賀憲權(quán)+史慶瑞++王志強+李彩虹++韓慧

摘要：為了對不同品種的面粉進行區(qū)分辨識，基于虛擬儀器技術(shù)和多傳感器陣列設(shè)計制作1套伏安型電子舌系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)對2種不同品牌小麥粉、1種農(nóng)家自磨小麥粉與1種農(nóng)家自磨玉米粉進行檢測；采用主成分分析法（principal component analysis，簡稱PCA）對試驗數(shù)據(jù)進行分析。結(jié)果表明，單獨使用金、鈀電極能較好區(qū)分4種不同種類面粉，鈦電極能夠辨識出2種面粉，銀電極只能辨識出1種面粉。進一步對試驗數(shù)據(jù)進行融合分析，結(jié)果表明，電子舌系統(tǒng)在多電極、多頻段信息聯(lián)合分析時，對面粉的區(qū)分能力明顯提高。該研究結(jié)果可為快速識別與分辨食品工業(yè)中的面粉提供參考。

關(guān)鍵詞：電子舌；LabVIEW；主成分分析；面粉；數(shù)據(jù)融合

中圖分類號：S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2017）05-0219-04

面粉是我國乃至世界上很多地區(qū)主食的主要原材料，種類繁多且品質(zhì)優(yōu)劣不齊，其質(zhì)量直接關(guān)系到人民群眾的身體健康。在我國，面粉按照蛋白質(zhì)含量可以分為高筋粉、中筋粉和低筋粉；按照加工精細(xì)度可以分為特一粉、特二粉、標(biāo)準(zhǔn)粉和普通粉。在面食加工行業(yè)與餐飲業(yè)中，不同的產(chǎn)品選用的面粉種類也不同。因此，對面粉種類的區(qū)分以及面粉品質(zhì)優(yōu)劣的鑒定判別，無論是對人們的生活質(zhì)量，還是對食品加工及餐飲業(yè)的穩(wěn)定健康發(fā)展，均十分重要。常用的面粉區(qū)分方法為觀察顏色，一般認(rèn)為高筋粉顏色較深，中筋粉顏色乳白，低筋粉顏色較白。但是這種判斷方法主觀性強，需要鑒別人員具有非常豐富的經(jīng)驗，并且對不同品牌，是否含有添加劑以及質(zhì)量好壞也無法進行客觀判斷。

電子舌系統(tǒng)是具有低選擇性、客觀高效的電化學(xué)分析儀器，能夠?qū)Σ煌芤夯瘶悠愤M行種類區(qū)分辨識、新鮮度檢測以及品質(zhì)等級鑒定等。Polshin等采用電位型電子舌對啤酒進行了定量檢測[1]；Wei等采用伏安型電子舌對不同米酒進行了分類和預(yù)測[2]；Dias等采用電位型電子舌對特級初榨橄欖油進行了分類[3]；Woertz等采用日本SA402B型電子舌系統(tǒng)對制藥中奎寧的含量進行了預(yù)測[4]；韓劍眾等采用多頻伏安電子舌對魚肉品質(zhì)及新鮮度進行了評價[5]。但是，采用電子舌對面粉進行區(qū)分辨識研究，目前尚未見相關(guān)報道。本研究基于虛擬儀器技術(shù)和多種貴金屬傳感器陣列，構(gòu)建1套伏安型電子舌系統(tǒng)用于對面粉進行區(qū)分辨識。試驗證明，該系統(tǒng)能夠?qū)γ娣燮放萍胺N類進行有效分析辨識，系統(tǒng)具有體積小、功耗低、分析準(zhǔn)確、檢測速度快等優(yōu)點。

1電子舌系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)檢測原理，電子舌系統(tǒng)可分為阻抗型、電位型以及伏安型[6-8]等。其中，伏安型電子舌系統(tǒng)具有激勵信號靈活、自主控制能力強、傳感器穩(wěn)定等優(yōu)點。本研究構(gòu)建的伏安型電子舌系統(tǒng)主要分為傳感器陣列模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和基于LabVIEW的測控軟件4個部分（圖1）。

1.1傳感器陣列

傳感器陣列采用三電極配置[9]，即工作電極、輔助電極與參比電極。工作電極分別采用惰性貴金屬鈦、鈀、銀、金制作（純度≥99.99%）。工作電極在系統(tǒng)激勵信號作用下，表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，由于電荷遷移作用，產(chǎn)生與樣本溶液相關(guān)的特異性響應(yīng)電流信號。輔助電極采用1 mm×5 mm鉑柱電極，作用是與工作電極構(gòu)成回路以確保溶液中產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)電流傳導(dǎo)入測量系統(tǒng)。參比電極采用填充有飽和KCl溶液的Ag/AgCl電極，可以為工作電極提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位。

