王 敏，高 凡，張鈞煜，吳 謙，薛瑩瑩，萬(wàn) 浩，王 平

(浙江大學(xué)生物傳感器國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生儀學(xué)院，杭州310027)

食品新鮮度由于與人類健康和生命安全直接相關(guān)而備受關(guān)注。在人們的日常生活中，許多食物通常都會(huì)被儲(chǔ)存在冰箱中來(lái)延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。然而隨著儲(chǔ)存時(shí)間的變長(zhǎng)，冰箱冷藏室(4℃)中的保存的食物也可能會(huì)變質(zhì)，由于冰箱相對(duì)密封的環(huán)境，人們不能及時(shí)察覺(jué)到食物的變質(zhì)。冰箱中的食物腐爛會(huì)導(dǎo)致不必要的食物浪費(fèi)，而食用這些腐敗變質(zhì)的食物更會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的健康問(wèn)題。因此，檢測(cè)冰箱中的食物新鮮度對(duì)我們?nèi)粘Ｉ罹哂兄卮笠饬x。

影響冰箱內(nèi)食物新鮮度的因素有很多，如細(xì)菌、溫度、濕度和儲(chǔ)存條件等。傳統(tǒng)食品新鮮度評(píng)估方法包括感官評(píng)價(jià)方法(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織感官分析)[1]，物理化學(xué)評(píng)價(jià)方法(pH、電子舌、總揮發(fā)性鹽基氮)[2－4]和微生物學(xué)方法(細(xì)菌菌落總數(shù))[5]等。然而，這些食品新鮮度評(píng)價(jià)方法的缺點(diǎn)是操作比較復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)和要求嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。隨著氣體傳感器和模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，電子鼻已經(jīng)成為一種快速、無(wú)創(chuàng)、精確的食品新鮮度評(píng)價(jià)方法。食物儲(chǔ)存在冰箱內(nèi)時(shí)，由于細(xì)菌和酶的作用，食物的成分會(huì)被分解同時(shí)釋放出一些特征氣體。例如，蛋白質(zhì)會(huì)分解成腐胺并進(jìn)一步分解成氨氣，硫化氫和乙硫醇等物質(zhì)；脂肪會(huì)分解成脂肪酸并進(jìn)一步分解成醛；碳水化合物被分解成醇，酮和醛類[6]。Eom等人使用氣體傳感器研究了肉類腐敗過(guò)程中的氨氣濃度變化，來(lái)幫助用戶確定肉類的新鮮度和保質(zhì)期[7]。Abbey等人設(shè)計(jì)了一種電子鼻，通過(guò)檢測(cè)硫化物含量來(lái)區(qū)分蔥屬植物中的香氣特征[8]，對(duì)蔥屬植物的食用特性作出評(píng)價(jià)。水果腐敗過(guò)程產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物，如乙烯，醇，酮，內(nèi)酯和萜類等[9]。徐靜等人使用乙醇傳感器分析了草莓在不同新鮮度時(shí)的氣味變化，這為水果成熟度分析提供了有效工具，并且可能有望替代傳統(tǒng)的感官新鮮度評(píng)價(jià)方法[10]。

目前鮮有報(bào)道研究冰箱中的食品新鮮度。商用電子鼻由于體積大、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)[11]，不適合在日常生活中用于冰箱食品新鮮度檢測(cè)。因此，為了及時(shí)便捷的獲取冰箱內(nèi)的食品新鮮度，本文提出了一種小型化的電子鼻系統(tǒng)，通過(guò)氣體傳感器陣列進(jìn)行食品新鮮度評(píng)估。儲(chǔ)存在冰箱中的食物主要是肉類，蔬菜和水果，根據(jù)之前的研究本文選擇氨氣，硫化氫和乙醇作為食品新鮮度評(píng)價(jià)的特征氣體。通過(guò)與人為感官評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較，使用線性判別式分析LDA(Linear Discriminant Analysis)算法對(duì)冰箱食品新鮮度作出評(píng)價(jià)。同時(shí)選擇了豬肉、韭菜和香蕉作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了初步驗(yàn)證。

