龔愛平

（深圳信息職業(yè)技術學院智能制造與裝備學院，廣東 深圳 518172）

引言

目前，我國是世界上肉制品生產(chǎn)的第一大國，也是肉制品消費總量最多的國家，我國的肉制品大體上分為中國傳統(tǒng)風味的中式肉制品（如金華火腿）和中國特色的西式肉制品（如廣式臘腸）。2015年，我國全年肉類總產(chǎn)量8625萬t，肉與肉制品的進口量達268.4萬t，到2020年，我國肉與肉制品的需求總量預計將達1億t，將是肉制品生產(chǎn)與消費最大國家之一。隨著人民群眾生活水平的提高，肉類食品的質(zhì)量安全問題越來越受到重視。

電子鼻又稱氣味掃描儀，是基于人類鼻子感知和識別氣味的工作原理開發(fā)出來的一種檢測氣味的智能設備。風味物質(zhì)的揮發(fā)性成分存在差異是電子鼻應用的物質(zhì)基礎，電子鼻檢測是通過采集樣品揮發(fā)性成分如酯類、醇類、醛類、酮類、烷及其他烴類、酸類、含N、S化合物、醚及環(huán)氧類等整體信息來評估食物品質(zhì)的新測量方法。電子鼻通過一組氣體傳感器陣列的響應圖案來識別多種氣味，該技術具有響應時間短、檢測速度快、評估范圍廣、重復性好等特點，可以檢測多種不同類型的氣味，還能檢測一些人鼻不能夠檢測的氣體。近年來，電子鼻技術得到廣泛的研究和應用。

本文對近幾年電子鼻在肉類新鮮度、肉類有害物質(zhì)、肉類摻假等問題中的應用研究成果進行概述，并分析了電子鼻檢測肉類制品存在的問題，對今后的發(fā)展提出幾點看法。

1 電子鼻的組成及工作原理

電子鼻主要由氣敏傳感器陣列、信號預處理和模式識別三部分組成，作為一種分析儀器，這些組成部分必須能長期工作并保證可靠性和測試結(jié)果可重復性。如圖1是電子鼻信號處理的典型工作原理，它的工作過程一般為：氣味信息獲取、數(shù)據(jù)預處理、模式識別分析、氣味鑒別。電子鼻工作原理是：當被測樣品散發(fā)的某種氣味呈現(xiàn)在氣相型、光傳感型以及金屬氧化物型等常見的活性材料傳感器面前，傳感器將化學輸入轉(zhuǎn)換成電信號，不同活性材料的傳感器檢測氣體的數(shù)據(jù)響應不一樣，例如樣品的某種氣味在特定的傳感器上，反應非常敏感，產(chǎn)生強烈的電信號，而在其他傳感器上，反應遲緩，只有微弱的電信號產(chǎn)生。從而，由多個傳感器對一種氣味的響應便構成了傳感器陣列對該氣味的響應譜，而系統(tǒng)以此作為依據(jù)，對不同氣味進行有效區(qū)分。顯然，氣味中的各種化學成分均會與敏感材料發(fā)生作用，所以采集的數(shù)據(jù)是復雜氣味的混合數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)對氣味的定性或定量分析，必須將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進行適當?shù)念A處理(消除噪聲、特征提取、信號放大等)后，采用合適的數(shù)據(jù)挖掘方法（如模式識別）對數(shù)據(jù)進行適當?shù)姆治?，然后實現(xiàn)混合氣味分析。

圖1電子鼻信號處理的典型工作原理Fig.1. Analog voltage adjustable circuit and Pulse width modulation circuit

圖2是電子鼻數(shù)據(jù)分析的多元模式分析技術常用方法，電子鼻的傳感器陣列識別某種范圍內(nèi)獨特的氣味信息，即所謂的氣味指紋，與檢測對象揮發(fā)性成分分子相互擬合而進一步對樣品進行識別。表1是電子鼻數(shù)據(jù)分析的多元模式分析技術在肉類品質(zhì)檢測中最常用的方法簡介。

圖2 電子鼻數(shù)據(jù)分析的多元模式分析技術常用方法Fig.2. Classification scheme of the multivariate pattern analysis techniques applied to e-nose data.

表1. 電子鼻數(shù)據(jù)分析多元模式分析技術在肉類品質(zhì)檢測中常用方法簡介Tab.1. Summary of the classification scheme of the multivariate pattern analysis techniques applied to e-nose data in meat quality testing

算法縮寫 簡介Loadings是PCA的一個函數(shù)，主要顯示主成分分析Loadings或者因子分析當中的loadings的內(nèi)容，在主成分分析中，實際上是對主成分對應的各列，即正交矩陣。在因子分析中，其內(nèi)容就是載荷因子矩陣。多元線性回歸（MLR）（multiple linear MLRregression）是分析一個隨機變量與多個變量之間線性關系的統(tǒng)計方法。