1.2信號調(diào)理模塊

由圖2可知，調(diào)理電路模塊主要包括恒電位電路與I/V轉(zhuǎn)換電路。恒電位電路的主要功能是在保證參比電極無電流通過的前提下，保持工作電極與參比電極之間工作電勢的恒定[10]。I/V轉(zhuǎn)換電路的主要作用是將工作電極表面電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的微弱電流信號轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電壓信號，并對該信號進行調(diào)理放大，以達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡可測量的范圍。

1.3數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡接收由信號發(fā)生程序生成的激勵數(shù)據(jù)，并按照時序、幅值和頻率等特征產(chǎn)生符合要求的物理信號。同時，采集卡對經(jīng)過調(diào)理電路模塊轉(zhuǎn)換后的電壓信號進行A/D采集，然后傳輸給接收程序。本研究中，數(shù)據(jù)采集卡采用美國國家儀器有限公司生產(chǎn)的USB-6002。該采集卡采用高速USB接口，其內(nèi)部具有16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器（digital analog converter，DAC）與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog digital converter，ADC）、32位計數(shù)器以及多通道數(shù)字、模擬I/O口等豐富資源，可以滿足

電子舌系統(tǒng)需要。

2電子舌系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件編程采用美國國家儀器公司的LabVIEW開發(fā)環(huán)境。LabVIEW使用圖形化編輯語言（G語言），以框圖形式來編寫程序。該編程語言的特點是數(shù)據(jù)流圖一旦確定，程序也就基本成型，稍作修改就可以完成程序的編寫工作，具有代碼效率高、可移植性好、編程速度快等優(yōu)點。本系統(tǒng)軟件主要由激勵信號發(fā)生模塊、數(shù)據(jù)采集配置模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)處理模塊4個部分組成。

2.1激勵信號

電子舌激勵信號采用多頻方波大幅脈沖信號，頻率分別設(shè)置為1、10 Hz。該激勵信號是在瑞典Linkping大學(xué) Winquist 小組常規(guī)方波大幅脈沖信號基礎(chǔ)上加上頻率變化改進得到的[11-12]。多頻方波大幅脈沖信號的優(yōu)點是，不但可以獲取溶液化樣品在不同電勢變化情況下的電化學(xué)特征數(shù)據(jù)，而且可以獲取樣品在不同頻率激勵下的響應(yīng)信息[13]，因此增加了采集信號的可識別特征范圍，提高了電子舌的辨識能力。激勵信號如圖4所示，每個頻率段下激勵信號的起始電位從+1 V開始，以0.2 V的幅度逐步遞減，直到-1 V結(jié)束。

2.2響應(yīng)信號特征值提取

伏安型電子舌從工作電極上采集得到的響應(yīng)電流信號數(shù)據(jù)量較大，并伴隨有一定噪聲；因此，需要對數(shù)據(jù)進行信號預(yù)處理，以提取特征信息，減少數(shù)據(jù)冗余量，方便后續(xù)分析。根據(jù)伏安電子舌檢測特性和響應(yīng)電流特點，系統(tǒng)提取電流響應(yīng)信號中不同頻率段內(nèi)的極值和拐點作為特征信息，用來表征樣品溶液的特性[14]。

3材料與方法

3.1試驗材料

從本地市場分別購買2015年密封完好的2種不同品牌（小雪人、百益德）小麥面粉，1種農(nóng)家自磨小麥面粉與1種農(nóng)家自磨玉米粉，密封后，放置在4 ℃冰柜中冷藏。

3.2試驗方法

采用精度為1 mg的分析天平分別稱取不同種類面粉 5 g，量筒量取200 mL純凈水。將面粉倒入燒杯，然后倒入純凈水，攪拌均勻，靜置3 min。取上清液，將待檢測樣品分成6個30 mL樣本。采用多種工作電極分別在1、10 Hz等2個頻段下對樣本進行檢測，每個樣本檢測3次，取平均值作為該樣本的原始檢測數(shù)據(jù)。每個品種檢測完畢后用純凈水清洗電極5 min，檢測2個同種類樣本之間不再清洗電極。

3.3數(shù)據(jù)分析

經(jīng)特征值提取后，每個樣本在每個頻段下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為40個。4個不同種類面粉各自提取6個樣本，則每個頻段下的數(shù)據(jù)組成1個24×40矩陣。隨后在Matlab（2012a）環(huán)境中采用主成分分析方法對提取的特征數(shù)據(jù)進行處理。主成分分析是采用向量分析和相關(guān)矩陣技術(shù)的分類技術(shù)，它可以通過特征空間轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維，并從原有變量中提取出多個綜合因子來代替和反映原變量的特征信息。

