王曉明,陳開兵

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

一、電子鼻在食品分類檢測中的優(yōu)勢

“電子鼻”的概念最早在1982年由英國華威大學(xué)的Persand和Dodd兩位教授通過研究動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理，對(duì)幾種有機(jī)揮發(fā)氣體進(jìn)行類別分析時(shí)提出來的。在此之后，隨著材料科學(xué)、制造工藝、計(jì)算機(jī)、應(yīng)用數(shù)學(xué)等相關(guān)科學(xué)的快速發(fā)展，經(jīng)過全世界研究人員十幾年的努力，電子鼻技術(shù)取得了長足性的突破。至今該技術(shù)已初步應(yīng)用到環(huán)境檢測、軍事海關(guān)、食品、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，并且在各國研究人員的努力下，其研究和應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地?cái)U(kuò)大。

長期以來，人們對(duì)氣味的識(shí)別大多數(shù)是由訓(xùn)練有素、經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)工作人員來進(jìn)行。比如在醋類、煙草、化妝品等行業(yè)中，研究人員通過嗅覺來檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)于白酒進(jìn)行分類時(shí)，專業(yè)人員受過系統(tǒng)、專業(yè)的訓(xùn)練，通過看（色澤）、搖（清澈度）、聞（香氣）、嘗（味道）等一系列手段對(duì)白酒的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行打分，判斷白酒的種類?？墒?，這個(gè)辦法對(duì)工作人員的要求較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受他們的主觀性影響，容易產(chǎn)生誤判。

而對(duì)食材的客觀分析還可以使用化學(xué)方法，典型就是利用氣相色譜法。利用此方法可以對(duì)食材樣本進(jìn)行標(biāo)定。但是化學(xué)分析方法有缺點(diǎn)：分析過程繁瑣、困難，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求苛刻、成本高，檢測周期長、不適合現(xiàn)場檢測。

與這兩種方法相比，電子鼻用在食材分類上主要是利用食品散發(fā)的氣味來測量其中包含的信息，這些特征成分是使用電子鼻對(duì)食品分類的重要依據(jù)。具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：

（1）電子鼻利用多個(gè)傳感器組成陣列，這些傳感器都是廣譜型器件，對(duì)食品多種揮發(fā)物質(zhì)都進(jìn)行響應(yīng)，且對(duì)同一種物質(zhì)響應(yīng)程度各不相同，是對(duì)同一個(gè)食品進(jìn)行“整體”檢測并分析。

（2）因?yàn)殡娮颖鞘且粋€(gè)整體，測試不同品牌食品不需要再調(diào)節(jié)其他參數(shù)，保證了食品分類實(shí)驗(yàn)條件的統(tǒng)一性，也只有在統(tǒng)一性的條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果才有意義。

（3）電子鼻對(duì)食品的響應(yīng)信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和保存，數(shù)據(jù)可直接用于分析處理，大大減少分析過程的繁瑣步驟。

（4）與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測方法耗時(shí)幾天相比，電子鼻對(duì)食品分類的檢測過程很短，時(shí)間和成本都能得到很好控制。采用電子鼻技術(shù)對(duì)食材進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的定性分析，具有很大的應(yīng)用潛力。所以開展電子鼻在食材分類上研究既有社會(huì)效益，又有廣闊的市場應(yīng)用前景，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和學(xué)術(shù)上存在非同凡響的價(jià)值和意義。

二、電子鼻組成

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電子鼻技術(shù)的研究，主要從傳感器選擇及其外圍硬件電路的設(shè)計(jì)、模式識(shí)別理論、電子鼻技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用三個(gè)方面來研究[1]。其中電子鼻技術(shù)在檢測方面的應(yīng)用，主要是對(duì)檢測對(duì)象的揮發(fā)性氣味進(jìn)行識(shí)別和分類，從而對(duì)檢測對(duì)象作出質(zhì)量分級(jí)和新鮮判別。

電子鼻是一種仿照人的鼻子設(shè)計(jì)而成的電子器件，主要由氣體傳感器陣列、信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四個(gè)部分組成。它的工作流程與人的嗅覺過程很相像：氣體傳感器陣列對(duì)氣味反應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過信號(hào)采集系統(tǒng)集中，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，控制系統(tǒng)采用相應(yīng)算法對(duì)氣體傳感器陣列、信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行采樣、控制等，最后綜合輸出檢測結(jié)果。電子鼻系統(tǒng)通過記錄陣列中的每個(gè)傳感器對(duì)被測氣體的特征響應(yīng)來對(duì)被測氣體建立“指紋信息”，從而判斷被測氣體的身份。

電子鼻結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1電子鼻結(jié)構(gòu)框圖

三、電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域

（一）電子鼻在酒類和液體類食品領(lǐng)域的應(yīng)用

酒類、醋類食品在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位，其品質(zhì)檢測也備受關(guān)注。

2000年，秦樹基等利用4個(gè)金屬氧化物氣體傳感器組成的陣列[2]，研究了3種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPN,LVQ和PNN)對(duì)電子鼻識(shí)別4種白酒的影響。同年，史志存等參考了氣象色譜儀的結(jié)構(gòu)，自行研制了一個(gè)簡單的電子鼻系統(tǒng)[3]，不僅可以識(shí)別不同香型的白酒，而且可以識(shí)別同一香型的白酒。2009年，鄒小波等運(yùn)用30個(gè)可視化傳感器陣列[4]，對(duì)4種白酒進(jìn)行測試，不僅可以區(qū)分不同酒精度的白酒，還能區(qū)分酒精度相似、香型不同的白酒。2014年，張鑫通過應(yīng)用德國AIRSENSE公司生產(chǎn)的電子鼻系統(tǒng)PEN3對(duì)4個(gè)不同質(zhì)量等級(jí)的清香型大曲酒進(jìn)行揮發(fā)物特征響應(yīng)分析、PCA分析、LDA分析、LOADING分析[5]，發(fā)現(xiàn)使用PCA和LDA分析區(qū)分貢獻(xiàn)率都很高。2015年，周宇等等采用自主設(shè)計(jì)的電子鼻結(jié)合單類支持向量機(jī)可以很好地對(duì)白酒真假進(jìn)行識(shí)別[6]。