2 電子鼻檢測肉類問題研究成果

2.1 肉品新鮮程度的檢測研究

隨著氣敏傳感器和數(shù)據(jù)挖掘技術的發(fā)展，利用電子鼻技術檢測肉品新鮮度引起人們的不斷關注。孫鐘雷利用電子鼻研究了豬肉氣味隨保存時期的變化，該團隊根據(jù)豬肉的氣味特征，合理選擇了氣敏傳感器陣列，采用遺傳優(yōu)化的組合徑RBF神經(jīng)網(wǎng)絡作為模式識別方法分析傳感器陣列獲得的數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果表明電子鼻系統(tǒng)對豬肉新鮮度的識別率達95%。李剛等利用電子鼻構建了一套檢測識別肉類新鮮程度的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氨類氣味和硫化氫氣味傳感器陣列、NI數(shù)據(jù)采集方案、BP神經(jīng)網(wǎng)絡構成，可識別6種新鮮等級，研究表明該方法識別肉類新鮮度的準確率可達90%以上。Tian等采用基于錫氧化物的MOS氣體傳感器陣列、多通道放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器、微控器和運行在PC上的軟件，自制了電子鼻測量系統(tǒng)，對貯藏在15℃、10℃和5℃下的帶魚和豬肉的新鮮度進行了研究，以揮發(fā)性鹽基氮（TVBN）和菌落總數(shù)作為對比檢測，利用主成分分析方法（PCA）對數(shù)據(jù)結(jié)果進行處理分析，當實驗帶魚樣品的TVBN≤25g且菌落總數(shù)≤106 cfu/g時，認為該帶魚是新鮮的，當實驗豬肉樣品的TVBN≤15g且菌落總數(shù)≤106cfu/g時，認為該豬肉是新鮮的，研究表明自制電子鼻對不同貨架期的帶魚新鮮度判別準確率達到87.5%，對豬肉的準確率則達到 91.7%。Li等為了快速無損檢測豬肉新鮮程度，采用比色傳感器陣列自制了便攜式電子鼻，分別利用線性判別分析（LDA）模型和前向多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡（BP-ANN）模型對采集數(shù)據(jù)進行了分析，實驗結(jié)果表明BP-ANN模型和LDA模型的正確率分別達到了100%和97.5%。

2.2 肉制品有害物質(zhì)的檢測研究

我國肉制品存在的有害物質(zhì)主要有微生物超標嚴重、食品添加劑、亞硝酸鹽殘留等。Wang等利用電子鼻結(jié)合支持向量機（SVM）數(shù)據(jù)挖掘技術對10天內(nèi)存儲在4℃條件下的豬肉活菌數(shù)量變化進行監(jiān)測，采用PCA分析法分析電子鼻的檢測結(jié)果，實驗表明訓練模型和驗證模型的相關性達到0.94和0.88，同時表明電子鼻能夠快速監(jiān)測豬肉中菌落數(shù)的變化。Lippolis等利用電子鼻在實驗室和大規(guī)模生產(chǎn)制品中，研究了干腌肉制品早期赭曲霉毒素 A、青霉菌的產(chǎn)生，利用DFA分析法識別率達到73%。Wang等借助電子鼻，利用SVM和PLS方法研究豬肉中菌落總數(shù)，實驗表明電子鼻信號與菌落總數(shù)間的相關系數(shù)達到0.88。Zhang等采用電子鼻配置甲醛氣體傳感器檢測毒章魚，采用PCA技術正確識別率達到93.1%。

2.3 肉制品造假的檢測研究

在肉制品的生產(chǎn)加工中，一些不法企業(yè)為了謀取利益，經(jīng)常以次充好，或者將低品質(zhì)產(chǎn)品添加到高品質(zhì)產(chǎn)品中，影響商品質(zhì)量，對消費者身體健康造成威脅。根據(jù)不同原料肉類商品的氣味，電子鼻可以判斷肉品是否摻雜其他成分。李穎康等用電子鼻對灘羊、小尾寒羊和山羊的背最長肌、后腿肌肉和胸部肌肉的揮發(fā)性物質(zhì)進行了測定,采用主成分分析（PCA）、傳感器貢獻率分析（Loadings）、線性分析（LDA）3種方法進行區(qū)別分析，結(jié)果表明電子鼻可明顯區(qū)分3個品種羊的胸部肌肉和背最長肌和胸部肌肉。賈洪峰等利用電子鼻探索了牦牛肉、牛肉和豬肉樣品摻假識別的可行性，通過對所獲得的數(shù)據(jù)進行主成分分析（principal component analysis，PCA）、判別因子分析（discriminant factor analysis，DFA）和偏最小二乘回歸分析（partial least-squares analysis，PLS），結(jié)果表明電子鼻響應信號和豬肉餡摻入比例之間的相關性為0.9762；田曉靜用電子鼻檢測羊肉中摻入不同比例豬肉和雞肉，采用主成分分析和Loading分析實驗數(shù)據(jù)，對不同摻假羊肉樣品的正確識別率高達99.17%。Tian等用德制PEN2電子鼻將豬肉摻雜到羊肉中進行探測，對獲取的數(shù)據(jù)分別采用CDA、PLS、MLR 和 BPNN等方法進行分析，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn) BPNN的識別準確率達到97%。Santos等利用電子鼻技術對利比亞火腿進行品質(zhì)檢測，根據(jù)原料肉的種類和成熟時間散發(fā)的特征風味物質(zhì)不同，選擇合適的傳感器陣列，采用主成分分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法分析對數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明電子鼻可以檢測出不合格和假產(chǎn)品。Nurjuliana等利用電子鼻從豬肉、牛肉、羊肉、雞肉為原料的香腸中挑出摻有豬肉的香腸，采用主成分分析等方法對電子鼻獲得的數(shù)據(jù)進行分析，采用氣相色譜檢測結(jié)果進行校驗，研究發(fā)現(xiàn)電子鼻可以檢測出摻有豬肉的香腸。

