电子舌在红茶饮料区分辨识中的应用.pdf

第 25 卷第 11 期农 业 工 程 学 报Vol.25No.11 2009 年11 月Transactions of the CSAENov. 2009345 电子舌在红茶饮料区分辨识中的应用 姜 莎，陈芹芹，胡雪芳，杨 阳，倪元颖 （中国农业大学食品科学与营养工程学院，农业部果蔬加工重点开放实验室，果蔬加工教育部工程研究中心，北京 100083） 摘要：为检验电子舌在茶饮料方面的辨识能力，该文应用法国 Alpha M.O.S 公司生产的传感器型电子舌对中国市场 上已有的 7 种红茶饮料进行检测，所得数据用主成分分析法（PCA）和聚类分析法（CA）进行分析。结果表明，该电 子舌可以很好的区分这 7 种红茶饮料。且在 PCA 第 1 主成分和第 2 主成分得分图上，区别指数达 95.38。由此可见， 电子舌在茶饮料的品牌区分、质检以及真伪辨识中有巨大的应用潜力。同时，该研究也初步探讨了聚类分析法在电子 舌数据处理方面的应用。 关键词：判别分析，聚类分析，应用，电子舌，红茶饮料，主成分分析 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.11.064 中图分类号：TP212.6文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-11-0345-05 姜莎，陈芹芹，胡雪芳，等. 电子舌在红茶饮料区分辨识中的应用J. 农业工程学报，2009，25(11)：345349. Jiang Sha, Chen Qinqin, Hu Xuefang, et al. Application of electronic tongue on black tea beverage discriminationJ. Transactions of the CSAE, 2009,25(11): 345349. (in Chinese with English abstract) 0引言 茶是中国传统饮品，被誉为“国饮”。近年来，随 着人们生活节奏的加快，传统沸水冲泡的饮茶方式已经 不能满足消费者的需求。随着茶饮料的问世，因其具有 快速、方便、冷热皆宜等优点，符合现代生活快节奏的 需求，故越来越受消费者的关注和喜爱。口味是人们选 择茶饮料的主要因素之一，也是企业在研制不同种茶饮 料时的重要关注点。目前，口味评定的主要方法是靠专 业感官品评人员进行评定，其评判结果包含了人为因素， 重复性差，难以满足食品工业自动化生产的要求。所以， 采用模拟天然味觉识别系统为特征的电子舌技术，在食 品工业的应用中有着无可比拟的优势。 电子舌（electronic tongue，ET）是模仿人体味觉机 理研制出来的一种智能识别电子系统，是近年来发展起 来的新颖食品组分识别和检测技术。它得到的不是被测 样品中某种或某几种成分的定性与定量结果，而是样品 的整体信息，也称作“指纹”数据1。世界上现在研究的 电子舌主要有 Toko 教授课题组为代表的电位型电子 舌2、Legin 教授课题组为代表的电位型电子舌3- 5、 Winquist 课题组为代表的伏安型电子舌6- 8、Riul 教授课 题组为代表的阻抗谱型电子舌9- 10、 Cole 教授课题组为代 表的声波型电子舌11以及近年出现的新型电子舌如光寻 收稿时间：2009- 03- 19修订时间：2009- 05- 31 基金项目：国家“948”资助项目（2004- Z33） 作者简介：姜莎（1984） ，女，内蒙古自治区集宁人，主要从事天然产 物提取及食品研发的研究。北京中国农业大学食品科学与营养工程学院， 100083。Email: 通信作者：倪元颖（1960） ，女，北京人，教授，博士生导师，研究方 向为果蔬加工、 天然产物提取和功能食品开发。 北京中国农业大学食品科 学与营养工程学院，100083。Email： 址型电子舌12和多频脉冲电子舌13- 14等。目前较典型的 电子舌系统有法国的 Alpha M.O.S 电子舌和日本的 Kiyoshi Toko 电子舌1。 一般而言，相同大类的茶饮料（如红茶饮料）的风 味比较接近，但不同品牌的茶饮料在风味上又有所不同。 本研究设计选用不同品牌的红茶饮料作为检测对象，是 为了检验电子舌在茶饮料上的区分辨识能力，为电子舌 在实际生产中的应用提供一定的试验依据。 本研究利用法国 Alpha M.O.S 公司生产的 ASTREE 电子舌对中国市场上现有的 6 个品牌的 7 种红茶饮料进 行了测定，所得数据用主成分分析法（PCA）和聚类分 析法（CA）进行分析。 1材料与方法 1.1试验材料 7 种红茶饮料样品：康师傅冰红茶，统一冰红茶，雀 巢冰红茶， 麒麟午后红茶 （原味低糖） ， 麒麟午后红茶 （柠 檬味） ，原叶冰红茶，燕京冰红茶，购于北京超市。