基于電子舌和質(zhì)構(gòu)儀的不同品種櫻桃滋味及質(zhì)地差異分析

任新樂(lè)，李長(zhǎng)春，孫 斐，傅茂潤(rùn)，韓 聰*

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250353；2.山東尚春農(nóng)業(yè)科技有限公司，山東濟(jì)南 250300）

櫻桃是薔薇科李屬櫻亞屬經(jīng)濟(jì)木[1]，在我國(guó)產(chǎn)地分布較廣，已有2 000 多年的栽培歷史。櫻桃果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育快，成熟期早，被稱為“早春第一果”[2]。櫻桃果實(shí)色彩鮮艷，肉厚多汁，營(yíng)養(yǎng)豐富，含有豐富的糖類、維生素、花色苷、酚酸類[3]、黃酮類等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[4]，具有抗氧化、預(yù)防心血管疾病、預(yù)防癌癥、提高身體免疫力、提高睡眠質(zhì)量、緩解疲勞等作用[5]。此外，櫻桃還具有調(diào)節(jié)氣血、益腎補(bǔ)精、平肝祛熱、健脾祛濕、補(bǔ)血等功效[6]，因此深受消費(fèi)者喜愛(ài)。

電子舌技術(shù)是一種高效便捷的識(shí)別、分析樣品滋味的新型檢測(cè)技術(shù)手段[7]。作為一種仿生味覺(jué)系統(tǒng)，電子舌通過(guò)模仿生命體的味覺(jué)識(shí)別機(jī)制，即采用與味蕾細(xì)胞工作原理相類似的人工脂膜傳感技術(shù)，故味覺(jué)傳感器能夠探測(cè)到接近生命體所能感知的“味覺(jué)”[8]。傳感器通過(guò)測(cè)量人工脂膜表面的電勢(shì)變化檢測(cè)味道，評(píng)估各種口味。目前，電子舌已被廣泛應(yīng)用在食品味道評(píng)價(jià)、食品摻偽鑒定、食品加工過(guò)程檢測(cè)、中藥材鑒別研究、茶葉分級(jí)、酒類區(qū)分、香辛料評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[9-10]，在食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

質(zhì)構(gòu)是水果眾多評(píng)價(jià)指標(biāo)中的主要指標(biāo)之一[11]。目前對(duì)食品質(zhì)構(gòu)評(píng)價(jià)的主要方法有傳統(tǒng)的感官評(píng)價(jià)和質(zhì)構(gòu)儀器測(cè)量?jī)煞N[12]。傳統(tǒng)的感官評(píng)測(cè)需要具有專業(yè)知識(shí)水平和專業(yè)判斷能力的專業(yè)評(píng)審員，評(píng)價(jià)過(guò)程效率低、步驟繁瑣，而且感官評(píng)價(jià)結(jié)果往往因人而異，主觀性差異較大，結(jié)果不夠穩(wěn)定。質(zhì)構(gòu)儀則能夠通過(guò)不同的物理處理模式對(duì)食品進(jìn)行加工檢測(cè)[13]，以數(shù)據(jù)的形式客觀準(zhǔn)確地反映食品的力學(xué)特征，如食品的硬度、彈性、柔軟性等指標(biāo)[14]。質(zhì)構(gòu)儀在水果中主要測(cè)試水果的成熟度、果皮的硬度、果實(shí)脆性、果皮或果肉的彈性等指標(biāo)。質(zhì)構(gòu)儀因其高效、簡(jiǎn)便、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各種食品質(zhì)構(gòu)評(píng)價(jià)中[15]。

目前，國(guó)內(nèi)的鮮食櫻桃品種繁多，約有100種，主要有‘拉賓斯’‘美早’‘紅燈’‘布魯克斯’‘桑提娜’‘薩米脫’‘早紅寶石’‘極佳’等[16]。不同品種的櫻桃酸甜不一、滋味各異，而對(duì)于不同櫻桃品種的滋味分析鮮有研究。此外，不同櫻桃品種成熟時(shí)的軟硬度不同，而軟硬度是決定櫻桃銷售半徑的一個(gè)重要因素。本研究選擇濟(jì)南當(dāng)?shù)胤N植面積較大的五個(gè)代表性品種為試驗(yàn)材料，利用質(zhì)構(gòu)儀和電子舌對(duì)樣品進(jìn)行質(zhì)構(gòu)分析和滋味檢測(cè)，得到不同品種櫻桃果實(shí)的質(zhì)構(gòu)結(jié)果和電子舌傳感器響應(yīng)值，并對(duì)其進(jìn)行分析，為不同櫻桃品種的采后儲(chǔ)運(yùn)及消費(fèi)者選擇提供理論支持[17]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料于2020 年5 月采自山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)五峰鎮(zhèn)紙坊村春匯山莊，選用‘拉賓斯’‘紅燈’‘布魯克斯’‘美早’‘薩米脫’5 個(gè)櫻桃品種。