以上研究結(jié)果表明，電子鼻技術在肉類新鮮程度、有害成分和摻假等方面的檢測，理論和實踐上均具有可行性。

表2. 文章中介紹的電子鼻檢測肉類品質(zhì)的相關文獻摘要Tab.2. Summary of the applications of e-nose for detection of contamination and defect in foodstuffs

3 電子鼻技術研究過程中存在的問題

本文概述了電子鼻在肉類品質(zhì)檢測中的進展，正如文中所述，電子鼻在食品品質(zhì)檢測領域是潛在的重要儀器。隨著科技的發(fā)展，電子鼻檢測速度將越來越快，檢測可重復性高、穩(wěn)定性強、應用越來越簡單。但目前來說，電子鼻的應用也存在一些問題：（1）運營成本相對還比較高。隨著電子技術的發(fā)展，這問題將得到進一步的解決；（2）對于響應強的電子鼻傳感器，目前的數(shù)據(jù)分析與處理技術還需進一步改善，數(shù)據(jù)預處理、模式識別算法、多維信息綜合分析等與仿生特性存在一定的差距。解決這一問題需要依托計算機軟件技術的發(fā)展，現(xiàn)有的模式識別方法還需要改進，深度學習已在人工智能領域日趨成熟，但還沒有文獻記載其在電子鼻領域的應用，深度學習將會是解決這一問題的一條途徑；（3）傳感器陣列專屬性及穩(wěn)定性還達不到廣泛應用的標準，其易受溫度漂移、濕度、振動等環(huán)境的影響。這需要研制性能更好的氣體傳感器。而石墨烯化學穩(wěn)定性好、無電磁干擾和熱穩(wěn)定性好，由石墨烯制成的電子鼻傳感器將會被廣泛的應用于電子鼻；（4）實驗方法的差異使獲得的氣味響應結(jié)果不同，研究者對食品的前期預處理（如存放、解凍等）導致食品感染了有害物質(zhì)，在檢測實驗樣品的微生物種類和化學成分時易產(chǎn)生誤判。研究者前期預處理需要標準化，建議研究者在無菌實驗室進行樣品分析，并結(jié)合高光譜圖像對樣品進行分析，電子鼻結(jié)合光譜視覺將更有效進行食品質(zhì)量檢測。

總之，食品檢測的發(fā)展趨勢是把人工感官組合成質(zhì)量的評價體系，這種評價體系包括機器視覺、電子鼻、電子舌等設備，即色、香、味的綜合評價體系。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)對電子鼻技術的不斷深入研究，電子鼻將更好的應用于肉類檢測。表2是文章中介紹的目前采用電子鼻檢測肉類新鮮度、肉類有害物質(zhì)、肉類摻假等問題的相關文獻摘要。電子鼻未來的發(fā)展是與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合并和其他儀器聯(lián)用，相關研究可在硬件軟件的優(yōu)化、信息融合和網(wǎng)絡化方面尋求突破。隨著科學技術的快速發(fā)展，電子鼻技術近年來取得了一系列可喜的成就，但至今電子鼻走出實驗室的應用還不多，與人們的期望還存在著較大差距，因此還有許多研究工作要做。隨著傳感器、數(shù)據(jù)挖掘等技術的發(fā)展，電子鼻技術作為人工智能的產(chǎn)物必將逐步出現(xiàn)在環(huán)境檢測、醫(yī)療衛(wèi)生、藥品工業(yè)、安全保障、公安與軍事等實際應用中。

應用 檢測內(nèi)容 分析技術 評價 參考文獻區(qū)分灘羊、小尾寒羊和山羊肉 PCA、Loadings、LDA 可以明顯區(qū)分 李穎康等[16]檢測牦牛肉、牛肉和鴨肉樣品 PCA、DFA、PLS 識別率高達到100% 賈洪鋒等[17]檢測羊肉中摻入雞肉 CDA、PLS、MLR 、 BPNN 準確率高于 90% 田曉靜[18]肉制 豬肉摻雜到羊肉中進行探測 CDA、PLS、MLR 、 BPNN 準確率達到97% Tian等[19]品假造的 利比亞火腿風味物質(zhì) PCA、ANN 可以區(qū)分出不合格和假產(chǎn)品 Santos等[20]檢測 清真產(chǎn)品中是否摻有豬肉 PCA 可以檢測出摻有豬肉的香腸 Nurjuliana等[21]