杜宏福,董愛(ài)靜,聶志強(qiáng),王敏,鄭宇,林楓
(天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院,工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300457)
食醋是國(guó)際上消費(fèi)量最大的酸性調(diào)味品,山西老陳醋是我國(guó)著名傳統(tǒng)食醋之一,以其“酸醇厚、味清香、回味綿、質(zhì)濃稠、色紫檀和久貯不變質(zhì)”的特色深受廣大消費(fèi)者喜愛(ài)。山西老陳醋的酸度較高,但酸味柔和,無(wú)刺激感,口感獨(dú)特,其酸味的主體成分是有機(jī)酸。豐富多樣的有機(jī)酸不僅賦予了老陳醋獨(dú)特的口感,同時(shí)也是老陳醋主要的風(fēng)味物質(zhì)組成,其組成和含量與食醋的質(zhì)量密切相關(guān)。山西老陳醋中的有機(jī)酸以醋酸和乳酸為主,此外還有丙酮酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸、草酰乙酸、琥珀酸等[1]。呂艷歌等[2]對(duì)山西老陳醋發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)酸的變化分析表明,乙酸、乳酸以及總有機(jī)酸的含量變化趨勢(shì)較明顯,草酸、酒石酸、丙酮酸和富馬酸含量較低。山西老陳醋采用固態(tài)醋酸發(fā)酵工藝,以高粱、麩皮、谷糠等為主要原料,加入大曲起始發(fā)酵,發(fā)酵過(guò)程中微生物不斷繁殖、富集,從而完成大分子糖質(zhì)原料的糖化、酒化、醋化與酯化過(guò)程,過(guò)程中復(fù)雜的微生物群落代謝產(chǎn)生了大量的有機(jī)酸[3]。因此,對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的有機(jī)酸進(jìn)行分析檢測(cè)不僅有助于闡明山西老陳醋發(fā)酵過(guò)程,也是進(jìn)一步保障產(chǎn)品品質(zhì)的重要手段。
傳統(tǒng)食醋固態(tài)釀造過(guò)程中有機(jī)酸的控制和分析通常依靠經(jīng)驗(yàn),然而經(jīng)驗(yàn)控制法缺乏客觀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),容易受到主觀因素的影響,常導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。近年來(lái),HPLC[4,5]、GC[6]、GC-MS[7]等分析方法被廣泛用于食醋中有機(jī)酸的分析,這些方法雖然精確、重復(fù)性好,但對(duì)設(shè)備和操作要求較高,樣品處理步驟多,并且檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng),難以實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)。電子舌是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的用于食品分析、識(shí)別和檢測(cè)的分析儀器,它使用一種類(lèi)似于生物系統(tǒng)的材料作為傳感器的敏感膜,當(dāng)類(lèi)脂薄膜的一側(cè)與味覺(jué)物質(zhì)接觸時(shí),膜電勢(shì)發(fā)生變化,從而產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào),對(duì)樣品進(jìn)行量化分析。電子舌技術(shù)不僅具有較高的靈敏度、可靠性和重復(fù)性,并且還具有檢測(cè)時(shí)間短,樣品處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在飲料、酒類(lèi)等食品的區(qū)分與品質(zhì)檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品識(shí)別與分級(jí)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[8-10]。Lvova[11]等研究表明,電子舌可以很好地區(qū)分紅茶、綠茶和咖啡,并能預(yù)測(cè)綠茶中咖啡堿、單寧酸、蔗糖和葡糖糖、L-精氨酸和茶氨酸的含量。魯小利等[12]利用電子舌對(duì)黃酒中酒精度、氨基酸、揮發(fā)酯、總糖、總酸和固形物、pH 值建立了預(yù)測(cè)模型,張璟琳等[13],張浩玉等[14],黃星奕等[15]分別從不同方面利用電子舌對(duì)食醋進(jìn)行了分析,但利用電子舌對(duì)山西老陳醋發(fā)酵過(guò)程中樣品進(jìn)行識(shí)別及某種特定有機(jī)酸的定量分析方面的研究還未有報(bào)道。
本論文以山西老陳醋固態(tài)醋酸發(fā)酵過(guò)程中不同發(fā)酵階段的樣品為研究對(duì)象,首先利用HPLC對(duì)山西老陳醋發(fā)酵過(guò)程中的有機(jī)酸變化規(guī)律進(jìn)行了定量分析,隨后采用電子舌對(duì)醋酸發(fā)酵過(guò)程中不同時(shí)期的樣品進(jìn)行了檢測(cè)并對(duì)其中主要有機(jī)酸的濃度進(jìn)行了預(yù)測(cè),建立了食醋固態(tài)醋酸發(fā)酵過(guò)程中有機(jī)酸的快速模擬檢測(cè)方法。
