曾欣怡，陳爾豹，張 雨，宋煥祿?，趙抒娜，王 寶

（1. 北京工商大學(xué) 食品與健康學(xué)院，北京 100048；2. 中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院有限公司，北京 102209）

紅糖是甘蔗工業(yè)中有價(jià)值的營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)品。它是通過(guò)將甘蔗汁脫水而不需離心生產(chǎn)的，在世界各地有許多不同的名稱(chēng)，例如日本的kokuto、南美的panela以及南亞和非洲的棕櫚糖。這種甘蔗紅糖也稱(chēng)為非離心糖，具有多種生物學(xué)功能，對(duì)人體健康具有有益的作用，包括抗齲[1]、抗毒[2]、細(xì)胞保護(hù)、抗癌和抗氧化作用。紅糖含有生物活性化合物，包括具有抗動(dòng)脈粥樣硬化活性的酚類(lèi)和聚二十二烷醇。愈來(lái)愈多的消費(fèi)者選擇購(gòu)買(mǎi)及使用紅糖。

紅糖是具有獨(dú)特棕色的蔗糖產(chǎn)品，由于存在糖蜜而具有獨(dú)特的棕色。紅糖不但具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，還具有獨(dú)特的顏色風(fēng)味。不同產(chǎn)地的紅糖具有不同的品質(zhì)，產(chǎn)地及榨季也對(duì)紅糖品質(zhì)以及風(fēng)味產(chǎn)生有決定性的影響作用。色澤及香氣是決定消費(fèi)者接受紅糖品質(zhì)中非常重要的屬性。因此，對(duì)紅糖的色澤及揮發(fā)性香氣品質(zhì)的進(jìn)一步研究變得尤為重要。評(píng)判風(fēng)味物質(zhì)感官品質(zhì)的主要研究對(duì)象包括其香氣和色澤，色差計(jì)和電子鼻分別作為識(shí)別風(fēng)味物質(zhì)色澤與香氣的儀器，可以對(duì)多種物質(zhì)的色澤及揮發(fā)性香氣進(jìn)行快速簡(jiǎn)單的測(cè)定，從而對(duì)風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行更為客觀準(zhǔn)確的分析與評(píng)定。因此，本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)測(cè)定紅糖固體及其溶解后液體的色差[3]以及紅糖固體揮發(fā)性特征氣味成分，分析不同產(chǎn)地及榨季紅糖的風(fēng)味品質(zhì)差異。此外，本實(shí)驗(yàn)還將通過(guò)色差及電子鼻測(cè)定探討色差計(jì)及電子鼻作為研究紅糖風(fēng)味品質(zhì)技術(shù)手段的可行性。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

不同產(chǎn)地及榨季的紅糖樣品并編號(hào)；去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

SC-80C全自動(dòng)色差計(jì)：北京京儀康光光學(xué)儀器有限公司；PEN3便攜式電子鼻：德國(guó)AIRSENSE公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 色差測(cè)定

利用 SC-80C色差計(jì)測(cè)定不同產(chǎn)地及榨季紅糖的固體及溶解后的液體色差值，即為紅糖的色澤。該方法參考CIE-L*a*b*顏色空間表示方法，從而獲得ΔL、Δa、和Δb三個(gè)參數(shù)。其中ΔL表示亮度，其值越大即亮度越高；Δa值表示紅色-綠色之間變化趨勢(shì)，其中+Δa表示紅色方向，–Δa表示綠色方向；Δb表示黃色-藍(lán)色之間的變化，其中+Δb表示黃色方向，–Δb表示藍(lán)色方向。

打開(kāi)色度儀，預(yù)熱10 min，設(shè)定純水的三色值（測(cè)紅糖液體）或白板值（測(cè)紅糖固體），選擇L*a*b*顏色模式，并設(shè)定測(cè)定模式為透射（測(cè)紅糖液體）或反射（測(cè)紅糖固體），放入紅糖樣品，測(cè)定ΔL，Δa，Δb值，記錄。分別稱(chēng)取5 g紅糖樣品，先進(jìn)行固體色差測(cè)定，隨后加入10 mL去離子水進(jìn)行溶解，待完全溶解后進(jìn)行液體色差測(cè)定。

