常志勇，陳東輝，張 凌，佟月英，翁小輝，佟 金

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022;2.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022; 3.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春132022)

肉品在儲(chǔ)藏過(guò)程中，隨著其新鮮度降低，肉中進(jìn)行的自溶和細(xì)菌的生長(zhǎng)與繁殖等一系列生物化學(xué)反應(yīng)，破壞了肉組織結(jié)構(gòu)的完整性，肌肉纖維彈性下降，與此同時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中，其揮發(fā)性成分也發(fā)生明顯變化，氣味也有著顯著區(qū)別。所以肉的氣味變化和彈性與肉的新鮮度呈現(xiàn)出很好的相關(guān)性。近年來(lái)，許多專家學(xué)者致力于研究利用電子鼻通過(guò)獲得不同的氣味指紋數(shù)據(jù)檢驗(yàn)肉品新鮮程度［1－3］，并開(kāi)始研究肉的彈性與肉的新鮮度的關(guān)系，認(rèn)為肉的彈性能夠反映肉的新鮮度［4］。這些研究對(duì)肉品新鮮度進(jìn)行無(wú)損、快速評(píng)定，取得了較好結(jié)果。不足的是以上方法從單一層面上檢測(cè)肉類的新鮮度，由于肉類腐敗變質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受多種因素的影響，因此我們應(yīng)當(dāng)綜合多方面的指標(biāo)來(lái)對(duì)其進(jìn)行判定。人們?nèi)粘Ｉ钪信卸ㄊ称焚|(zhì)量是依據(jù)食品氣味、顏色、觸覺(jué)等感知所作出的綜合判定，并非單一器官判定的結(jié)果，因此，模仿生物多相器官感知特性與其功能集成特征對(duì)于開(kāi)發(fā)相應(yīng)的仿生智能檢測(cè)系統(tǒng)具有仿生學(xué)理論與方法上的指導(dǎo)意義。把多種傳感器提供的多相信息加以綜合，以降低評(píng)定的不確定性，所以建立評(píng)定肉品新鮮度的嗅覺(jué)、觸覺(jué)多相仿生融合體系，能形成統(tǒng)一完整的感知描述，從而提高智能系統(tǒng)決策、降低決策風(fēng)險(xiǎn)。

本文根據(jù)雞肉的氣味模式和彈性等力學(xué)參數(shù)，分析冷藏條件下力學(xué)參數(shù)、“指紋性”氣味信號(hào)和揮發(fā)性鹽基氮隨時(shí)間變化的測(cè)量結(jié)果，建立了肉品氣味、彈性力學(xué)參數(shù)與肉品新鮮度之間的融合體系，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)基于RBF的雞肉新鮮度識(shí)別模型。為建立評(píng)定肉品新鮮度多相仿生智能電測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)提供理論參考和新的思路和方法。

1 測(cè)試融合系統(tǒng)

1.1 電子鼻系統(tǒng)

檢測(cè)肉品氣味信息的電子鼻依據(jù)肉品腐敗過(guò)程中揮發(fā)氨氣(或胺類揮發(fā)物)、硫化氫、醇醛類有機(jī)溶劑氣體、鹵烴類、烷烴類等，結(jié)合現(xiàn)有氣敏傳感器特性選取 GS2600、TGS2620、TGS2610、TGS2611型四種傳感器組成陣列。電子鼻氣體室采取進(jìn)口小、出口大的圓錐形形狀［5］，其頂面半徑r=50 mm，底面半徑R=120 mm，高度h=200 mm。為了使流道通暢，傳感器的各種引線盡量避開(kāi)流道，將傳感器陣列的位置固定在收集箱出口圓心處，數(shù)據(jù)線和電源線從外部引入，引風(fēng)機(jī)安裝在傳感器陣列的外部，風(fēng)速V=1.5 m/s，引導(dǎo)氣體流動(dòng)。

1.2 肉品力學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)肉品彈性等力學(xué)參數(shù)信號(hào)采集選用WDW－20J型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，上海華龍測(cè)試儀器廠生產(chǎn)。試驗(yàn)機(jī)壓頭直徑10 mm。取雞肉試樣，放在試驗(yàn)機(jī)壓頭的正下方的托盤上，壓頭固定不動(dòng)，托盤向上運(yùn)動(dòng)，以壓頭與肉表面接觸而壓力值為0的點(diǎn)為測(cè)試的起始點(diǎn)，即0點(diǎn)，自0點(diǎn)托盤以120 mm/min速度向上勻速運(yùn)動(dòng)4 mm后，再以120 mm/min速度勻速向下運(yùn)動(dòng)，返回到原始位置完成一次測(cè)試［4］。測(cè)試裝置如圖1所示。

