基于電子舌技術(shù)分類評價核桃內(nèi)種皮的口感品質(zhì)

劉雨霞，張玲，張小軍，楊笑，楊春，曲進，劉群龍*

1(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 晉中，030801) 2(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，山西 太原，030031)

核桃(JuglansregiaL.)，為胡桃科(Juglandaceae)核桃屬(Juglans)落葉喬木，又稱胡桃、羌桃、萬歲子等，果實具有很高的營養(yǎng)價值，與扁桃、腰果、榛子并列為“世界四大干果”[1]。核桃堅果的種仁外有一層薄皮，為核桃的內(nèi)種皮，富集多酚類物質(zhì)，可以阻止種仁的氧化酸敗，對核桃果實生長發(fā)育及其采后品質(zhì)的保持起著至關(guān)重要的作用[2]。鮮核桃內(nèi)種皮呈黃色或淺黃色，干制后顏色加深并伴隨一定程度的褐變現(xiàn)象[3-4]，由于其具有一定的苦澀味，因此在食品加工過程中會被剔除或者脫澀后再加工。核桃內(nèi)種皮中對苦澀味起作用的主要是單寧和黃酮等酚類物質(zhì)。核桃內(nèi)種皮僅占種仁質(zhì)量的5%左右，但對種仁口感起著決定性作用[5]，不同核桃品種口感存在較大差異。核桃口感評價一般采用感官評價法，但存在個人偏好、主觀性強和重復(fù)性差等缺點。電子舌是通過模仿人體味覺機理而制成的一種新型分析儀器，通過味覺傳感器陣列獲取待測液信息，采用多元統(tǒng)計分析方法對傳感器輸出信號進行處理，能反映樣本整體信息的“指紋”數(shù)據(jù)，是一種客觀的感受系統(tǒng)，具有可靠性強、靈敏度高、重復(fù)性好等特點[6-9]。目前，電子舌主要應(yīng)用在茶葉飲料、酒類、咖啡等液體滋味的分類與評價等方面[10-16]，也應(yīng)用在肉類、醬類、蜂蜜等食品上[17-21]，還有應(yīng)用在花椒的麻味預(yù)測上[22]，但在核桃口感品質(zhì)分類評價上尚未見相關(guān)報道。另外，相關(guān)學(xué)者對核桃的研究主要集中在核桃仁、內(nèi)種皮和青皮等的酚類物質(zhì)的提取優(yōu)化、含量測定以及抗氧化研究等方面[23-25]，近年來有學(xué)者利用液相色譜、液質(zhì)聯(lián)用等技術(shù)對核桃內(nèi)種皮、核桃仁的酚類物質(zhì)組分進行了研究[26-27]，也有利用轉(zhuǎn)錄組、代謝組等方法對不同顏色核桃的種仁、內(nèi)種皮進行研究[28-29]，但對核桃內(nèi)種皮口感評價的研究很少。本研究利用電子舌系統(tǒng)對5個核桃品種內(nèi)種皮水浸提液進行檢測，并進行主成分、聚類以及相似性分析，并測定了核桃內(nèi)種皮的單寧和黃酮含量，將理化指標(biāo)與電子舌響應(yīng)值進行相關(guān)性分析，以期為后續(xù)核桃口感品質(zhì)研究以及核桃種質(zhì)資源分類評價等方面提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為‘ND-1’、‘薄殼香’、‘香玲’、‘京861’、‘農(nóng)核1號’5個核桃品種的新鮮內(nèi)種皮，2019年9月中旬采于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所核桃資源圃。經(jīng)實驗室人員對鮮核桃整仁進行感官評價，分為3個等級，選擇苦澀味較重的品種(‘ND-1’)、苦澀味略重的品種(‘薄殼香’、‘香玲’和‘京861’)、苦澀味輕的品種(‘農(nóng)核1號’)用于試驗測定。

1.2 儀器設(shè)備

冷凍干燥機,美國GOLD-SIM公司；AY120電子天平,日本島津公司；SB25-12DTD超聲波清洗機,寧波新芝生物科技股份有限公司；Centrifuge 5804 R離心機,德國Eppendorf公司；α-ASTREE電子舌系統(tǒng),法國Alpha M.O.S公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品前處理

將鮮核桃的內(nèi)種皮用鑷子剝離，冷凍干燥后研成粉末，過100目篩，于-40 ℃條件下保存，待用。

1.3.2 樣品準(zhǔn)備

稱取內(nèi)種皮粉末0.5 g于離心管中，加入50 mL超純水，55 ℃超聲波輔助提取30 min，5 000 r/min離心20 min，取上清液，于電子舌進行檢測。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的單寧酸溶液作為澀味參照物。

準(zhǔn)確稱取內(nèi)種皮粉末0.20 g，加入一定量體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇，55 ℃超聲波輔助提取30 min，10 000 r/min離心10 min，重復(fù)2次，合并上清液，定容，待測。