為減小實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因?yàn)槿藶椴僮鲗?dǎo)致的偶然誤差，每組樣品進(jìn)行三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 色差分析

色度反映的是顏色的色調(diào)和飽和度[4]。人類(lèi)眼睛有對(duì)于短、中和長(zhǎng)波長(zhǎng)光的感受器，因此只需要三個(gè)參數(shù)便能對(duì)顏色的感覺(jué)進(jìn)行描述。例如，某種特定的顏色與另一種顏色混合進(jìn)不同份量的三種原色，其均使人們從主觀感覺(jué)上看上去相同，這三種原色的份量即為該顏色的三色刺激值，根據(jù)國(guó)際照明學(xué)會(huì)的 CIE1931色彩模型[5]，每一種顏色都有其相對(duì)應(yīng)的三色刺激值，可用X、Y和Z來(lái)表示（其中X、Y、Z并不完全等于短、中和長(zhǎng)波的份量，而是做了一些特殊數(shù)學(xué)處理）。除了CIE1931色彩模型外，還有CIE1976L*a*b*模型，L，a，b分別表示明度、色調(diào)（即顏色是偏紅還是偏藍(lán)）和彩度。色差則定量反映顏色之間的差異[6]，見(jiàn)圖1。

每一種顏色都可以被任意一種Lab標(biāo)尺感知并測(cè)量，在這種情況下，這些標(biāo)尺也可以表示出標(biāo)樣同試樣的色差，通常用Δ作為標(biāo)識(shí)符。見(jiàn)圖2，若ΔL為正，則表示試樣比標(biāo)樣淺，相反，若ΔL為負(fù)，則表示試樣比標(biāo)樣深；若 Δa為正，則表示試樣比標(biāo)樣紅（或少綠），若Δa為負(fù)，則表示試樣綠（或少紅）；若Δb為正，則表示試樣比標(biāo)樣黃（或少藍(lán)），若Δb為負(fù)，則表示試樣藍(lán)（或少黃）（如表1所示）[7]。通常L，a，b的差異還可以用一個(gè)單獨(dú)的色差符號(hào)ΔE來(lái)表達(dá)，即為樣品的總色差，但并不能體現(xiàn)樣品色差的偏移方向，其中ΔE數(shù)值越大，代表色差越大，反之則越小。其數(shù)值可以通過(guò)下面的公式計(jì)算得來(lái)：

1.3.3 電子鼻測(cè)定

電子鼻是一種由具有交叉敏感特征的傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別算法組成的儀器，可以識(shí)別單一的或混合的氣體[3]。它不僅具有較短的樣品預(yù)處理時(shí)間，并能夠提供快速分析，且操作簡(jiǎn)單并更為客觀。更重要的是，樣品的測(cè)量可以在不改變樣品原有特征的前提下進(jìn)行，并可以從樣品中獲得全部信息。電子鼻與其它化學(xué)分析儀器的區(qū)別在于，其所獲得的不是測(cè)試樣品中成分的定性和定量結(jié)果，而是其揮發(fā)性成分的總體信息[8]。它可以對(duì)不同樣品的揮發(fā)性氣體信息進(jìn)行比較及分析，并創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)。電子鼻靈敏度高，可靠性好，性能穩(wěn)定。此外，可量化和可再現(xiàn)的信號(hào)是電子鼻的最大優(yōu)勢(shì)。世界上許多國(guó)家級(jí)地區(qū)已經(jīng)將農(nóng)產(chǎn)品和食品測(cè)試中的電子鼻研究作為一項(xiàng)關(guān)鍵研究主題，作為食品風(fēng)味分析和質(zhì)量測(cè)試的新方法。如表2。

表1 Lab值的含義及對(duì)應(yīng)值域

圖1 CIE Lab色彩空間圖

圖2 L、a、b值用坐標(biāo)

