电子鼻和电子舌技术在五倍子蜂蜜风味识别中的应用

邓梦青，袁扬，赵恬，王胤晨，张定红，张锦华

（贵州省畜牧兽医研究所，贵州贵阳 550005）

五倍子树，又称盐肤木（Rhus chinensisMill.），漆树科植物，是重要的蜜源植物。在我国，该树产量占世界产量的90%以上，产地主要集中在贵州、四川、湖北等省份[1-4]，开花时间为八月至九月份。蜜蜂采集五倍子花蜜，酿造出的五倍子蜂蜜为独具特色的中草药蜜，然而蜂蜜的品质与蜜源植物、产地环境、气候等密切相关，不同产地的蜂蜜在品质和风味上存在一定差异。目前国内暂无对五倍子蜂蜜气味和滋味的鉴别研究[5]，行业内多以看颜色、闻气味等较为主观的感官评价方法来鉴别蜂蜜种类、判别真假等，有失客观性、准确性和重复性。电子鼻技术是一种根据仿生学原理模拟人类嗅觉系统的人工智能电子仪器[6,7]，能够识别简单与复杂的气味，检测样本整体信息后通过主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、线性判别分析（Linear Discriminant Analysis，LDA）、传感器区分贡献率（Loadings）分析对数据进行解析，能通过挥发性气味识别不同物质。近年来电子鼻技术主要应用于酒类、制药、食品等领域[8-10]，并在风味分析[11,12]、掺假检测[13,14]、种类鉴别[15,16]等方面取得了一定进展。

电子鼻的应用能够克服人为主观评价、重复性差等问题。电子舌技术，是一种能够快速检测液体样本信息的仪器[17,18]，能够模拟人的味觉感受系统，当样本与人工脂膜传感器相互作用时发生的膜电势变化，可以反映样本的滋味特点，实现对不同蜂蜜之间味道的识别[19,20]。滋味在食品开发中具有重要作用，就食品的接受度和依从性而言，口味是决定市场成功与否的主要因素之一[21]，通过味觉分析装置能够准确识别食品滋味，为筛选或开发出更易于接受的食品节约成本。

因此，本文从五倍子蜂蜜的气味、滋味方面进行检测分析，运用电子鼻、电子舌技术对12个不同地区的五倍子蜂蜜气味进行识别，以期建立快速、可靠的方法来鉴别不同地区五倍子蜂蜜，为蜂蜜的种类鉴别及蜂蜜产地溯源提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料与设备

1.1.1 材料

五倍子蜂蜜收集于贵州省12个不同地区的蜂场，各个蜂场以五倍子为主要蜜源且无其他大量蜜源植物开花的天然山林；所有样品均来自一线蜂农，为自然成熟的封盖蜜。样品采集后立即保存于4 ℃冰箱，直至检测。具体信息见表1。

表1 五倍子蜂蜜样品信息Table 1 Information of Rhus chinensis honey sample

1.1.2 主要设备

德国AIRSENSE公司的电子鼻系统（PEN3），传感器组成见表2；日本INSENT公司的味觉分析系统（TS-5000Z），该系统能采集到的味道见表3。

表2 电子鼻传感器Table 2 Electronic nose sensor

表3 电子舌传感器Table 3 Electronic tongue sensor

1.2 方法

1.2.1 感官评价

参照食品安全国家标准《蜂蜜》（GB 14963-2011）[22]和《进出口蜂蜜检验规程》（SN/T 0852-2012）[23]中的方法对蜂蜜样品进行感官评价。

1.2.2 电子鼻技术

分别称取2 g蜂蜜至100 mL烧杯中，用双层保鲜膜将其密封后于室温下静置30 min，再将电子鼻进样针头插入样品中进行测定。电子鼻检测参数设置：采集蜂蜜样品的时间为1 s/组；味觉传感器自清洗时间为80 s，归零时间为5 s；蜂蜜样品准备时间为5 s；进样流量为400 mL/min；分析时间为80 s。每个蜂蜜样品重复测定3次。

