茶饮料中气味辨别检测方案(感官智能分析)

研究与探讨Science and Technology of Food Industry 食品工业科技Vol 29.Na 06， 2008研究与探讨 基于多频脉冲电子舌的茶饮料区分辨识 牛海霞 (浙江工商大学食品感官科学实验室，浙江省食品安全重点实验室，浙江杭州310035) 摘 要：多频脉冲电子舌是一种采用多频率大幅脉冲作为激发扫描信号，用几种不同的非修饰金属电极组成传感器列，检测被测物质的整体响应信号，辅以主成分分析数学方法的新型电子舌系统。实验中采用铂电极、金电电、钯电极、钛电极、钨电极作为传感器阵列，在1、10、100Hz三个频率段下进行检测，数据采用主成分分析的方法对六种不同的茶饮料进行区分辨识。结果显示，钛10Hz钨100Hz组合电极能够对六种茶饮料有较好的区分辨识效果。可见，多频脉冲电子舌在饮料的区分辨别真伪方面有很大的潜力。 关键词：多频脉冲电子舌，茶饮料，区分辨识 D isc rin ina ting of diffe rent kinds of tea beve rage bymultifre quency pulse elctronic tongue NIU Hai xa (Food Sensory Science Lab of Zhejiang Gongshang University，Food Safety Key Lab of Zhejiang Province， Hangzhou 310035，China) Abstract M ultifre quency pulse elec tronic tongue (MPET) is a novelelectronic tongue w ith pukse voltamm e try asthe scanning signaland the sensors array which is composed of unm od ified m e tal sens or， it can de te m ine theinteg ra l cha rac te ris tic resp onse s ig nal of the measured subs tance， the data is disposed by p rinc p al c omp onentsana lys is. In the pap er， seven tea be ve rage was d isc rin ina ted through a sens or a rray of p la tinum， gold， p a lla d ium，titanium and tungsten electrodes at d iffe rent frequency of 1， 10， 100Hz by p rinc pal c omp onents ana lys is..Theres u lts showed that com b in ing titanium 10Hz + tungsten 100Hz could success fu lly d is c rm ina te six tea beverage.Multifre quency pulse elec tronic tongue (MPET) disp lyed great applica tion potential in tea beverage qua lityexam ina tion and fake tea beverage p roduc ts d isc ri ina tion qua lity exam ina tion and fake tea beve rage p roduc tsd isc rm ina tion. Key wo rds： m u ltifrequency pulse elec tronic tongue； tea be ve rage； d isc rin ina tion 中图分类号：TS275.2 文献标识码：A 文章编号：1002-0306(2008)06-0124-03 味道是食品、饮料、酒类等重要的质量品质指标之一。传统上一般依赖感官品评专家来判断，但培养专职品评员费用高，时间长，且由于身体状况、味蕾疲倦等会使分辨能力降低而产生不同的结果，而电子舌能够模拟人类识别味道。电子舌是一种利用多传感阵列感测液体样品的特征响应信号，通过信号模式识别处理或专家系统学习识别，对样品进行定性或定量分析的一类新型分析测试设备。