電子鼻和電子舌技術在五倍子蜂蜜風味識別中的應用

鄧夢青，袁揚，趙恬，王胤晨，張定紅，張錦華

（貴州省畜牧獸醫(yī)研究所，貴州貴陽 550005）

五倍子樹，又稱鹽膚木（Rhus chinensisMill.），漆樹科植物，是重要的蜜源植物。在我國，該樹產量占世界產量的90%以上，產地主要集中在貴州、四川、湖北等省份[1-4]，開花時間為八月至九月份。蜜蜂采集五倍子花蜜，釀造出的五倍子蜂蜜為獨具特色的中草藥蜜，然而蜂蜜的品質與蜜源植物、產地環(huán)境、氣候等密切相關，不同產地的蜂蜜在品質和風味上存在一定差異。目前國內暫無對五倍子蜂蜜氣味和滋味的鑒別研究[5]，行業(yè)內多以看顏色、聞氣味等較為主觀的感官評價方法來鑒別蜂蜜種類、判別真假等，有失客觀性、準確性和重復性。電子鼻技術是一種根據仿生學原理模擬人類嗅覺系統(tǒng)的人工智能電子儀器[6,7]，能夠識別簡單與復雜的氣味，檢測樣本整體信息后通過主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、線性判別分析（Linear Discriminant Analysis，LDA）、傳感器區(qū)分貢獻率（Loadings）分析對數據進行解析，能通過揮發(fā)性氣味識別不同物質。近年來電子鼻技術主要應用于酒類、制藥、食品等領域[8-10]，并在風味分析[11,12]、摻假檢測[13,14]、種類鑒別[15,16]等方面取得了一定進展。

電子鼻的應用能夠克服人為主觀評價、重復性差等問題。電子舌技術，是一種能夠快速檢測液體樣本信息的儀器[17,18]，能夠模擬人的味覺感受系統(tǒng)，當樣本與人工脂膜傳感器相互作用時發(fā)生的膜電勢變化，可以反映樣本的滋味特點，實現對不同蜂蜜之間味道的識別[19,20]。滋味在食品開發(fā)中具有重要作用，就食品的接受度和依從性而言，口味是決定市場成功與否的主要因素之一[21]，通過味覺分析裝置能夠準確識別食品滋味，為篩選或開發(fā)出更易于接受的食品節(jié)約成本。

因此，本文從五倍子蜂蜜的氣味、滋味方面進行檢測分析，運用電子鼻、電子舌技術對12個不同地區(qū)的五倍子蜂蜜氣味進行識別，以期建立快速、可靠的方法來鑒別不同地區(qū)五倍子蜂蜜，為蜂蜜的種類鑒別及蜂蜜產地溯源提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料與設備

1.1.1 材料

五倍子蜂蜜收集于貴州省12個不同地區(qū)的蜂場，各個蜂場以五倍子為主要蜜源且無其他大量蜜源植物開花的天然山林；所有樣品均來自一線蜂農，為自然成熟的封蓋蜜。樣品采集后立即保存于4 ℃冰箱，直至檢測。具體信息見表1。

表1 五倍子蜂蜜樣品信息Table 1 Information of Rhus chinensis honey sample

1.1.2 主要設備

德國AIRSENSE公司的電子鼻系統(tǒng)（PEN3），傳感器組成見表2；日本INSENT公司的味覺分析系統(tǒng)（TS-5000Z），該系統(tǒng)能采集到的味道見表3。

表2 電子鼻傳感器Table 2 Electronic nose sensor

表3 電子舌傳感器Table 3 Electronic tongue sensor

1.2 方法

1.2.1 感官評價

參照食品安全國家標準《蜂蜜》（GB 14963-2011）[22]和《進出口蜂蜜檢驗規(guī)程》（SN/T 0852-2012）[23]中的方法對蜂蜜樣品進行感官評價。

1.2.2 電子鼻技術

分別稱取2 g蜂蜜至100 mL燒杯中，用雙層保鮮膜將其密封后于室溫下靜置30 min，再將電子鼻進樣針頭插入樣品中進行測定。電子鼻檢測參數設置：采集蜂蜜樣品的時間為1 s/組；味覺傳感器自清洗時間為80 s，歸零時間為5 s；蜂蜜樣品準備時間為5 s；進樣流量為400 mL/min；分析時間為80 s。每個蜂蜜樣品重復測定3次。