1.2.3 电子舌技术

准确称取15 g蜂蜜置于300 mL烧杯中，加入85 g温度为40 ℃的纯水。使用磁力搅拌器搅拌10 min冷却至室温。加入50 g的基准液（使最终稀释后得到的样品溶液中，蜂蜜经10倍稀释，基准液占比为1/3），用玻璃棒充分搅拌，混合均匀后的溶液，即为待测样品溶液。Vr表示基准电势，测量的是参比溶液，Vs表示蜂蜜样品电势，Vr'表示用参比溶液清洗蜂蜜样品残留后的电势，Vs-Vr值可用于检测酸、甜、苦、鲜、咸味；Vr'-Vr值可用于检测苦、涩、鲜味的回味。每个蜂蜜样品进行3次重复。

1.2.4 数据分析

电子鼻原始数据用其系统自带的软件Winmuster（Version 1.6.2）进行PCA、LDA、Loadings分析；电子舌原始数据用其系统自带的软件Taste sensing system TS-5000Z analysis Application（Version 1.7.0）进行PCA分析、Excel进行雷达图分析。

2 结果与讨论

2.1 感官评价结果与分析

不同地区五倍子蜂蜜色泽上除R6为深色、R10颜色为浅琥珀色外，均为琥珀色；滋味上除R2、R4地区五倍子蜂蜜酸味较重，R10、R11地区五倍子蜂蜜无酸味外，普遍入口微酸、回味甘甜圆润；气味上均有五倍子特有的芳香味，R6地区蜂蜜明显比其他地区花香味浓郁，R1、R5、R9地区蜂蜜花香味较浓，而R10地区香气较淡；常温时均为粘稠流体状，低温下易结晶，呈细腻的沙粒状。正常视力下均无可见幼虫、蜡屑等其他杂质（表4）。从色泽、滋味、气味、状态等感官评价中，能大致对五倍子蜂蜜进行区分，但对样品间的差异大小并未十分清晰，无法精准比较和分类。利用现代电子仪器设备对蜂蜜滋味和气味进行数字化、可视化对于蜂蜜品种的鉴定区分、溯源等具有重要作用。

表4 不同地区五倍子蜂蜜样品感官评价结果Table 4 Sensory evaluation results of Rhus chinensis honey samples from different regions

2.2 电子鼻测试结果与分析

2.2.1 电子鼻对不同地区五倍子蜂蜜的信号响应

12个地区五倍子蜂蜜在电子鼻系统中的响应结果如图1所示。从原始信号可以看出电子鼻对不同地区的五倍子蜂蜜有明显的应答。前10 s时响应值较高是因为蜂蜜在密封过程中形成了较高的顶空浓度，达到峰值后，逐渐趋于平稳。从图中可以看出，R6地区五倍子蜂蜜气味最浓郁，前10 s时G/G0（G0/G）值最高接近300.00；R9、R1、R5、R3地区五倍子蜂蜜气味较浓，响应值在30.00～70.00之间；R4、R11、R10地区的蜂蜜气味较弱，响应值在10.00以内。在70s左右响应值趋于稳定时，除R6响应值最高接近40.00外，其余地区均低于10.00，不同地区的同种蜂蜜在气味表现上具有一定的差异。

图1 电子鼻对12个地区五倍子蜂蜜的信号响应情况Fig.1 Signal response of electronic nose to Rhus chinensis honey from 12 regions

2.2.2 不同地区五倍子蜂蜜气味上的差异比较

由于不同地区的五倍子蜂蜜风味不一致，为更好的分析其中的差异，采集70 s～72 s的特征响应值，对样品进行PCA、LDA、Loadings分析。

2.2.2.1 PCA主成分分析

从图2可以看出，第一和第二主成分贡献率之和达到99.00%以上，说明这两种主成分能够涵盖五倍子蜂蜜样品大部分的原始数据信息。第一主成分和第二主成分贡献率分别为99.20%、0.70%，去掉R6地区后分别为98.32%、1.29%。可见，不同地区五倍子蜂蜜样品之间的差异主要表现在第一主成分上。从样本在图中的分布可见12个蜂蜜样品在气味上差异明显，结合前面传感器的响应情况可知，其中R6地区的气味最强，与其他样品间距较大，能够被很好的区分（图2a）。将R6去掉后，其余11个地区的五倍子蜂蜜样品气味上的差异在PCA中表现的更为明显，可以看出R4、R11，R3、R7、R8，R1、R5地区部分重叠，区分度较低，可能是以上地区五倍子蜂蜜风味较相似；R10、R12、R2、R9与其他地区互不重叠，能得到较好的区分（图2b）。

