亚洲中文久久精品无码WW16,亚洲国产精品久久久久爰色欲,人人妻人人澡人人爽欧美一区九九,亚洲码欧美码一区二区三区

電子鼻技術在食品工業領域中的應用

摘 要 文章主要闡述現代電子鼻的重要特征和在食品工業領域中的一些應用實例。說明電子鼻在無損檢測中的優勢，電子鼻系統能夠實現快速、穩定、、現場實時的檢測分析，在分析氣味方面具有其他儀器*的優勢。

關鍵詞 電子鼻 無損檢測 傳感器 PCA LDA 食品工業

前 言

在食品評價中，氣味是一個很重要的指標。氣味是指食品給人嗅覺器官的感覺，而氣味物質是指能夠引起嗅覺反映的物質。引起嗅覺的氣味刺激主要是具有揮發性、可溶性的有機物和一些可揮發的無機物。在食品的研發、和流通過程中，評價食品品質、鑒別雜質、是否變質等主要是依靠有經驗的人員或者GC-MS（氣相色譜-質譜聯用技術）來進行判定。不同的人對同一種氣味有不同的感受，因而就有不同的評價，甚同一個人在不同的環境、不同的情緒時對同一種氣味也有不同的感受和評價，從而使得采用人鼻辨嗅法存在一定的局限性；另外，由于GC-MS 檢測費用昂貴、檢測周期長，與人的嗅覺很難進行科學的、系統的對照。那么究竟有沒有一種快速、穩定的設備能夠達到檢測食品氣味的要求呢？電子鼻技術和電子鼻檢測系統也就應運而生。

電子鼻(Electronic Noses) 是一種模仿生物嗅覺的電子系統，是由多個選擇性的氣敏傳感器和適當的模式分類方法組成的具有識別單一和復雜氣味能力的裝置。“電子鼻”的概念，zui早是1982 年英國Warwick 大學的Persand 和Dodd 教授模仿哺乳動物嗅覺系統的結構和機理，對幾種有機揮發氣體進行類別分析時提出來的。1990 年舉行*屆電子鼻學術會議，對人工智能嗅覺系統的設計及信息處理進行討論[1,2]。正是由于對復雜的樣品具有的檢測和區分識別能力以及較低的使用成本，電子鼻技術廣泛應用工業和環境保護的各個領域，如食品工業、化妝品行業、藥品工業、環境監測與公共安全等，尤其在食品工業領域取得不錯的研究成果。

1 電子鼻的組成與基本原理

電子鼻包含一組用氣敏的生物或者化學材料處理的傳感器陣列，以此來檢測和辨別復雜氣味并形成特征指紋圖。用已知的氣味指紋圖建立數據庫和模型識別系統，為未知的氣味提供分類鑒定的依據。這就是經典的電子鼻概念[3]。

電子鼻模擬人的嗅覺器官，因而其工作原理與人的嗅覺形成相似，也包括 4 個部分：(1) 氣體采樣系統，相當于人鼻的肌肉收縮呼氣吸氣的過程；(2) 傳感器陣列，氣味分子被電子鼻的傳感器陣列吸附，產生信號，這個過程相當于人的嗅覺細胞感知氣味；(3) 主控系統，控制何時采樣、采多少樣、何時清潔傳感器、何時進行下一個分析循環等，這個過程相當于人的大腦對呼吸系統各器官工作狀態的控制； (4) 軟件分析系統，通過測試已知樣品并對有效數據進行提取建立分析模型，然后對未知測試樣品進行有效的判斷，這個過程相當于人的大腦建立嗅覺感官經驗，然后再進行有效的嗅覺感官評判。

1.1采樣系統

采樣系統的主要功能是將被測樣品的揮發性混合物引入到電子鼻檢測系統。采用合適的樣品處理方案可以明顯提高電子鼻的分析質量。同時選擇不同的進樣方式，也需充分考慮被分析樣品的形態、氣體揮發狀態和電子鼻分析所要選擇的分析狀態等。如果盲目的選擇不合適的進樣方式，往往導致雖然得到比較好的實驗結果圖，但與實際的人為感官評價結果相去甚遠，或者所得結論不具有重復再現性。因此是否進行樣品的前處理是經常被忽略，而對電子鼻分析卻是很關鍵的步驟[4]，需引起重視。