首次 采样前未打开包装，样品也未经过任何处理。 1.2试验仪器 本试验采用法国 Alpha M.O.S 公司研制的 ASTREE 电子舌系统（图 1） ，电子舌主要由味觉传感器、信号采 集器和模式识别系统 3 部分组成。 该电子舌包含了7个化学传感器阵列和1个Ag/AgCl 参比电极。传感器是由有机物覆盖的硅晶体管制成，每 个传感器前端有 1 个电子芯片，芯片表面覆盖一层敏感 吸附薄膜，可以选择性吸附液体中的游离分子。7 个传感 器并不是专一性传感器，每个传感器对酸甜咸苦 4 种味 道都有敏感性，但敏感程度不同。这就相当于有 7 位感 官评价员，都从总体风味评价样品。 346农业工程学报2009 年 1.传感器阵列 2.待测红茶饮料液体 3.数据采集卡 4.控制器 5.计算机 图 1电子舌装置示意图 Fig.1Sketch of electronic tongue system 图 2传感器与标准电极工作示意图 Fig.2Working mode of sensor and electrode 当未检测样品时， 7 个传感器与标准电极均有一个初 始电势差，并且保持稳定状态。当传感器进入样品当中， 薄膜选择性吸附样品溶液中的游离分子，从而导致传感 器与标准电极电势差发生改变（图 2） 。待薄膜吸附平衡 后，这个电势差会保持在一定数值范围内。选用这个电 势值作为最后的检测结果。由于不同传感器吸附分子不 同，得出的电信号也不同15。 数据采集前，电子舌系统需要经过自检、诊断和矫 正等步骤，以确保采集所得的数据的可靠性和稳定性。 1.3试验方法 样品无需处理，直接倒入电子舌专用烧杯中，室温 条件下进行测定，每杯样品量为 80 mL，每个样品设定 1 个重复， 电子舌传感器在每个样品中的采集时间为 120 s， 每秒采集 1 个数据，得到的传感器响应值如图 3 所示。 图中 7 根传感器的代号分别为 ZZ、BA、BB、CA、 GA、HA、JB，横轴为测量时间，纵轴为采集到的感应强 度值。最后采用第 120 s 所得的稳定数据作为输出值。传 感器在刚开始测量时，感应强度会上下波动。预试验结 果表明，测量 23 次后，传感器响应强度趋于稳定。本 研究每杯样品重复测量 7 次，选取后 4 次的测量的数据 作为主成分分析的原始数据，选取最后 3 次的测量数据 作为聚类分析的原始数据。 图 3电子舌传感器响应值 Fig.3Response curves of the sensors to the sample 1.4数据处理方法 本研究采用多元统计分析中的主成分分析法和聚类 分析法，对电子舌采集的数据进行分析。 主成分分析（principal component analysis，PCA）是 一种最古老的多元统计分析技术。其中心目的是将数据 降维，以排除众多化学信息共存中互相重叠的信息。它 是将原变量进行转换，使少数几个新变量是原变量的线 性组合，同时，这些变量要尽可能多地表征原变量的数 据结构特征而不丢失信息。并且，新变量互不相关，即 正交。假设矩阵 X 为原始采集数据，由 n 行（样品）和 P 列（特征值）构成，通过主成分分析，可以把矩阵 X 分 解为16： X = TL 式中：T 得分矩阵，由 n 行和 d 列（主成分数目）构 成；L载荷矩阵，由 P 行 d 列构成，TT 的对角线元 素即为特征值。最后，可以根据得分矩阵 T 作图，给出 样品之间的区分归类效果，根据载荷矩阵得到载荷图， 找出样品之间真正的性质差异。 聚类分析法（cluster analysis，CA）是一个无监督的 学习过程，是指按照事物的某些属性将其聚集成类，使 第 11 期姜莎等：电子舌在红茶饮料区分辨识中的应用347 类间相似性尽量小，类内相似性尽量大17，实现对数据 的分类。聚类分析作为数据挖掘系统中的一个模块，既 可以作为一个单独的工具用以发现数据库中数据分布的 深层信息，也可以作为其他数据挖掘算法的一个预处理 步骤，因此，它是数据挖掘领域的一个重要研究课题， 目前已被广泛应用于许多领域，如模式识别、数据分析、 图像处理等。 本研究采用电子舌自带的 Astree软件进行主成分 分析，用分析软件 SAS 8.0 进行聚类分析。 2结果与分析 2.1主成分分析 对电子舌采集得到的数据进行主成分分析（PCA） ， 其结果见图 4。主成分得分图以散点图为基础，每个点代 表一个样品，点之间的距离代表样品之间特征差异的 大小。 图 4电子舌对 7 种红茶饮料样品的主成分得分图 Fig.4Principal component analysis (PCA) plots of seven black tea beverage samples 同一红茶饮料样品在主成分图上由 8 个点组成，得 到前 2 个主成分的贡献率分别为 97.07%、2.197%，累计 贡献率 99.267%， 所以取前 2 个主成分对应的特征向量所 决定的两维子空间就能够充分保存原始数据的信息。 