1 智能電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 氣體傳感器陣列

考慮到傳感器的穩(wěn)定性，使用壽命和成本[12]，本研究使用三種商業(yè)化金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)傳感器構(gòu)成氣體傳感器陣列。檢測(cè)的目標(biāo)特征氣體包括氨氣，硫化氫和乙醇，使用費(fèi)加羅的三個(gè)氣體傳感器TGS2602，TGS2603和TGS2620，來(lái)測(cè)量目標(biāo)氣體。TGS2602，TGS2603和TGS2620分別對(duì)氨氣、硫化氫和乙醇敏感，在本文中分別用S1、S2和S3來(lái)表示上述三種傳感器。構(gòu)建的傳感器陣列對(duì)目標(biāo)氣體具有較好的選擇性，可以用于冰箱中食品新鮮度的檢測(cè)[13]。雖然食物腐敗時(shí)產(chǎn)生的氣體不僅僅是這三種目標(biāo)氣體，而是一系列復(fù)雜的混合氣體，但是因?yàn)镸OS傳感器的響應(yīng)特性具有廣譜性，即這三個(gè)傳感器不僅會(huì)對(duì)氨氣、乙醇和硫化氫這三種目標(biāo)氣體產(chǎn)生響應(yīng)，也會(huì)對(duì)其他的一些有機(jī)物如三甲胺、乙烯等產(chǎn)生響應(yīng)。所以由這三個(gè)傳感器組成的氣體傳感器陣列，對(duì)不同新鮮度的豬肉、韭菜和香蕉會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)模式，采用合適的模式識(shí)別算法來(lái)提取每次測(cè)試傳感器陣列的響應(yīng)特征，可以達(dá)到區(qū)分食品新鮮度的目的。

傳感器信號(hào)檢測(cè)電路如圖1所示，主要包括傳感器信號(hào)差分電路、信號(hào)放大電路以及低通濾波電路。信號(hào)差分電路是為了消除由于傳感器漂移造成的基線差異，通過(guò)控制D/A輸入值，可以使每次開(kāi)始測(cè)量之前的傳感器基線保持一個(gè)穩(wěn)定值，同時(shí)擴(kuò)大傳感器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍。設(shè)傳感器的輸入電壓為Vs，D/A 的輸入電壓為 VDA，電阻 R1＝R2＝R3＝R4，則可以得出輸出電壓Vout與傳感器輸入電壓Vs之間的關(guān)系式：

在需要基線調(diào)零時(shí)，等待傳感器輸出電壓Vs穩(wěn)定，通過(guò)調(diào)整D/A輸入值，使輸出Vout為零，可以認(rèn)為傳感器輸出的基線穩(wěn)定。對(duì)于MOS氣體傳感器，隨著目標(biāo)氣體的通入，傳感器電阻值Rs減小，輸出電壓Vs增大，從而輸出電壓值Vout變大。而MOS傳感器的Rs與氣體濃度C之間的關(guān)系如下式：

式中：A和α均為常數(shù)，與所需檢測(cè)氣體種類有關(guān)。根據(jù)式(1)和(2)可以得出輸出電壓和氣體濃度之間的關(guān)系。

信號(hào)放大電路通過(guò)調(diào)整可變電阻RADJ的值，可以對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，提高檢測(cè)的精度。最后通過(guò)一個(gè)RC低通濾波電路對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，消除測(cè)量過(guò)程中噪聲的干擾。

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)了一種低成本、便攜式的小型化電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)冰箱內(nèi)冷藏室的食品新鮮度。該電子鼻系統(tǒng)由氣體采樣模塊，傳感器陣列和上位機(jī)軟件組成。通過(guò)微型真空泵抽取冰箱中的氣體，電磁閥實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和清洗氣路的切換；單片機(jī)采集MOS傳感器的響應(yīng)值，并通過(guò)串口將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)；上位機(jī)對(duì)氣體傳感器陣列的響應(yīng)分析，確定食品的新鮮度。電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