1.2.3 電子舌技術

準確稱取15 g蜂蜜置于300 mL燒杯中，加入85 g溫度為40 ℃的純水。使用磁力攪拌器攪拌10 min冷卻至室溫。加入50 g的基準液（使最終稀釋后得到的樣品溶液中，蜂蜜經10倍稀釋，基準液占比為1/3），用玻璃棒充分攪拌，混合均勻后的溶液，即為待測樣品溶液。Vr表示基準電勢，測量的是參比溶液，Vs表示蜂蜜樣品電勢，Vr'表示用參比溶液清洗蜂蜜樣品殘留后的電勢，Vs-Vr值可用于檢測酸、甜、苦、鮮、咸味；Vr'-Vr值可用于檢測苦、澀、鮮味的回味。每個蜂蜜樣品進行3次重復。

1.2.4 數據分析

電子鼻原始數據用其系統(tǒng)自帶的軟件Winmuster（Version 1.6.2）進行PCA、LDA、Loadings分析；電子舌原始數據用其系統(tǒng)自帶的軟件Taste sensing system TS-5000Z analysis Application（Version 1.7.0）進行PCA分析、Excel進行雷達圖分析。

2 結果與討論

2.1 感官評價結果與分析

不同地區(qū)五倍子蜂蜜色澤上除R6為深色、R10顏色為淺琥珀色外，均為琥珀色；滋味上除R2、R4地區(qū)五倍子蜂蜜酸味較重，R10、R11地區(qū)五倍子蜂蜜無酸味外，普遍入口微酸、回味甘甜圓潤；氣味上均有五倍子特有的芳香味，R6地區(qū)蜂蜜明顯比其他地區(qū)花香味濃郁，R1、R5、R9地區(qū)蜂蜜花香味較濃，而R10地區(qū)香氣較淡；常溫時均為粘稠流體狀，低溫下易結晶，呈細膩的沙粒狀。正常視力下均無可見幼蟲、蠟屑等其他雜質（表4）。從色澤、滋味、氣味、狀態(tài)等感官評價中，能大致對五倍子蜂蜜進行區(qū)分，但對樣品間的差異大小并未十分清晰，無法精準比較和分類。利用現代電子儀器設備對蜂蜜滋味和氣味進行數字化、可視化對于蜂蜜品種的鑒定區(qū)分、溯源等具有重要作用。

表4 不同地區(qū)五倍子蜂蜜樣品感官評價結果Table 4 Sensory evaluation results of Rhus chinensis honey samples from different regions

2.2 電子鼻測試結果與分析

2.2.1 電子鼻對不同地區(qū)五倍子蜂蜜的信號響應

12個地區(qū)五倍子蜂蜜在電子鼻系統(tǒng)中的響應結果如圖1所示。從原始信號可以看出電子鼻對不同地區(qū)的五倍子蜂蜜有明顯的應答。前10 s時響應值較高是因為蜂蜜在密封過程中形成了較高的頂空濃度，達到峰值后，逐漸趨于平穩(wěn)。從圖中可以看出，R6地區(qū)五倍子蜂蜜氣味最濃郁，前10 s時G/G0（G0/G）值最高接近300.00；R9、R1、R5、R3地區(qū)五倍子蜂蜜氣味較濃，響應值在30.00～70.00之間；R4、R11、R10地區(qū)的蜂蜜氣味較弱，響應值在10.00以內。在70s左右響應值趨于穩(wěn)定時，除R6響應值最高接近40.00外，其余地區(qū)均低于10.00，不同地區(qū)的同種蜂蜜在氣味表現上具有一定的差異。

圖1 電子鼻對12個地區(qū)五倍子蜂蜜的信號響應情況Fig.1 Signal response of electronic nose to Rhus chinensis honey from 12 regions

2.2.2 不同地區(qū)五倍子蜂蜜氣味上的差異比較

由于不同地區(qū)的五倍子蜂蜜風味不一致，為更好的分析其中的差異，采集70 s～72 s的特征響應值，對樣品進行PCA、LDA、Loadings分析。

2.2.2.1 PCA主成分分析

從圖2可以看出，第一和第二主成分貢獻率之和達到99.00%以上，說明這兩種主成分能夠涵蓋五倍子蜂蜜樣品大部分的原始數據信息。第一主成分和第二主成分貢獻率分別為99.20%、0.70%，去掉R6地區(qū)后分別為98.32%、1.29%?？梢姡煌貐^(qū)五倍子蜂蜜樣品之間的差異主要表現在第一主成分上。從樣本在圖中的分布可見12個蜂蜜樣品在氣味上差異明顯，結合前面?zhèn)鞲衅鞯捻憫闆r可知，其中R6地區(qū)的氣味最強，與其他樣品間距較大，能夠被很好的區(qū)分（圖2a）。將R6去掉后，其余11個地區(qū)的五倍子蜂蜜樣品氣味上的差異在PCA中表現的更為明顯，可以看出R4、R11，R3、R7、R8，R1、R5地區(qū)部分重疊，區(qū)分度較低，可能是以上地區(qū)五倍子蜂蜜風味較相似；R10、R12、R2、R9與其他地區(qū)互不重疊，能得到較好的區(qū)分（圖2b）。