開放式直接進樣是一種比較直觀、直接的進樣方式，zui接近于人鼻嗅物體的狀態。可以用于直接環境氣味的監測與分析；也可以是電子鼻采集的氣體量遠小于容器中所存在的頂空氣體量，通過電子鼻采集氣體后不會明顯引起容器內壓力的變化，不會導致樣品揮發氣體狀態的變化的情況下使用。這種進樣方式不需要樣品的嚴格前處理，對采樣過程的環節控制要求也不高，所以不容易出錯，zui接近氣體穩定狀態，所得數據結果也比較平穩，可提取平穩狀態的數據點作為有效數據進行分析處理。

靜態頂空進樣技術是將待測樣品放入密閉容器中平衡一段時間，然后檢測頂空部分的氣體樣。樣品溫度、平衡時間、容器大小和樣品量是影響實驗結果的主要物理參數，需要嚴格控制，否則會導致結果的不準確。靜態頂空進樣分為手動頂空進樣和自動進樣器頂空進樣2 種方式。手動頂空進樣主要是通過手動頂空采樣器（氣體注射器）來控制進樣速度、進樣量等，這種方式比較簡單，進樣過程各環節不易控制，重復性相對低一些，但比較廉價經濟；自動進樣器頂空進樣相比較手動頂空進樣而言，更為科學，過程控制也更嚴格，但自動進樣器比較昂貴，運行成本高，固定的樣品瓶對樣品本身形態有特殊的要求，比較適合液體或粉末狀態的樣品。同時這種進樣方式多采用峰值點法提取有效分析數據，而峰值點法是一個氣體揮發累計效果量，這樣對樣品溫度、平衡時間、樣品量等必須有嚴格的控制。

動態頂空進樣是將待測樣品放入具有進氣口和出氣口的密封容器平衡一段時間，進氣口接（不帶壓或帶正壓）的潔凈空氣或氮氣，出氣口接具有吸氣功能的電子鼻采樣口，電子鼻連續采樣進氣口持續補氣，達到樣品氣體的動態揮發平衡，電子鼻有效監測動態平衡狀態下的氣體狀態，獲取穩定的響應信號數據進行分析。 這種進樣方式對固體、液體樣本都適合，而且接近樣品氣體自然揮發狀態，同時進樣過程需要嚴格控制的環節較少，數據結果相對穩定可靠。

吸附濃縮進樣技術主要為電子鼻的檢測提供一種預濃縮方法，從而大大提高檢出限和靈敏度。主要有熱解析濃縮、吹掃捕集濃縮、固相微萃取濃縮等， 將吸附濃縮的氣態分子經過加熱解吸附后由載氣帶入電子鼻的檢測系統進行分析。這種進樣方式中，吸附劑的選擇、進樣溫度、吸附濃縮時間、氣體流動速度、吹掃時間和加熱解析附溫度等是我們主要的考慮因素。

以上任何一種氣體進樣方式，做具體選擇的時候應該充分考慮樣品的類型和方法的適用性。對于一些需要無損檢測的樣品，比如水果、蔬菜、雞蛋等，就應該在不破壞樣品的情況下進行動態頂空進樣，這樣可以獲得樣品在自然平衡揮發條件下穩定揮發物質的信息。從另外一個角度，對揮發的核心氣體進行預濃縮可以提高儀器分析的檢測下限，同時避免不需要研究的干擾氣體的影響，從而有效提高分析的準確性，找到樣品揮發的核心關鍵指紋氣體。

1.2 檢測系統

傳感器陣列是當今zui為流行的電子鼻檢測系統，它可以將樣品復雜的化學信息轉化為簡單的電信號[5]。根據檢測原理不同，用于電子鼻檢測的傳感器可以分為壓電傳感器、電化學傳感器、光學傳感器等。

壓電傳感器也叫重量或聲波傳感器，基于聲波的傳播，采用石英等壓電材料制作而成。表面聲波 (SAW) 和石英振蕩天平 (QCM) 是這類傳感器中zui為常見的。這類傳感器檢測精度高，性能穩定，但氣體選擇范圍窄，應用領域有限。

電化學傳感器包括電流式、電位式、化學電阻式、電導式等，其中化學電阻式傳感器，如金屬氧化半導體(MOS) 和導電聚合物 (CP) 被廣泛用于制造氣體傳感器陣列。 目前金屬氧化物半導體（MOS）傳感器技術是新興的傳感器技術，具有成熟穩定、數據可靠、重復性強等特點，既可以用于科學研究，又能夠進行指導。

光學傳感器如光感纖維，由于其所*的傳感信號無電磁干擾、噪聲小、電絕緣好、化學穩定性及熱穩定性佳等優點，在電子鼻研究中也越來越引起人們的關注。但是光學傳感器技術目前還不是很成熟，有待進一步的研究。

