基于電子舌技術(shù)的啤酒口感評價(jià)及其滋味信息與化學(xué)成分的相關(guān)性研究

劉佳，黃淑霞，余俊紅，胡淑敏*，楊朝霞，黃樹麗，張宇昕

1(天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院，工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457)2(啤酒生物發(fā)酵工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島，266100)3(青島啤酒股份有限公司，山東 青島，266000)

啤酒是以麥芽、水為主要原料，添加酒花并經(jīng)酵母發(fā)酵而成的富含CO2的低酒精度飲料，深受全世界人們的喜愛。作為一種低酒精度的發(fā)酵飲品，風(fēng)味是啤酒的重要生命線，其特征會(huì)直接影響產(chǎn)品的市場競爭力，是影響消費(fèi)者選擇的重要質(zhì)量指標(biāo)。風(fēng)味主要包括聞到的香氣(aroma)、嘗到的口味(taste)及感覺到的口感(mouthfeel)，其中香氣、口味是由一種或幾種風(fēng)味化學(xué)物質(zhì)刺激嗅覺傳感器或味覺傳感器產(chǎn)生?？诟惺瞧【婆c口腔、牙齒、牙齦等的接觸感覺，由觸覺傳感器產(chǎn)生，受物質(zhì)本身及物質(zhì)間交互作用的影響，是啤酒的一種綜合感覺[1-2]。

啤酒風(fēng)味分析和評價(jià)通常采用感官品評和風(fēng)味物質(zhì)分析技術(shù)[3-4]。感官評價(jià)可直接反應(yīng)啤酒的品質(zhì)和風(fēng)味特點(diǎn)，但對品評師要求高、主觀性強(qiáng)、重復(fù)性差。此外，口感是啤酒在口腔表面產(chǎn)生的特有的觸覺感，是啤酒的物理及化學(xué)性質(zhì)決定的這樣或者那樣的感覺，因此感官描述較為復(fù)雜，感官品評更加難以一致。風(fēng)味物質(zhì)分析技術(shù)可靠性高、重復(fù)性好，但儀器操作復(fù)雜、分析時(shí)間長、成本高，且僅能對啤酒中部分成分進(jìn)行評估，不能代表其整體品質(zhì)，難以快速對啤酒整體風(fēng)味效果進(jìn)行綜合判斷。隨著生產(chǎn)過程其他環(huán)節(jié)自動(dòng)化程度越來越高，啤酒行業(yè)越來越需要一種客觀、快捷、重復(fù)性好的方法來評價(jià)啤酒風(fēng)味特征。

隨著科技的進(jìn)步，1982年英國Warwick大學(xué)的PERSAUD和DODD模仿哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理提出了sensory array technology，俗稱電子鼻或者電子舌的概念，故開發(fā)采用傳感器矩陣表征氣味和味道及監(jiān)測品質(zhì)。因其整合了人工智能和現(xiàn)代分析手段等相關(guān)技術(shù)，故而兼有感覺器官和現(xiàn)代分析技術(shù)的雙重優(yōu)勢，具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)、重復(fù)性好、整體性等特點(diǎn)，在環(huán)境、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和煙草等多個(gè)領(lǐng)域均有所涉及[5-10]。目前，在啤酒行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電子舌對不同品類、不同品牌啤酒產(chǎn)品風(fēng)味特點(diǎn)的定性分析[11-13]?；诳诟须y以量化評價(jià)的技術(shù)難題，東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合札幌開發(fā)了一套基于脂質(zhì)覆蓋的新型口感傳感器，可用于量化評價(jià)口感飽滿性及順滑性，并利用該技術(shù)研究了口感飽滿性的影響因素[14]。日本San-Ei Gen公司聯(lián)合新潟大學(xué)也開發(fā)了電子喉，用于評價(jià)起泡感、酒體感等[15]。受原料、酵母及工藝波動(dòng)影響，規(guī)?；笊a(chǎn)中不同批次啤酒風(fēng)味存在微量差異，電子舌能否定量評價(jià)同一品牌不同批次樣品微小風(fēng)味差異，以及啤酒組分與傳感器滋味信息間的關(guān)系尚不明確，在一定程度上影響了電子舌在質(zhì)量控制以及風(fēng)味調(diào)控方面的廣泛應(yīng)用。

本文利用感官品評及電子舌對30個(gè)同一品類不同批次的啤酒樣品進(jìn)行感官評價(jià)和電子舌滋味分析，確定了不同樣品間的滋味差異，并利用偏最小二乘回歸法研究了口感感官評價(jià)和電子舌滋味信號(hào)之間的量化關(guān)系，建立了基于電子舌的啤酒口感定量評價(jià)技術(shù)；在此基礎(chǔ)上，利用風(fēng)味化學(xué)分析技術(shù)及數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，研究了電子舌傳感器滋味信號(hào)和啤酒化學(xué)成分之間的關(guān)系，闡明電子舌的呈味機(jī)理。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品、主要試劑和主要儀器