1.2 儀器與設(shè)備

TS-5000Z 味覺(jué)分析系統(tǒng)，日本INSENT 公司；JYL-Y3 型多功能破壁機(jī)，九陽(yáng)股份有限公司；TMS-Pro型專業(yè)級(jí)食品物性分析儀，美國(guó)FTC 公司；KQ-250D 型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；YP5102型電子天平，上海光正醫(yī)療儀器有限公司。

1.3 方法

利用電子舌對(duì)5 種櫻桃樣品進(jìn)行分析時(shí)，需要對(duì)影響電子舌傳感器特征響應(yīng)值的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括櫻桃樣品的前處理、試驗(yàn)溫度等。實(shí)際樣品最佳分析方法的確立要滿足兩個(gè)條件：一是電子舌對(duì)樣品味道的全面提取，尋找并分析不同來(lái)源、不同品種櫻桃的味道特征，即實(shí)現(xiàn)組間差異最大化；二是使樣品溶液的味道保持穩(wěn)定，組內(nèi)差異減小，以期最大限度地對(duì)不同品種的櫻桃進(jìn)行區(qū)分。

1.3.1 質(zhì)構(gòu)分析

取完整的櫻桃果實(shí)，樣品高度均在22～25 mm 之間，將赤道部分果肉對(duì)準(zhǔn)質(zhì)構(gòu)儀探頭。食品物性分析儀直徑2 mm 的柱形探頭（探頭編號(hào)：432-076）從起始位置開(kāi)始，以60 mm/min 的測(cè)試前速度接觸到樣品的表面后（觸發(fā)力0.05 N），再以3 mm/min 測(cè)試速度穿過(guò)樣品表面并繼續(xù)穿刺到樣品內(nèi)部，達(dá)到8 mm 的穿刺距離后以60 mm/min 的測(cè)試速度返回起始位置。每個(gè)品種平行測(cè)定7個(gè)，結(jié)果取平均值。

1.3.2 可溶性固形物（TSS）含量的測(cè)定

從每個(gè)品種的櫻桃果實(shí)中隨機(jī)選取5 個(gè)大小、顏色均勻，表皮光滑，無(wú)病蟲害，無(wú)機(jī)械傷的樣品，去核研磨成漿后，用三層紗布過(guò)濾漿液，用PAL-1 手持式折光儀測(cè)定可溶性固形物含量，每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定3次，取其平均值。

1.3.3 電子舌參數(shù)的確定

每個(gè)品種分別選擇大小、顏色均勻，表皮光滑，無(wú)病蟲害，無(wú)機(jī)械傷的八成熟櫻桃樣品若干，超聲洗凈后去核，稱取50 g 樣品切成小塊后置于多功能破壁機(jī)中，添加200 g 蒸餾水，打碎混勻2 min，四層紗布過(guò)濾，取濾液用于電子舌測(cè)試。

電子舌經(jīng)活化、校正、診斷通過(guò)，在確保采集得到的數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的條件下進(jìn)行測(cè)定。在本實(shí)驗(yàn)中，25 ℃室溫下進(jìn)行分析測(cè)試，進(jìn)樣體積25 mL，數(shù)據(jù)采集時(shí)間120 s，采集周期1 s，清洗時(shí)間為10 s。電子舌所得所有數(shù)據(jù)均是以人工唾液（參比溶液）為標(biāo)準(zhǔn)的絕對(duì)輸出值，電子舌測(cè)試人工唾液的狀態(tài)，模擬人口腔中只有唾液時(shí)的狀態(tài)。其中參比溶液的輸出值為無(wú)味點(diǎn)（Tasteless），參比溶液（reference）由氯化鉀和酒石酸組成味覺(jué)值。每份樣品按照平行測(cè)試3次，進(jìn)行分析處理。

1.3.4 味單位的確定

根據(jù)韋伯費(fèi)希納定律，在同類刺激下，差別閥值的大小隨標(biāo)準(zhǔn)刺激強(qiáng)弱呈一定比例關(guān)系[18]。對(duì)于味道來(lái)說(shuō)，大部分動(dòng)物對(duì)味覺(jué)增加的響應(yīng)與溶液中味覺(jué)物質(zhì)濃度的對(duì)數(shù)成一定的線性關(guān)系[19]。一般來(lái)說(shuō)，味物質(zhì)的強(qiáng)度發(fā)生20%的變化時(shí)，人舌可以識(shí)別其差異。本實(shí)驗(yàn)所用的日本INSENT 電子舌將味物質(zhì)20%的強(qiáng)度變化定義為一個(gè)單位，味單位與味物質(zhì)強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比。