Yin Y等人在2014年提出了一種基于Wilks Λ旋轉(zhuǎn)變換方法對(duì)傳感器陣列進(jìn)行優(yōu)化[7]，從13個(gè)傳感器中選取其中的9個(gè)組成陣列并建立了有序組，利用主成分分析（PCA）對(duì)三種食醋進(jìn)行鑒別，效果顯著。這說明在模式識(shí)別之前對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)選時(shí)很重要的，對(duì)后續(xù)識(shí)別率提高很有幫助。Xu K等人設(shè)計(jì)了基于MOS傳感器的電子鼻，用于檢測中國山核桃質(zhì)量。根據(jù)對(duì)山核桃揮發(fā)氣體的GC-MS結(jié)果來優(yōu)化傳感器陣列，通過平均微分系數(shù)、穩(wěn)定值和反應(yīng)面積提取得到特征矩陣。使用主成分分析（PCA）來驗(yàn)證經(jīng)過優(yōu)化后的特征矩陣的分類能力，分別應(yīng)用偏最小二乘回歸（PLSR）和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）方法來比較優(yōu)化特征矩陣和未優(yōu)化特征矩陣的預(yù)測能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：優(yōu)化特征矩陣構(gòu) 建 的 回 歸 模 型（PLSR：R2=0.9377；BPNN：R2=0.9787）比未優(yōu)化的特征矩陣構(gòu)建的回歸模型（PLSR：R2=0.8887；BPNN：R2=0.9093）效果更好，預(yù)測精度更高，表明傳感器陣列優(yōu)化確實(shí)能夠提高傳感器電子鼻性能。

（二）電子鼻在水果蔬菜新鮮度檢測中的應(yīng)用

由于果蔬種類較多，通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)檢測利用圖像傳感器，將果蔬圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，模擬人類判別方法對(duì)果蔬新鮮度做出判斷，Blasoc J等開發(fā)了一個(gè)能同時(shí)檢測蘋果、柑桔和桃的機(jī)器視覺在線判別系統(tǒng)，該系統(tǒng)能完成對(duì)這些水果的尺寸、形狀、顏色、果梗位置和水果的外部缺陷的檢測；馮甲一等利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，構(gòu)建葉類蔬菜新鮮度識(shí)別系統(tǒng)，并利用后續(xù)算法對(duì)葉類蔬菜新鮮度進(jìn)行識(shí)別，探究葉類蔬菜新鮮度等級(jí)。

Hong X等人研究使用電子鼻來實(shí)現(xiàn)判斷西紅柿的新鮮度，利用模式識(shí)別算法對(duì)番茄質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行建模；通過檢測榨汁來判斷果實(shí)質(zhì)量，為電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域增加一種可能。Mujawar T等人利用電子鼻研究香蕉和番石榴的各個(gè)成熟階段（不夠成熟，成熟，熟透）。該電子鼻由MOS型傳感器組成陣列，檢測從水果中散發(fā)的香氣成分，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的模式識(shí)別方法對(duì)果實(shí)的成熟度進(jìn)行判斷，以此來指導(dǎo)客戶的水果可食用狀態(tài)。

（三）電子鼻在水產(chǎn)檢測中的應(yīng)用

Li J等人研究了一種便攜式電子鼻[8]，對(duì)大黃魚測量8天獲得響應(yīng)樣本，微生物和化學(xué)指標(biāo)（總活菌數(shù)、K值和GC-MS）也同時(shí)測量。利用主成分分析（PCA）和隨機(jī)共振（SR）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨著時(shí)間的推移，微生物繁殖，K值增加。GC-MS結(jié)果為電子鼻反應(yīng)提供可靠的參考。PCA無法區(qū)分全部大黃魚樣本，通過K值和SR信噪比最大值SNRmax線性擬合回歸獲得K值預(yù)測模型，該模型預(yù)測精度能達(dá)到83%。這樣，電子鼻在水產(chǎn)品質(zhì)量快速分析中得到應(yīng)用。

李婷婷等運(yùn)用電子鼻技術(shù)分析了冷藏過程中三文魚片揮發(fā)性成分的變化[9]；徐永霞等采用電子鼻對(duì)大菱鲆的冷藏貨架期進(jìn)行了研究[10]。

四、存在的問題與發(fā)展前景

國外專家學(xué)者對(duì)電子鼻開展研究較早，理論發(fā)展也已經(jīng)很成熟。在實(shí)用化和商業(yè)化領(lǐng)域，國外已經(jīng)有好多家商業(yè)電子鼻公司能夠提供穩(wěn)定的產(chǎn)品，最具有代表性的就是法國Alpha M.O.S.公司的FOX系列和德國Airsense公司PEN系列電子鼻。

在國內(nèi)，電子鼻研究的歷史還不長，還處于實(shí)驗(yàn)室階段。雖然己有一些利用電子鼻進(jìn)行牛奶、葡萄酒、水果、橄欖油等質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的成功報(bào)道，但是對(duì)于帶有濃郁地方特色的食材，很少有人對(duì)其進(jìn)行電子鼻研究。

電子鼻技術(shù)將以多種技術(shù)集合向便攜化、智能化方向發(fā)展。