世界上现在研究的电子舌主要代表有以日本九州大学Toko教授课题组和俄罗斯圣彼得堡大学 Valsov教授课题组的电位型电子舌以瑞典的L inko- ping大学 W inquist教授课题组的伏安型电子舌以巴西Riul教授课题组的阻抗谱型电子舌4.5以 Cole教授课题组的声波型电子舌61以及近年来出现的新型电 ( 收稿日期：2007-10-23 ) ( 作者简介：牛海霞(1982-)，女，硕士研究生，研究方向：食品质量与 安全。 ) ( 基金项目：浙江省科技厅重点科研社会发展项目(2006C23082)。 ) 子舌，如王平教授课题组的光寻址型电子舌舌”和本实验室研究的多频脉冲电子舌。多频脉冲电子舌是以多频率大幅脉冲作为激发扫描信号，检测被测物质的整体响应信号，用几种不同的非修饰金属电极组成传感器阵列，辅以主成分分析数学方法的新型电子舌系统。多频大幅脉冲技术以常规大幅脉冲伏安法为基础，对其激发电势信号进行了扩充和改进，不但继承了伏安型电子舌系统结构简单、传感器制作简便、数据结果重现性好等特点，同时还大大扩充了检测信息量，为模式识别系统提供更多的有效数据信息。本实验应用多频脉冲电子舌技术对六种茶饮料进行了区分辨识，效果较好。 1 材料与方法 1.1 材料与设备 测试样品 市售的六种不同的茶饮料(康师傅绿茶、康师傅冰红茶、康师傅大麦香茶、康师傅茉莉清茶、王老吉、统一乌龙茶)，测试前均未做任何前处理；电极 采用标准的三电极系统，直径为中2mm 的铂电极、金电极、把电极、钛电极、钨电极作为工作电 极，1X5mm铂柱电极作为辅助电极，Ag/AgC1作为参比电极，电极均为天津艾达科技发展有限公司提供；KC1容液 3mol/L；蒸馏水 电导率大于18MQ。 实验所使用多频脉冲电子舌是由电极组阵列、多频脉冲扫描仪和电脑三部分组成的(图1所示)。由于目前商品电化学仪器都不能实现多频大幅脉冲激发信号，本研究采用的多频脉冲扫描仪是本实验室与浙江大学光电信息工程系王小平教授课题组联合开发。 图1 多频脉冲电子舌系统结构示意图 1.2 实验方法 六种茶饮料均在室温下检测，每一种饮料四瓶待测。每次取 50mL饮料检测一次，每瓶饮料检测三次，三次结果求平均即为该瓶饮料的测试结果。电极在使用前用无水乙醇采用超声波清洗器清洗5min，然后再用蒸馏水清洗5min，擦干待用，测试期间不再超声，采用脉冲伏安法清洗。 1.3 激发电位信号的特征 多频大幅脉冲伏安法是在常规大幅脉冲伏安法的基础上，增加了不同脉冲频率段上的阶段性变化，减短常规大幅脉冲伏安法的脉冲时间间隔。1、10、100Hz脉冲时间间隔的常规大幅脉冲电位信号前后组合在一起，作为多频大幅脉冲电位，前后激发的脉冲电位的电化学反应不会相互影响，前后脉冲电位电化学反应过程的交互感应，使得传感器采集的电流信息中比大幅脉冲伏安法包含更多的有关于溶液组分电化学性质的信息。 1.4 样品响应特征值提取 由于仪器的采集速率为每为0.001s采一个点，这样整个传感器采集的数据量比较大，对于一般的模式识别数据处理比较困难，因此在对原始数据进行主成分分析以前，必须先对数据进行特征值提取。根据大幅脉冲伏安法的原理，对每个响应电流脉冲信号提取其最大、最小和两个拐点共四个点(见图2)。这样大大减小了数据处理量，加快了数据处理的速度。 图2特征值提取方式(以常规大幅脉冲为例) 1.5 数据处理方法 采用SPSS11.0版进行主成分分析。主成分分析是模式识别中最基本的多元统计分析方法，在保留原始变量主要信息的前提下起到降维与简化问题的作用，使得在研究复杂问题时更容易抓住主要矛盾。主成分分析结果一般以得分图和载荷因子图表示。主成分得分图以散点图为基础，每个点代表一个样品，点之间的距离代表样品之间特征差异的大小。载荷因子图常用于显示样品变量对样品差异程度的贡献大小。 2 结果与讨论 实验中采用不同的裸露金属电极做为传感器阵列，这些金属电极可以获取六种不同的茶饮料的味觉信号，并将这些味觉信号转换成电信号，通过主成分分析进行数据处理，得到区分辨识得分图。 为了得到比较好的区分效果，首先用主成分分析的数据处理方法对单电极不同工作频率段的数据进行处理，确定不同工作电极在茶饮料区分辨识上最适合的频率段，由于不同的金属电极性质不同，对茶饮料的区分辨识能力也有所不同。 在本实验中，首先对各个工作电极三个频率段的采集数据单独进行处理，结果显示钛10Hz和钨100Hz段对六种茶饮料的区分效果较好，如图3所示，由于图较多，在本文中仅将区分效果不好的图以钯100Hz作为代表进行比较。从图中可以看出钯100Hz中，大麦香茶、乌龙茶和老老吉三种茶混合在一起，未能被明确的区分开，可见钯100Hz对于区分这七种茶效果不好，不能区分开，而钛10Hz和100Hz段的区分效果要比钯100Hz段好，各种茶的离散度也较小。