多種甜味劑的電子舌味覺評價

黃嘉麗，黃寶華,，左珊珊，郭成龍，周金林，盧宇靖

（1.廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東金駿康生物技術(shù)有限公司，廣東 佛山 528225；3.梅州金柚康健康科技有限公司，廣東 梅州 514021；4.廣東工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)藥學(xué)院，廣東 廣州 510006）

甜味能夠刺激食欲，合理使用甜味劑可以制造出可口誘人的食品。近年由于健康意識的提高，低熱量、口感好的食品越來越受到人們的青睞，故無熱量、低熱量的甜味劑在食品領(lǐng)域得到廣泛使用。甜味劑甜味強度比高熱量的蔗糖高得多，在應(yīng)用中僅需少量就可達到希望的甜度。但多數(shù)甜味劑甜味不純正，呈現(xiàn)速度和持續(xù)時間與蔗糖相比有差異，存在不良“異味”，導(dǎo)致口感不愉快。為了滿足消費者對減糖和口感的雙重需求，研究者基于不同甜味劑的特性進行復(fù)配，克服單一甜味劑的弊端，以期達到協(xié)同增效和掩蓋不良口味的目的[1]。據(jù)報道，甜菊糖與新橙皮苷二氫查爾酮（neohesperidin dihydrochalcone，NHDC）按一定比例復(fù)配，后苦味明顯降低，復(fù)配物的甜感與蔗糖相近[2-3]。不同甜味劑甜度和甜感特征不同，甜味劑的推廣應(yīng)用、復(fù)配研發(fā)多通過感官品質(zhì)指標(biāo)進行分析判斷，缺乏甜味的客觀評價手段。傳統(tǒng)上甜味評價主要采用感官評價法，評價過程費時、費力，結(jié)果易受主觀和環(huán)境因素影響[4]，開發(fā)客觀高效的新型智能評價技術(shù)勢在必行。近年發(fā)展的電子舌是一種智能味覺分析技術(shù)，可模擬人類味覺評估過程，快速鑒定液體樣品的“味道”，對產(chǎn)品的感官品質(zhì)提供量化的技術(shù)數(shù)據(jù)，在客觀性、重現(xiàn)性和可比性等方面優(yōu)于感官評價法[5]。在甜味評價方面，電子舌用于同類甜味物質(zhì)的區(qū)分和鑒別已有報道[6-8]，但對不同類型甜味劑的檢測比較研究鮮有報道。

知名食品風(fēng)味與營養(yǎng)配料公司Kerry（凱愛瑞）在2018年發(fā)布的市場調(diào)查報告顯示，多數(shù)消費者選擇甜味劑時第一關(guān)注的是“甜味劑類型”[9]。按來源，甜味劑可分為天然甜味劑和人工合成甜味劑兩類。人工合成甜味劑已應(yīng)用多年，但最近有研究顯示人工甜味劑對人類健康有潛在風(fēng)險。Suez等[10]報道，10 周齡的C57Bl/6小鼠攝入1 周的0.1 mg/mL糖精鈉會改變體內(nèi)的腸道菌群，并引起葡萄糖耐受不良現(xiàn)象。通過調(diào)查381 人的3 個月飲食和他們的體重、腰臀比、空腹血糖、糖基化血紅蛋白、葡萄糖耐量等臨床數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)攝入人工合成甜味劑較多的個體比其他個體更有可能體重超標(biāo)，更有可能引發(fā)葡萄糖耐受不良。此類研究結(jié)果并不足以否定目前應(yīng)用廣泛的人工甜味劑，但確實引發(fā)消費者的擔(dān)憂。從柑橘黃酮成分衍生得到的二氫查爾酮糖苷類甜味劑，如NHDC，高甜，低熱量，經(jīng)歷漫長的安全性評價之后在1994年獲得歐盟批準(zhǔn)使用。其雖然被劃入人工甜味劑類別，但最新研究發(fā)現(xiàn)在多穗柯甜茶和多葉棘豆等植物中有天然的NHDC存在[11]。由于NHDC甜度很高而實際應(yīng)用中使用量很小，安全性更高[2]。本實驗選取了包括天然和人工合成兩大類的10 種甜味劑，采用電子舌進行味覺分析測定。以蔗糖作為參比，考察電子舌對不同種類甜味劑進行區(qū)分和甜度評價的可行性，建立電子舌測定值和感官評價結(jié)果間的預(yù)測模型，以期為尋求低熱量甜味解決方案的配方研發(fā)人員提供一種基于電子舌的甜味快速評價方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蔗糖 天津大茂化學(xué)試劑廠；甘草甜素（含95%甘草酸鹽） 廣東味多美食品配料有限公司；糖精鈉（含量99%） 天津長捷化工有限公司；甜菊糖（含97%瑞鮑迪苷A） 山東唐樂生物科技有限公司；安賽蜜（含量99%） 安徽金禾實業(yè)股份有限公司；甜蜜素（含量98%） 金城化學(xué)（江蘇）有限公司；NHDC、柚苷二氫查爾酮（naringin dihydrochalcone，NDHC）（含量均達99%） 廣東金駿康生物技術(shù)有限公司；三氯蔗糖（含量98%） 珠海市泛海生物技術(shù)有限公司；羅漢果提取物（含60%羅漢果甜苷V） 桂林茗興生物科技有限公司。以上甜味劑均為食品級。