1.3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立

圖1 肉的壓力特性測(cè)試圖［4］Fig.1 Chart of test on meat pressure characteristics［4］

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其極強(qiáng)的非線性映射能力和較強(qiáng)的容錯(cuò)性，所以在嗅覺(jué)模式識(shí)別問(wèn)題中得到廣泛應(yīng)用。依據(jù)該肉的新鮮度模式，選取選用具有較強(qiáng)的容錯(cuò)和適宜于被研究對(duì)象在基本相同的條件下多次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做為新鮮肉和腐敗肉的模式識(shí)別方法。融合系統(tǒng)以傳感器陣列來(lái)測(cè)定肉類腐敗過(guò)程中釋放的氣味信息，通過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的力學(xué)采集系統(tǒng)測(cè)量肉腐敗過(guò)程中的力學(xué)參數(shù)，通過(guò)理化試驗(yàn)精確獲得總揮發(fā)性鹽基氮的含量，以氣味信息和力學(xué)參數(shù)作為樣本輸入信號(hào)，以揮發(fā)性鹽基氮(TVBN)值作為目標(biāo)輸出信號(hào)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)判斷肉類的新鮮度。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 肉類新鮮度辨識(shí)流程Fig.2 Flow chart ofmeat freshness identification

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)所用雞肉由吉林省德大有限公司提供，試驗(yàn)樣品取自標(biāo)準(zhǔn)屠宰線同時(shí)間段宰殺的同品種雞胸肉，避免了屠宰過(guò)程中各種客觀條件對(duì)肉質(zhì)的影響。從屠宰線下線后3 h內(nèi)取出雞肉樣品，迅速運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室超凈工作臺(tái)上將樣品取出，用無(wú)菌刀具切割成手工切制成直徑約55 mm、厚約20 mm的餅狀樣品共20份，并編號(hào)，分別用于電子鼻測(cè)試、WDW－20J型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試和理化試驗(yàn)。樣品放入冰箱冷藏4℃保存。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，取出需要的編號(hào)袋，其余不動(dòng)。共對(duì)20份雞肉樣品連續(xù)測(cè)量6天。建立評(píng)定模型，輸出判定結(jié)果，再比對(duì)理化檢測(cè)結(jié)果，TVBN檢測(cè)采用國(guó)標(biāo)規(guī)定的半微量凱氏定氮法。分析模型的識(shí)別能力。

2.2 試驗(yàn)方法

按編號(hào)對(duì)雞肉試樣同時(shí)進(jìn)行理化實(shí)驗(yàn)和電子鼻系統(tǒng)以及WDW－20J型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定。把測(cè)試結(jié)果導(dǎo)入樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。在電子鼻系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，電子鼻系統(tǒng)放置于潔凈的室內(nèi)空氣環(huán)境中，溫度為(20±1)℃，濕度為(60±1)%。預(yù)熱和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清洗(導(dǎo)入潔凈室內(nèi)空氣)時(shí)間0.5 h，待保證氣體傳感器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。傳感器預(yù)熱完成后，將樣品放入樣品室，采集數(shù)據(jù)并記錄。檢測(cè)時(shí)間設(shè)定在5 min。傳感器清洗還原時(shí)間設(shè)定為5 min，再進(jìn)行下一次測(cè)試。2.5 h完成所有樣品(20份樣品)實(shí)驗(yàn)，每隔24 h試驗(yàn)一次，提取最大值Rmax特征值。利用WDW－20J型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試肉品壓力特性曲線的試驗(yàn)過(guò)程為，取一塊雞肉試樣，放在試驗(yàn)機(jī)壓頭的正下方的托盤上，壓頭固定不動(dòng)，托盤向上運(yùn)動(dòng)，以壓頭與肉表面接觸而壓力值為0的點(diǎn)為測(cè)試的起始點(diǎn)，即0點(diǎn)，自0點(diǎn)托盤以120mm/min速度向上勻速運(yùn)動(dòng)4 mm后，再以120 mm/min速度勻速向下運(yùn)動(dòng)，返回到原始位置完成一次測(cè)試伴隨著試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)記錄并描繪出這個(gè)過(guò)程中肉的壓力與位移關(guān)系的曲線。這個(gè)曲線就是肉的壓力特性曲線［4］。測(cè)試過(guò)程中肉承受的最大壓力為Fmax，壓入深度為S2。S1表示回程壓力與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)。S稱為回彈量，表示肉被壓后的瞬間恢復(fù)距離，定義為S=S2－S1。取Fmax和S為特征值，對(duì)二十份樣品按編號(hào)依次測(cè)試，每隔24 h測(cè)試一次。同步進(jìn)行的理化實(shí)驗(yàn)檢測(cè)揮發(fā)性鹽基氮的含量，試驗(yàn)材料按國(guó)標(biāo)GB2707－1994的規(guī)定準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)條件與電子鼻系統(tǒng)和WDW－20J型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)保持一致。圖3為傳感器陣列響應(yīng)曲線。圖4回彈量S曲線圖。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)共測(cè)的120組數(shù)據(jù)。在120組樣本(共6類)中，為了節(jié)約訓(xùn)練成本，取訓(xùn)練樣本數(shù)12組樣本作為訓(xùn)練樣本，其余為測(cè)試樣本。用RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練成后進(jìn)行判別，檢查系統(tǒng)的可用性。