山西老陳醋醋酸發(fā)酵周期約為9 d,根據(jù)山西老陳醋醋酸發(fā)酵的周期規(guī)律,從發(fā)酵車(chē)間分別采集3個(gè)不同批次的醋酸發(fā)酵階段第0、1、3、5、7天的醋醅各500 g,取樣前翻醅均勻,取樣深度距表面30 cm,依次編號(hào)為 0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、3-1、3-2、3-3、5-1、5-2、5-3、7-1、7-2、7-3,裝入無(wú)菌自封袋,置入冰盒中立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,于-80℃保存。
高效液相色譜儀(Aglient 1200),安捷倫科技公司;電子舌(Smartongue),上海瑞芬科學(xué)儀器有限公司;檸檬酸、酒石酸、蘋(píng)果酸、琥珀酸、乳酸和乙酸等標(biāo)準(zhǔn)品(色譜純),Sigma-Aldrich公司;濃硫酸(98%),色譜純;NaOH,分析純。
1.3.1 樣品預(yù)處理
分別取10 g醋醅樣品加入去離子水定容至100 mL,搖床轉(zhuǎn)速 120 r/min、25℃條件下振蕩 2 h,10 000 r/min離心取上清液,-4℃保存待測(cè),HPLC檢測(cè)前用0.45 μm水膜過(guò)濾。
1.3.2 總酸的測(cè)定
采用NaOH滴定法測(cè)定,結(jié)果以乙酸計(jì)[2]。
1.3.3 水分含量的測(cè)定
采用烘干法[2]。
1.3.4 有機(jī)酸HPLC檢測(cè)
配制6種有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)溶液,并分別制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,根據(jù)有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)品的數(shù)據(jù)計(jì)算樣品中有機(jī)酸的組成和濃度。
HPLC 檢測(cè)條件如下[4]:色譜柱 Aminex HPX-87H 300 mm×7.8 mm;流動(dòng)相 0.005 moL/mL H2SO4;流速0.6 mL/min;進(jìn)樣量20 μL;紫外檢測(cè)器波長(zhǎng)215 nm;柱溫30℃。
1.3.5 電子舌分析
采用Smartongue電子舌檢測(cè)系統(tǒng),檢測(cè)探頭由特定的多通道交互敏感的傳感器陣列構(gòu)成,工作電極為:鉑電極、金電極、鈀電極、鈦電極、鎢電極和銀電極,參比電極為鉑柱電極。電子舌系統(tǒng)工作溫度控制為25℃。分別取50 mL經(jīng)處理的醋醅樣品進(jìn)行分析,蒸餾水作為校準(zhǔn)液。數(shù)據(jù)采集前,電子舌系統(tǒng)經(jīng)過(guò)自檢、診斷和矯正等過(guò)程,以確保電子舌傳感器響應(yīng)信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性。
1.3.6 數(shù)據(jù)處理方法
主成分分析(principal component analysis,PCA)是將多個(gè)變量通過(guò)線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。它在保留原始數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上將多指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成少數(shù)幾個(gè)主成分,起到降維和簡(jiǎn)化問(wèn)題的作用。每個(gè)樣本經(jīng)Smartongue電子舌檢測(cè)獲得160個(gè)原始數(shù)據(jù),利用SPSS Statistics(v 19.0)軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,得到主成分散點(diǎn)圖,圖中的每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)樣品,點(diǎn)之間的距離代表樣品之間差異性的大小。
采用minitab statistical software(v16.0)軟件對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的樣品進(jìn)行聚類(lèi)分析(cluster analysis,CA)。將PCA分析提取的主成分值作為變量計(jì)算樣品之間的歐氏距離,并且采用最短距離法進(jìn)行類(lèi)與類(lèi)的合并,得到聚類(lèi)分析樹(shù)形圖。
