曾欣怡,陳爾豹,張 雨,宋煥祿?,趙抒娜,王 寶
(1. 北京工商大學(xué) 食品與健康學(xué)院,北京 100048;2. 中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司,北京 102209)
紅糖是甘蔗工業(yè)中有價值的營養(yǎng)產(chǎn)品。它是通過將甘蔗汁脫水而不需離心生產(chǎn)的,在世界各地有許多不同的名稱,例如日本的kokuto、南美的panela以及南亞和非洲的棕櫚糖。這種甘蔗紅糖也稱為非離心糖,具有多種生物學(xué)功能,對人體健康具有有益的作用,包括抗齲[1]、抗毒[2]、細胞保護、抗癌和抗氧化作用。紅糖含有生物活性化合物,包括具有抗動脈粥樣硬化活性的酚類和聚二十二烷醇。愈來愈多的消費者選擇購買及使用紅糖。
紅糖是具有獨特棕色的蔗糖產(chǎn)品,由于存在糖蜜而具有獨特的棕色。紅糖不但具有豐富的營養(yǎng)價值,還具有獨特的顏色風味。不同產(chǎn)地的紅糖具有不同的品質(zhì),產(chǎn)地及榨季也對紅糖品質(zhì)以及風味產(chǎn)生有決定性的影響作用。色澤及香氣是決定消費者接受紅糖品質(zhì)中非常重要的屬性。因此,對紅糖的色澤及揮發(fā)性香氣品質(zhì)的進一步研究變得尤為重要。評判風味物質(zhì)感官品質(zhì)的主要研究對象包括其香氣和色澤,色差計和電子鼻分別作為識別風味物質(zhì)色澤與香氣的儀器,可以對多種物質(zhì)的色澤及揮發(fā)性香氣進行快速簡單的測定,從而對風味物質(zhì)進行更為客觀準確的分析與評定。因此,本實驗?zāi)康氖峭ㄟ^測定紅糖固體及其溶解后液體的色差[3]以及紅糖固體揮發(fā)性特征氣味成分,分析不同產(chǎn)地及榨季紅糖的風味品質(zhì)差異。此外,本實驗還將通過色差及電子鼻測定探討色差計及電子鼻作為研究紅糖風味品質(zhì)技術(shù)手段的可行性。
不同產(chǎn)地及榨季的紅糖樣品并編號;去離子水。
SC-80C全自動色差計:北京京儀康光光學(xué)儀器有限公司;PEN3便攜式電子鼻:德國AIRSENSE公司。
1.3.1 色差測定
利用 SC-80C色差計測定不同產(chǎn)地及榨季紅糖的固體及溶解后的液體色差值,即為紅糖的色澤。該方法參考CIE-L*a*b*顏色空間表示方法,從而獲得ΔL、Δa、和Δb三個參數(shù)。其中ΔL表示亮度,其值越大即亮度越高;Δa值表示紅色-綠色之間變化趨勢,其中+Δa表示紅色方向,–Δa表示綠色方向;Δb表示黃色-藍色之間的變化,其中+Δb表示黃色方向,–Δb表示藍色方向。
打開色度儀,預(yù)熱10 min,設(shè)定純水的三色值(測紅糖液體)或白板值(測紅糖固體),選擇L*a*b*顏色模式,并設(shè)定測定模式為透射(測紅糖液體)或反射(測紅糖固體),放入紅糖樣品,測定ΔL,Δa,Δb值,記錄。分別稱取5 g紅糖樣品,先進行固體色差測定,隨后加入10 mL去離子水進行溶解,待完全溶解后進行液體色差測定。
為減小實驗過程中因為人為操作導(dǎo)致的偶然誤差,每組樣品進行三次重復(fù)實驗。
1.3.2 色差分析
色度反映的是顏色的色調(diào)和飽和度[4]。人類眼睛有對于短、中和長波長光的感受器,因此只需要三個參數(shù)便能對顏色的感覺進行描述。例如,某種特定的顏色與另一種顏色混合進不同份量的三種原色,其均使人們從主觀感覺上看上去相同,這三種原色的份量即為該顏色的三色刺激值,根據(jù)國際照明學(xué)會的 CIE1931色彩模型[5],每一種顏色都有其相對應(yīng)的三色刺激值,可用X、Y和Z來表示(其中X、Y、Z并不完全等于短、中和長波的份量,而是做了一些特殊數(shù)學(xué)處理)。除了CIE1931色彩模型外,還有CIE1976L*a*b*模型,L,a,b分別表示明度、色調(diào)(即顏色是偏紅還是偏藍)和彩度。色差則定量反映顏色之間的差異[6],見圖1。