1.3主控系統

成熟的商業電子鼻一般都具有主控系統，差異在于有的全自動控制，控制環節多、精度高、智能化，保證操作簡便、檢測穩定、維護量少等，而有的只是各部件協調控制，無法實現智能化。對于不成熟的試驗品電子鼻，省去主控系統也是可以工作的，只是可操作性和重復性比較差。

1.4 軟件分析系統

軟件分析系統的核心是聚類區分分析模型的方法和未知樣品識別判定的方法。聚類區分分析模型的方法比較常見的有PCA 主成分分析法、LDA 線性相關分析法、ANNs 神經網絡法等，對于未知樣品識別判定的方法常見的有DFA 區別判定法、EUCLID 歐氏距離法、MAHALANOBIS 馬氏距離法、CORRELATION 相關系數法等，對于量化預測目前也有PLS zui小偏二乘法等，另外有一些輔助性分析方法，如傳感器區分貢獻率分析、統計質控分析等。

2 電子鼻技術在食品工業領域中的應用

食品工業指主要以農業、漁業、畜牧業、林業或化學工業的產品或半成品為原料，制造、提取、加工成食品或半成品，具有連續而有組織的經濟活動工業體系。電子鼻技術在食品工業領域具有廣泛的應用。

2.1 果蔬領域

電子鼻在果蔬領域研發和加工過程中應用相當廣泛。Antihus Hernandez 等[6] 利用電子鼻做番茄成熟度及貯藏時間的研究，從主成分分析( PCA) 和線性判別式分析( LDA) 中得到, 電子鼻可以較好地區分半熟期和成熟期、完熟期的番茄。胡桂仙等[7] 采用電子鼻技術對柑橘成熟度進行無損檢測，建立電子鼻響應值和成熟度之間的關系，證明電子鼻能夠檢測區分不同成熟度的柑橘。

Simona Benedetti 等[8] 用電子鼻區分4 種不同品種的桃子的實驗，并且采用主成分分析( PCA) 和線性判別式分析(LDA) 對桃子成熟期和貨架期進行分析。唐曉偉等[9] 用電子鼻做甜瓜成熟度及風味的研究，建立一種快速準確的判讀不同品種甜瓜的成熟度，改變以往僅通過人為的主觀判斷方式。江琳琳等[10] 利用電子鼻技術做對水蜜桃貨架期的評價，并且通過傳感器貢獻率分析（Loading）得出起主要作用的傳感器，為進一步優化傳感器以及探索方便快捷的無損檢測技術提供依據。

無損檢測是工業發展*的有效工具，在一定程度上反映一個國家工業發展水平，其重要性已得到*。用電子鼻技術對果蔬等食品進行無損檢測，客觀、快捷、重復性好的評估產品的氣味信息，更達到反映產品品質的目的。

2.2 糧油領域

潘磊慶等[11] 使用電子鼻系統對芝麻油中摻入大豆油、玉米油和葵花籽油進行檢測分析，得出電子鼻能夠較好地對芝麻油摻假進行明顯的區分和判定。張紅梅等[12] 用電子鼻對5 個陳化年限的小麥進行檢測，結果顯示能夠對5 個年限的小麥進行很好的區分。宋偉等[13] 采用電子鼻系統對不同儲藏條件下的糙米進行分析檢測，通過對傳感器響應值進行PCA、LDA 方法分析，得出不同條件的規律和差異，并且存在交互作用。目前，電子鼻技術應用到糧油儲藏和摻假鑒別的檢測還沒有形成標準化。糧油是關系到我國國計民生的重要研究課題，如果能夠實現現場快速檢測、現場準確鑒別，那樣無疑將加速我國糧油儲藏和加工科技基礎標準化進程。葉盛等[14] 基于電子鼻系統做水稻蟲害信息快速檢測方法的研究，結果表明，利用電子鼻檢測是否發生病蟲害和預測蟲害程度是可行的。得出蟲害程度和種類，就能夠實現有的放矢，究竟選擇何種農藥和農藥的使用劑量都可依照 電子鼻的數據來進行實際的操作。