由于電子舌傳感器的響應(yīng)值和所測(cè)液體的成分之間關(guān)系復(fù)雜,很難用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系表示,而B(niǎo)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)輸入和輸出之間的高度非線性映射,因此研究利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立電子舌信息與發(fā)酵過(guò)程中的特征有機(jī)酸的關(guān)系。每個(gè)發(fā)酵階段選取2個(gè)樣品作為訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的樣本,其他的作為測(cè)試樣本。PCA處理獲得的主成分值作為網(wǎng)絡(luò)輸入,有機(jī)酸作為網(wǎng)絡(luò)輸出,利用MATLAB(v 7.0.1)軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)并對(duì)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試。
利用HPLC對(duì)山西老陳醋醋酸發(fā)酵過(guò)程中的主要有機(jī)酸進(jìn)行了分析,同時(shí)采用滴定法對(duì)總酸進(jìn)行了檢測(cè)。經(jīng)測(cè)定發(fā)酵過(guò)程中醋醅水分含量基本維持在60%左右,差異不顯著,文中數(shù)據(jù)均采用濕醅計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表1。
從表1可以看出,在醋酸發(fā)酵過(guò)程中,總酸逐漸增加,其中乙酸和乳酸的含量占總酸的60%以上,遠(yuǎn)高于其他有機(jī)酸,是醋醅中的主要有機(jī)酸,其次是檸檬酸和琥珀酸。醋酸發(fā)酵初期,乳酸含量很高,占總酸的67%左右,主要來(lái)源于厭氧的酒精發(fā)酵階段,隨后呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),在發(fā)酵后期由于乙醇和葡糖糖耗盡,乳酸可能作為碳源被微生物利用[16],從而造成乳酸的減少。隨著發(fā)酵的進(jìn)行,醋酸菌數(shù)量逐漸增加[3],不斷將乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸,乙酸呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。琥珀酸是檢測(cè)到的第三大有機(jī)酸,但其從第5天才開(kāi)始出現(xiàn),檸檬酸、酒石酸、蘋(píng)果酸的變化不規(guī)律,具有一定的波動(dòng)性。
表1 醋酸發(fā)酵過(guò)程中各種有機(jī)酸含量Table 1 The content of organic acids during the acetic acid fermentation process
通過(guò)HPLC檢測(cè)發(fā)現(xiàn),山西老陳醋醋酸發(fā)酵過(guò)程中乙酸和乳酸是主要的特征有機(jī)酸,其變化具有一定的規(guī)律性,發(fā)酵過(guò)程中對(duì)乙酸和乳酸的含量進(jìn)行檢測(cè),有利于對(duì)醋酸發(fā)酵進(jìn)程和食醋質(zhì)量品質(zhì)的監(jiān)控。
2.2.1 數(shù)據(jù)處理和特征提取
利用電子舌對(duì)5個(gè)階段的醋醅樣品進(jìn)行分析,每次測(cè)量獲得原始數(shù)據(jù)160個(gè),代表了醋醅樣品的物質(zhì)組成信息。利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析,以達(dá)到簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的目的,表2列出了原始數(shù)據(jù)的主成分特征值及貢獻(xiàn)率。PCA分析顯示,醋醅樣品前14個(gè)主成分即可綜合原始數(shù)據(jù)100%的信息,說(shuō)明取前14個(gè)主成分所構(gòu)成的特征數(shù)據(jù)就能夠精確的擬合原始數(shù)據(jù),這樣就極大的壓縮了原始數(shù)據(jù),便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
表2 PCA分析主成分的特征值及貢獻(xiàn)率Table 2 Characteristic value and the rate of contribution by PCA
2.2.2 醋醅樣品的聚類(lèi)分析和PCA分析
采用minitab軟件對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的樣品進(jìn)行了聚類(lèi)分析,結(jié)果如圖1。從圖1中的聚類(lèi)樹(shù)形圖來(lái)看,醋醅樣品明顯分為2大類(lèi),0天的樣品分為一類(lèi),1、3、5、7天的樣品分為一類(lèi)。一般認(rèn)為相似值高于60%的樣品,具有較好的相似性,兩類(lèi)樣品的相似性低于60%,說(shuō)明0天的樣品與其他的樣品差異性較大。1、3、5、7天樣品之間的相似性在60% ~70%之間,發(fā)酵過(guò)程中樣品的品質(zhì)較為接近。隨著發(fā)酵的進(jìn)行,代謝物不斷累積,樣品的品質(zhì)隨之變化,聚類(lèi)分析圖中表現(xiàn)出發(fā)酵時(shí)間接近的樣品之間相似性也越高的規(guī)律。聚類(lèi)分析不僅揭示了發(fā)酵過(guò)程中樣品之間的聚類(lèi)關(guān)系,而且定量地描述了樣品之間的差異程度。