1.3.5 不同品種櫻桃的主成分分析

主成分分析（principal component analysis，PCA）是一種常用的統(tǒng)計(jì)分析方法。分別以主成分一和主成分二為橫、縱坐標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)中顯示方差貢獻(xiàn)率分別為70.58%和25.52%，基于本次測(cè)試的所有味覺(jué)指標(biāo)，對(duì)5 種櫻桃進(jìn)行主成分分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Origin 2019 用于數(shù)據(jù)作圖，用SPSS 26 進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 5 種櫻桃的質(zhì)構(gòu)分析

櫻桃穿刺試驗(yàn)典型圖譜如圖1 所示。在0～4 mm 區(qū)間內(nèi)探頭位移與質(zhì)構(gòu)儀負(fù)載呈線性關(guān)系，直線的斜率表示櫻桃果皮的剛性；在探頭位移4 mm時(shí)，質(zhì)構(gòu)儀負(fù)載到達(dá)峰值，峰值表示果皮的硬度。峰值所對(duì)應(yīng)的位移，反映了果皮可承受的變形；從位移為0 到峰值對(duì)應(yīng)位移4 mm的區(qū)間內(nèi)，斜線積分形成的面積表示擠壓果皮所做的功；峰值對(duì)應(yīng)位移到8 mm 位移區(qū)間內(nèi)的質(zhì)構(gòu)儀負(fù)載表示果肉硬度位移8 mm 后質(zhì)構(gòu)儀負(fù)載趨近于0。

圖1 櫻桃穿刺試驗(yàn)典型圖譜Fig.1 Typical atlas of cherry puncture experiment

由表1 可知，櫻桃的果皮可承受一定的形變，所有樣品在形變4 mm 左右會(huì)破裂，但達(dá)到果皮硬度時(shí)的位移存在差異，其中‘美早’的果皮可形變的程度最差，在達(dá)到果皮硬度時(shí)的位移為3.38 mm，‘薩米脫’和‘紅燈’的果皮可形變的程度較好，在達(dá)到果皮硬度時(shí)的位移分別為4.09、4.08 mm。幾種櫻桃的果皮硬度在3～4 N 之間，相較而言，‘美早’和‘薩米脫’的果皮相對(duì)較軟，‘拉賓斯’和‘布魯克斯’的果皮相對(duì)較硬。根據(jù)食品物性學(xué)原理，食品模量是指材料在受力狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變之比，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即樣品硬度越大[20]。樣品的最大模量表現(xiàn)出明顯差異，‘拉賓斯’的最大模量在所有樣品中最大，‘薩米脫’的最大模量在所有樣品中最小，這與果皮硬度的結(jié)果是一致的。5 個(gè)品種所有樣品的櫻桃果肉非常柔軟，與果皮硬度相比，果肉硬度均很低，均在0.5 N 以下。

表1 櫻桃質(zhì)構(gòu)指標(biāo)結(jié)果表Table 1 Results of cherry texture index

2.2 可溶性固形物（TSS）結(jié)果分析

如表2 所示，5 個(gè)品種櫻桃的TSS 含量有顯著差異，TSS 含量由高到低依次是‘薩米脫’＞‘布魯克斯’＞‘美早’＞‘拉賓斯’＞‘紅燈’。

表2 可溶性固形物（TSS）含量表Table 2 Table of Soluble solids (TSS) content

2.3 電子舌結(jié)果與分析

2.3.1 味覺(jué)指標(biāo)分析

由表3 可知，櫻桃具有明顯的酸味，所有品種的酸味在數(shù)值上明顯高于無(wú)味點(diǎn)，如圖2 和圖3（見(jiàn)下頁(yè)）所示，5 個(gè)品種的櫻桃在酸味上存在明顯的差異，比較可見(jiàn)‘紅燈’的酸味最強(qiáng)，‘薩米脫’的酸味最弱，五個(gè)樣品酸味由強(qiáng)到弱的順序是‘紅燈’＞‘布魯克斯’＞‘拉賓斯’＞‘美早’＞‘薩米脫’。甜味由強(qiáng)到弱的順序是‘薩米脫’＞‘布魯克斯’＞‘美早’＞‘拉賓斯’＞‘紅燈’，‘薩米脫’,最強(qiáng)，‘紅燈’最弱，且5 種櫻桃的甜味與TSS 含量呈正相關(guān)。依靠酸甜味的辨別，容易區(qū)分出‘紅燈’和‘薩米脫’兩個(gè)品種?！剪斂怂埂奶鹞逗退嵛抖驾^強(qiáng)，‘美早’和‘拉賓斯’酸味和甜味數(shù)值都處于中等水平，并且酸味和甜味相當(dāng)，單純依靠酸甜味很難區(qū)別‘美早’和‘拉賓斯’兩個(gè)品種。

表3 櫻桃樣品的電子舌試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Results of electronic tongue test of cherry samples