其余試劑均為分析純。溶液配制用蒸餾水購自廣州屈臣氏食品飲料有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SA402B味覺分析系統(tǒng) 日本Insent公司；SK7200B超聲波清洗器 上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司；JJ1000電子天平 常熟市雙杰測試儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 樣品溶液配制

參照GB/T 2760—2014《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》[12]的要求，通過預(yù)實驗確定甜味劑從“幾乎不甜”到“極甜”的濃度值范圍，在此濃度范圍中設(shè)置梯度濃度。

蔗糖溶液：配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.6%、2.7%、3.6%、5.0%、6.4%、8.5%、11.3%、15%、20%的蔗糖溶液。

甜味劑溶液：甜蜜素、甘草甜素、羅漢果提取物、甜菊糖和三氯蔗糖分別配制6 個質(zhì)量濃度值溶液，安賽蜜、糖精鈉、NHDC和NDHC配制9 個質(zhì)量濃度溶液，具體數(shù)值見表1。

1.2.1 確定臨床病例及問題大綱 根據(jù)本科臨床護理教學(xué)大綱要求，分析急診科的科室特點，由帶教老師在急診科選定常見臨床病例，并取得患者或家屬的知情同意。成立急診科帶教老師小組，根據(jù)某種常見病例的發(fā)病、臨床表現(xiàn)、診斷、治療方案和護理等方面，共同擬定相關(guān)問題大綱。每一見習(xí)內(nèi)容由同一位老師帶教。

表1 甜味劑溶液的配制Table 1 Preparation of sweetener solutions

6 個質(zhì)量濃度值的系列溶液用于測定甜味劑的電子舌甜味值與質(zhì)量濃度關(guān)系曲線。安賽蜜、糖精鈉、NHDC和NDHC的9 個質(zhì)量濃度值系列溶液用于構(gòu)建這些甜味劑的甜味定量預(yù)測模型，其中前6 個質(zhì)量濃度值用于繪制關(guān)系曲線。

1.3.2 感官評價

從本學(xué)院研究生中招募自愿參與的感官評價志愿者。根據(jù)GB/T 12312—2012《感官分析 味覺敏感度的測定方法》[13]和GB/T 12311—2012《感觀分析方法 三點檢驗》[14]方法對志愿者進行口味敏感性培訓(xùn)和篩選后，最終選定15 名感官評定人員（7 名男性，8 名女性），組成感官評定小組。

1.3.2.1 甜味評價和相對甜度測定

參考文獻[15]測定甜味劑溶液與5%蔗糖甜度相等時的濃度。要求評價員在3 個不同質(zhì)量濃度的待測樣品中找出與5%蔗糖甜度最相近的樣品溶液，并對甜味劑樣品的甜味口感和持續(xù)時間作出評價。根據(jù)所得質(zhì)量濃度值計算不同甜味劑溶液的相對甜度。

1.3.2.2 預(yù)測模型感官評價值測定

參考GB/T 19547—2004《感官分析 方法學(xué) 量值估計法》[16]對安賽蜜、糖精鈉、NHDC和NDHC等甜味劑不同質(zhì)量濃度樣品溶液的甜味進行評分。將甜味分為5 級，把不同質(zhì)量濃度蔗糖溶液作為外部參比組。評價員對蔗糖溶液進行評估，給出評分值和甜味描述，結(jié)果見表2。參考表2對上述甜味劑的甜度評分，最終得分取所有評價員評分的平均值，簡稱為感官甜味值，記為T0。

表2 蔗糖的甜味描述和評分值Table 2 Sweetness description and scores of sucrose at different concentrations

