jìn)行活化后與電化學(xué)工作站連接，將傳感器浸入去離子水中，在無(wú)攪動(dòng)狀態(tài)下浸泡后掃描至信號(hào)平衡。然后將傳感器工作電極敏感膜浸入待測(cè)牛肉汁液面下15mm，使用開(kāi)路電位法檢測(cè)牛肉汁，參數(shù)設(shè)定如表2所示。每次測(cè)量完成后均用去離子水對(duì)傳感器測(cè)量端和浸入溶液部分進(jìn)行沖洗，并再次在去離子水中掃描至信號(hào)平衡。每組牛肉汁樣品重復(fù)檢測(cè)3次，將3次測(cè)量平均值作為樣品味覺(jué)信號(hào)原始數(shù)據(jù)。

表2 開(kāi)路電位法參數(shù)設(shè)定Tab．2 Parameter setting of open circuit potential

由于牛肉汁的味覺(jué)成分復(fù)雜，僅用單個(gè)傳感器無(wú)法評(píng)定味覺(jué)品質(zhì)，味覺(jué)傳感器的工作原理是建立在模擬人味覺(jué)形成過(guò)程的基礎(chǔ)上，利用12個(gè)離子電極和1個(gè)參比電極組成的味覺(jué)傳感器陣列對(duì)牛肉汁進(jìn)行檢測(cè)和分析，可以更加全面地表達(dá)牛肉味覺(jué)品質(zhì)信息，但并不是每個(gè)傳感器對(duì)所有待檢測(cè)的牛肉汁都有很大的響應(yīng)。如果傳感器響應(yīng)信號(hào)方差相對(duì)較小，表明該傳感器辨識(shí)不同牛肉味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)的能力較弱，在數(shù)據(jù)處理中可以去掉這些信號(hào)來(lái)減少計(jì)算量，節(jié)約時(shí)間和存儲(chǔ)空間。本研究采用單因素方差分析方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以減少陣列中傳感器數(shù)量，提高對(duì)牛肉味覺(jué)品質(zhì)信息的有效辨識(shí)率。

1.3.4 牛肉味覺(jué)品質(zhì)感官評(píng)定

為驗(yàn)證傳感器陣列評(píng)定牛肉味覺(jué)品質(zhì)的準(zhǔn)確性，以感官評(píng)定方法作為牛肉味覺(jué)品質(zhì)評(píng)定的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。將上述已處理的牛肉樣品冷卻至室溫，每組樣品均取出3個(gè)小塊，由30名感官評(píng)定員依次進(jìn)行咀嚼，然后吐凈，漱口，準(zhǔn)備咀嚼下一樣品。30名感官評(píng)定員要求年齡在20～25歲之間且身體健康，無(wú)饑餓感和口渴感［29］。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定［31］與國(guó)內(nèi)外研究設(shè)計(jì)感官評(píng)定表(表3)，牛肉味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)如表4所示。每個(gè)感官評(píng)定員咀嚼的牛肉樣品來(lái)自同一牛肉，根據(jù)感官評(píng)定表進(jìn)行打分，總分100分。

表3 牛肉味覺(jué)品質(zhì)感官評(píng)定Tab．3 Sensory evaluation of beef taste quality

表4 牛肉味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)Tab．4 Degree for sensory evaluation of beef sam ple taste quality

1.3.5 試驗(yàn)結(jié)果處理方法

聚類分析法(Cluster analysis)是研究分類問(wèn)題的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，最常用的聚類方法為系統(tǒng)聚類法，其基本思想是認(rèn)為所研究的樣品或指標(biāo)間存在程度不同的相似性(親疏關(guān)系)，于是根據(jù)一批樣品的多個(gè)觀測(cè)指標(biāo)，具體地找出一些能度量樣品間相似性的統(tǒng)計(jì)量，并以這些統(tǒng)計(jì)量為劃分類型的依據(jù)。其中歐氏距離計(jì)算是最為常見(jiàn)的相似度度量方法，將距離相近的樣品聚為一類，直至所有樣品聚合完畢，形成一個(gè)由小到大的分類系統(tǒng)，并得到一張能表示所有樣品間親疏關(guān)系的譜系圖［32］。樣品間n維向量x1(x11，x12，…，x1n)與x2(x21，x22，…，x2n)的歐氏距離為

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2007軟件，聚類分析與單因素方差分析均由SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件完成，系統(tǒng)聚類分析中類間聚合使用組間聯(lián)接，個(gè)體之間的相似性使用歐氏距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 傳感器響應(yīng)信號(hào)分析