每一種顏色都可以被任意一種Lab標尺感知并測量,在這種情況下,這些標尺也可以表示出標樣同試樣的色差,通常用Δ作為標識符。見圖2,若ΔL為正,則表示試樣比標樣淺,相反,若ΔL為負,則表示試樣比標樣深;若 Δa為正,則表示試樣比標樣紅(或少綠),若Δa為負,則表示試樣綠(或少紅);若Δb為正,則表示試樣比標樣黃(或少藍),若Δb為負,則表示試樣藍(或少黃)(如表1所示)[7]。通常L,a,b的差異還可以用一個單獨的色差符號ΔE來表達,即為樣品的總色差,但并不能體現(xiàn)樣品色差的偏移方向,其中ΔE數(shù)值越大,代表色差越大,反之則越小。其數(shù)值可以通過下面的公式計算得來:
1.3.3 電子鼻測定
電子鼻是一種由具有交叉敏感特征的傳感器和適當?shù)哪J阶R別算法組成的儀器,可以識別單一的或混合的氣體[3]。它不僅具有較短的樣品預(yù)處理時間,并能夠提供快速分析,且操作簡單并更為客觀。更重要的是,樣品的測量可以在不改變樣品原有特征的前提下進行,并可以從樣品中獲得全部信息。電子鼻與其它化學(xué)分析儀器的區(qū)別在于,其所獲得的不是測試樣品中成分的定性和定量結(jié)果,而是其揮發(fā)性成分的總體信息[8]。它可以對不同樣品的揮發(fā)性氣體信息進行比較及分析,并創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。電子鼻靈敏度高,可靠性好,性能穩(wěn)定。此外,可量化和可再現(xiàn)的信號是電子鼻的最大優(yōu)勢。世界上許多國家級地區(qū)已經(jīng)將農(nóng)產(chǎn)品和食品測試中的電子鼻研究作為一項關(guān)鍵研究主題,作為食品風味分析和質(zhì)量測試的新方法。如表2。
表1 Lab值的含義及對應(yīng)值域
圖1 CIE Lab色彩空間圖
圖2 L、a、b值用坐標
每組紅糖樣品分別稱取5 g,置于頂空瓶中室溫密封,為樣品氣體能充分揮發(fā)在密閉頂空瓶中,放置2 h待氣體達到飽和平衡狀態(tài)后進行電子鼻測定。每個樣本的密封時間為2 h,目的為保證每個樣本有相同的實驗條件,即每個樣本頂空時間相同。氣體采集前,將氣針置于空氣中吸取潔凈空氣對電子鼻的氣室和氣道進行清洗,清洗時間為100 s;檢測時,將進氣針與補氣針同時插入封閉的頂空瓶內(nèi),氣體采集時間為200 s。即總實驗時間為300 s(即100 s氣體清洗時間,200 s氣體收集時間)。
由于實驗過程中可能因人為操作而導(dǎo)致的偶然誤差問題,為保證樣本的準確性與可靠性,本實驗采取的措施是對同一個樣本的不同狀態(tài)進行10次重復(fù)實驗采集,降低偶然誤差的風險,每次實驗后將采集好的數(shù)據(jù)保存在計算機內(nèi),為之后的數(shù)據(jù)分析做準備。
本實驗利用 PEN3便攜式電子鼻測定不同產(chǎn)地及榨季的紅糖固體及其以不同比例與純凈水混合溶解后液體的揮發(fā)性香氣成分,即為紅糖的香氣。
表2 PEN3傳感器名稱及其主要性能描述
2.1.1 不同產(chǎn)地及榨季紅糖固體色差對比
通過對比分析不同產(chǎn)地相同榨季及相同產(chǎn)地不同榨季紅糖固體樣品的 ΔL,Δa,Δb值并計算其色差值ΔE(每組樣品進行3次平行測定),可以得出以下結(jié)論:(1)不同產(chǎn)地相同榨季紅糖固體顏色具有明顯差異,整體 ΔL值較大,明度較高;Δa值為+,偏向于紅色方向;Δb值為+,偏向于黃色方向;ΔE值較大,色差明顯;(2)相同產(chǎn)地不同榨季紅糖固體顏色具有部分差異但并無明顯規(guī)律,整體 Δa值無顯著變化。實驗數(shù)據(jù)如下表4所示(樣品編號對應(yīng)產(chǎn)地及榨季參照表見表 3)。
2.1.2 不同產(chǎn)地及榨季紅糖液體色差對比
通過對比分析不同產(chǎn)地相同榨季及相同產(chǎn)地不同榨季紅糖以10 mL去離子水溶解后液體樣品的ΔL,Δa,Δb值并計算其色差值ΔE,可以得出以下結(jié)論:(1)不同產(chǎn)地相同榨季紅糖液體顏色具有顯著差異,不同產(chǎn)地之間差異較大,且無明顯規(guī)律。整體ΔL值較大,明度較高;Δa值為+,偏向于紅色方向;Δb值為+,偏向于黃色方向;ΔE值較大,色差明顯;(2)相同產(chǎn)地不同榨季紅糖液體顏色具有部分差異但并無明顯規(guī)律。實驗數(shù)據(jù)如下表5所示(樣品編號對應(yīng)產(chǎn)地及榨季參照表見表3)。