10°P啤酒樣品共計(jì)37個(gè)，來自于青島啤酒股份有限公司，樣品均使用相同配方、工藝釀造，樣品貨架期均小于20 d。

α-ASTREE電子舌(7個(gè)化學(xué)傳感器陣列和1個(gè)Ag/AgCl參比電極)系統(tǒng)，法國Alpha MOS電感耦合等離子體發(fā)射-質(zhì)譜儀(ICP-AES)，美國Thermo Fisher公司；P/ACE MDQ毛細(xì)管電泳系統(tǒng)，美國Beckman公司；氣相色譜儀，美國珀金埃爾默公司；高效液相色譜儀，美國Waters公司；冰點(diǎn)滲透壓儀，德國Loser公司。

1.2 方法

1.2.1 啤酒口感特性感官品評

口感感官品評流程：首先，確定口感飽滿性(fullness)為啤酒在口中飽滿度和黏稠度的感官描述；圓潤性為入口后圓滑、酒體順暢下咽的感官描述。第二，感官品評過程中需大口飲用，并忽略氣味和口味的影響。第三，用2個(gè)口感特征得分固定的樣品進(jìn)行品評培訓(xùn)并作為標(biāo)尺，其中A樣品口感特征得分為6，B樣品口感特征得分為8，其他樣品與A、B比較并確定口感特性得分。第四，共有8位品酒師組成口感特性專門品評小組，其中國家級(jí)品酒員4名，其他為省級(jí)和公司級(jí)品評員。取平均值作為最終得分。

1.2.2 啤酒樣品電子舌分析

采用Astree第五套傳感器，包括SRS，GPS，STS，UMS，SPS，SWS，BRS 7根傳感器，選擇Ag/AgCl作為參比電極。當(dāng)未檢測樣品時(shí)，7個(gè)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)電極均有一個(gè)初始電勢差，并且保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)傳感器進(jìn)入樣品時(shí)，薄膜選擇性吸附樣品溶液中的游離分子，從而導(dǎo)致傳感器與標(biāo)志電勢差發(fā)生改變。待薄膜吸附平衡后，這個(gè)電勢差會(huì)保持在一定數(shù)值范圍內(nèi)。選用這個(gè)電勢值作為最后的檢測結(jié)果。由于不同傳感器吸附分子不同，得出的電信號(hào)也不同。檢測每一個(gè)樣品時(shí)傳感器共采集120 s。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理是，采用第120 s的穩(wěn)定數(shù)據(jù)作為輸出值進(jìn)行分析。

1.2.3 啤酒糖組分分析方法

啤酒糖組分(單糖、二糖、三糖及麥芽四糖以上)采用體積排阻液相色譜法[16]。

多糖分子質(zhì)量分布分析方法[17]：采用3kDa及30kDa截留分子質(zhì)量的超濾膜處理啤酒，體積排阻液相色譜法測定截留后多糖組成。

1.2.4 啤酒醇酯分析方法

醇類(異戊醇、異丁醇及正丙醇)及酯類(辛酸乙酯、己酸乙酯、乙酸異戊酯、乙酸乙酯)物質(zhì)采用氣相色譜法[18]測定。

1.2.5 啤酒有機(jī)酸和離子分析方法

陽離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀[20]。

1.2.6 啤酒蛋白質(zhì)及分子質(zhì)量分布分析方法

采用考馬斯亮藍(lán)法測定啤酒中高分子蛋白質(zhì)含量[21]。

采用毛細(xì)管電泳法分析啤酒中蛋白分子質(zhì)量分布范圍。

1.2.7 啤酒滲透壓測分析方法[22]

滲透壓：啤酒除氣，然后通過冰點(diǎn)滲透壓儀測定。

凍干后滲透壓：取5 mL啤酒放入平皿中，冷凍干燥后用等體積去離子水溶解，然后使用冰點(diǎn)滲透壓儀測定溶解后滲透壓值。凍干后滲透壓代表啤酒中非揮發(fā)性物質(zhì)的濃度。