1.3.3 電子舌檢測

本實驗使用的電子舌配置由6 根脂質(zhì)膜傳感器（AAE、CA0、CT0、C00、AE1和GL1）和3 根Ag/AgCl參比電極組成，采用該陣列分別檢測樣品溶液的6 種先味信號值（鮮味、咸味、酸味、苦味、澀味和甜味）和3 種回味信號值（鮮味的回味、苦味的回味和澀味的回味）。傳感器在使用前需要活化。在傳感器內(nèi)部加入200 μL內(nèi)部液（3.33 mol/L KCl＋0.07 mmol/L AgCl），并浸于參比溶液（0.3 mmol/L酒石酸＋30 mmol/L KCl）中活化至少24 h?；罨蟮膫鞲衅髟趨⒈热芤褐衅胶夂笠来谓]在參比溶液和待測樣品溶液中，分別測得膜電勢值Vr和Vs，經(jīng)參比溶液短暫清洗后（此時膜表面仍有少量待測樣品殘留）再次浸入新的參比溶液中，測得Vr’。根據(jù)所測電勢值，按式（1）、（2）計算樣品的先味信號值（R）和回味信號值（CPA）：

每個樣品溶液重復(fù)測定4 次，取后3 次數(shù)據(jù)的平均值作為測試結(jié)果，其中將GL1傳感器測得的先味值（即甜味值）簡稱為電子舌甜味值，記為Te。后續(xù)基于T0和Te值建立甜味劑的電子舌甜味值和感官甜味值間的預(yù)測模型。

1.3.4 主成分分析（principal component analysis，PCA）和聚類分析

采用SPSS 22進行PCA和聚類分析。PCA選擇電子舌測得甜味劑樣品的9 個味覺值為分析變量，基于特征值大于1抽取主成分（因子），將因子得分存為變量并作圖，得到PCA得分圖。聚類分析是選擇組間連接的聚類方法，距離測量方式采用平方歐式距離，得到聚類分析譜系圖。

1.3.5 預(yù)測模型建立與評價

使用OriginPro 8擬合方程并作圖。選取蔗糖、安賽蜜、糖精鈉、NHDC和NDHC，從每個甜味劑配制的9 個質(zhì)量濃度水平中選取第1、3、4、6、7、9個作為校正集，其余3 個作為預(yù)測集。采用最小二乘擬合法建立以上5 種甜味劑的電子舌甜味值Te和感官甜味值T0間的回歸預(yù)測模型，并進行交叉驗證?；谒Ｐ蛯︻A(yù)測集數(shù)據(jù)的預(yù)測效果進行評價，評價指標(biāo)采用校正相關(guān)系數(shù)（Rc）、驗證相關(guān)系數(shù)（Rcv）、預(yù)測相關(guān)系數(shù)（Rp）、均方根誤差（root mean square error，RMSE）、交互驗證均方根誤差（root mean square error of cross validation，RMSECV）和預(yù)測均方根誤差（root mean square error of prediction，RMSEP）[18-19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜味劑的感官評價

表3 感官評價法測定不同甜味劑的相對甜度Table 3 Relative sweetness of various sweeteners by sensory evaluation

如表3所示，實驗測得的甜味劑相對甜度與文獻值基本一致。由表4可知，天然甜味劑都有甘草味，NHDC和三氯蔗糖的異味較少，而甜菊糖、糖精鈉和安賽蜜的苦澀味比較重。各甜味劑的甜味持續(xù)時間為10～60 s不等，其中屬甜菊糖的甜味持續(xù)時間最長。

表4 感官評價法對不同甜味劑的甜味特征評價Table 4 Sweetness characteristics of different sweeteners assessed by sensory evaluation

2.2 甜味劑的電子舌評價

為探討感官評價法和電子舌法對甜味劑的評價結(jié)果是否具有相似性，基于上述感官評價結(jié)果，采用電子舌評價等甜度的9 種甜味劑樣品和5%蔗糖溶液，得到各甜味劑的味覺指標(biāo)雷達圖，如圖1所示。三氯蔗糖、甜菊糖、甘草甜素和羅漢果提取物在6 個傳感器上的響應(yīng)值都很低；糖精鈉和安賽蜜的圖形輪廓較為相似，都出現(xiàn)了異常高的苦味和澀味值。蔗糖和NHDC擁有相近的甜味值，且在其他味覺傳感器都沒有響應(yīng)；甜蜜素的甜味和酸味值皆為負值。

對比表4和圖1結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，電子舌的檢測結(jié)果與感官評價結(jié)果的符合度較高。如在感官評價中，糖精鈉、安賽蜜和甜蜜素具有一定的苦澀味（表4），電子舌檢測結(jié)果也顯示三者有較大的苦味和澀味值（圖1）。此外，電子舌的雷達圖揭示了甜味劑復(fù)雜的整體味感特征，把人嘗到的難以描述的口感細分并量化成了6 種基本味覺值。因此，可根據(jù)甜味劑的電子舌測得的多個味覺指標(biāo)，有的放矢對甜味劑進行風(fēng)味修飾或復(fù)配研究，使之口感盡可能與蔗糖一致。

