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电子舌技术在食品行业中的应用及研究进展


肉类食品网 http://www.meat360.cn 2021/3/31 8:40:31 关注:2142 评论: 我要投稿

  味道是检测食物安全和质量的重要特征之一,味觉系统是天然生化感受系统中重要组成成部分之一,也是生物体适应环境和生存发展的重要生化物质基础,可以实现在短时间内精确检测和识别成千上百的不同呈味物质。科学工作者们利用天然化学感受器的原理结合现代技术研发出一类仿生味觉传感系统,可以对呈味物质进行人工智能检测和识别。
  电子舌是一种以低选择性、非特异性、交互敏感的多传感阵列为基础的新型的分析检测仪器,它可以模拟人体的舌器官,灵敏的将感官很难区分的样品进行鉴别,是判定滋味的客观方法,被广泛应用于食品行业的各个领域,如茶叶、酒类区分,肉制品鉴定,奶制品和调味品的工艺考察等。
  电子舌传感技术的基本原理及组成
  味觉的产生过程是呈味物质刺激了口腔内的味觉化学感受系统,作用于相应的受体将化学信号转变为电信号,然后通过神经感觉系统传至大脑,最后通过大脑的综合神经中枢系统的分析,从而产生味觉。
  舌面的不同部位对这不同味觉刺激的感受性是不同的,因此产生的信号强度和类型也不一样,从而使我们能分辨出不同的味道。电子舌技术即是模仿人类味觉系统来设计的获取样品的响应信息,结合计算机统计学分析方法,对其进行模式识别和定性定量分析,客观反映出样品的整体性质。
  电子舌感官系统主要是由样品预处理器、味觉传感器阵列、信号处理及模式识别系统三部分组成。样品预处理器相当于人体的味觉感受器,将液体样品的抽象特征转化为形象的电子信号,味觉传感器阵列相当于大脑中神经感觉系统,灵敏的捕捉到处理器发出的信号并将其传递到信号处理系统,信号处理及模式识别系统相当于大脑中的中枢神经系统,可以对信号进行最终的算法处理并进行响应模式分类(见图1)。

  食物中的呈味物质种类多且含量差距很大,这就要求电子舌的传感器阵列灵敏度要足够大,对不同种类和含量的物质均能做出响应,因此高灵敏度、非特异性、广谱响应的多传感器阵列是电子舌的核心硬件部分。
  电子舌技术已经被应用到各个领域,同时在对不同领域的不同样品进行检测时,对味觉传感器阵列的要求会有所不同。目前在应用的传感器种类很多,根据其工作原理不同可分为电位型、伏安型、阻抗谱型、光寻址型、物理型以及生物传感器等种类。我们查阅资料发现在食品研究中应用最多的传感器阵列主要是电位型、伏安型与阻抗谱型,三种类型传感器的特征见表1。