對(duì)傳感器陣列響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析，傳感器在去離子水中和牛肉汁中響應(yīng)信號(hào)穩(wěn)定時(shí)如圖1、2所示(以G1傳感器為例)。從圖中可以看出，前10 s內(nèi)，傳感器G1的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度迅速減小，10～60 s過(guò)程內(nèi)，在去離子水中G1響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定，在牛肉汁中G1響應(yīng)信號(hào)曲線變化較小，趨于穩(wěn)定，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此，為了不將設(shè)備干擾和人為干擾引入分析過(guò)程中，提取10.1～60 s的傳感器響應(yīng)信號(hào)平均值，并轉(zhuǎn)換為mV單位進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖1 G1在去離子水中響應(yīng)信號(hào)圖Fig．1 G1 signal response in deionized water

圖2 G1在牛肉汁中響應(yīng)信號(hào)圖Fig．2 G1 signal response in beef juice

2.2 牛肉味覺(jué)品質(zhì)感官評(píng)定結(jié)果

對(duì)30組牛眼肉進(jìn)行感官評(píng)定，每組樣品評(píng)定3次取平均值，并根據(jù)分值求得牛肉味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)，結(jié)果為:30組肉樣中，牛肉味覺(jué)品質(zhì)為1級(jí)的有6組，牛肉味覺(jué)品質(zhì)為2級(jí)的有11組，牛肉味覺(jué)品質(zhì)為3級(jí)的有5組，牛肉味覺(jué)品質(zhì)為4級(jí)的有4組，牛肉味覺(jué)品質(zhì)為5級(jí)的有4組。這說(shuō)明，市場(chǎng)上銷售的大多數(shù)牛肉味覺(jué)品質(zhì)良好，具有很高的食用價(jià)值。

2.3 牛肉味覺(jué)品質(zhì)傳感器陣列的優(yōu)化

采用單因素方差分析方法對(duì)30組牛肉汁的傳感器陣列響應(yīng)信號(hào)值進(jìn)行分析，以F值作為判別統(tǒng)計(jì)量，其結(jié)果如表5所示。

表5 單因素方差分析結(jié)果Tab．5 Results of single factor analysis of variance

由表5可知，各傳感器的單因素方差分析模型都是極顯著的，顯著水平均小于0.000 1，表明30組牛肉汁對(duì)各傳感器響應(yīng)信號(hào)都具有極顯著影響，意味著可以利用傳感器響應(yīng)信號(hào)區(qū)分不同等級(jí)的牛肉汁。F值由大到小的傳感器排列順序?yàn)镾5、P3、S7、S1、S2、P2、S4、S3、G2、S6、P1、G1，F(xiàn)值越小，傳感器對(duì)不同等級(jí)牛肉汁的區(qū)分能力越弱，因此取S1、S2、S5、S7、P2、P3這6個(gè)傳感器，與參比電極共同組成牛肉味覺(jué)傳感器陣列。

2.4 利用歐氏距離對(duì)牛肉汁樣品進(jìn)行聚類分析

本研究選用系統(tǒng)聚類分析，利用試驗(yàn)牛眼肉樣品的味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)與牛肉汁電位作為特征參數(shù)對(duì)30組試驗(yàn)牛眼肉樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，將其編號(hào)1～30號(hào)。分類時(shí)距離較近的聚合一類，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)聚合為一類時(shí)停止聚類。首先對(duì)30組牛肉汁樣品進(jìn)行初始聚類，每個(gè)樣品自成一類;計(jì)算30組樣品之間的歐氏距離，選擇數(shù)值最小的2個(gè)樣品即最相近的2個(gè)樣品進(jìn)行合并，此時(shí)類別數(shù)目由最初的30組減少到29組，再次進(jìn)行歐氏距離的計(jì)算，以此類推，重復(fù)此過(guò)程直至將30組牛肉汁樣品都?xì)w為一類。

在牛肉汁樣品的系統(tǒng)聚類分析中，類間聚合使用組間聯(lián)接，個(gè)體之間的相似性使用歐氏距離，得到牛肉汁樣品聚類分析圖，優(yōu)化前傳感器陣列的聚類分析圖如圖3a所示，優(yōu)化后傳感器陣列的聚類分析圖如圖3b所示。

圖3 傳感器陣列的聚類分析圖Fig．3 Clustering analyses of sensor array

優(yōu)化前傳感器陣列的聚類分析中共30組樣品進(jìn)入聚類分析。通過(guò)聚類圖譜可以看出按牛肉汁電位將牛肉味覺(jué)品質(zhì)分為8類，即30組樣品類間距離。第1類包括5個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為1級(jí);第2類包括2個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為2級(jí);第3類包括4個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為3級(jí);第4類包括7個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為2級(jí);第5類包括3個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為2級(jí);第6類包括4個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為4級(jí);第7類包括1個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為3級(jí);第8類包括4個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為5級(jí)。將等級(jí)劃分結(jié)果與牛肉感官評(píng)定結(jié)果做比較，其中，19號(hào)、20號(hào)、9號(hào)、15號(hào)、25號(hào)、26號(hào)分類錯(cuò)誤，19號(hào)為1級(jí)，應(yīng)與第1類分為一組，20號(hào)、9號(hào)、15號(hào)、25號(hào)為2級(jí)，應(yīng)與第4類為一組，26號(hào)為3級(jí)，應(yīng)與第 3類為一組。此時(shí)分組正確率為80.00%。