图2 不同地区五倍子蜂蜜样品的PCA主成分分析及贡献率表Fig.2 PCA principal component analysis and contribution rate table of Rhus chinensis honey samples from different regions

图3 不同地区五倍子蜂蜜的LDA线性判别分析及贡献率表Fig.3 LDA linear discriminant analysis and contribution rate table of Rhus chinensis honey in different regions

2.2.2.2 LDA线性判别分析

LDA线性判别分析中两个主成分的贡献率达到85.00%以上，这两个主成分基本上代表了样品的原始数据信息。缩小组内的差异后12个蜂蜜样品之间的差异更为明显，其中R6地区依然与其他样品的差异明显。将R6地区去掉后，11个不同地区五倍子蜂蜜样品之间均得到了明显的区分。说明不同地区的五倍子蜂蜜能被电子鼻区分开。

2.2.2.3 Loadings分析

Loadings与PCA分析法基于同一种算法，但不同的是，PCA分析法的研究对象为样品，而Loadings分析法的研究对象为传感器，通过分析可以考察在检测过程中电子鼻主要通过哪类气体（传感器）来区分不同地区的五倍子蜂蜜样品。从图4可见，对第一主成分贡献最大的为7号传感器W1W（对无机硫类物质响应敏感），其次为2号传感器W5S（对氮氧化合物敏感），9号传感器W2W（芳香成分，对有机硫化物敏感）对第二主成分贡献最大。将R6地区去掉后，第一主成分贡献最大的同样为7号传感器W1W，而对第二主成分贡献最大的为8号传感器W2S（对醇醚醛酮类灵敏）。说明电子鼻可以根据不同地区五倍子蜂蜜不同的气味特点将其区分，且可以看出不同地区的五倍子蜂蜜气味上的差异主要集中在7、2、9、8这些传感器对应的气味成分上。

图4 不同地区五倍子蜂蜜传感器区分贡献率分析图Fig.4 Analysis of contribution rate of Rhus chinensis honey sensor in different regions

2.3 电子舌测试结果与分析

2.3.1 电子舌对不同地区五倍子蜂蜜的味觉响应值

从雷达图（图5a）可见，不同地区的五倍子蜂蜜在酸味、甜味、苦味上差异较大。通过味觉分析比较发现不同地区五倍子蜂蜜的酸味和甜味具有一定的规律性，比较可见酸味较大的样品其甜味则较小（图5b），如其中R2、R4地区蜂蜜的酸味较强，甜味小，样品R10、R11和R12三个地区蜂蜜的甜味值明显但酸味则相对较小。R10、R11和R12三个地区的五倍子蜂蜜咸味、鲜味和丰富性较强，而R1～R9地区蜂蜜的咸味、鲜味和丰富性的数值非常接近，差值均在1个刻度以下（图5c）。苦、涩味和苦味回味不是很大，苦味值在-1.00～1.00之间，涩味和涩味回味均在0.00～1.00之间，样品间的差异在1个刻度以下，其中R3、R11和R10的蜂蜜苦味值最为突出，且R10的苦味和苦味回味均最大（图5d）。说明不同地区的同种蜂蜜滋味会因产地环境条件的不同而存在差异。

图5 五倍子蜂蜜雷达图及味觉分析图Fig.5 Radar and taste analysis of Rhus chinensis honey

2.3.2 PCA主成分分析法

从图6可见，第一和第二主成分贡献率之和达到99.35%，即这两种主成分同样能够涵盖五倍子蜂蜜样品大部分的原始数据信息，其中第一主成分的贡献率为97.84%，第二主成分的贡献率为1.51%，两种主成分可以反映出五倍子蜂蜜的整体滋味，且样品之间的差异主要表现在第一主成分上。12个地区的五倍子蜂蜜在图中均无交叉重叠，说明电子舌技术能够通过滋味将不同地区的五倍子蜂蜜区分开。