圖1 聚類(lèi)分析樹(shù)形圖Fig.1 Dendrogram of cluster analysis
進(jìn)一步,采用主成分得分作圖(圖2),觀察電子舌對(duì)發(fā)酵過(guò)程中醋醅樣品的區(qū)分規(guī)律。圖2中樣品之間的距離代表了它們差異性的大小。從圖2可看出,主成分因子1(F1)的貢獻(xiàn)率為42.63%,主成分因子2(F2)的貢獻(xiàn)率為18.32%,前兩個(gè)主成分貢獻(xiàn)率達(dá)到60.95%,代表了電子舌檢測(cè)的主要信息。
圖2 醋醅樣品的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of vinegar culture
從圖2中可看出,不同發(fā)酵時(shí)間的樣品在主成分分析圖中分布的區(qū)域不同:0天的樣品聚集于F1的負(fù)半軸、F2的正半軸區(qū)域;1、3、5天的樣品聚集于F2的負(fù)半軸區(qū)域;7天的樣品聚集于F1的正半軸、F2的正半軸區(qū)域,說(shuō)明電子舌能夠?qū)Σ煌l(fā)酵時(shí)間的醋醅樣品進(jìn)行很好的區(qū)分。山西老陳醋在酒精發(fā)酵完成后,加入麩皮等原料制成醋醅,并接入上一批的醋醅(接火)開(kāi)始醋酸發(fā)酵,圖2顯示第0天的醋醅與其它時(shí)間的樣品距離較遠(yuǎn),具有很大的差異性,這與聚類(lèi)分析(圖1)的結(jié)果相符合。隨著醋酸發(fā)酵的進(jìn)行,醋醅中的醋酸菌、乳酸菌等微生物不斷生長(zhǎng),產(chǎn)生并積累了豐富的代謝產(chǎn)物[3],電子舌的檢測(cè)數(shù)據(jù)反映在圖2中,即表現(xiàn)為發(fā)酵第1、3、5、7天的樣品呈現(xiàn)從左至右,自下而上的變化規(guī)律。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)圖2中主成分F1方向梯度變化與乙酸含量變化呈正相關(guān)的關(guān)系,而F2方向梯度變化與乳酸含量變化呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,主成分F1和F2分別代表了乙酸和乳酸含量的主要信息。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法可進(jìn)一步的建立電子舌數(shù)字化信息與發(fā)酵過(guò)程中的特征有機(jī)酸乙酸和乳酸的關(guān)系。
研究建立了一個(gè)3層(輸入層、隱含層和輸出層)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3。電子舌信息經(jīng)PCA處理得到的14個(gè)主成分值作為網(wǎng)絡(luò)輸入,乙酸和乳酸值分別作為網(wǎng)絡(luò)輸出。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)選擇乙酸的網(wǎng)絡(luò)隱含層單元數(shù)為8,乳酸的網(wǎng)絡(luò)隱含層單元數(shù)為7,最小訓(xùn)練速率為0.1,動(dòng)態(tài)參數(shù)為0.6,允許誤差為0.000 1,最大訓(xùn)練次數(shù)為1 000。網(wǎng)絡(luò)經(jīng)訓(xùn)練樣本訓(xùn)練后,對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行預(yù)測(cè),網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)表3。
圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Neural network models
表3 乙酸和乳酸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 Results of quantitative prediction for acetic acid and lactic acid