1.3.3 電子舌檢測

采用由法國Alpha M.O.S公司生產(chǎn)的α-ASTREE電子舌系統(tǒng)，主要由味覺傳感器、信號采集器和模式識別系統(tǒng)3部分組成。該電子舌包含7個傳感器和1個AlCl3參比電極，7個傳感器分別為AHS(酸味)、CTS(咸味)、NMS(鮮味)、ANS(甜味)、SCS(苦味)、PKS和CPS感知復(fù)合味道。

數(shù)據(jù)采集前，對電子舌系統(tǒng)進行活化、校準(zhǔn)及診斷等操作，以保證獲得數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性。將上清液倒入電子舌專用小燒杯至刻度線，按照設(shè)置的序列位置放到電子舌自動進樣器中，清洗液(超純水)與樣品交替，于室溫條件(25 ℃左右)下進行測定。數(shù)據(jù)采集時間設(shè)置為120 s，每秒采集1個數(shù)據(jù)，攪拌速率為1次/s，因在100 s之后所有傳感器響應(yīng)強度值均趨于平穩(wěn)，所以取最后20 s測定值的平均值作為輸出值。每杯樣品重復(fù)測定9次，選取后5次測定的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)進行分析。

1.3.4 單寧和黃酮含量的測定

單寧含量的測定：參照羅玉潔[30]的方法，稍作修改。吸取0.1 mL提取液到10 mL容量瓶中，分別加入0.5 mL福林酚和1 mL NaCO3溶液，用蒸餾水定容，室溫靜置，反應(yīng)1 h后在725 nm波長下測定樣品溶液的吸光度，重復(fù)3次。標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為：y=0.079 9x+0.000 3，R2=0.999 3。

黃酮含量的測定：參照解利利等[31]、張春梅等[23]的方法，稍作修改。吸取0.5 mL提取液到10 mL容量瓶中，分別加入0.3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaNO2溶液和0.3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Al(NO3)3溶液，再加入4 mL 1 mol/L的NaOH溶液，用體積分?jǐn)?shù)為60%乙醇定容，室溫靜置，反應(yīng)15 min后在510 nm波長下測定樣品溶液的吸光度，重復(fù)3次。標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為：y=0.014 9x+0.002 5，R2=0.999 2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用電子舌配套的數(shù)據(jù)分析軟件進行主成分分析和相似性分析；采用SAS 8.0統(tǒng)計軟件的距離類平均法進行聚類分析；采用SPSS 23軟件進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同核桃品種內(nèi)種皮水浸提液的口感品質(zhì)主成分分析

為了更直觀地分析電子舌系統(tǒng)傳感器對不同核桃樣品的響應(yīng)強度，將所得數(shù)據(jù)形成雷達(dá)圖，每個分支代表一個傳感器，結(jié)果如圖1所示，所有傳感器響應(yīng)值在-300～3 300之間，其中ANS、CPS和NMS的響應(yīng)值較高(均高于2 000)，說明它們是判斷樣品品質(zhì)的重要傳感器。相對于NMS和CPS來說，CTS、PKS、AHS、SCS和ANS對不同樣品的響應(yīng)存在較大差異，響應(yīng)值離散度較大，表明這4個傳感器對樣品中的某些物質(zhì)存在較高敏感度，從而說明它們對不同樣品有很好的區(qū)分效果。

由圖2可知，每個樣品在主成分分析圖上由5個點組成，第1主成分的貢獻率為73.53%，第2主成分的貢獻率為14.82%，2者的總貢獻率達(dá)到了88.35%(>85%)，表明第1和第2主成分包含了樣品大量的原始數(shù)據(jù)信息，可以反映樣品的整體情況。

圖1 電子舌傳感器響應(yīng)強度雷達(dá)圖Fig.1 Radar chart of the response intensity of the electronic tongue sensor

圖2 核桃內(nèi)種皮水浸提液和單寧酸溶液的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of water extracts of walnut pellicle and tannic acid solutions

識別指數(shù)是區(qū)分樣品程度的表征值，該值越大，說明區(qū)分越好，一般該值在80分以上就表明區(qū)分有效。不同品種的核桃內(nèi)種皮水浸提液分布在主成分分析圖的不同區(qū)域，并且不同樣品之間沒有重疊，識別指數(shù)為87，表明電子舌系統(tǒng)對這5個樣品的口感可以有效區(qū)分。