1.2.8 啤酒總多酚分析方法

采用福林酚比色法測定[23]。

1.2.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS及Minitab分析。

2 結(jié)果

2.1 啤酒各滋味指標(biāo)差異性分析

本文采用第5套傳感器系統(tǒng)，包括SRS、GPS、STS、UMS、SPS、SWS、BRS共7根傳感器，其中SRS、STS、UMS分別是對酸味、咸味和鮮味敏感的專一性傳感器，能夠給出不同樣品3種滋味相對強(qiáng)度大小。由表1可知，納入本研究的30個(gè)樣品其在7根傳感器上的滋味信號(hào)響應(yīng)值存在差異。由離散系數(shù)可以看出，樣品在鮮味UMS、SPS上差異性最大，其次是GPS、咸味STS以及酸味SRS、SWS，而BRS的差異性最小。從極差值上可以看出，UMS，SPS，STS及GPS大于100。分析電子舌7根傳感器對全部樣品的區(qū)分判別能力，判別能力最高為1，數(shù)值越大則判別能力越強(qiáng)，其中UMS、GPS接近1，判別能力最強(qiáng)，其次為SPS、SRS及SWS，BRS及STS最弱。

表1 啤酒各滋味指標(biāo)的差異性分析(n=30)Table 1 The significance analysis of each sensor signal of beer by electronic tongue analysis (n=30)

經(jīng)Person相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(表2)，啤酒樣品各傳感器之間呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，其中GPS與SPS、SWS均呈顯著正相關(guān)(P<0.001)，與咸味STS呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(P<0.001)；鮮味UMS與咸味STS呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(P<0.001)，與SWS呈現(xiàn)正相關(guān)(P<0.001)；SPS與SWS呈現(xiàn)正相關(guān)(P<0.001)。

表2 啤酒各滋味指標(biāo)的相關(guān)性分析 (n=30)Table 2 Correlation analysis of each taste signal of beer by electronic tongue analysis (n=30)

注：Person皮爾遜線性相關(guān)分析：***表示P<0.001,**表示P<0.01，*表示P<0.05。

2.2 不同啤酒樣品滋味指標(biāo)分析

根據(jù)30個(gè)啤酒樣品7根傳感器上的滋味信號(hào)響應(yīng)值，利用軟件對信號(hào)值分析，能夠在0到12刻度上比較不同樣品間的各種滋味的相對強(qiáng)度。從圖1雷達(dá)圖上可以直觀地看到樣品間在哪些傳感器的響應(yīng)上存在差異。例如12號(hào)樣品在SRS酸味響應(yīng)值高，UMS咸味、SWS傳感器上響應(yīng)值較弱。

圖1 不同啤酒味覺強(qiáng)度指標(biāo)雷達(dá)圖Fig.1 Radar chart of taste strength of 30 beer samples

主成分分析通過對原始數(shù)據(jù)向量的線性交換，利用降維的思想將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)彼此不相關(guān)的綜合指標(biāo)。利用主成分分析方法對30個(gè)樣品的滋味響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行整體分析(圖2)，在以2個(gè)權(quán)重最高的第一主成分(PC1,貢獻(xiàn)性得分75.5%)和第二主成分(PC2，貢獻(xiàn)性得分17.4%)作圖時(shí)，能很好地反映樣品的實(shí)際情況，且全部樣品的主成分分析的識(shí)別指數(shù)為95，表明不同啤酒樣品滋味信號(hào)有差異，表明同一品類的不同產(chǎn)品能夠通過電子舌很好地區(qū)分開來。

圖2 主成分分析及載荷圖Fig.2 Principal component analysis of beer flavor characteristics

2.3 基于電子舌滋味響應(yīng)信號(hào)值的口感評價(jià)模型

口感是啤酒在口腔表面產(chǎn)生的特有的觸覺感，是對啤酒一種綜合性感覺。這是由物理及化學(xué)性質(zhì)決定的這樣或者那樣的感覺，因此感官描述較為復(fù)雜，感官品評更加難以一致。為研究利用電子舌滋味響應(yīng)信號(hào)建立口感評價(jià)模型的可能性，本文將7個(gè)傳感器滋味響應(yīng)值為自變量，口感飽滿性得分為目標(biāo)值，利用偏最小二乘回歸方法(PLSR)建立自變量與目標(biāo)值之間的相關(guān)性。

首先將30個(gè)樣品的感官品評得分與電子舌數(shù)據(jù)進(jìn)行PLSR分析，由圖3-A可知PLSR曲線相關(guān)系數(shù)較低，僅為0.133 2。造成相關(guān)系數(shù)低的原因首先是口感感官描述較為模糊，不同輪次的品評數(shù)據(jù)存在一定波動(dòng)；其次為人類閾值與電子舌的閾值存在數(shù)量級(jí)上的差異，對于人感覺滋味很相近的物質(zhì)，電子舌上將差異放大，更加敏感地識(shí)別差異。