圖1 甜味劑的電子舌響應(yīng)雷達圖Fig.1 Radar chart of ET responses to sweeteners

然而，電子舌的6 個傳感器對三氯蔗糖、甜菊糖、甘草甜素和羅漢果提取物的響應(yīng)值都很低，這可能與傳感膜的組成和甜味劑的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。GL1對糖類分子的響應(yīng)機理主要是基于傳感膜的成分之一偏苯三酸的羧基可與糖分子中的2 個鄰位羥基產(chǎn)生相互作用[27]，因此，羥基的存在及羥基間的空間距離對該傳感器的響應(yīng)信號有重要的影響作用[28]。三氯蔗糖分子結(jié)構(gòu)跟蔗糖相比，3 個羥基被氯原子所取代，盡管余下兩對相鄰羥基，羥基間距離和空間構(gòu)型都發(fā)生了改變，是響應(yīng)信號大大下降的原因。羅漢果提取物、甜菊糖和甘草甜素味覺響應(yīng)值較低，而三者皆為萜類化合物。

表5 等甜度下甜味劑的電子舌甜味值和相對甜度Table 5 ET sweetness values and relative sweetness of sweeteners with the same sweetness as 5% sucrose

由表5可知，在與5%蔗糖等甜度時，除NHDC在0.05 g/L的甜味值與5%蔗糖甜味值比較接近以外，其他甜味劑的甜味值與蔗糖都有較大差異，即等甜度的不同甜味劑在電子舌甜味傳感膜的甜味響應(yīng)不同，電子舌甜味值不能用于直接比較不同類型甜味劑之間的相對甜度大小。從表5還可以看到，以電子舌測定的甜味值換算為5%蔗糖的相對甜度時，除了甜菊糖、甘草甜素、甜蜜素和羅漢果提取物的電子舌響應(yīng)值太低或負響應(yīng)不能換算，所得NHDC、糖精鈉、安賽蜜和NDHC的相對甜度值與文獻報道值基本符合。

2.3 甜味傳感器對不同甜味劑的敏感性

圖2 電子舌甜味值與甜味劑的質(zhì)量濃度關(guān)系圖Fig.2 Relationship between ET sweetness value and concentration of sweeteners

針對甜味劑的甜味，考察電子舌甜味傳感器GL1對10 種甜味劑的敏感性。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)該傳感器對不同甜味劑的響應(yīng)并非都是正值。從圖2a～c可知，蔗糖、NHDC、NDHC、安賽蜜和糖精鈉的甜味值隨質(zhì)量濃度的增大而明顯升高，隨著質(zhì)量濃度繼續(xù)升高，甜味值逐漸趨于平緩。三氯蔗糖的甜味值隨質(zhì)量濃度的增大而緩慢增大（圖2a），響應(yīng)靈敏度低。從圖2d可知，甘草甜素、羅漢果提取物、甜蜜素和甜菊糖的甜味值為負值，隨著質(zhì)量濃度增大甜味值趨向更負。其中，甜菊糖和羅漢果提取物的甜味值變化幅度非常小，甜蜜素的變化幅度較大，呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)關(guān)系。可見，GL1可用于蔗糖、NHDC、NDHC、安賽蜜、糖精鈉和甜蜜素的甜味檢測。

2.4 電子舌對甜味劑甜味定量預(yù)測模型的構(gòu)建及評估

基于上述電子舌對蔗糖、NHDC、NDHC、安賽蜜和糖精鈉甜味的良好響應(yīng)，嘗試建立這5 種甜味劑甜味的電子舌定量預(yù)測模型。

蔗糖、NHDC、NDHC、安賽蜜和糖精鈉等5 種甜味劑的電子舌甜味響應(yīng)值與質(zhì)量濃度呈正相關(guān)（圖2a～c），由于甜蜜素與這5 種甜味劑的響應(yīng)趨勢不同，因此本實驗只針對5 種正相關(guān)響應(yīng)的甜味劑構(gòu)建模型。以不同質(zhì)量濃度的蔗糖、NHDC、NDHC、安賽蜜和糖精鈉的電子舌檢測甜味值Te和感官評價甜味值T0進行回歸分析，得到Te和T0值的擬合曲線和方程式，結(jié)果如圖3和表6所示。由圖3可知，蔗糖、安賽蜜、NHDC的Te與T0值呈線性關(guān)系，決定系數(shù)R2為0.903～0.997，均大于0.9，安賽蜜的線性最好，蔗糖次之。NDHC和糖精鈉的線性擬合度較低，改用非線性方程擬合，分別得到了R2為0.941和0.997的擬合方程式。

