基于电子舌和多元数据分析的咖啡焙炒度检测方法研究.docx

基于电子舌和多元数据分析的咖啡焙炒度检测方法研究 王凯丽1,2,3， 董文江1,2,3*， 谷风林1,2,3， 张彦军1,2,3， 陆敏泉1,2,3 1. 中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南 万宁 571533 2. 农业部香辛饮料作物遗传资源利用重点实验室，海南 万宁 571533 3. 国家重要热带作物工程技术研究中心，海南 万宁 571533 摘要：利用电子舌技术结合多元数据分析对不同焙炒度（浅度、中度、深度）的咖啡豆进行区分。原始电子感官数据经归一化处理后，采用主成分分析（PCA）对其进行解析，结果表明不同焙炒度的咖啡样品基本上能够按各自特性聚为一类，扩展正则变量分析（ECVA）对样品的分类结果与PCA解析后的结果相一致。比较不同的有监督模式识别方法：K-最近邻法（KNN）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和最小二乘-支持向量机（LS-SVM）所建立模型对未知样品的预报能力，其中LS-SVM模型的预报结果较好，其识别率和预报率均为100%。 关键词：电子舌；焙炒咖啡；焙炒度区分；多元数据分析 中文分类号： 文献标识码： 咖啡由于其特殊的香气和滋味使其消费量和受欢迎度逐渐增加，生咖啡豆是没有香气的，为显露其特有的风味，生咖啡豆必须经过焙炒过程。焙炒是咖啡加工过程中最重要的步骤之一，形成冲泡咖啡所特有的香气、滋味及色泽等；焙炒过程中温度和时间条件对咖啡豆的化学、物理特性的改变起至关重要的作用，依据不同的焙炒时间和温度下所得焙炒豆的特性可将其分为三类，浅度、中度和深度[1]。通常，焙炒过程中咖啡豆的化学组成、生物活性发生显著地变化，酚类化合物可能会损失，其它的抗氧化活性和风味物质会形成，如美拉德反应和焦糖化反应产物[2]。 通常用于评价咖啡豆的质量及其焙炒度的准则包括水分含量、失重、密度、颜色和风味，上述因素中风味对消费者喜好的影响最为重要且决定最终产品（饮料）的质量[3]。目前已有研究咖啡风味的方法主要有气相色谱法（GC）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、气相色谱-嗅觉测量法（GC-O）、电子鼻（E-nose）和电子舌（E-tongue）等[4-7]，咖啡中风味物质极其复杂和多样，采用传统风味分析技术虽能够表征其风味成分，但其价格昂贵、耗时、前处理复杂且劳动强度大[8]。电子舌已被广泛成功的应用于食品的分类和质量评价中，如酒、果汁、蔬菜汁、橄榄油及茶叶等[9-13]，由于其灵敏度高、分析时间短且提供的数据与人为感官评价结果密切相关，因此在咖啡的质量评价中非常有用。化学计量学中的多元数据分析在处理复杂样品和大量数据时优势明显，能够最大程度的提取有用信息，Qin等[14]采用手持式多电极电子舌结合多元分析区分不同存放时间的米酒，反传人工神经网路（BP-ANN）模型的结果最好；Qiu等[15]通过电子鼻和 电子舌技术鉴别不同加工方法的草莓汁并考察不同多元回归方法对其主要感官指标的预报能力，取得了令人满意的结果。 目前还没有采用电子舌技术鉴别不同焙炒度咖啡的研究，因此，本文利用电子舌结合多元数据分析区分不同焙炒度的咖啡样品。原始数据经归一化处理后，采用主成分分析（PCA）解析归一化数据矩阵以探索样品的空间分布情况，同时考察扩展正则变量分析（ECVA）对样品的分类结果，并与PCA结果比较。比较多种有监督模式识别方法KNN、PLS-DA和LS-SVM模型对未知样品的预测能力，选择最适合应用于电子舌技术的模式识别方法以实现咖啡焙炒度的快速预测。 __________________________ 基金项目: 中国热带农业科学院院本级基本科研业务费项目（1630012014017） 第一作者：王凯丽(1987—)，女，本科，研究实习员，研究方向：食品品质分析与包装设计，Tel: 0898E-mail：wkl1021@126.com *通讯作者：董文江(1985—)，男，博士，助理研究员，研究方向：食品化学、化学计量学，Tel: 0898E-mail：dongwenjiang.123@163.com 1 实验部分 1.1 材料与仪器 1.1.1 材料与试剂 咖啡鲜果采摘于中国热带农业科学院香料饮料研究所咖啡试验基地，选择成熟、红色、无病虫害的果实采摘，总共收集到16个不同批次的样品，分别采用干法加工方法得到生咖啡豆，贮存于通风、干燥、避光的环境中保存用于下一步分析。实验用水全部为超纯水。 1.1.2 仪器与设备 Alpha M.O.S电子舌分析系统（法国Alpha M.O.S公司）；AL204型电子分析天平（梅特勒-托利多仪器有限公司）；PRE 1 Z型咖啡豆烘焙机（德国probat仪器公司）；VTA-6S3型咖啡豆研磨机（德国MAHLKONIG仪器公司）；Xrite