不同樣品之間的品質(zhì)差異可以通過主成分分析圖中的距離表征，若樣品之間的距離越近，說明其品質(zhì)特性越相近。5個樣品在主成分分析圖中分別分布到3個區(qū)域中，其中‘農(nóng)核1號’與其他4個核桃品種離得較遠(yuǎn)，單獨分布在第2象限，說明‘農(nóng)核1號’與它們之間口感差異較大；‘薄殼香’、‘香玲’和‘京861’分布的區(qū)域在第3象限，相互之間離得較近，說明它們的口感相近；‘ND-1’分布在第4象限，但是與第3象限的3個品種離得較近，說明‘ND-1’的口感與它們相近但又存在差異。‘農(nóng)核1號’與其他4個核桃品種的口感主要根據(jù)主成分2進行區(qū)分，‘ND-1’與其他4個核桃品種的口感主要根據(jù)主成分1進行區(qū)分。另外，‘ND-1’與單寧酸之間的距離最近，說明兩者之間口感最接近，從而表明‘ND-1’的澀味最重。由此可見，‘ND-1’的澀味最重，‘農(nóng)核1號’的澀味最輕，其他3個品種澀味居中。

2.2 不同核桃品種內(nèi)種皮水浸提液的口感品質(zhì)聚類分析

由圖3可知，單寧酸溶液與核桃品種內(nèi)種皮水浸提液被聚為2大類；當(dāng)類平均距離為0.4時，5個核桃品種內(nèi)種皮水浸提液被聚為3大類,‘農(nóng)核1號’、‘ND-1’各為一類，其他3個核桃品種為一類，這與主成分分析結(jié)果一致。在距離大約為0.19時，‘京861’和‘香玲’聚為一類；在距離為0.26時，前兩者與‘薄殼香’聚為一類；這3者與‘ND-1’在距離為0.48左右時聚為一類。由此可見，‘京861’和‘香玲’內(nèi)種皮水浸提液的口感最接近，‘農(nóng)核1號’與‘薄殼香’、‘香玲’和‘京861’這3個核桃品種的口感差異較大，與‘ND-1’的口感差異最大。

圖3 核桃內(nèi)種皮水浸提液和單寧酸溶液的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of water extracts of walnut pellicle and tannic acid solutions

2.3 不同核桃品種內(nèi)種皮水浸提液的口感品質(zhì)相似性分析

相似性分析結(jié)果中若距離越小、指紋分辨指數(shù)越小，則樣品之間越相似，差異越小。由表1可知，單寧酸與5個品種核桃內(nèi)種皮水浸提液之間的距離和指紋分辨指數(shù)都很大(距離>940，指紋分辨指數(shù)>80%)，表明單寧酸與核桃的口感存在較大差異，5個核桃品種的澀味均不及單寧酸溶液。單寧酸與‘ND-1’的距離和指紋分辨指數(shù)最小(距離為942.55，指紋分辨指數(shù)為83.22%)、與‘香玲’和‘農(nóng)核1號’的距離和指紋分辨指數(shù)均最大(距離分別為1 241.35、1 222.72，指紋分辨指數(shù)分別為88.26%、89.23%)，表明單寧酸與‘ND-1’的相似性最大、而與‘香玲’和‘農(nóng)核1號’的相似性最小。因此，‘ND-1’的澀味較其他4個品種的澀味重。

‘農(nóng)核1號’與其他4個核桃品種之間的距離和指紋分辨指數(shù)均較大(距離>480，指紋分辨指數(shù)>70%)，表明‘農(nóng)核1號’與其他4個核桃品種在口感上相似性較小、差異較大?！は恪?、‘香玲’和‘京861’之間的距離和指紋分辨指數(shù)均較小(距離<260，指紋分辨指數(shù)<60%)，表明這3個核桃品種在口感上相似性較大、差異較小?！r(nóng)核1號’與‘ND-1’之間的距離和指紋分辨指數(shù)最大(距離為635.71，指紋分辨指數(shù)為97.99%)，表明兩者之間的相似性最小、差異最大?！?61’與‘香玲’之間的距離和指紋分辨指數(shù)最小(距離為145.14，指紋分辨指數(shù)為12.40%)，表明兩者之間的相似性最大、差異最小。由此可見，5個核桃品種可以分為3類：‘ND-1’為澀味較重的一類、‘農(nóng)核1號’為澀味較輕的一類、其他3個核桃品種為澀味居中的一類。

表1 核桃內(nèi)種皮水浸提液和單寧酸溶液的 相似性分析Table 1 Similarity analysis of water extracts of walnut pellicle and tannic acid solutions

2.4 不同核桃品種內(nèi)種皮單寧和黃酮含量比較

由表2可知，單寧含量從高到低為：‘ND-1’>‘京861’>‘香玲’>‘薄殼香’>‘農(nóng)核1號’；黃酮含量從高到低為：‘ND-1’>‘薄殼香’>‘京861’>‘香玲’>‘農(nóng)核1號’。在單寧含量方面，‘ND-1’>600 mg/g，‘農(nóng)核1號’<400 mg/g，而其他3個核桃品種均在500 mg/g左右；在黃酮含量方面，‘ND-1’>160 mg/g，‘農(nóng)核1號’<130 mg/g，而其他3個核桃品種均在140～150 mg/g。因此，從單寧和黃酮含量可知：‘ND-1’苦澀味較重、‘農(nóng)核1號’苦澀味較輕、其他3個核桃品種居中，這與電子舌檢測結(jié)果大致相同。