2.1.3 相同產(chǎn)地相同榨季紅糖固體與液體色差對比
通過對比分析相同產(chǎn)地及榨季紅糖固體及以10 mL去離子水溶解后液體樣品的ΔL,Δa,Δb值并計算其色差值ΔE,可以得出以下結(jié)論:相同產(chǎn)地及榨季紅糖固體及液體在顏色量化指標上有顯著差異,固體明度ΔL值及黃度Δb值較小,多數(shù)固體紅度Δa小于液體,少數(shù)固體紅度Δa值大于液體,整體固體色差ΔE值遠小于液體。
本實驗采用的是結(jié)合WinMuster軟件對數(shù)據(jù)進行分析的方法。通過對結(jié)果進行多種分析表明:能夠較好區(qū)分不同產(chǎn)地的紅糖樣品的分析方法是主成分分析(PCA)、線性判別分析(LDA)以及負荷加載分析(Loading)。
2.2.1 電子鼻對紅糖樣品揮發(fā)物響應(yīng)曲線
圖3~5分別為不同產(chǎn)地紅糖固體樣品的電子鼻傳感器信號響應(yīng)曲線。其中每條曲線對應(yīng)一個傳感器,曲線上的每個點表明紅糖中揮發(fā)性氣體進入傳感器時,傳感器的相對電阻率(G/G0或G0/G,其中G為被測氣體響應(yīng)值;G0為空氣響應(yīng)值)[9]隨時間變化的情況。通常,響應(yīng)氣體濃度越大,G/G0值則越偏離1,而若氣體濃度低于檢測限,G/G0值將會接近甚至等于1[10]。在進樣初期(0~10 s),各傳感器未完全識別紅糖樣品的揮發(fā)性氣體成分,因此相對電阻率較低,然而隨著揮發(fā)性氣體成分在傳感器表面不斷集聚,相對電阻率逐漸增加而后趨于平緩,在90 s以后達到相對穩(wěn)定的狀態(tài),因此,對于紅糖樣品的后續(xù)數(shù)據(jù)分析將以90~100 s作為參考域。從圖中還可以觀察到電子鼻響應(yīng)值的變化趨勢表現(xiàn)出一定的規(guī)律,隨著時間的增加,三組樣品的各傳感器響應(yīng)值發(fā)生變化,且各傳感器的響應(yīng)值達到穩(wěn)態(tài)的時間略有不同,各傳感器的變化趨勢也不同。
表3 紅糖樣品色差編號、電子鼻編號與產(chǎn)地、榨季對應(yīng)表
表4 不同產(chǎn)地及榨季紅糖固體Lab色差值數(shù)據(jù)表
續(xù)表4
表5 不同產(chǎn)地及榨季紅糖液體Lab色差值數(shù)據(jù)表
續(xù)表5
圖3 廣東產(chǎn)地紅糖樣品揮發(fā)物響應(yīng)曲線
圖4 云南產(chǎn)地紅糖樣品揮發(fā)物響應(yīng)曲線
圖5 廣西產(chǎn)地紅糖樣品揮發(fā)物響應(yīng)曲線
2.2.2 主成分分析(PCA)
主成分分析(PCA)是指對所提取傳感器的多指標信息進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及降維,從而對降維后的特征向量進行線性分類[11],并在分析圖上展現(xiàn)最重要的2個綜合指標,形成二維圖。不同產(chǎn)地紅糖樣品的PCA分析結(jié)果見圖6和圖7。
圖6 三種產(chǎn)地紅糖樣品PCA分析
圖7 PCA區(qū)分度分析
通過圖6和圖7可得,主成分1(PC1)的方差貢獻率為98.538%,而主成分2(PC2)方差貢獻率為1.460%,其累計貢獻率達到99.999%,這一數(shù)據(jù)表明這2個主成分包含原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息,因此其能夠反映紅糖樣品揮發(fā)性氣體成分的整體信息。從圖表中還可看出,不同產(chǎn)地的紅糖樣品分別位于不同區(qū)域且界線明顯,這一現(xiàn)象表明不同產(chǎn)地的紅糖樣本之間的揮發(fā)性氣體成分有差異,而電子鼻作為一種新型分析手段可以有效地識別這種差異。
