胡金祥 何 蓮

(四川旅游學(xué)院，四川 成都 610100)

味覺的產(chǎn)生是基于呈味物質(zhì)溶解在水中對味覺器官(舌)產(chǎn)生的適宜刺激，稱為味覺。研究表明，人類的基本生理味覺包括酸、甜、苦、辛和咸[1]。而其他如辣、澀味則是痛覺和蛋白質(zhì)收斂時的感覺。評價食品的滋味，一般采用感官評價，感官評價是評價食品最直接、最快捷、最方便的方法。但感官評價易受個體差異、嗜好、生理特征等影響，其重復(fù)性、穩(wěn)定性差[2]。電子舌是一種基于仿生學(xué)的模擬人類味覺的定性、定量檢測儀器。它通過交叉敏感傳感器陣列，結(jié)合化學(xué)計量學(xué)實現(xiàn)樣品的快速分類[3]。電子舌通過傳感器獲得樣品的整體信息，相對于傳統(tǒng)分析技術(shù)單純精確追求某些單一成分獲得的信息更加豐富，更加全面[4]。

本文以成都市龍泉驛地區(qū)消費(fèi)者常用的飲用水為研究對象，采用電子舌分析自來水、凈化水(含凈化后燒沸的水)以及不同品牌的瓶裝水、桶裝水，結(jié)合化學(xué)計量學(xué)主成分(PCA)、聚類分析(CA)等分析方法，分析飲用水在滋味維度的差異。實驗結(jié)果可為飲用水水質(zhì)的評價提供參考。

1 樣品、儀器及方法

1.1 樣品

樣品詳見表1。

表1 樣品信息

1.2 儀器

Astree電子舌：法國Alpha MOS公司；ZY-A60-3智水源飲水機(jī)(濾芯已使用1個月)：佛山市好自然電器有限公司；其他實驗室常用設(shè)備。Alpha MOS公司Astree型電子舌傳感器分為非專一性傳感器和部分專一性傳感器。部分專一性傳感器電子舌包括AHS(酸)，PKS，CTS(咸)，NMS(鮮)，CPS，ANS，SCS共7根傳感器，選擇Ag/AgCl作為參比電極。該套傳感器對酸、咸、鮮具有專一性識別。通過傳感器獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合Alpha soft電子舌分析軟件，能夠獲得樣品在0～12之間的酸、咸和鮮味的相對強(qiáng)度值。利用強(qiáng)度值可對樣品在酸、咸和鮮味維度上進(jìn)行滋味強(qiáng)度排序。由于甜味、苦味呈味機(jī)理比較復(fù)雜，該套傳感器無法直接獲得其滋味強(qiáng)度，須結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)品實現(xiàn)滋味強(qiáng)度比較。

1.3 電子舌檢測

取樣品80mL置于電子舌檢測專用燒杯，將樣品A、B、C、D、E、F、G、H分別放置在自動進(jìn)樣器的2、4、6、8、10、12、14、16位；在自動進(jìn)樣器的1、3、5、7、9、11、13、15位放置裝有100mL超純水的電子舌專用燒杯，作為清洗傳感器的液體。檢測時，傳感器先在奇數(shù)位的燒杯中清洗120s，然后檢測樣品120s；每個樣品檢測8次，取后5次電子舌獲得的穩(wěn)定值作為檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析及作圖

使用電子舌系統(tǒng)自帶的Alpha soft軟件采集數(shù)據(jù)，作圖采用Origin 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷達(dá)圖分析