圖2 以RefSol 為基準(zhǔn)的櫻桃味覺(jué)雷達(dá)圖Fig.2 Cherry taste radar based on Refsol

圖3 櫻桃的酸味和甜味散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of sour and sweet flavors of cherry

由圖2 可知，櫻桃的澀味、苦味回味、澀味回味和豐富性（鮮味回味）接近無(wú)味點(diǎn)，這表明櫻桃中很難被嘗出澀味、苦味回味、澀味回味和豐富性（鮮味回味），并且依靠澀味、苦味回味、澀味回味和豐富性（鮮味回味）不能區(qū)分5 個(gè)櫻桃品種。但5 種櫻桃的咸味存在差異，‘布魯克斯’的咸味最大，‘拉賓斯’的咸味最小，其他3 個(gè)品種的櫻桃咸味無(wú)明顯差異。此外櫻桃的其他味覺(jué)指標(biāo)的數(shù)值均明顯高于無(wú)味點(diǎn)，均是櫻桃有效的味覺(jué)指標(biāo)。

2.3.2 不同品種櫻桃的PCA 分析

如圖4 所示，5 個(gè)櫻桃樣品被明確地區(qū)分開(kāi)來(lái)，‘紅燈’和‘薩米脫’在第一主成分上存在明顯的差異，‘布魯克斯’‘美早’‘拉賓斯’在第二主成分上存在明顯差異。由表4 可見(jiàn)，甜味、酸味、咸味等對(duì)第一主成分的貢獻(xiàn)較大，咸味、甜味、鮮味等味覺(jué)指標(biāo)對(duì)第二主成分有較大的貢獻(xiàn)，由此可見(jiàn)5 個(gè)品種的櫻桃在味道上的差異主要表現(xiàn)在甜味、酸味、咸味、鮮味等味覺(jué)指標(biāo)上。

圖4 櫻桃的PCA 分析圖Fig.4 Principal component analysis of cherry

表4 味覺(jué)指標(biāo)貢獻(xiàn)率表Table 4 Contribution rate of taste index

2.4 方差分析

由表5 可知，m2值反映傳感器的區(qū)分能力（值越低樣品的區(qū)分性越好）。誤差率：將樣品整體偏差作為100%，而后求樣品測(cè)定誤差與其的比率。誤差率＝20%：樣品最大可識(shí)別為5 組；誤差率＝50%：樣品最大可識(shí)別為2 組；誤差率＝100%：g=s2，不能有效識(shí)別。由表5 可見(jiàn)，9 組滋味數(shù)值的m2值分別為17.05%、67.85%、120.48%、20.19%、91.67%、14.87%、11.90%、50.97%、8.98%，除澀味（m2≥100%）外的味覺(jué)傳感器對(duì)櫻桃樣品的區(qū)分性較好。

表5 誤差統(tǒng)計(jì)分析表Table 5 Table of error statistical analysis

3 結(jié)論

由方差分析可得，電子舌的所有傳感器對(duì)櫻桃區(qū)分性較好，電子舌所得數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，5 個(gè)櫻桃樣品可被明確地區(qū)分開(kāi)來(lái)，味道上的差異主要表現(xiàn)在甜味、酸味、咸味、鮮味等指標(biāo)上。通過(guò)對(duì)比5 種櫻桃的酸味和甜味，發(fā)現(xiàn)5 種櫻桃的酸味值都明顯高于無(wú)味點(diǎn)，且5 種櫻桃在酸味上存在明顯差異。5 個(gè)樣品酸味由強(qiáng)到弱的順序是‘紅燈’＞‘布魯克斯’＞‘拉賓斯’＞‘美早’＞‘薩米脫’；甜味由強(qiáng)到弱的順序是‘薩米脫’＞‘布魯克斯’＞‘美早’＞‘拉賓斯’＞‘紅燈’，且5 種櫻桃的甜味與TSS 含量呈正相關(guān)。通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀可很好地進(jìn)行櫻桃果實(shí)的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)分析，樣品之間在多項(xiàng)指標(biāo)上存在明顯的差異，比較而言，‘美早’和‘薩米脫’的果皮相對(duì)較軟，‘拉賓斯’和‘布魯克斯’的果皮相對(duì)較硬，5 個(gè)品種所有樣品的櫻桃果肉非常柔軟，與果皮硬度相比，果肉硬度平均值均很低，均在0.5 N 以下。綜上所述，電子舌可以作為區(qū)分不同品種櫻桃的一種高效快捷的方法，可以為不同品種的櫻桃鑒別提供一種高效、快捷的技術(shù)手段；質(zhì)構(gòu)儀可以以數(shù)據(jù)的形式客觀準(zhǔn)確地描述食品的質(zhì)地特征，具有快捷、客觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，能夠給食品研究及工作人員帶來(lái)了極大的方便。