圖2 不同地區(qū)五倍子蜂蜜樣品的PCA主成分分析及貢獻率表Fig.2 PCA principal component analysis and contribution rate table of Rhus chinensis honey samples from different regions

圖3 不同地區(qū)五倍子蜂蜜的LDA線性判別分析及貢獻率表Fig.3 LDA linear discriminant analysis and contribution rate table of Rhus chinensis honey in different regions

2.2.2.2 LDA線性判別分析

LDA線性判別分析中兩個主成分的貢獻率達到85.00%以上，這兩個主成分基本上代表了樣品的原始數據信息?？s小組內的差異后12個蜂蜜樣品之間的差異更為明顯，其中R6地區(qū)依然與其他樣品的差異明顯。將R6地區(qū)去掉后，11個不同地區(qū)五倍子蜂蜜樣品之間均得到了明顯的區(qū)分。說明不同地區(qū)的五倍子蜂蜜能被電子鼻區(qū)分開。

2.2.2.3 Loadings分析

Loadings與PCA分析法基于同一種算法，但不同的是，PCA分析法的研究對象為樣品，而Loadings分析法的研究對象為傳感器，通過分析可以考察在檢測過程中電子鼻主要通過哪類氣體（傳感器）來區(qū)分不同地區(qū)的五倍子蜂蜜樣品。從圖4可見，對第一主成分貢獻最大的為7號傳感器W1W（對無機硫類物質響應敏感），其次為2號傳感器W5S（對氮氧化合物敏感），9號傳感器W2W（芳香成分，對有機硫化物敏感）對第二主成分貢獻最大。將R6地區(qū)去掉后，第一主成分貢獻最大的同樣為7號傳感器W1W，而對第二主成分貢獻最大的為8號傳感器W2S（對醇醚醛酮類靈敏）。說明電子鼻可以根據不同地區(qū)五倍子蜂蜜不同的氣味特點將其區(qū)分，且可以看出不同地區(qū)的五倍子蜂蜜氣味上的差異主要集中在7、2、9、8這些傳感器對應的氣味成分上。

圖4 不同地區(qū)五倍子蜂蜜傳感器區(qū)分貢獻率分析圖Fig.4 Analysis of contribution rate of Rhus chinensis honey sensor in different regions

2.3 電子舌測試結果與分析

2.3.1 電子舌對不同地區(qū)五倍子蜂蜜的味覺響應值

從雷達圖（圖5a）可見，不同地區(qū)的五倍子蜂蜜在酸味、甜味、苦味上差異較大。通過味覺分析比較發(fā)現不同地區(qū)五倍子蜂蜜的酸味和甜味具有一定的規(guī)律性，比較可見酸味較大的樣品其甜味則較?。▓D5b），如其中R2、R4地區(qū)蜂蜜的酸味較強，甜味小，樣品R10、R11和R12三個地區(qū)蜂蜜的甜味值明顯但酸味則相對較小。R10、R11和R12三個地區(qū)的五倍子蜂蜜咸味、鮮味和豐富性較強，而R1～R9地區(qū)蜂蜜的咸味、鮮味和豐富性的數值非常接近，差值均在1個刻度以下（圖5c）。苦、澀味和苦味回味不是很大，苦味值在-1.00～1.00之間，澀味和澀味回味均在0.00～1.00之間，樣品間的差異在1個刻度以下，其中R3、R11和R10的蜂蜜苦味值最為突出，且R10的苦味和苦味回味均最大（圖5d）。說明不同地區(qū)的同種蜂蜜滋味會因產地環(huán)境條件的不同而存在差異。

圖5 五倍子蜂蜜雷達圖及味覺分析圖Fig.5 Radar and taste analysis of Rhus chinensis honey

2.3.2 PCA主成分分析法

從圖6可見，第一和第二主成分貢獻率之和達到99.35%，即這兩種主成分同樣能夠涵蓋五倍子蜂蜜樣品大部分的原始數據信息，其中第一主成分的貢獻率為97.84%，第二主成分的貢獻率為1.51%，兩種主成分可以反映出五倍子蜂蜜的整體滋味，且樣品之間的差異主要表現在第一主成分上。12個地區(qū)的五倍子蜂蜜在圖中均無交叉重疊，說明電子舌技術能夠通過滋味將不同地區(qū)的五倍子蜂蜜區(qū)分開。