圖1是樣品電子舌檢測結(jié)果的傳感器原始數(shù)據(jù)取平均值制作的雷達(dá)圖。圖中樣品在CTS、ANS、NMS傳感器上的響應(yīng)值差異較大；在AHS、CPS傳感器上響應(yīng)值差異較小。樣品在CTS傳感器上差異最大，而CTS為咸味傳感器，推測受試樣品所含無機(jī)鹽差異較大。在CTS傳感器上，樣品響應(yīng)值強(qiáng)度順序為A>B>C>D>H>E>F>G。A樣品在CTS傳感器上響應(yīng)值最高，而A樣品為自來水，B、C為飲水機(jī)的凈化水(原料為A)，其他樣品為瓶裝水或者桶裝水；這可能能夠說明自來水與以自來水為原料的凈化水(B、C)以及瓶裝水和桶裝水在無機(jī)鹽含量上差異大(推測這種差異是由過濾工藝差異引起)；響應(yīng)值最弱的為G(YB桶裝水)，可以推測G樣品的無機(jī)鹽含量應(yīng)該是最低的。樣品在AHS(酸)味傳感器上的響應(yīng)值變化不大，說明樣品的pH的差異不大，但A樣品的響應(yīng)值依然最高，推測A樣品可能偏弱堿性。

圖1 雷達(dá)圖分析

2.2 樣品滋味(酸、咸、鮮)強(qiáng)度比較

圖2是樣品電子舌檢測結(jié)果，結(jié)合Alpha soft軟件的味覺分析模塊的味覺強(qiáng)度圖。圖中，酸味強(qiáng)度：D>C>E>F>H>B>G>A；咸味強(qiáng)度：A>B>C>D>H>E>F>G；鮮味強(qiáng)度：H>A>F>B≥C>E>G>D。一般認(rèn)為酸性體質(zhì)屬于亞健康狀態(tài)，因此酸性體質(zhì)的人最好不要喝酸味較強(qiáng)的水[5]。比較滋味強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)自來水(A)的各項指標(biāo)相對于其他樣品均偏高或者偏低，這可能能夠反映出自來水的品質(zhì)相對于其他樣品差異較大。從A樣品的咸味最強(qiáng)，可以推測A樣品含有較多的無機(jī)鹽，如鈣鎂離子等，具體原因仍需要進(jìn)一步研究。

圖2 滋味(酸、咸、鮮)強(qiáng)度比較

2.3 主成分分析(PCA)

圖3是樣品檢測結(jié)果傳感器原始數(shù)據(jù)的主成分及載荷圖分析。

圖3 電子舌主成分及載荷分析圖

主成分分析(Principal Component Analysis PCA)是化學(xué)計量學(xué)中一種常用的分類方法，它通過對原始數(shù)據(jù)降維處理，將眾多相互之間有關(guān)聯(lián)的變量處理成較少的幾個不相關(guān)的綜合指數(shù)，提取原始數(shù)據(jù)最大的幾個特征向量作為主成分，再輔以二維或三維坐標(biāo)系，將所得的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系下進(jìn)行投影，從而實現(xiàn)高維數(shù)據(jù)可視化。在PCA分析中，X軸(橫坐標(biāo))代表第一主成分(PC1)，Y軸(縱坐標(biāo))代表第二主成分(PC2)。PC1所占權(quán)重大，即說明樣品在PC1上的距離即使很小，樣品間差異也會很大；PC2所占權(quán)重較小，而樣品在PC2上的距離即使很大，其差異也不會明顯。圖中PC1為69.35%，PC2為16.53%，PC1+PC2為85.55%。有研究表明[6-7]，電子舌PC1+PC2超過70%即可認(rèn)為降維是有效的，且能夠反映樣品的總體滋味輪廓。樣品A(自來水)分布在二維坐標(biāo)的最右面，說明樣品A與其他樣品差異明顯。樣品B(凈化水)、C(凈化水燒沸)分布在第一象限且緊鄰Y上半軸；樣品D(NFSQ飲用天然水)、E(YB純凈水)分布第二象限且緊鄰Y上半軸。由B、C、D、E所在二維圖中的分布，可以看出B、C差異較小；D、E差異較小；B、D在滋味上差異較大。相對而言，F(xiàn)與D、E差異小(其差異主要來源于PC2)；F與B、C的差異較D、E大，其差異來源于PC1和PC2。樣品G(YB桶裝水)分布在X軸的最左面，可以看出A、G差異最大。G與B、C、E、D有一定差異，且差異來源于PC1+PC2。F在二維圖中所處位置與B、C、E、D的差異主要來源于PC2；所以可以直觀地看出F與B、C、E、D的差異較G與B、C、E、D的差異小，相似度高。H分布在第四象限靠近Y下半軸的最下側(cè)，可以推測H較G與A、B、C、E、D、F相似度高。