圖1 傳感器信號(hào)檢測(cè)電路

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)整體框圖

氣體采樣模塊由三通閥和微型真空泵組成，由單片機(jī)(MCU)控制。氣路包括檢測(cè)和清洗兩條通路，通過(guò)三通閥的開(kāi)閉來(lái)切換不同的氣路。在檢測(cè)期間，三通閥打開(kāi)，冰箱中的氣體被抽入傳感器氣室。檢測(cè)過(guò)程結(jié)束后，三通閥切換，室內(nèi)新鮮空氣被泵入氣室，對(duì)傳感器陣列進(jìn)行清洗，直到達(dá)到傳感器的基線。檢測(cè)模塊采集氣體傳感器陣列的響應(yīng)信號(hào)，并通過(guò)串口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后，數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)一步分析處理。上位機(jī)軟件繪制傳感器隨時(shí)間的響應(yīng)曲線，將冰箱中的食物新鮮度為三個(gè)等級(jí)：新鮮，次新鮮和腐敗。所設(shè)計(jì)的電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)寬高分別為10 cm，10 cm，6 cm。電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)體積很小，故非常適合用于家庭環(huán)境中的冰箱食物新鮮度檢測(cè)。

1.3 電子鼻系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)和下位機(jī)軟件兩部分組成。下位機(jī)通過(guò)串口與上位機(jī)通訊，由STC15W408AS單片機(jī)控制，在Keil for C51平臺(tái)上使用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。下位機(jī)的程序流程圖如圖3(a)所示，主要實(shí)現(xiàn)傳感器陣列控制、傳感器信號(hào)采集、檢測(cè)與清洗氣路的切換等功能。上位機(jī)軟件，采用LabVIEW平臺(tái)編寫(xiě)，用于對(duì)下位機(jī)的采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)傳感器的信號(hào)的顯示、存儲(chǔ)和分析，起到操作者與系統(tǒng)交互的作用。上位機(jī)軟件的界面如圖3(b)所示。

圖3 下位機(jī)軟件流程圖與上位機(jī)軟件界面

1.4 食品新鮮度評(píng)價(jià)

由于冰箱中存儲(chǔ)的食品種類復(fù)雜，不僅食物的種類多，還存在食物的混合放置以及生食熟食等問(wèn)題，為了初步驗(yàn)證電子鼻系統(tǒng)的有效性，提高實(shí)驗(yàn)效率，本文選取了三種代表性的食物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象：豬肉，韭菜和香蕉，對(duì)冰箱中放置單一食品進(jìn)行了測(cè)試。將食物放置在冰箱的冷藏室中(4℃)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)步驟如下所述。

冰箱門(mén)的開(kāi)閉會(huì)使傳感器的響應(yīng)值產(chǎn)生波動(dòng)，因此每次食物測(cè)量期間都保持冰箱門(mén)關(guān)閉。在進(jìn)行每次食物測(cè)量之前，首先使用活性炭吸收冰箱內(nèi)部的異味。當(dāng)開(kāi)始食物測(cè)量之前，先將食物放置在冰箱中1 h，讓食品本身的氣體揮發(fā)并均勻分布在冰箱的冷藏室中。MOS氣體傳感器長(zhǎng)時(shí)間暴露在目標(biāo)氣體中，可能會(huì)出現(xiàn)鈍化失活的現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)降低傳感器的使用壽命。故在每次抽取食物氣體檢測(cè)完成后，抽取室內(nèi)新鮮空氣清洗傳感器陣列。通過(guò)多次試驗(yàn)確定系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間和清洗時(shí)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)15 min冰箱內(nèi)氣體采樣時(shí)間足以使傳感器陣列的響應(yīng)值達(dá)到穩(wěn)定；而45 min的清洗時(shí)間，即使在目標(biāo)氣體濃度較高的狀態(tài)下傳感器陣列也能恢復(fù)到基線。因此，最終的檢測(cè)和清洗過(guò)程所需的總測(cè)量時(shí)間為60 min(采樣15 min＋清洗45 min)?？紤]到冰箱冷藏室中食物的腐敗速度較慢，以一天兩次的實(shí)驗(yàn)頻率記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

為了驗(yàn)證電子鼻對(duì)冰箱食品新鮮度評(píng)價(jià)的可靠性，本文將電子鼻檢測(cè)的結(jié)果與人為感官評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了比較。人為感官評(píng)價(jià)通過(guò)食品的顏色、氣味和質(zhì)地等感官特征來(lái)確定食品新鮮度[14－16]，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。人為感官評(píng)價(jià)相比于其他標(biāo)準(zhǔn)食品新鮮度評(píng)價(jià)方法，具有無(wú)需儀器輔助、便捷、簡(jiǎn)單和快速的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)表1，選取了三名訓(xùn)練有素的感官評(píng)價(jià)人員來(lái)判斷每種食物的新鮮程度，人為感官評(píng)價(jià)的結(jié)果是本研究實(shí)驗(yàn)中食物新鮮度的參照標(biāo)準(zhǔn)[17]。