每組紅糖樣品分別稱(chēng)取5 g，置于頂空瓶中室溫密封，為樣品氣體能充分揮發(fā)在密閉頂空瓶中，放置2 h待氣體達(dá)到飽和平衡狀態(tài)后進(jìn)行電子鼻測(cè)定。每個(gè)樣本的密封時(shí)間為2 h，目的為保證每個(gè)樣本有相同的實(shí)驗(yàn)條件，即每個(gè)樣本頂空時(shí)間相同。氣體采集前，將氣針置于空氣中吸取潔凈空氣對(duì)電子鼻的氣室和氣道進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間為100 s；檢測(cè)時(shí)，將進(jìn)氣針與補(bǔ)氣針同時(shí)插入封閉的頂空瓶?jī)?nèi)，氣體采集時(shí)間為200 s。即總實(shí)驗(yàn)時(shí)間為300 s（即100 s氣體清洗時(shí)間，200 s氣體收集時(shí)間）。

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能因人為操作而導(dǎo)致的偶然誤差問(wèn)題，為保證樣本的準(zhǔn)確性與可靠性，本實(shí)驗(yàn)采取的措施是對(duì)同一個(gè)樣本的不同狀態(tài)進(jìn)行10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)采集，降低偶然誤差的風(fēng)險(xiǎn)，每次實(shí)驗(yàn)后將采集好的數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，為之后的數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備。

本實(shí)驗(yàn)利用 PEN3便攜式電子鼻測(cè)定不同產(chǎn)地及榨季的紅糖固體及其以不同比例與純凈水混合溶解后液體的揮發(fā)性香氣成分，即為紅糖的香氣。

表2 PEN3傳感器名稱(chēng)及其主要性能描述

2 結(jié)果與分析

2.1 色差分析

2.1.1 不同產(chǎn)地及榨季紅糖固體色差對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析不同產(chǎn)地相同榨季及相同產(chǎn)地不同榨季紅糖固體樣品的 ΔL，Δa，Δb值并計(jì)算其色差值ΔE（每組樣品進(jìn)行3次平行測(cè)定），可以得出以下結(jié)論：（1）不同產(chǎn)地相同榨季紅糖固體顏色具有明顯差異，整體 ΔL值較大，明度較高；Δa值為+，偏向于紅色方向；Δb值為+，偏向于黃色方向；ΔE值較大，色差明顯；（2）相同產(chǎn)地不同榨季紅糖固體顏色具有部分差異但并無(wú)明顯規(guī)律，整體 Δa值無(wú)顯著變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表4所示（樣品編號(hào)對(duì)應(yīng)產(chǎn)地及榨季參照表見(jiàn)表 3）。

2.1.2 不同產(chǎn)地及榨季紅糖液體色差對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析不同產(chǎn)地相同榨季及相同產(chǎn)地不同榨季紅糖以10 mL去離子水溶解后液體樣品的ΔL，Δa，Δb值并計(jì)算其色差值ΔE，可以得出以下結(jié)論：（1）不同產(chǎn)地相同榨季紅糖液體顏色具有顯著差異，不同產(chǎn)地之間差異較大，且無(wú)明顯規(guī)律。整體ΔL值較大，明度較高；Δa值為+，偏向于紅色方向；Δb值為+，偏向于黃色方向；ΔE值較大，色差明顯；（2）相同產(chǎn)地不同榨季紅糖液體顏色具有部分差異但并無(wú)明顯規(guī)律。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表5所示（樣品編號(hào)對(duì)應(yīng)產(chǎn)地及榨季參照表見(jiàn)表3）。

2.1.3 相同產(chǎn)地相同榨季紅糖固體與液體色差對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析相同產(chǎn)地及榨季紅糖固體及以10 mL去離子水溶解后液體樣品的ΔL，Δa，Δb值并計(jì)算其色差值ΔE，可以得出以下結(jié)論：相同產(chǎn)地及榨季紅糖固體及液體在顏色量化指標(biāo)上有顯著差異，固體明度ΔL值及黃度Δb值較小，多數(shù)固體紅度Δa小于液體，少數(shù)固體紅度Δa值大于液體，整體固體色差ΔE值遠(yuǎn)小于液體。

2.2 電子鼻分析

本實(shí)驗(yàn)采用的是結(jié)合WinMuster軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的方法。通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行多種分析表明：能夠較好區(qū)分不同產(chǎn)地的紅糖樣品的分析方法是主成分分析（PCA）、線性判別分析（LDA）以及負(fù)荷加載分析（Loading）。