由图 4 可以看出，每一个样品的 8 个点离散度较小， 而不同样品之间没有互相干扰，存在一定的差异，说明 该电子舌可以很好的区分这 7 种红茶饮料样品，且区别 指数 （discrimination index） 达到 95.38。 其中燕京冰红茶、 原叶冰红茶、康师傅冰红茶和统一冰红茶的分布区域分 离较近，而麒麟午后红茶（原味低糖）的分布区域和其 他几个样品的分布区域分离较远，差别明显。 2.2聚类分析 对电子舌 7 根传感器检测所得的响应值进行聚类分 析（CA） ，采用类平均法，得到聚类分析树状图，其结果 见图 5。 由聚类结果树状图中可以看出，康师傅冰红茶和统 一冰红茶之间的差别最小，在大约 1.2 个平均单位的时 候，二者聚成一类。原叶冰红茶和燕京冰红茶差别也较 小，在 1.5 个平均单位时聚成一类。四者在 3.25 个平均 单位左右与雀巢冰红茶聚成一类。麒麟午后红茶的 2 个 品种，柠檬味与原味低糖在 3.5 个平均单位左右聚成一 类。最终这 7 个红茶饮料样品在 5.25 个平均单位左右聚 成一个大类。 图 57 个红茶饮料样品聚类结果树状示意图 Fig.5Dendrogram of clustering result of seven black tea beverage samples 348农业工程学报2009 年 3结论与讨论 本研究应用法国 Alpha M.O.S 公司研制的 ASTREE 电子舌，以市场上已有的 7 种红茶饮料作为检测对象， 并用主成分分析法和聚类分析法对所得的数据进行了分 析。 主成分分析结果显示，在第 1 和第 2 主成分的得分 图上，7 个红茶饮料可以清楚地区分开，区分度达到了 95.38。由图中可以看出康师傅、统一、原叶、燕京冰红 茶分布区域相距较近，麒麟午后红茶（原味低糖）和麒 麟午后红茶（柠檬味）分布区域与其他红茶饮料样品相 距较远，这与聚类分析的结果相一致。而聚类分析的结 果，更直观显示出各红茶饮料样品之间的差别程度，同 时，这也为进一步研究聚类分析法在电子舌数据处理上 的应用提供了一定的基础。 虽然主成分分析和聚类分析并不能显示哪个品牌的 样品质量更好，但是却可以显示出不同的红茶饮料，由 于生产或是工艺上的细微差别，而造成的不同的品质特 征。在实际工业化生产中，这将有利于对产品进行在线 质量控制、真假辨识以及品质调控等。而且，与人工感 官评定和化学检测相比较，电子舌具有操作简单、快速、 可靠等优势，具有非常广阔的应用前景。但目前电子舌 技术也存在一些问题，比如传感器存在中毒现象，稳定 性不高等问题，还有待于进一步开发研制。 总之，电子舌技术在食品口感分析方面的应用在国 内还处于起步阶段，其工作模式及评价依据还有待于进 一步研究。相信随着现代科学技术和科学理念的不断发 展，电子舌作为一个新兴技术必将给食品领域以及相关 的众多领域带来一次技术革命。 参考文献 1杨小兰，杨俊锋，张美霞电子舌在食品加工在线检测中 的应用研究J综述与述评，2007，10(9)：69 Yang Xiaolan, Yang Junfeng, Zhang Meixia. 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(in Chinese with English abstract) 第 11 期姜莎等：电子舌在红茶饮料区分辨识中的应用349 Application of electronic tongue on black tea beverage discrimination Jiang Sha, Chen Qinqin, Hu Xuefang, Yang Yang, Ni Yuanying (College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Engineering Research Centre for Fruits and Vegetables Processing, Ministry of Education, Key Laboratory of Fruits and Vegetables Processing, Ministry of Agriculture, Beijing 100083, China) Abstract: The study was aimed to detect the application of the electronic tongue on tea beverage. Seven kinds of black tea beverage w