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

综上，电子鼻和电子舌能通过气味和滋味上的差异将不同地区的同种蜂蜜进行区分。蜂蜜成分复杂，随着蜜源植物、产地、蜂蜜品种等的不同而有所差异[24]。同种蜜源蜂蜜由于产地不同，蜂蜜中黄酮类、酚酸类、矿物质等成分含量上的差异，会影响蜂蜜的色泽、滋味、气味等[25]，如澳大利亚石楠蜜中黄酮含量为2.12 mg/100 g，而葡萄牙石楠蜜中则为60～500 μg/100 g[26]；不同采集地的同种蜂蜜，其酚酸含量亦不同，如Yao等[27]发现澳洲茶树蜜（Leptospermum polygalifolium）中酚酸含量为5.14 mg/100 g，而新西兰茶树蜜（Leptospermum scoparium）中酚酸含量为14.0 mg/100 g；蜂蜜中的矿物质主要来源于花蜜，与蜜源植物生长的土壤和大气具有很大的关系，孙艳等[28]通过ICP-MS对不同地区椴树蜜中的矿物质元素进行检测，发现不同地区椴树蜜元素含量存在差异。R6地区颜色较深、花香味浓郁可能与蜂蜜中多酚类物质含量较高有关。目前主要通过高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）、气相色谱-质谱联用仪（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GC-MS）、中红外光谱（Mid Infrared，MIR）、电感耦合等离子体发射光谱仪（Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry，ICP-AES）、火焰原子吸收光谱仪（Flameless Atomic Absorption Spectrometry，FAAS）等方法[29]寻找蜂蜜中黄酮类、酚酸类、糖类、微量元素等特征性标志物对蜂蜜种类及产地进行鉴别，相对于电子鼻和电子舌技术，上述方法复杂且成本较高，因此运用电子鼻和电子舌技术对蜂蜜品种进行鉴别、产地进行识别等具有一定的应用前景，我国陈芳等[30]、裴高璞等[31]、张艳平[32]、贾洪锋等[33]已将电子鼻、电子舌技术应用于蜂蜜鉴别、掺假蜂蜜的识别等，根据电子鼻和电子舌对风味和滋味识别的特点，还可将其用于蜂蜜饮品等食品适配性的研究[34]，通过调整原料比例，改变食品风味，满足不同人群的需求。

3 结论

国家标准中笼统的感官要求使得蜂蜜的感官评价难以有明确的标准，不同产地同蜜种蜂蜜之间的差别，无法通过感官指标将其精准区分。结合电子鼻和电子舌技术对不同地区的五倍子蜂蜜进行鉴别分析，结果表明电子鼻技术采用PCA分析时第一和第二主成分贡献率之和达到99.00%以上，这两种主成分涵盖了五倍子蜂蜜的大部分原始数据信息，但R4、R11，R3、R7、R8，R1、R5地区蜂蜜气味较相似，区分度较低；R10、R12、R2、R9地区与其他地区互不重叠，区分度较好；采用LDA分析时，第一和第二主成分贡献率之和达到87.05%，除去R6地区，其余地区在图中均无交叉重叠，能区分不同地区的五倍子蜂蜜；通过Loadings分析可以看出，对12个不同地区的五倍子蜂蜜响应值分析发现7号、2号、9号、8号传感器等对第一主成分/第二主成分贡献较大，说明不同地区的五倍子蜂蜜气味上的差异主要是在无机硫类物质、氮氧化合物、有机硫化物、醇醚醛酮类等物质上。电子舌技术通过PCA分析时，第一和第二主成分贡献率之和达到99.35%，且在PCA分析图中均无交叉重叠，说明电子舌技术能将不同地区的五倍子蜂蜜区分开，且通过电子舌雷达图离散程度可以看出，不同地区五倍子蜂蜜在酸味、甜味、苦味上的差异较大。

根据上述结果，说明电子鼻和电子舌技术能够根据气味及滋味上的差异，将不同地区的五倍子蜂蜜进行区分。相较于感官评价该方法更客观，相较于HPLC、GC-MS等该方法更加快速、简便，可用于蜂蜜的种类识别、蜂蜜产地溯源以及蜂蜜食品适配性研究等。