人眼可以區(qū)分數(shù)百萬種顏色,人耳可以聽出50萬種音調(diào),而與人類的嗅覺能力相比,這都有些遜色。早在2014年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),人鼻可以區(qū)分1萬億種氣味。對于視覺系統(tǒng),科學(xué)家開發(fā)出了機器視覺;對于聽覺系統(tǒng),科學(xué)家研發(fā)了語音識別。那是否存在一種可能性,制造一套人工嗅覺系統(tǒng)呢?
新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)的研究人員通過模仿哺乳動物的嗅覺系統(tǒng),發(fā)明了人工“電子鼻”,可準確評估肉類的新鮮度。實驗數(shù)據(jù)顯示,“電子鼻”檢測準確率高達至98.5%,而傳統(tǒng)檢測方法只有61.7%。
該研究成果由NTU聯(lián)合中國江南大學(xué)以及澳大利亞莫納什大學(xué)共同完成,并于10月發(fā)表在科學(xué)雜志《先進材料》上。
食物中毒幾乎是人人都有過的經(jīng)歷。因為食用了被污染的食物,患者往往會上吐下瀉。其致病機理是食物中的細菌或者病毒進入人體腸道后大量繁殖,導(dǎo)致腸道感染。食品安全至關(guān)重要,其中關(guān)鍵的一環(huán),就是保證食材的新鮮度,即準確對其新鮮度進行評估。
“準確”不意味著嚴格,而是適中。消費者因為懷疑存儲在冰箱內(nèi)的肉類變質(zhì)而丟棄,會造成大量浪費;另一方面,在不知情的情況下食用變質(zhì)食物則有害健康。“人工鼻”項目負責人,NTU材料科學(xué)和工程學(xué)院陳曉東教授介紹了當前主流肉類檢測方法的弊端。
哺乳動物嗅覺系統(tǒng)VS.人工嗅覺系統(tǒng)
目前,測定肉類采用的是揮發(fā)性鹽基氮法。在肉類長時間放置過程中,由于酶和細菌的作用,蛋白質(zhì)、脂肪和糖類被分解、變質(zhì),一系列堿性含氮的有毒物質(zhì)如酪胺、組胺、尸胺等胺類被釋放出來。通過檢測這類物質(zhì)的量,進而反推肉類的新鮮度。該方法主要的弊端在于,需要特定的儀器進行檢測,其使用不便,檢測復(fù)雜。這意味著只能由政府相關(guān)部門、相關(guān)人員,使用儀器在特定的環(huán)境和場合進行檢測,效率低、可使用場景少,還存在測不準的問題。
為了克服這些弊端,陳曉東等人基于哺乳動物嗅覺系統(tǒng)的工作原理,研發(fā)了“電子鼻”。
首先,要理解哺乳動物嗅覺系統(tǒng)的工作原理。對于哺乳動物來說,嗅覺系統(tǒng)起作用要從鼻子吸入氣體開始。氣體接觸到包含有多種嗅覺感受器的嗅覺上皮細胞,這些嗅覺感受器對很多范圍的氣體分子呈現(xiàn)親和性,之后嗅覺神經(jīng)將感受器激活成電信號,傳到給嗅球,再經(jīng)過嗅球傳遞,直到大腦,最終識別氣體并決定氣體濃度。
總的來說,哺乳動物嗅覺系統(tǒng)運轉(zhuǎn)可以分成兩部分,一是感受器接觸氣體,此時形成的神經(jīng)信號像是氣味指紋,必須經(jīng)過解讀才能得到結(jié)果。第二步則是信號通過神經(jīng)傳遞給大腦,對氣氛指紋做出解讀。
用更加專業(yè)的詞匯來說,模仿哺乳動物的嗅覺系統(tǒng),需要復(fù)制兩個功能:交叉反應(yīng)傳感和氣味指紋模式識別。
這恰好也對應(yīng)了“電子鼻”的兩個組成部分:條形碼和閱讀器。前者放置于肉類周圍,條形碼因為肉類中的不同濃度的揮發(fā)性氣體而產(chǎn)生變色;后者是“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”,用以解讀變色的條碼,給出新鮮度結(jié)果。
這兩個部分哪個更為關(guān)鍵?陳曉東坦言:“電子鼻識別肉類新鮮度之所以比傳統(tǒng)方法準確度高,并不是因為我們檢測了更多種類的氣體,而是對變色條碼的解讀更精確。”這也就意味著,該電子鼻技術(shù)的核心,是一個精確解讀變色條形碼信息的一套算法。
“條形碼”由20種不同類型的殼聚糖、染料和醋酸纖維組成的多空納米復(fù)合材料構(gòu)成。當其置于待測肉類之上,條碼中的鹵素染料根據(jù)氣體類型和濃度發(fā)生交叉反應(yīng),顯示出彩色條形碼(氣味指紋)。
“五彩斑斕”的條形碼形成的氣味指紋
比如,在條形碼上第一條帶上,有一種叫溴百里酚藍(BPB)的染料,當遇到微生物降解蛋白質(zhì)產(chǎn)生的生物胺,其羥基基團分裂,可見色從黃色變成藍色。當暴露在不同濃度的氣體中時,條碼的每一條都會有不同顏色或顏色范圍。
設(shè)計條形碼與肉類揮發(fā)氣體反應(yīng)并不困難,困難的是面對千變?nèi)f化的變色條碼,應(yīng)該如何解讀。設(shè)想人的嗅覺系統(tǒng),當聞到肉類散發(fā)出的臭味,就能判斷已經(jīng)變質(zhì),如果味道弱一些,就能判定不新鮮。那“電子鼻”應(yīng)該如何判斷呢?
陳曉東等人使用機器學(xué)習方法訓(xùn)練條形碼“閱讀器”,直到系統(tǒng)能準確根據(jù)條形碼判斷新鮮度為止。
首先,要訓(xùn)練系統(tǒng),必須要給出一個標定后的準確結(jié)果。他們使用國際標準,為肉類的新鮮程度分類:新鮮、不新鮮和變質(zhì)。每一種分類都會對應(yīng)一組揮發(fā)性氣體含量范圍。
之后,研究人員將條形碼粘在透明聚氯乙烯(PVC)肉類包裝薄膜上,并朝向外側(cè),但是不接觸肉制品。然后將該樣品置于25℃環(huán)境中,在不打開包裝的情況下,使用智能手機拍攝條形碼圖像。最終,他們得到了4161張肉類圖像,并隨機分成兩組:一組有3475張,用來訓(xùn)練模型;另一組686張用來測試。
識別條形碼的模型使用的是深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(DCNN)。電子鼻經(jīng)過訓(xùn)練后,用686張圖像測試,讓系統(tǒng)判斷該條形碼對應(yīng)的肉類屬于新鮮、不新鮮或者變質(zhì),準確度高達98.5%。
這種新型“電子鼻”,在肉質(zhì)新鮮度檢測上,真正做到了便攜、準確和無損。陳曉東介紹,在此之前,類似的電子鼻存在的問題往往是過于笨重,例如拖著長長的電源線?;蛘呤菣z測條件苛刻,某些電子鼻傳感器在高溫下才能工作。而他們研發(fā)的新型電子鼻,只需要一張條形碼,和一部智能手機即可。操作人員拍下條形碼,使用專門開發(fā)的APP上傳圖片,接入云端的分析系統(tǒng),快速得到結(jié)果。