A-30個(gè)樣品響應(yīng)圖；B-12個(gè)樣品響應(yīng)圖圖3 電子舌實(shí)際感官品評得分與PLSR方程預(yù)測值響應(yīng)圖Fig.3 Plot of PLS regression between observed and predicted mouthfeel scores on taste signal from electronic tongue

為了更好地建立模型，從30個(gè)樣品中選擇風(fēng)味物質(zhì)存在差異的樣品12個(gè)，為消除不同輪次間感官品評的波動(dòng)，在同一品評輪次中對12個(gè)樣品的口感打分。將12個(gè)樣品的口感得分與電子舌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相關(guān)系數(shù)得到極大的提高，達(dá)到0.904 3(圖3-B)，說明感官得分與電子舌預(yù)測得分相關(guān)性比較好。

為驗(yàn)證基于電子舌的口感預(yù)測模型，選擇5個(gè)差異較大的樣品進(jìn)行模型驗(yàn)證，實(shí)際值和預(yù)測值有很好的對應(yīng)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.952 3。整體來看，可利用電子舌對啤酒樣品的風(fēng)味特征進(jìn)行預(yù)測。目前該模型僅適用于該品類，且采用相同工藝連續(xù)生產(chǎn)的樣品。

2.4 呈味機(jī)理研究

為進(jìn)一步闡明影響7根傳感器滋味信號(hào)響應(yīng)值的風(fēng)味物質(zhì)，分析30個(gè)樣品中40種風(fēng)味物質(zhì)含量，包括糖類、蛋白質(zhì)、醇類、酯類、有機(jī)酸、陰陽離子等。將40個(gè)風(fēng)味化學(xué)指標(biāo)組成X-matrice，7根傳感器(SRS、STS、UMS、SWS、BRS、SPS及GPS)的滋味響應(yīng)值為Y-matrice，PLSR回歸建立風(fēng)味指標(biāo)和不同滋味響應(yīng)值之間的模型，基于風(fēng)味指標(biāo)的SRS、STS、UMS、SWS、BRS、SPS及GPS的PLSR回歸模型的R2方值分別為0.97、0.83、0.95、0.92、0.92、0.91及0.89，表明不同滋味響應(yīng)值的變化是由風(fēng)味物質(zhì)變化導(dǎo)致(圖4)。

圖4 SRS(A)、STS(B)、UMS(C)、SWS(D)、BRS(E)、SPS(F)及GPS(G)實(shí)際滋味響應(yīng)值和預(yù)測值關(guān)系圖Fig.4 Correspondence of SRS (A)，STS (B)，UMS (C)，SWS (D)，BRS (E)，SPS (F) and GPS (G) between observed values and prediction values of flavor

利用PLSR回歸模型的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)(standard regression coefficient, SRC)無量綱地比較各個(gè)自變量對因變量的影響，闡明40種風(fēng)味物質(zhì)分別對7個(gè)傳感器滋味響應(yīng)值的影響程度。其中SRC絕對值越高，代表影響程度越顯著，SRC絕對值越低，代表影響程度越低。

圖5 40種風(fēng)味物質(zhì)對7根傳感器滋味響應(yīng)值的貢獻(xiàn)性得分Fig.5 The contribution analysis of flavor compounds on 7 taste signals by electronic tongue

表3 影響7根傳感器滋味信號(hào)的關(guān)鍵物質(zhì)Table 3 Key flavor compounds correlated with 7 taste signals by electronic tongue

注：()里的“+”代表與電極信號(hào)正相關(guān)，“-”代表與電極信號(hào)負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)論

本文探討電子舌在同一品類不同批次樣品風(fēng)味特征評價(jià)方面的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)電子舌可以靈敏性判別不同樣品間的滋味差異；同時(shí)建立了基于電子舌的口感評價(jià)技術(shù)，解決了口感感官評價(jià)模糊導(dǎo)致的量化困難的技術(shù)難題，為啤酒整體風(fēng)味描述、口感定量評價(jià)提供了新的技術(shù)手段。電子舌檢測樣品僅需要1～3 min，大大縮短了檢測時(shí)間。在研究及實(shí)際生產(chǎn)中，可以使用穩(wěn)定、客觀的電子舌輔助個(gè)體差異大、重復(fù)性差的人工感官評價(jià)體系，建立更為客觀的啤酒風(fēng)味評價(jià)體系。

本文首次以國內(nèi)主流啤酒品類10°P Lager啤酒為研究對象，闡明了影響Lager啤酒電子舌滋味信息的關(guān)鍵風(fēng)味化學(xué)物質(zhì)，分析了電子舌的呈味機(jī)理，為基于電子舌的感官評價(jià)體系在Lager啤酒風(fēng)味調(diào)控方面的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。