2.2.3 線性判別分析(LDA)
線性判別分析(LDA)是指將高維模式的樣本投影到最佳的鑒別矢量空間,從而達到抽取分類信息以及壓縮特征空間維數(shù)的效果,在投影結(jié)束后確保模式樣本于新的子空間有最大的類間距離與最小的類內(nèi)距離[12]。總貢獻率超過70%~85%的方法即可使用 LDA分析法進行分析[13]。本實驗采用LDA法分析三種產(chǎn)地紅糖樣品,其電子鼻響應(yīng)值的結(jié)果見圖8及圖9。
圖8 LDA分析圖
圖9 LDA分析圖區(qū)分度分析
由LDA分析圖可得:第一、第二主成分總的區(qū)分貢獻率達 99.994%,第一主成分區(qū)分貢獻率為 95.285%。因此,在第一主成分和第二主成分上,三個不同產(chǎn)地的紅糖樣品都可以完全區(qū)分。電子鼻對所提供紅糖樣品具有較好的區(qū)分性。
2.2.4 負荷加載分析(Loading)
負荷加載分析(LA)是指主成分與其相對原始指標變量之間的相關(guān)系數(shù),通常表示因子和各個變量之間的密切程度[14]。而不同的傳感器在LA圖中的位置則能夠表明傳感器對樣品揮發(fā)性氣味的貢獻率大小,即離坐標原點越遠,主成分對此變量的代表性就越大,離坐標原點越遠,代表性則越小[15]。對不同產(chǎn)地紅糖樣品揮發(fā)性成分的負荷加載分析結(jié)果見圖10及圖11。
通過圖10及圖11可得,第一主成分的貢獻率為98.538%,而第二主成分貢獻率為1.460%,其總貢獻率為99.999%;其中W1W、W5S、W2W傳感器對第一主成分貢獻率相對其他傳感器較大。而W5S傳感器對第二主成分貢獻率為所有傳感器最大,W3S和 W6S傳感器對第二主成分也有較大的貢獻率。由表2可得,W1W傳感器通常對無機硫化物反應(yīng)靈敏,W5W傳感器則對氮氧化物較為敏感,而 W2W傳感器對有機硫化物反應(yīng)敏感,這表明這三種紅糖樣品的第一主成分由無機硫化物、氮氧化物以及有機硫化物組成,第一主成分所代表的氣體大類即為紅糖的特征氣味成分。Asikin等[16]的文獻中提到其使用固相微萃?。⊿PME)技術(shù)提取甘蔗紅糖的風味成分,并使用氣相色譜-火焰電離檢測/質(zhì)譜(GC-FID/MS)分析在甘蔗紅糖中發(fā)現(xiàn)明顯的硫化物含量,即二甲基硫醚。而Asikin等[17]通過帶有頂空(HS)萃取和火焰電離檢測/質(zhì)譜(FID/MS)的氣相色譜(GC)系統(tǒng)還發(fā)現(xiàn)紅糖中通常含有吡嗪類物質(zhì)。Asikin等[18]則通過頂空取樣法(HS)并用GC-FID/ MS進行分析,鑒別出吡嗪類化合物主要由 2,6-二甲基吡嗪組成。
圖10 Loading分析圖
圖11 傳感器貢獻率
通過對不同產(chǎn)地及榨季紅糖固體及液體的色差測定以及對不同產(chǎn)地紅糖固體樣品的電子鼻測定與分析,可以得出不同產(chǎn)地及榨季紅糖樣品的色澤具有明顯差異,且不同產(chǎn)地的紅糖樣品揮發(fā)性成分也有差異;電子鼻可以有效識別判定不同產(chǎn)地的紅糖并測定其特征氣體成分,即硫化物及氮氧化物;色差計和電子鼻皆可以作為代替感官評價對紅糖風味品質(zhì)進行測定及評價的技術(shù)手段。待相關(guān)技術(shù)進一步完善后可在政府監(jiān)管執(zhí)法、生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部品控等方面發(fā)揮更大的作用。
備注:本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)(http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx)、中國知網(wǎng)、萬方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫下載獲取。