圖3 1～6d傳感器信號(hào)特征值曲線圖Fig.3 Sensor signal eigenvalue graph from 1 day to 6 day

圖4 1～6d回彈量S曲線圖Fig.4 SCurve for recovery distance from 1 day to 6 days

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)分析

由圖4中4個(gè)氣敏傳感器響應(yīng)曲線中傳感器信號(hào)特征值曲線圖可以看出，每個(gè)傳感器對(duì)雞肉揮發(fā)氣味都有響應(yīng)，各個(gè)傳感器輸出電壓值在同一時(shí)刻相互有較大差距，體現(xiàn)出各自對(duì)雞肉所散發(fā)出的氣體變化響應(yīng)有較大不同，說(shuō)明不同的傳感器就會(huì)對(duì)不同的氣味物質(zhì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)，就會(huì)有不同的電壓輸出。圖4的檢測(cè)結(jié)果完全驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。從圖5回彈量曲線圖可以看出，雞肉力學(xué)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果與評(píng)價(jià)雞肉新鮮度具有很高的相關(guān)度，由此說(shuō)明通過(guò)測(cè)量力學(xué)參數(shù)判定雞肉新鮮度的方法具有可行性。同時(shí)證明了選取的電子鼻和力學(xué)參數(shù)測(cè)量?jī)煞N傳感器隨雞肉新鮮度變化都有響應(yīng)，而且體現(xiàn)出不同的靈敏度，可以利用兩種傳感器交差敏感性的特點(diǎn)對(duì)多信息的整合來(lái)識(shí)別肉品新鮮度。這與人判定食品質(zhì)量是依據(jù)食品氣味、顏色、觸覺(jué)等感知所作出的綜合判定，并非單一器官判定的結(jié)果類似，正是通過(guò)對(duì)多相信息的整合建立評(píng)判。

將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)原始輸入樣本進(jìn)行了歸一化，輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練、測(cè)試。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出模式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)具體性能要求確定。本文構(gòu)造了一個(gè)三層(6個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，3個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)，3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn))的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中輸入層只起到了對(duì)信息的接受和傳遞功能，不對(duì)信息進(jìn)行任何的處理。當(dāng)數(shù)據(jù)傳遞到隱層時(shí)，由于隱層神經(jīng)元的函數(shù)(這里采用高斯函數(shù))能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行空間映射變換，信息在這里被處理并分類。之后信息被輸出層的神經(jīng)元加權(quán)成為線性結(jié)果，然后輸出，對(duì)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)共測(cè)的120組數(shù)據(jù)(共6類)，用訓(xùn)練樣本12組數(shù)據(jù)和測(cè)試樣本108組數(shù)對(duì)用RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)行100次重復(fù)訓(xùn)練和測(cè)試識(shí)別實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)肉品新鮮度正確率達(dá)93.65%，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的融合系統(tǒng)檢測(cè)雞肉新鮮度是可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)將氣味采集、力學(xué)參數(shù)兩種傳感器構(gòu)建的融合體系用于雞肉新鮮度檢測(cè)。基于實(shí)驗(yàn)研究，提取的特征值適用于雞肉新鮮度識(shí)別。

(2)將2種傳感器的檢測(cè)值代入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)建了基于多信息參數(shù)融合的雞肉新鮮度識(shí)別模型，經(jīng)理化試驗(yàn)驗(yàn)證，融合系統(tǒng)對(duì)雞肉新鮮度識(shí)別率達(dá)到93.65%。

［1］Zhang Zhe，Tong Jin，Chen Dong－h(huán)ui，etal.electronic nose with an air sensor matrix for detecting beef freshness［J］.Journal of Bionic Engineering，2008，5(1): 67－73.

［2］石志標(biāo)，佟月英，陳東輝，等.牛肉新鮮度的電子鼻檢測(cè)技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(11)184－188.

Shi Zhi－biao，Tong Yue－ying，Chen Dong－h(huán)ui，et al.I－dentification of beef freshness with electronic nose［J］. Journal of Agricultural Machinery，2009，40(11):184－188.

［3］Rajamaki T，Hanna L A，Tiina R.Application of an electronic nose for quality assessment ofmodified atmosphere packaged poultrymeat［J］.Food Control，2006，17(1):5－13.

［4］佟月英，陳東輝，石志標(biāo)，等.雞肉的壓力特性曲線與其新鮮度的關(guān)系［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2010，40(2):491－495.

Tong Yue－ying，Chen Dong－h(huán)ui，Shi Zhi－biao，et al. Relationship between pressure characteristic curve and freshness of chicken［J］.Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition)，2010，40(2): 491－495.

［5］常志勇，陳東輝，門海濤，等.基于圓錐形仿生氣體室的雞肉新鮮度電子鼻檢測(cè)技術(shù)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2011，41(增刊2):334－337.

Chang Zhi－yong，Chen Dong－h(huán)ui，Men Hai－tao，et al. Electronic nose in chicken freshness detection based on cone－shaped gas chamber bionic technology［J］.Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)，2011，41(Suppl.2):334－337.