2.3 畜產品領域

Benedetti 等[15] 使用商品的電子鼻檢測并確定傳統軟質奶酪的貨架期。運用PCA、LDA 分析方法將2 種不同儲藏溫度的奶酪很好的分為新鮮的、成熟的和非常成熟的三大類，與理化指標結果一致。為驗證LDA 分類模型的準確性，作者還買新一批商品奶酪加以驗證，實驗結果同樣和電子鼻結論吻合。Dutta 等[16] 用基于金屬氧化物傳感器的電子鼻系統分析新鮮雞蛋的不同變化階段。作者分別針對蒸煮氣味、氨氣、硫化氫和有機溶劑，對雞蛋做2種處理，一種是蛋殼無損檢測，另外一種是蛋殼破損。實驗結果使用不同的圖形表示出雞蛋的新鮮程度，很明顯的分為3 個不同的階段，達到95% 的準確率，為商業應用提供參考價值。S. Limbo 等[17] 采用電子鼻技術做牛肉的貨架期檢測和不同儲藏條件的分析，得出對腐爛牛肉品質評價的電子鼻指紋圖譜的模型，并且得到*的儲藏牛肉的溫度和添加劑使用量和條件。郭奇慧等應用電子鼻檢測系統，對酸奶的貨架期[18]、原奶的氣味[19]、純奶的貨架期[20]、冰激凌的儲藏[21]、干酪的成熟期[22] 等進行研究。

徐亞丹等[23，24] 對牛奶摻假進行研究。電子鼻系統應用到乳制品行業中，實現從研發、到儲藏和流通環節，達到快速判定、現場鑒別的目的。在豬肉的貯藏過程中，由于酶和細菌的作用，這些成分會發生分解變化， 產生氣味；隨著豬肉的新鮮度的降低，變得越來越濃烈。國內浙江大學洪雪珍等[25] 人嘗試使用電子鼻捕捉豬肉在儲藏過程中的氣味變化規律，很好地對豬肉貨架期進行預測。利用LDA 研究樣品區分效果，結果發現，除儲藏2d 和3d的數據有部分重合外，其余都能很好區分開；另外，使用逐步判別分析和 BP 神經網絡對豬肉儲藏時間進行預測訓練集的準確率，前者為 100%，后者為 94.17%，而預測集

的準確率，前者為97.92%，后者為93.75% 。

劉明等[26] 應用電子鼻技術檢測雞蛋貨架期新鮮度變化。完好的雞蛋散發的氣味是很小的，電子鼻的檢測限能夠達到ppm 。通過對貨架期內的雞蛋進行無損檢測，建立不同貨架期氣味和雞蛋哈夫單位等級的對應關系，為建立和利用電子鼻監控雞蛋新鮮度的方法提供實驗基礎和理論依據。

隨著電子鼻技術在畜產品領域廣泛的應用，現場取樣、鑒別和判定，勢必會提高分析和檢測效率，達到快速、地分析和解決問題，使畜產品工業快速的發展。2.4 其他領域

電子鼻技術在茶葉、香精香料、飲品、微生物、水產品等方面也有應用。S. Limbo 等[27] 應用電子鼻系統做歐洲海鱸新鮮度、保質期和儲藏條件的研究，得出*的儲藏條件和保質期，并且提供給消費者購買歐洲海鱸*的時間。李德茂等[28]做電子鼻在醬油識別中的研究，對9 種醬油產品的氣味進行識別和區分，得出不同品種之間的氣味差異明顯，完夠進行區別和判定。并通過Loading（傳感器貢獻率分析）分析，得出其主要區分作用的傳感器類型。于慧春等[29] 利用電子鼻對龍井茶葉等級進行判定，通過PCA 和LDA 分析方法，以及經典的歐式距離、馬氏距離、DFA、相關性判定方法，對未知的龍井茶進行等級判定，總的測試回判率可達90%。L. Piazza 等[30] 采用電子鼻分析和檢測技術做食品垃圾肥料的研究，電子鼻作為一種創新的工具，取得突破的進展。龐林江等[31] 做應用電子鼻檢測香菇中的甲醛，對香菇中的甲醛含量進行快速辨別檢測，識別正確率達90% 以上。

3電子鼻在食品感官檢測中的應用進展

3.1在食品品質檢測中的應用

對不同酒類進行區分和品質檢測可以通過對其揮發物質的檢測進行。傳統的方法是采用組進行評審,這種方式需要有訓練有素的,需要付出高昂的費用,而且容易受到主觀因素、身體狀況和環境條件的影響,客觀性不夠。也可以采取化學分析方法,如采用氣相色譜法(GC) 和色譜2質譜聯用技術( GC2MS) ,