4結(jié)果與討論

首先單獨采用金、鈀、鈦及銀電極分別在1、10 Hz頻率下進行試驗。由圖6-a可看出，金電極工作在1 Hz時，前2個主成分累積貢獻(xiàn)率為87.59%，較好地表達(dá)了原始信息，4種面粉中2種農(nóng)家自磨面粉區(qū)分較好，但2種品牌面粉區(qū)分度較低。由圖6-b可看出，在10 Hz時，前2個主成分累積貢獻(xiàn)率為90.51%，4種面粉中農(nóng)家自磨面粉可以較好區(qū)分，但是2種品牌小麥粉區(qū)分效果相比1 Hz時較差?？傮w而言，金電極對不同面粉區(qū)分效果相對較好，并表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性。

看出，鈀電極工作在1 Hz時，前2個主成分的累積貢獻(xiàn)率為93.35%，4個樣品中都有個別樣本分布較為離散，2種農(nóng)家自磨面粉分辨明顯，但小雪人和百益德2個品牌小麥粉有部分重合。由圖7-b看出，在10 Hz時，前2個主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了96.06%，樣本分布也表現(xiàn)出與在 1 Hz 情況下相似的分散特性?？傮w而言，鈀電極在2個頻率下各樣品樣本分布相對較為均勻，區(qū)分效果相對明顯。

可看出，鈦電極工作在1 Hz時，樣品樣本聚集程度較高，但小雪人與百益德2種品牌小麥粉無法辨識。由圖8-b可看出，在10 Hz時，小雪人與百益德2種品牌小麥粉仍無法區(qū)分，樣品樣本分布不如在1 Hz時穩(wěn)定。總體而言，鈦電極在2個頻率下，對小雪人與百益德2種品牌小麥粉區(qū)分效果較差，對2種農(nóng)家自磨面粉區(qū)分效果較好，整體區(qū)分效果一般。

由圖9可知，銀電極工作在1、10 Hz時都只能將農(nóng)家自磨玉米粉辨識出來，其他3種面粉都有不同程度重疊，無法進行有效區(qū)分?？傮w而言，銀電極對4種面粉的區(qū)分辨識效果較差。

試驗結(jié)果表明，各工作電極對4種面粉區(qū)分效果有明顯差異。其中金、鈀電極在2個頻率下能夠?qū)?種面粉基本區(qū)分；鈦電極在2個頻率能夠辨識出2種樣品，效果一般；銀電極在2個頻率下只能辨識出1種樣品，效果較差。

為進一步提高電子舌系統(tǒng)對面粉的分辨能力，選用試驗效果較好的金、鈀電極進行多頻數(shù)據(jù)融合分析。由圖10-a可看出，第1主成分與第2主成分的累積貢獻(xiàn)率為94.05%，能夠較好地反映原始數(shù)據(jù)信息，小雪人與百益德2個品牌小麥粉的區(qū)分度比單頻率分析明顯提高，樣本也更加聚集。由圖10-b可看出，第1主成分與第2主成分的累積貢獻(xiàn)率為94.82%，樣品區(qū)分效果明顯提高，由此可見，經(jīng)過多頻數(shù)據(jù)融合后的電子舌系統(tǒng)對不同面粉的辨識效果明顯提高。

由圖11可看出，第1主成分與第2主成分的累積貢獻(xiàn)率

為88.65%，各面粉樣本數(shù)據(jù)聚集度比單電極多頻分析進一步提高，多種面粉的分離度增大，說明將不同電極在不同頻率下的試驗數(shù)據(jù)進行融合分析可以進一步提高電子舌對樣本的

[JP3]分析辨識能力。因此，基于多頻大幅脈沖信號與多傳感器陣列構(gòu)建的伏安電子舌系統(tǒng)，可以對面粉樣品進行有效區(qū)分與辨識。[JP]

5結(jié)論

面粉主要成分為較難溶于水的蛋白質(zhì)與淀粉，其水溶性物質(zhì)含量較少，一般形成懸濁液，因此要求電子舌系統(tǒng)具有良好的檢測靈敏度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。本研究基于虛擬儀器技術(shù)與多傳感器陣列設(shè)計了1套伏安型電子舌系統(tǒng)，并對4種面粉進行了試驗檢測，結(jié)果表明，金電極與鈀電極獲得了較好區(qū)分辨識效果。進一步對金、鈀電極的1、10 Hz數(shù)據(jù)進行融合分析，結(jié)果表明，對多電極和多工作頻段檢測數(shù)據(jù)進行融合分析[CM（25]，可以有效增強電子舌對多種面粉的區(qū)分辨識效果。本研

究結(jié)果可為面粉品牌真假辨識以及面粉加工精細(xì)質(zhì)量控制提供一定參考。

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