識別指數(shù)是主成分分析中用于表示樣品之間區(qū)分度的參考值。一般認(rèn)為識別指數(shù)在80～100之間，其識別是有效的。識別指數(shù)越大，說明識別效果越好。圖3中，識別指數(shù)為98，說明8個樣品之間差異明顯，識別效果好。

載荷圖是將對第一、二主成分貢獻(xiàn)大的影響因子在主成分分析的二維圖中表示出來，影響因子越靠近樣品所在的二維坐標(biāo)(x，y)，則說明載荷因子對其影響越大。圖3中傳感器ANS和CTS與樣品A靠近，說明其對A的識別貢獻(xiàn)大。在雷達(dá)圖分析中，樣品A在傳感器ANS和CTS上的響應(yīng)值高，或許能夠說明這一點。傳感器NMS與樣品D靠近，說明NMS對D樣品的識別貢獻(xiàn)大。這與雷達(dá)圖分析的結(jié)論類似(雷達(dá)圖中，D樣品在NMS傳感器上響應(yīng)值高)。

2.4 聚類分析(CA)

聚類分析(Cluster Analysis)是一種基于無監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它不同于分類，它是依據(jù)特定標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)劃分成若干個簇，盡量使簇內(nèi)數(shù)據(jù)間相似性盡可能小，而使簇間數(shù)據(jù)差異盡可能大。K-means聚類、層次聚類、密度聚類、模糊聚類、系統(tǒng)聚類是目前比較常見的聚類算法。本文采用系統(tǒng)聚類。圖4是樣品聚類分析結(jié)果。

圖4 聚類分析

圖中可以看出B、C在279.24處聚類，B、C差異極小。說明同一種設(shè)備凈化水的水質(zhì)相當(dāng)，但燒沸和不燒沸在滋味上略有差異。D、E在316.31處聚類，這與主成分分析結(jié)果一致。在主成分分析中，B、C相似度高，D、E相似度高。F與D、E在447.39處聚類，F(xiàn)、D、E均為瓶裝水，這說明瓶裝水的在滋味上類似。B、C、D、E、F在520.22處聚類，這與電子舌主成分分析中這5個樣品分布在相對較小的區(qū)域類似。H與B、C、D、E、F在673.83處聚類，說明H(BCKQ)與瓶裝水及凈化的水在滋味上有類似之處。G與H、B、C、D、E、F在896.87處聚類，A樣品與G、H、B、C、D、E、F在1 070.966處聚成大類。

3 結(jié)論

為探究飲用水在滋味上的差異，實驗采用電子舌并結(jié)合化學(xué)計量學(xué)的主成分、聚類分析等方法分析自來水、以自來水為原料的凈化水、瓶裝飲用水和桶裝飲用水。實驗結(jié)果表明：雷達(dá)圖研究表明樣品在傳感器CTS、ANS、NMS響應(yīng)值差異大，在AHS、CPS傳感器上響應(yīng)值差異較小。滋味強(qiáng)度分析表明：酸味強(qiáng)度：D>C>E>F>H>B>G>A；咸味強(qiáng)度：A>B>C>D>H>E>F>G;鮮味強(qiáng)度：H>A>F>B≥C>E>G>D。主成分分析表明：A、G在滋味上差異最大；B(飲水機(jī)的凈化水)和C(凈化后燒沸的水)差異最小；瓶裝水(D、E、F)在滋味上差異??；傳感器ANS和CTS對樣品A的識別貢獻(xiàn)大，傳感器NMS對D樣品的識別貢獻(xiàn)大。聚類分析結(jié)果與主成分分析趨勢一致。自來水與凈化水及瓶裝和桶裝水在滋味上存在差異。實驗結(jié)果對飲用水品質(zhì)評價具有一定參考價值。