利用钛10Hz和钨100Hz段能够较好地将这六种茶饮料区分辨识出来。 图3 A为钛 10Hz，B为钨100Hz，C为为100Hz，D为钛10Hz钨100Hz的区分辨识图 为了得到更好的区分效果，将单独的工作电极不同频率结合起来以达到更好的区分辨识效果，本实验中即将钛10Hz和钨100Hz频率段的数据进行叠加，作为电子舌传感器阵列采集数据，再采用主成分分析的方法进行处理，从而得到混合电极对六种茶饮料的区分辨识图，如图3，钛10Hz钨100Hz区分效果最好。 在主成分得分图上，虽然无法确定哪个品牌的样品质量更加优秀，但是可以显示不同茶饮料具有 ( (下转第128页) ) 图4水解度对 AOV的影响 取酶解液的抗氧化特性进行研究，得出以下结论： 3.1 以水解度为响应值，设计了响应面实验，最佳实验条件为：酶的添加量 5uL/g(鸡肉)、反应时间 5h、反应温度47.3℃、pH8.5、液固比5，此时水解度为25.53%，并验证了此结论，且在响应面所探讨的四个因素中，各因素对提高水解度的重要性依次为酶的添加量③温度③酶解时间③液固比。 3.2 水解度较高时，鸡肉酶解肽的含量及肽的抗氧化活性也较高，但并非无限度，碱性蛋白酶酶解液水解度在24.39%时抗氧化活性最好；大于 24.39%时肽含量和肽的抗氧化活性反而下降。在实验的范围内，碱性蛋白酶所得肽的 AOV值最大可达0.74mg/mL，·OH清除率最高可达88.37%，这表明了酶解鸡肉活性肽具有较高的抗氧化活性。 ( 参考文献： ) ( [1]平凡.我国禽肉出口存在的问题与对策[J].食品信息指 导，2004(1)：25~27. [2]Nawar W W.Lipids on fo o d ch e m istry [M]. Dekker. New York， 1996.319. ) (上接第125页) 不同的品质特征。同一种茶饮料在主成分得分图上由四个点组成，每一种饮料的四个点离散度较小，而且不同饮料之间没有互相干扰，不同的饮料有一定的差异，说明电子舌对这六种饮料的区分效果较好。多频脉冲电子舌在饮料品种的区分辨识上有一定的应用潜力，在饮料的真假辨识、在线质量控制方面有很大发展。 3 总结 饮料工业所涉及的品质控制、成分分析往往属于非线性和非稳态系统，而电子舌技术中的模式识别技术正适合于处理这种非线性和非稳态系统。将电子舌技术应用到饮料工业中，可以促进饮料工业的发展，但目前这方面的研究还处于初步阶段。因此，电子舌这种新型的味觉检测技术在饮料工业中有着广阔的应用前景。 ( 参考文献： ) ( [ 1 ]T o ko K. Ta s te sensor[J]. Se n sors and Actuators， 2000，64：205~215. ) ( [ 2 ] V lasov Y ， l egin A. C ross-sensitivity e valuation of chem icalsensors f or electronic t ongue： d e temm ination o f heavy metal iro n s ) ( [3]Akoh C C，M in D B . Food lip i ds： C h emistry，Nutrition a n dBiotecno logy[M].Dekke： New Y ork，2002. ) ( [4] Halliwel l B ， Gutterid g e JM C. R ole o f t he radical andcatalytic metal ions in human desease： an overview [J].Methonds Enzymol，1990， 1 86B， 1~85. ) ( [5 ] Yu L ， H aley S ， P e rret J ， W ilson J， Qian M . 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All rights reserved. http：//www.cnki.net 多频脉冲电子舌是一种采用多频率大幅脉冲作为激发扫描信号,用几种不同的非修饰金属电极组成传感器阵列,检测被测物质的整体响应信号,辅以主成分分析数学方法的新型电子舌系统。实验中采用铂电极、金电极、钯电极、钛电极、钨电极作为传感器阵列,在1、10、100Hz三个频率段下进行检测,数据采用主成分分析的方法对六种不同的茶饮料进行区分辨识。结果显示,钛10Hz钨100Hz组合电极能够对六种茶饮料有较好的区分辨识效果。可见,多频脉冲电子舌在饮料的区分、辨别真伪方面有很大的潜力。