2.2.1 電子鼻對(duì)紅糖樣品揮發(fā)物響應(yīng)曲線

圖3～5分別為不同產(chǎn)地紅糖固體樣品的電子鼻傳感器信號(hào)響應(yīng)曲線。其中每條曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器，曲線上的每個(gè)點(diǎn)表明紅糖中揮發(fā)性氣體進(jìn)入傳感器時(shí)，傳感器的相對(duì)電阻率（G/G0或G0/G，其中G為被測(cè)氣體響應(yīng)值；G0為空氣響應(yīng)值）[9]隨時(shí)間變化的情況。通常，響應(yīng)氣體濃度越大，G/G0值則越偏離1，而若氣體濃度低于檢測(cè)限，G/G0值將會(huì)接近甚至等于1[10]。在進(jìn)樣初期（0～10 s），各傳感器未完全識(shí)別紅糖樣品的揮發(fā)性氣體成分，因此相對(duì)電阻率較低，然而隨著揮發(fā)性氣體成分在傳感器表面不斷集聚，相對(duì)電阻率逐漸增加而后趨于平緩，在90 s以后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，因此，對(duì)于紅糖樣品的后續(xù)數(shù)據(jù)分析將以90～100 s作為參考域。從圖中還可以觀察到電子鼻響應(yīng)值的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出一定的規(guī)律，隨著時(shí)間的增加，三組樣品的各傳感器響應(yīng)值發(fā)生變化，且各傳感器的響應(yīng)值達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間略有不同，各傳感器的變化趨勢(shì)也不同。

表3 紅糖樣品色差編號(hào)、電子鼻編號(hào)與產(chǎn)地、榨季對(duì)應(yīng)表

表4 不同產(chǎn)地及榨季紅糖固體Lab色差值數(shù)據(jù)表

續(xù)表4

表5 不同產(chǎn)地及榨季紅糖液體Lab色差值數(shù)據(jù)表

續(xù)表5

圖3 廣東產(chǎn)地紅糖樣品揮發(fā)物響應(yīng)曲線

圖4 云南產(chǎn)地紅糖樣品揮發(fā)物響應(yīng)曲線

圖5 廣西產(chǎn)地紅糖樣品揮發(fā)物響應(yīng)曲線

2.2.2 主成分分析（PCA）

主成分分析（PCA）是指對(duì)所提取傳感器的多指標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及降維，從而對(duì)降維后的特征向量進(jìn)行線性分類(lèi)[11]，并在分析圖上展現(xiàn)最重要的2個(gè)綜合指標(biāo)，形成二維圖。不同產(chǎn)地紅糖樣品的PCA分析結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 三種產(chǎn)地紅糖樣品PCA分析

圖7 PCA區(qū)分度分析

通過(guò)圖6和圖7可得，主成分1(PC1)的方差貢獻(xiàn)率為98.538%，而主成分2(PC2)方差貢獻(xiàn)率為1.460%，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到99.999%，這一數(shù)據(jù)表明這2個(gè)主成分包含原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息，因此其能夠反映紅糖樣品揮發(fā)性氣體成分的整體信息。從圖表中還可看出，不同產(chǎn)地的紅糖樣品分別位于不同區(qū)域且界線明顯，這一現(xiàn)象表明不同產(chǎn)地的紅糖樣本之間的揮發(fā)性氣體成分有差異，而電子鼻作為一種新型分析手段可以有效地識(shí)別這種差異。

2.2.3 線性判別分析（LDA）

線性判別分析（LDA）是指將高維模式的樣本投影到最佳的鑒別矢量空間，從而達(dá)到抽取分類(lèi)信息以及壓縮特征空間維數(shù)的效果，在投影結(jié)束后確保模式樣本于新的子空間有最大的類(lèi)間距離與最小的類(lèi)內(nèi)距離[12]。總貢獻(xiàn)率超過(guò)70%～85%的方法即可使用 LDA分析法進(jìn)行分析[13]。本實(shí)驗(yàn)采用LDA法分析三種產(chǎn)地紅糖樣品，其電子鼻響應(yīng)值的結(jié)果見(jiàn)圖8及圖9。