  统计分析方法
  信号处理系统是电子舌技术的最后一个步骤,将味觉传感器传递的信号进行统计学处理并完成模式识别,最终以图表数据的形式展示出来。电子舌可以对样品的整体特征进行形象的描述,完成区分鉴别的同时做到定性定量分析。
  目前常用的统计学分析方法主要包括主成分分析、典型相关分析、单因素方差分析、偏最小二乘回归分析、判别函数分析、聚类分析、Fisher判别、人工神经网络分析等。
  电子舌在食品行业中的应用
  目前,电子舌技术在食品领域的应用研究己非常广泛,主要应用于酒类及饮料、果蔬、肉类产品、乳制品、调味品、油脂等的食品溯源、新鲜度、品质分级和质量安全监控等方面。
  酒类及饮料
  酒和饮料是人们聚会餐桌上常见的消费品,此类液体味道本就厚重,仅仅靠人为是不能辨别其中的细微差别,因此市面上这类商品以次充好、以假充真的现象常常存在。利用电子舌技术能很好的识别和区分不同品质的酒水饮料,对市场监管存在重要意义。
  有案例表明在研究市售啤酒的滋味品质时,采用电子舌传感技术对其进行综合评价分析,分析数据通过聚类图进行展示,结果发现15个不同品牌和类型的啤酒样品聚为5类,主成分分析结果表面评价不同啤酒样品的 8种滋味指标聚类效果良好,表明电子舌能对不同品牌的啤酒进行准确区分。
  利用电子舌对不同品牌的18种绿茶样品进行了分析测定,结果数据客观的反应了各样品的整体信息,且聚类分析和主成分分析结果一致,18种样品大致分为4类,其中各样品的酸味、涩味、鲜味3个味觉的差异性最大,提示这三种滋味是区分不同绿茶饮料的特征指标。电子舌还被应用于不同葡萄酒、啤酒及不同香型的白酒区分中,均能在准确的完成判别。
  果 蔬
  利用电子舌智能感官技术对6个品种的芦笋的主成分和味觉进行了检测分析,结果发现不同品种的芦笋的酸味值,咸味值,鲜味,甜味和苦味均存在不同程度的差异。
  在2018年的一项研究中 发现电子舌技术可以对不同产地、不同干燥方式的黑果枸杞进行检测区分,提示智能感官评价系统将作为一种新趋势应用于食品行业。
  还有一项研究为了科学、客观的评价不同采收期的紫菜在滋味方面的差异,采用电子舌技术分析了四种紫菜的滋味组成。结果表明,紫菜滋味主要由鲜味、鲜味回味、咸味和苦味组成。四种紫菜的鲜味强度及苦味物质含量均不相同。早期采收的紫菜鲜味及咸味值高于后期采收。提示不同采收期紫菜的呈味物质含量及其对滋味的贡献程度差异较大。
  电子舌技术还被应用于不同产地的怀枝荔枝及不同成熟度的草莓等果蔬的区分。
  肉类产品
  一项研究采用电子舌对牛肉炖煮后的滋味物质进行定性定量的分析,结果发现,不同部位的牛肉(上脑、辣椒条、牛脯、牛臀和臆子肉)的滋味存在明显差异,为炖煮牛肉风味数据库的建立提供了基础和理论参考。
  另外通过比较不同养殖密度的斑节对虾的风味差异,探究养殖密度对斑节对虾肌肉品质的影响,电子舌的分析数据结果表明,随着养殖密度的增大,虾肉的水分和灰分含量逐渐升高,而粗蛋白和总糖含量则逐渐降低,滋味上的差异主要表现在鲜味上,从经济角度和肌肉品质综合分析判断,200尾/m2是实际生产中可以推荐的适宜养殖密度。
  还有研究利用电子舌技术研究KCl部分替代NaCl是否对卤鸭品质存在影响,结果发现当35%KC1替代时,卤鸭的感官评价、水分含量 、蛋白质含量以及脂肪含量没有显著变化;但是当替代比例达35%及以上时,卤鸭的水分活度发生了显著变化,最终将最优卤鸭配方定为100 g卤鸭原料,NaCl:KC1=65:35。
  电子舌技术还能够快速区分各种肉类晶种及产品品质,并可实现对肉质变化的分析,它将是肉类产品质量评价的重要手段。
  乳制品
  电子舌的高速、高灵敏度使之在乳制品加工业也得到广泛应用,主要用于不同品牌乳制品的识别、品质的检测、掺假的判断等。经过高温处理后,牛奶的风味发生很大变化,并且随着高温处理的时间和程度不同,这种变化呈现出一定的规律性,仅仅靠天然生物味觉系统可能很难对风味变化进行分析和识别,利用电子舌从样品的响应信号得到“指纹识别数据”,为客观评价提供理论依据,灵敏的将不同温度和时间处理的牛奶识别开来,并且能对其他牛奶样品的加热程度进行粗略预测。
  调味品
  有研究采用多频脉冲电子舌技术结合主成分分析(PCA)和判别因子分析(DFA)的统计分析方法对不同品牌的蚝油进行检测辨识,结果表明多频脉冲电子舌技术可以对8种样品进行良好的聚类,实现辨别不同品牌蚝油,具有实际应用价值。
  利用电子舌对8个品牌的鱼香调味汁进行检测分析,结合理化指标和感官评价,探究鱼香调味汁在加热前后的滋味变化 ,结果发现在加热前,8个品牌的鱼香调味汁按地域聚类,加热后,除个别样品外,依然按地域聚类,但样品之间的差异缩小,相似性增加,表面高温加热会减少各样品之间的差异滋味物质。
  在最近的一项研究中,电子舌被应用到评价酱油风味中,结果发现8个不同风味的酱油可分为3种风味,同时每组样品均不出现交叉重合,表明电子舌的区分效果很好。
  油 脂
  油脂是人体重要的供能物质,可以作为维持生命活动的备用能源物质在机体内进行储存。法国 Alpha Astree电子舌系统可区分出玉米油、葵花籽油、橄榄油和棕榈油以及按不同比例的混合油。
  以铂微电极为工作电极的二电极电子舌系统可直接检测植物油样品,成功区分不同地理来源、不同品质的玉米油和初榨橄榄油Velo等评价了电子舌既是对不同橄榄油正确识别的能力,以交叉敏感和非特异性脂质聚合物膜作为传感器,用盐酸奎宁标准溶液对传感器装置进行了严格的测试,建立了线性判别模型,发现91%的橄榄油能够根据其响应强度正确分类,表明电子舌可以作味觉传感器,区分具有不同橄榄油,可作为生物感官分析区分橄榄油的替代和补充,具有实用价值。
  还有研究采用电势型电子舌采集了20种不同品种、不同原料产地食用植物油的响应数据,接着利用主成分和判别因子分析对数据进行统计分析,结果发现20种样品可以实现很好的分类,表明电子舌作为一种新型的现代检测技术在油脂品质检测与分析中具有巨大的应用潜力。
  电子舌技术的应用展望
  随着人们物质水平的不断提高,对食品安全与质量越来越来关注,高效、高灵敏度的检测仪器在食品行业需求也会逐渐加大。传统方式采用高效液相、质谱和气相等检测仪器进行分析,需要对样品进行复杂的前处理,耗时耗力。
  相比之下,电子舌可以很好的避免这些困难,且检测灵敏度高、速度快,另外,与其他仿生传感器相比,电子舌可以检测食品中的所有物质信息,包括挥发性和不挥发性物质。总而言之,电子舌可以获得完整的样品信息,得到更加精确的分析结果。
  电子舌系统不需要对样品进行复杂的前处理,能对不同种类的食品进行检测,同时能避免人为判定误差,重复性好,可以实现简单、快速无损地在线检测未知液体样品的整体特征,短时间内将样品精确的区分。
  另外,随着现代技术的发展,电子舌人工智能检测系统将与生物芯片、纳米材料等相结合,在食品行业的众多领域发挥着越来越重要的作用。

文章来源:食品研发与生产     文章编辑:一米优讯     
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