優(yōu)化后傳感器陣列的聚類分析中，共30組樣品進(jìn)入聚類分析。隨著聚類數(shù)目逐漸減少，類與類的距離逐漸增大。通過(guò)聚類圖譜可以看出按牛肉汁電位將牛肉味覺(jué)品質(zhì)分為5類，即30組樣品類間距離。第1類包括5個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為1級(jí);第2類包括13個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為2級(jí);第3類包括4個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為3級(jí);第4類包括4個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為4級(jí);第5類包括4個(gè)樣品，味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)為5級(jí)。將等級(jí)劃分結(jié)果與牛肉感官評(píng)定結(jié)果做比較，其中，26號(hào)、19號(hào)歸類錯(cuò)誤，正確率為93.33%，相比未優(yōu)化時(shí)分組正確率提高了13.33個(gè)百分點(diǎn)。

總體來(lái)講，利用優(yōu)化后的傳感器陣列進(jìn)行檢測(cè)和分析，可以節(jié)約時(shí)間、人力物力，并較大程度上提高了等級(jí)劃分的正確率。這說(shuō)明，優(yōu)化后的味覺(jué)傳感器陣列可以依據(jù)不同味覺(jué)特征完成牛肉汁等級(jí)的分類辨識(shí)，并且提高了檢測(cè)效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于伯德羅味覺(jué)理論，選擇12個(gè)響應(yīng)不同離子種類的離子電極和參比電極共同構(gòu)建味覺(jué)傳感器陣列，檢測(cè)30組牛眼肉樣品的味覺(jué)品質(zhì)。提取傳感器檢測(cè)的電位后，通過(guò)單因素方差分析優(yōu)化傳感器陣列，挑選出S1、S2、S5、S7、P2、P3 6個(gè)工作電極與參比電極共同組成牛肉味覺(jué)傳感器陣列。并使用SPSS 20.0軟件對(duì)電位矩陣進(jìn)行聚類分析，應(yīng)用歐氏距離對(duì)30組牛眼肉樣品進(jìn)行分類。優(yōu)化后傳感器陣列的聚類分析中，等級(jí)分類正確率達(dá)93.33%，較優(yōu)化前提高13.33個(gè)百分點(diǎn)，結(jié)果表明:所優(yōu)化的傳感器陣列和基于歐氏距離的牛肉味覺(jué)品質(zhì)檢測(cè)方法可以準(zhǔn)確快速地檢測(cè)牛肉味覺(jué)品質(zhì)，并評(píng)定牛肉味覺(jué)品質(zhì)等級(jí)。

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Optim ization Method of Sensor Array for Quick Detection of Taste Quality of Beef

WANG Xiaodan XU Liping WANG Hongmei CAIYingming JIN Jiahui ZHU Lingtao
(College of Food Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130062，China)

In order to quickly identify different taste qualities of beef juices and divide the quality grade of beef individuals，a taste sensor array was built by the method according Byrd Luo taste theory，containing twelve working electrodes and one reference electrode．The array was applied to classify the quality grade of beef juices，and 30 groups of beef juices were distinguished．Themethod of clustering analysis based on Euclidean distancewas used to classify the taste quality of beef，which showed that the taste characteristics of the same grade of beef juice sampleswere very similar and could be aggregated into one group．And the accuracy of sensor array to detect the beef taste quality was assessed by sensory evaluation．The sensor array for identification of beef juiceswas optimized for the key technical issues of automated quality evaluation of beef juices．The inherent relationship among the response signals of sensors was analyzed by the factor analysis of variance．Six working electrodes(S1，S2，S5，S7，P2 and P3)were selected to compose beef taste sensor array with the reference electrode，and 30 groups of beef juices were identified．The results showed that the identification accuracy rate for beef juices by the optimized sensor array was 93.33%，which was higher than 80.00%by the non-optimized one．

beef;taste;single factor analysis of variance;optimization of sensor array;Euclidean distance

TS251.7

A

1000-1298(2017)07-0332-07

2016-11-15

2016-12-06

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20160101274JC)

王笑丹(1978—)，女，副教授，博士生，主要從事現(xiàn)代食品檢測(cè)技術(shù)研究，E-mail:jxd@jlu．edu．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．042