圖8 LDA分析圖

圖9 LDA分析圖區(qū)分度分析

由LDA分析圖可得：第一、第二主成分總的區(qū)分貢獻(xiàn)率達(dá) 99.994%，第一主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為 95.285%。因此，在第一主成分和第二主成分上，三個(gè)不同產(chǎn)地的紅糖樣品都可以完全區(qū)分。電子鼻對(duì)所提供紅糖樣品具有較好的區(qū)分性。

2.2.4 負(fù)荷加載分析（Loading）

負(fù)荷加載分析（LA）是指主成分與其相對(duì)原始指標(biāo)變量之間的相關(guān)系數(shù)，通常表示因子和各個(gè)變量之間的密切程度[14]。而不同的傳感器在LA圖中的位置則能夠表明傳感器對(duì)樣品揮發(fā)性氣味的貢獻(xiàn)率大小，即離坐標(biāo)原點(diǎn)越遠(yuǎn)，主成分對(duì)此變量的代表性就越大，離坐標(biāo)原點(diǎn)越遠(yuǎn)，代表性則越小[15]。對(duì)不同產(chǎn)地紅糖樣品揮發(fā)性成分的負(fù)荷加載分析結(jié)果見(jiàn)圖10及圖11。

通過(guò)圖10及圖11可得，第一主成分的貢獻(xiàn)率為98.538%，而第二主成分貢獻(xiàn)率為1.460%，其總貢獻(xiàn)率為99.999%；其中W1W、W5S、W2W傳感器對(duì)第一主成分貢獻(xiàn)率相對(duì)其他傳感器較大。而W5S傳感器對(duì)第二主成分貢獻(xiàn)率為所有傳感器最大，W3S和 W6S傳感器對(duì)第二主成分也有較大的貢獻(xiàn)率。由表2可得，W1W傳感器通常對(duì)無(wú)機(jī)硫化物反應(yīng)靈敏，W5W傳感器則對(duì)氮氧化物較為敏感，而 W2W傳感器對(duì)有機(jī)硫化物反應(yīng)敏感，這表明這三種紅糖樣品的第一主成分由無(wú)機(jī)硫化物、氮氧化物以及有機(jī)硫化物組成，第一主成分所代表的氣體大類(lèi)即為紅糖的特征氣味成分。Asikin等[16]的文獻(xiàn)中提到其使用固相微萃?。⊿PME）技術(shù)提取甘蔗紅糖的風(fēng)味成分，并使用氣相色譜-火焰電離檢測(cè)/質(zhì)譜（GC-FID/MS）分析在甘蔗紅糖中發(fā)現(xiàn)明顯的硫化物含量，即二甲基硫醚。而Asikin等[17]通過(guò)帶有頂空（HS）萃取和火焰電離檢測(cè)/質(zhì)譜（FID/MS）的氣相色譜（GC）系統(tǒng)還發(fā)現(xiàn)紅糖中通常含有吡嗪類(lèi)物質(zhì)。Asikin等[18]則通過(guò)頂空取樣法（HS）并用GC-FID/ MS進(jìn)行分析，鑒別出吡嗪類(lèi)化合物主要由 2,6-二甲基吡嗪組成。

圖10 Loading分析圖

圖11 傳感器貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同產(chǎn)地及榨季紅糖固體及液體的色差測(cè)定以及對(duì)不同產(chǎn)地紅糖固體樣品的電子鼻測(cè)定與分析，可以得出不同產(chǎn)地及榨季紅糖樣品的色澤具有明顯差異，且不同產(chǎn)地的紅糖樣品揮發(fā)性成分也有差異；電子鼻可以有效識(shí)別判定不同產(chǎn)地的紅糖并測(cè)定其特征氣體成分，即硫化物及氮氧化物；色差計(jì)和電子鼻皆可以作為代替感官評(píng)價(jià)對(duì)紅糖風(fēng)味品質(zhì)進(jìn)行測(cè)定及評(píng)價(jià)的技術(shù)手段。待相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步完善后可在政府監(jiān)管執(zhí)法、生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部品控等方面發(fā)揮更大的作用。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫(kù)下載獲取。