表1 食品人為感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 傳感器陣列標(biāo)定

每個(gè)商業(yè)化的MOS傳感器都有自己的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，包括檢測(cè)范圍，檢測(cè)下限和對(duì)不同氣體的敏感度，但是食品測(cè)試實(shí)驗(yàn)中實(shí)際使用環(huán)境和出廠標(biāo)定的環(huán)境可能會(huì)存在差異。為了驗(yàn)證MOS傳感器陣列的功能及其對(duì)目標(biāo)氣體的響應(yīng)，使用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)傳感器陣列進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)食品腐敗過(guò)程中產(chǎn)生的特征氣體，本研究擇了氨氣，硫化氫和乙醇?xì)怏w來(lái)測(cè)試傳感器陣列。在每個(gè)濃度下進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)試，以研究傳感器的可重復(fù)性。

圖4 傳感器陣列標(biāo)定曲線

使用氨氣對(duì)傳感器S1進(jìn)行測(cè)量，用高純度氮(＞99.9%)將標(biāo)準(zhǔn)氨氣(1 990×10－6)稀釋成 10 ×10－6，20 ×10－6，30 ×10－6，40 ×10－6和 50 ×10－6；使用硫化氫對(duì)傳感器S2進(jìn)行測(cè)量，用高純度氮將標(biāo)準(zhǔn)硫化氫(54 ×10－6)稀釋 1.08 ×10－6，2.16 ×10－6，3.24 ×10－6，4.32 ×10－6和 5.40 ×10－6；使用無(wú)水乙醇配制標(biāo)準(zhǔn)濃度為 5 ×10－6，10 ×10－6，15 ×10－6，20 ×10－6和 25 ×10－6的酒精，對(duì)傳感器S3進(jìn)行標(biāo)定。傳感器陣列的標(biāo)定結(jié)果如圖4所示，圖4(a)、4(b)、4(c)分別表示對(duì)氨氣、硫化氫和乙醇的響應(yīng)曲線。通過(guò)標(biāo)定曲線可以看出，所設(shè)計(jì)的傳感器陣列對(duì)三種目標(biāo)氣體具有良好的響應(yīng)效果，并且能很好的區(qū)分不同濃度的目標(biāo)氣體。

2.2 食品檢測(cè)

從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)新鮮的豬肉、韭菜和香蕉約100 g～200 g，使用裝滿冰塊的聚乙烯盒將新鮮食品立即運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室。所有的新鮮食品都儲(chǔ)存在冰箱的冷藏室中。實(shí)驗(yàn)所用的冰箱由合肥美菱公司提供。將傳感器陣列的響應(yīng)結(jié)果與感官評(píng)價(jià)小組的判別結(jié)果進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)食物的新鮮度。

2.2.1 肉類貨架期分析實(shí)驗(yàn)

圖5是豬肉在冰箱冷藏室儲(chǔ)存時(shí)，MOS傳感器陣列響應(yīng)峰值隨時(shí)間的變化曲線。新鮮豬肉從當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)購(gòu)買(mǎi)，并儲(chǔ)存在冰箱的冷藏室中(4℃)。將豬肉放置在冰箱冷藏室中，每天記錄2次傳感器陣列的峰值響應(yīng)(早上10：00和晚上22：00，每次測(cè)量間隔12 h)，連續(xù)測(cè)量7天，繪制豬肉在冰箱中儲(chǔ)存時(shí)從新鮮到腐敗狀態(tài)下的響應(yīng)曲線，如圖5所示。同時(shí)感官評(píng)價(jià)小組每天打開(kāi)冰箱，對(duì)食品的新鮮狀態(tài)打分，給出食品的新鮮度劃分。從圖5可以看出，在第2天的時(shí)候，豬肉已經(jīng)變?yōu)榇涡迈r狀態(tài)，第4天豬肉開(kāi)始腐敗。

圖5 豬肉的傳感器峰值響應(yīng)曲線

圖6 韭菜的傳感器峰值響應(yīng)曲線

2.2.2 蔬菜貨架期分析實(shí)驗(yàn)