2.5 理化指標(biāo)與電子舌響應(yīng)值相關(guān)性分析

表2 不同核桃品種內(nèi)種皮的單寧和黃酮含量 單位：mg/g

為了探究單寧和黃酮含量與電子舌響應(yīng)值的相關(guān)性，利用皮爾遜系數(shù)對其進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。單寧與黃酮、AHS呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與CTS和SCS呈正相關(guān)，與CPS呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與NMS、ANS呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；黃酮與單寧、AHS呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與SCS呈正相關(guān)，與NMS、CPS和ANS呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。由此可見，單寧和黃酮含量與苦味呈正相關(guān)，與甜味呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 理化指標(biāo)與電子舌響應(yīng)值相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of physiochemical indicators and electronic tongue response value

3 結(jié)論與討論

苦澀味主要來自單寧、黃酮類和兒茶素類物質(zhì)，是由單寧等多酚類物質(zhì)與唾液蛋白之間的相互作用引起的。未成熟的柿子具有典型的澀味，黃瓜、茶和堅果等也有苦澀味。費學(xué)謙等[32]研究認(rèn)為柿單寧主要成分是兒茶素和沒食子酸。田恒祿[33]認(rèn)為黃瓜中主要澀味物質(zhì)為兒茶素類物質(zhì)。劉敏[34]發(fā)現(xiàn)茶葉澀味主要物質(zhì)是兒茶素類物質(zhì)，兒茶素是茶多酚類的主體物質(zhì)。乜蘭春等[35]研究得出引起蘋果果實澀感的主要物質(zhì)是綠原酸、兒茶素、表兒茶素和原花青素。夏勃[36]在研究中提到核桃中的苦味和澀味物質(zhì)主要成分是單寧，但是沒有對其進行詳細(xì)的研究。俞文君等[37]對38份核桃資源的7個顯苦澀味物質(zhì)進行了研究，得出單寧是核桃果實中主要苦澀味物質(zhì)的結(jié)論。另外，甜味對苦澀味有一定的掩蔽性，本研究中甜味高的品種其苦澀味低也證明了這一點。雖然核桃營養(yǎng)豐富，對人們的身體有很大益處，但是因其內(nèi)種皮具有苦澀味而使人們在食用過程中會將其剔除而造成資源浪費和環(huán)境污染，因此找到低苦澀味的核桃對于核桃育種和生產(chǎn)實踐是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

本研究利用法國Alpha M.O.S公司生產(chǎn)的α-ASTREE電子舌系統(tǒng)對5個核桃品種的內(nèi)種皮水浸提液進行檢測，進行了主成分、聚類以及相似性分析，并測定了核桃內(nèi)種皮的單寧和黃酮含量，將理化指標(biāo)與電子舌響應(yīng)值進行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)該電子舌系統(tǒng)對5個核桃品種進行了有效區(qū)分，并將5個核桃品種分為3類：‘ND-1’和‘農(nóng)核1號’各為一類，其他3個核桃品種為一類；‘ND-1’苦澀味較重、‘農(nóng)核1號’苦澀味較輕、其他3個核桃品種居中；單寧和黃酮含量與苦味呈正相關(guān)，與甜味呈顯著負(fù)相關(guān)。因此，在科研實踐中，可以利用電子舌系統(tǒng)對不同核桃品種以及核桃種質(zhì)資源的口感品質(zhì)進行評價和分類等。

主成分分析圖可清楚地看到各品種的分布區(qū)域及相互間的距離，聚類分析結(jié)果可更直觀顯示出各品種間的分類情況，相似性分析結(jié)果可直觀看到各品種兩兩之間距離和指紋分辨指數(shù)，且這3種分析結(jié)果基本一致，說明電子舌系統(tǒng)可有效區(qū)分各核桃品種。這些分析結(jié)果雖不能直觀地顯示出哪個品種好，但可顯示出各品種的差別，并將它們進行分類。因此，在生產(chǎn)實踐中可將電子舌檢測結(jié)合感官評價對核桃乳等產(chǎn)品的口感滋味進行調(diào)控。與口感評價相比，電子舌在食品口感品質(zhì)評價方面具有客觀、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點，其應(yīng)用前景非常廣闊。本研究為電子舌技術(shù)在核桃以及其他堅果的口感品質(zhì)評價方面提供了新思路，也為今后核桃乳生產(chǎn)實踐中口感檢測以及尋找低苦澀味核桃品種等研究提供了重要依據(jù)。