圖6 五倍子蜂蜜味覺PCA主成分分析Fig.6 PCA analysis of Rhus chinensis honey taste

綜上，電子鼻和電子舌能通過氣味和滋味上的差異將不同地區(qū)的同種蜂蜜進行區(qū)分。蜂蜜成分復雜，隨著蜜源植物、產地、蜂蜜品種等的不同而有所差異[24]。同種蜜源蜂蜜由于產地不同，蜂蜜中黃酮類、酚酸類、礦物質等成分含量上的差異，會影響蜂蜜的色澤、滋味、氣味等[25]，如澳大利亞石楠蜜中黃酮含量為2.12 mg/100 g，而葡萄牙石楠蜜中則為60～500 μg/100 g[26]；不同采集地的同種蜂蜜，其酚酸含量亦不同，如Yao等[27]發(fā)現澳洲茶樹蜜（Leptospermum polygalifolium）中酚酸含量為5.14 mg/100 g，而新西蘭茶樹蜜（Leptospermum scoparium）中酚酸含量為14.0 mg/100 g；蜂蜜中的礦物質主要來源于花蜜，與蜜源植物生長的土壤和大氣具有很大的關系，孫艷等[28]通過ICP-MS對不同地區(qū)椴樹蜜中的礦物質元素進行檢測，發(fā)現不同地區(qū)椴樹蜜元素含量存在差異。R6地區(qū)顏色較深、花香味濃郁可能與蜂蜜中多酚類物質含量較高有關。目前主要通過高效液相色譜（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）、氣相色譜-質譜聯用儀（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GC-MS）、中紅外光譜（Mid Infrared，MIR）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry，ICP-AES）、火焰原子吸收光譜儀（Flameless Atomic Absorption Spectrometry，FAAS）等方法[29]尋找蜂蜜中黃酮類、酚酸類、糖類、微量元素等特征性標志物對蜂蜜種類及產地進行鑒別，相對于電子鼻和電子舌技術，上述方法復雜且成本較高，因此運用電子鼻和電子舌技術對蜂蜜品種進行鑒別、產地進行識別等具有一定的應用前景，我國陳芳等[30]、裴高璞等[31]、張艷平[32]、賈洪鋒等[33]已將電子鼻、電子舌技術應用于蜂蜜鑒別、摻假蜂蜜的識別等，根據電子鼻和電子舌對風味和滋味識別的特點，還可將其用于蜂蜜飲品等食品適配性的研究[34]，通過調整原料比例，改變食品風味，滿足不同人群的需求。

3 結論

國家標準中籠統(tǒng)的感官要求使得蜂蜜的感官評價難以有明確的標準，不同產地同蜜種蜂蜜之間的差別，無法通過感官指標將其精準區(qū)分。結合電子鼻和電子舌技術對不同地區(qū)的五倍子蜂蜜進行鑒別分析，結果表明電子鼻技術采用PCA分析時第一和第二主成分貢獻率之和達到99.00%以上，這兩種主成分涵蓋了五倍子蜂蜜的大部分原始數據信息，但R4、R11，R3、R7、R8，R1、R5地區(qū)蜂蜜氣味較相似，區(qū)分度較低；R10、R12、R2、R9地區(qū)與其他地區(qū)互不重疊，區(qū)分度較好；采用LDA分析時，第一和第二主成分貢獻率之和達到87.05%，除去R6地區(qū)，其余地區(qū)在圖中均無交叉重疊，能區(qū)分不同地區(qū)的五倍子蜂蜜；通過Loadings分析可以看出，對12個不同地區(qū)的五倍子蜂蜜響應值分析發(fā)現7號、2號、9號、8號傳感器等對第一主成分/第二主成分貢獻較大，說明不同地區(qū)的五倍子蜂蜜氣味上的差異主要是在無機硫類物質、氮氧化合物、有機硫化物、醇醚醛酮類等物質上。電子舌技術通過PCA分析時，第一和第二主成分貢獻率之和達到99.35%，且在PCA分析圖中均無交叉重疊，說明電子舌技術能將不同地區(qū)的五倍子蜂蜜區(qū)分開，且通過電子舌雷達圖離散程度可以看出，不同地區(qū)五倍子蜂蜜在酸味、甜味、苦味上的差異較大。

根據上述結果，說明電子鼻和電子舌技術能夠根據氣味及滋味上的差異，將不同地區(qū)的五倍子蜂蜜進行區(qū)分。相較于感官評價該方法更客觀，相較于HPLC、GC-MS等該方法更加快速、簡便，可用于蜂蜜的種類識別、蜂蜜產地溯源以及蜂蜜食品適配性研究等。