雖然這種方法具有高的可靠性,但處理程序復雜,耗費時間和費用。因此需要有一個更加快速、無損、客觀和低成本的檢測方法。Guadar2rama 等[32 ] (2000) 對2 種西班牙紅葡萄酒和1種白葡萄酒進行檢測和區分。為了有對比性,他們同時還檢測了純水和稀釋的酒精樣品。他們的電子鼻系統采用6 個導電高分子傳感器陣列,數據采集采用t est point TM軟件, 模式識別技術采用PCA 方法,在mat lab v412 上進行,同時他們對這些樣品進行氣相色譜分析。結論是電子鼻系統可以*區分5 種測試樣品,測試結果和氣相色譜分析的結果一致。

茶葉的揮發物中包含了大量的各種化合物,而這些化合物也很大程度上反映了茶葉本身的品質。Ritaban Dut ta 等[33 ] (2003) 對5 種不同加工工藝(不同的干燥、發酵和加熱處理) 的茶葉進行分析和評價。為了更好地得到揮發性

化合物,他們采用在5L 的容器中放入10mg 的茶葉樣品,加入200 mL 的60 ℃開水,用電子鼻檢測其頂部空間的空氣樣品。電子鼻由費加羅公司的4 個涂錫的金屬氧化物傳感器組成,數據采集和存儲用LabVIEW 軟件,數據處理用PCA、FCM 和ANN 等方法。結論是,采用RBF 的ANN 方法分析時,可以100 %地區分5 種不同制作工藝的茶葉。

Sullivan 等[34 ] (2003) 用電子鼻和GC2MS分析4 種不同飼養方式(一般的飼料和在飼料中添加鐵和硫酸鹽、添加VE 和鐵、添加VE 和醋酸鹽) 的豬肉在加工過程中的氣味變化,所有數據采用unscrambler version 716 軟件進行處理。同時邀請了8 位進行評審。得到的結論是,電子鼻不僅可以清晰地區分不同飼養方式的豬肉,也可以評價豬肉加工過程中香氣的變化。為了確定電子鼻檢測是否具有再現性,他們把樣品在不同時期和不同的實驗室進行重復試驗,結論是電子鼻分析具有很好的重復性和再現性。

3.2　在食品成熟檢測和新鮮度檢測中的應用

水果所散發的氣味能夠很好地反映出水果內部品質的變化,所以可以通過聞其氣味來評價水果的品質。然而人只能感受出10 000 種的氣味,特別是在區分相似的氣味時,人的辨別力受到了限制。水果在貯藏期間,通過呼吸作用進行新陳代謝而變熟,因此在不同的成熟階段,其散發的氣味會不一樣。糖度、p H 值和堅實度等是水果成熟度的標志之一,而這些指標都要進行有損檢測獲得。Oshita 等[35 ](2000) 將日本的“La France”梨在不成熟時侯進行采摘,然后將它們分成3 組,第1 組在4 ℃下貯藏115 d(未成熟期) ;第2 組在4 ℃下貯藏115 d 后,在30 ℃下放置1 d(成熟期) ;第3 組在4 ℃下貯藏115 d 后,在30 ℃下放置5 d ( 完熟期) 。用32 個導電高分子傳感器陣列的電子鼻系統進行分析,采用non2linear mapping 軟件進行數據處理。同時用化學分析方法、GC 和GC2MS 對3 個不同階段的梨進行分析。結論是電子鼻能夠很明顯的區分出3 種不同成熟時期的梨,并且同其他分析方法的結果有很強的相關性。

傳統魚肉的新鮮度評價可以通過電流計生物傳感器來測定胺或用酶反映來測定。這些方法在實際檢測中不是很方便。O’Connell 等[36 ](2001) 采用11 個費加羅公司產涂錫金屬氧化物傳感器陣列構成的電子鼻系統來評價和分析阿根廷鱈魚肉的新鮮度。他們從同一個市場得到新鮮的阿根廷鱈魚肉后,切成20～60 g 不同質量的魚片,放入冰箱內貯藏。每次試驗都從冰箱內取樣品進行分析。得到的結論是,電子鼻可以區分不同貯藏天數的魚肉,不同質量的魚肉樣品對電子鼻評價其新鮮度影響無關。

4 結論與展望

電子鼻技術得到很大程度的發展正是得益于其靈敏度高、操作簡便、實驗成本耗材低、無需復雜樣品前處理、檢測速度快、與人們感官數值相吻合、現場檢測性、數據實時性等優勢。因此，電子鼻必將慢慢走進我們的日常生活，作為實驗室常規的分析手段之一，是幫助我們研究任何與氣體有關的問題的理想設備。

隨著食品工業各個領域形成電子鼻檢測技術標準化，快速、穩定、現場實時的電子鼻檢測技術將得到更加廣泛的應用。