類似的，對(duì)韭菜進(jìn)行上述相同方案的實(shí)驗(yàn)。繪制出韭菜的傳感器峰值響應(yīng)隨時(shí)間變化曲線，如圖6所示。與豬肉相比，韭菜的腐敗速度相對(duì)較慢。因此，每天只記錄1次傳感器陣列的峰值響應(yīng)(早上10：00)，一共測(cè)試了10天的時(shí)間。韭菜在新鮮狀態(tài)下也有比較濃的韭菜味，所以傳感器S1和S2在新鮮狀態(tài)下得響應(yīng)值也比較高[18]。在冰箱的冷藏室中儲(chǔ)存期間，前3天基本保持新鮮狀態(tài)，而直到第7天韭菜才開(kāi)始腐敗。圖6中新鮮度的劃分是感官評(píng)價(jià)小組給出的識(shí)別結(jié)果。

2.2.3 水果貨架期分析實(shí)驗(yàn)

香蕉的傳感器陣列峰值響應(yīng)曲線如圖7所示，對(duì)在冰箱冷藏室中儲(chǔ)存的香蕉每天測(cè)試2次(早上10：00和晚上22：00，每次測(cè)量間隔12 h)，一共測(cè)試了6 d。與豬肉、韭菜相同，香蕉新鮮度的區(qū)分仍然以感官評(píng)價(jià)小組為標(biāo)準(zhǔn)。香蕉在腐敗過(guò)程中主要揮發(fā)乙烯、乙醇[19]，故傳感器S3(對(duì)酒精敏感)響應(yīng)值變化明顯。

圖7 香蕉的傳感器峰值響應(yīng)曲線

2.3 食品新鮮度識(shí)別分析

為了更加準(zhǔn)確的識(shí)別冰箱中食品的新鮮程度，采用線性判別式分析LDA對(duì)三種食品的新鮮程度做進(jìn)一步的區(qū)分。LDA是有監(jiān)督的學(xué)習(xí)算法，通過(guò)將高維數(shù)據(jù)投射到低維空間，實(shí)現(xiàn)投影后數(shù)據(jù)類與類之間的方差最大，而類別內(nèi)數(shù)據(jù)的方差最小[20]。即投影后希望每一種類別數(shù)據(jù)的投影點(diǎn)盡可能的接近，而不同類別的數(shù)據(jù)的類別中心之間的距離盡可能的大，以達(dá)到抽取分類信息和壓縮特征空間維數(shù)的效果。

圖8 食品新鮮度的LDA判別結(jié)果

結(jié)合傳感器陣列的響應(yīng)與新鮮度人為感官結(jié)果，對(duì)豬肉、韭菜和香蕉三種食物的新鮮度進(jìn)行訓(xùn)練，選擇了傳感器陣列的響應(yīng)基線、響應(yīng)峰值和響應(yīng)時(shí)間作為特征值，采用LDA算法進(jìn)行相應(yīng)的新鮮度判別。食品的三種新鮮度劃分結(jié)果如圖8所示。從LDA識(shí)別結(jié)果可以看出，三種食品新鮮度能得到較好的區(qū)分，但是對(duì)新鮮和次新鮮的區(qū)分仍有部分交叉，但是已經(jīng)能夠基本區(qū)分冰箱內(nèi)食品的新鮮與腐敗狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文提出了一種小型化的智能電子鼻系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)冰箱中的食品新鮮度的無(wú)損、實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過(guò)選擇合適的MOS氣體傳感器陣列，電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)可以測(cè)量氨、硫化氫和乙醇三種目標(biāo)氣體。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，以人為感官評(píng)價(jià)作為食品新鮮度的判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)豬肉，韭菜和香蕉進(jìn)行了單一食品實(shí)驗(yàn)，將識(shí)別結(jié)果與感官評(píng)價(jià)小組比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的小型電子鼻系統(tǒng)可以初步的判斷冰箱中單一食品存儲(chǔ)時(shí)的新鮮度。然而冰箱中儲(chǔ)存的食品環(huán)境復(fù)雜，目前僅選擇了三種代表性的食品進(jìn)行了驗(yàn)證，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，將進(jìn)一步擴(kuò)大食品實(shí)驗(yàn)范圍，建立較為完整的冰箱食品新鮮度識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)。