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的關(guān)系圖見(jiàn)圖4。圖中的橫坐標(biāo)表示乙酸或乳酸的實(shí)測(cè)值,縱坐標(biāo)表示模型的預(yù)測(cè)值。圖4中的擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)越靠近y=x曲線,模型的準(zhǔn)確度越高[15],從圖4可看出乙酸和乳酸的數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布于y=x兩側(cè)附近,說(shuō)明乙酸和乳酸的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型效果較好。進(jìn)一步采用預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)作為評(píng)價(jià)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的指標(biāo),相關(guān)系數(shù)取值在0和1之間,值越接近1,相關(guān)程度越顯著[17]。從表3可以看出,該模型訓(xùn)練樣本預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差均小于5%,經(jīng)計(jì)算乙酸和乳酸的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.984 9和0.972 4,預(yù)測(cè)均方根誤差[17]分別為24.6和21.2 mg/100 g,說(shuō)明乙酸和乳酸的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型精度較高。從網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的結(jié)果來(lái)看,1 d樣本的乙酸含量預(yù)測(cè)誤差較大,相對(duì)誤差為9.17%,其他樣品預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差均小于5%,乙酸和乳酸的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.961 5和0.994 2,預(yù)測(cè)均方根誤差分別為54.4 mg/100 g和59.0 mg/100 g,整體來(lái)看BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)乙酸和乳酸定量預(yù)測(cè)結(jié)果較好,可利用電子舌對(duì)醋酸發(fā)酵過(guò)程中乙酸和乳酸的含量進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前該模型僅適用于同一取樣車(chē)間,采用相同工藝進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)的樣品,模型的精度取決于建立模型的樣本數(shù)量,因此進(jìn)一步地可通過(guò)增加樣本量及取樣范圍,提高模型預(yù)測(cè)的精度,擴(kuò)大模型的適用范圍。
圖4 乙酸和乳酸的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值關(guān)系圖Fig.4 Correspondence of acetic acid and lactic acid between prediction values by BP NN and the observed values
采用HPLC方法對(duì)山西老陳醋發(fā)酵不同階段醋酸中的有機(jī)酸進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)乙酸和乳酸是醋酸發(fā)酵階段的主要有機(jī)酸,其中乙酸含量隨醋酸發(fā)酵的進(jìn)行逐漸增加,而乳酸的含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。利用電子舌對(duì)不同發(fā)酵階段的醋醅樣品進(jìn)行了檢測(cè),通過(guò)PCA分析和聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)電子舌能夠?qū)Σ煌l(fā)酵時(shí)間的醋醅樣品進(jìn)行區(qū)分,并且可以對(duì)不同樣品之間的差異程度進(jìn)行定量描述。進(jìn)一步,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了電子舌檢測(cè)數(shù)據(jù)與發(fā)酵過(guò)程中乙酸和乳酸的定量關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了對(duì)醋酸發(fā)酵過(guò)程中乙酸和乳酸的定量預(yù)測(cè)。
電子舌檢測(cè)樣品僅需1~3 min,而常規(guī)的HPLC方法需約30 min,采用電子舌檢測(cè)大大縮短了檢測(cè)時(shí)間,并且電子舌便于攜帶,樣品處理簡(jiǎn)單。電子舌技術(shù)為食醋規(guī)?;a(chǎn)提供了現(xiàn)場(chǎng)快速分析的智能質(zhì)量監(jiān)控手段,有利于企業(yè)食醋生產(chǎn)的優(yōu)化控制和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。
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