圖3 電子舌甜味值和感官甜味值的擬合曲線Fig.3 Fitting curve of ET sweetness value versus sensory sweetness value

表6 甜味劑電子舌甜味值和感官甜味值的擬合結(jié)果Table 6 Fitting results of ET sweetness value versus sensory sweetness value of sweeteners

采用交叉驗證法得到的驗證集，結(jié)合預(yù)測集數(shù)據(jù)對模型的優(yōu)度和預(yù)測結(jié)果進行評價。從表7可知，5 種甜味劑的甜味預(yù)測模型的Rc、Rcv和Rp為0.914～0.999，說明實測值和模型的預(yù)測值之間的相關(guān)程度較高；5 個擬合模型的效果評價指標(biāo)RMSE、RMSECV和RMSEP為0.057～0.889，說明預(yù)測模型的精度較高，預(yù)測能力較好。

表7 甜味劑甜味預(yù)測模型的效果評價Table 7 Performance evaluation of sweetness prediction model for sweeteners

2.5 電子舌區(qū)分不同類型甜味劑

嘗試采用PCA法和聚類分析法評估電子舌方法對不同類型甜味劑的區(qū)分能力。由PCA法得到的PCA得分圖可反映樣品間的差異性，樣品間距離越遠，說明差異越大[29]。聚類分析法根據(jù)樣品數(shù)據(jù)間的相似性進行分類[30]。利用SPSS軟件對6 個傳感器檢測的味覺指標(biāo)值進行PCA降維處理，得到PCA得分圖，如圖4所示。PC1、PC2的總貢獻率達93.1%，說明前2 個主成分代表了樣品的大部分信息，可以反映樣品的整體信息。根據(jù)圖4樣品間的距離，6 種甜味劑樣品可分為4 類：蔗糖、NHDC為一類，分布在左前側(cè)；安賽蜜和糖精鈉為一類，分布在右側(cè)；甜蜜素和NDHC則各自作為一類。說明電子舌檢測能夠?qū)φ崽恰DHC、安賽蜜、糖精鈉、甜蜜素和NHDC 6 種甜味劑進行有效分類。

圖4 6 種甜味劑的PCA得分圖Fig.4 PCA score plot of 6 sweeteners

以SPSS對電子舌檢測值進行聚類分析，如圖5所示。當(dāng)歐式距離為5時，6 種甜味劑被分為4 類，分類結(jié)果與PCA結(jié)果一致。PCA和聚類分析結(jié)果均表明，6 種甜味劑可分為4 大類，同一類甜味劑具有相似的甜味特性。

圖5 6 種甜味劑的聚類分析譜系圖Fig.5 Cluster analysis pedigree diagram of 6 sweeteners

3 結(jié) 論

采用日本Insent電子舌的味覺傳感器陣列可對蔗糖、NHDC、NDHC、糖精鈉、安賽蜜和甜蜜素6 種甜味物質(zhì)的味覺信息進行有效檢測和甜味評價，能夠測定NHDC、NDHC、糖精鈉、安賽蜜的相對甜度，結(jié)果與感官評價法基本一致。但電子舌對甜菊糖、三氯蔗糖、羅漢果提取物和甘草甜素的響應(yīng)微弱，不適用于這些甜味劑的相對甜度測定。電子舌檢測結(jié)合PCA和聚類分析能夠客觀地對蔗糖、NHDC、NDHC、糖精鈉、甜蜜素和安賽蜜6 種不同種類甜味劑進行有效分類，結(jié)果與感官評價結(jié)果一致，表明電子舌可以用于6 種甜味劑的區(qū)分檢測。

電子舌甜味值和感官評價結(jié)果間的回歸分析結(jié)果表明，蔗糖、NHDC、NDHC、糖精鈉和安賽蜜5 種甜味劑均具有良好的相關(guān)性，其中以安賽蜜和蔗糖的線性為最佳。該5 種甜味劑的校正集、驗證集和預(yù)測集的相關(guān)系數(shù)大于0.91，均方根誤差小于0.9，表明所建立的5 個定量預(yù)測模型具有較高的精度和良好的預(yù)測效果，可以通過電子舌測定的甜味值預(yù)測感官評價結(jié)果，為甜味劑的質(zhì)量控制和產(chǎn)品研發(fā)提供一條有效的途徑。