智舌高頻正弦包絡(luò)信號(hào)對(duì)椰汁的區(qū)分辨識(shí)研究

吳鳳華，蘭余，麥文鎮(zhèn)，胡曉暉，田師一，鄧少平，*

（1.浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院食品質(zhì)量與安全系，浙江杭州 310035；2.海南椰島（集團(tuán)）股份有限公司，海南?？?570105）

智舌是以金屬裸電極傳感器陣列為基礎(chǔ)，以脈沖伏安法為傳感器激發(fā)與采集信號(hào)，配合多元統(tǒng)計(jì)分析或智能模式識(shí)別系統(tǒng)，是能夠?qū)σ后w樣品進(jìn)行整體品質(zhì)差異區(qū)分識(shí)別的一種新型電子舌系統(tǒng)[1]。智舌的主要功能為利用不同形式的脈沖伏安法，將溶液中的各個(gè)組分在非特異性傳感器陣列上，進(jìn)行各自獨(dú)特的電化學(xué)響應(yīng)，獲得能夠表征溶液整體特征的綜合圖譜。再利用智能模式識(shí)別技術(shù)，模擬生物味覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)樣品整體質(zhì)量差異進(jìn)行評(píng)價(jià)。智舌與傳統(tǒng)分析方法的區(qū)別在于，智舌只能給出不同溶液綜合性質(zhì)的差異性，而無(wú)法明確指出檢測(cè)對(duì)象具體差異的來(lái)源，以及溶液中某種差異組分的濃度。雖然，智舌無(wú)法如同高效液相、氣相等設(shè)備能夠明確給出溶液中具體某些組分的濃度值，但是在紅酒、白酒、乳制品等食品類復(fù)雜體系的質(zhì)量與品質(zhì)控制中體現(xiàn)了良好的應(yīng)用價(jià)值與應(yīng)用潛力[2－7]。

智舌在前期的研究中，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型的脈沖伏安技術(shù)——正弦波包絡(luò)脈沖伏安法，并且實(shí)現(xiàn)了1 Hz、10 Hz以及100 Hz的應(yīng)用，四種基本味物質(zhì)以及紹興黃酒的區(qū)分識(shí)別中呈現(xiàn)了非常好的應(yīng)用能力[8]。本研究在正弦波包絡(luò)脈沖伏安法的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW程序軟件，對(duì)其脈沖頻率進(jìn)行了進(jìn)一步的拓展，實(shí)現(xiàn)了1 000 Hz～10 000 Hz高頻率包絡(luò)信號(hào)的激發(fā)與采集，并且在不同品牌椰子汁的區(qū)分中體現(xiàn)了非常好的應(yīng)用能力，為電子舌在椰汁評(píng)價(jià)研究中的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

氯化鉀（分析純）、酒石酸（分析純）：成都科龍化學(xué)試劑有限公司；谷氨酸鈉（分析純）、安賽蜜（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；椰島椰汁、椰島果肉椰汁：海南椰島股份有限公司；椰樹(shù)椰汁：椰樹(shù)集團(tuán)海南椰汁飲料有限公司；椰林灣椰汁：?？谠３蓪?shí)業(yè)有限公司；華雄椰汁：廣東百森飲料有限公司；海航椰汁：海南海航飲品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

美國(guó)Millpore超純水儀，智舌。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先對(duì)傳感器陣列進(jìn)行研磨膏打磨，然后進(jìn)行電極超聲清洗，之后再進(jìn)行傳感器預(yù)熱。實(shí)驗(yàn)之前對(duì)傳感器用蒸餾水進(jìn)行電化學(xué)清洗，每次檢測(cè)后也需對(duì)傳感器進(jìn)行電化學(xué)清洗，取0.01 mol/L氯化鉀、酒石酸、谷氨酸鈉、安賽蜜溶液各15 mL，倒入智舌專用燒杯中，按照以上順序進(jìn)行6次循環(huán)檢測(cè)。對(duì)于椰島椰汁、椰島果肉椰汁、椰樹(shù)椰汁、華雄椰汁、椰林灣椰汁、海航椰汁等6種樣品檢測(cè)，檢測(cè)方法同上。

2 智舌系統(tǒng)

圖1為本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)構(gòu)建的多頻大幅脈沖智舌的示意圖。該智舌包含6個(gè)工作電極（鉑電極、銀電極、鈀電極、鎢電極、鈦電極、金電極）的傳感器陣列。以1 mm×5 mm鉑柱電極為輔助電極，Ag/AgCl作為參比電極，通過(guò)6通道多頻大幅脈沖信號(hào)激發(fā)采集裝置，使工作電極對(duì)溶液進(jìn)行多頻大幅脈沖伏安法掃描[3－4]。脈沖信號(hào)由0.05 Hz余弦波和1 Hz正弦波復(fù)合而成，形成1 Hz正弦包絡(luò)信號(hào)，正向最大脈沖電位為1 V，負(fù)向最小脈沖電位為－1 V。頻段為1 000 Hz～10 000 Hz，間隔為1 000 Hz。提取響應(yīng)電流信號(hào)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和模式識(shí)別。圖2為0.01 mol/L氯化鉀溶液的信號(hào)激發(fā)和采集示意圖。

3 高頻正弦包絡(luò)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

智舌利用美國(guó)虛擬儀器公司的USB_6251采集板卡作為正弦包絡(luò)信號(hào)的激發(fā)采集模塊，結(jié)合LabVIEW虛擬儀器實(shí)現(xiàn)高頻正弦包絡(luò)信號(hào)。

高頻包絡(luò)信號(hào)的程序框圖如3圖所示，采樣頻率為1 250 000 Hz，即1 s采集1 250 000個(gè)點(diǎn)。而整體信號(hào)激發(fā)頻率是1 000 Hz～10 000 Hz，間隔1 000 Hz，相當(dāng)于10個(gè)波段采集下來(lái)大約需要0.05 s時(shí)間，信號(hào)采集之前有0.2 s等待時(shí)間，整體采集時(shí)間只需要0.26 s。在程序中使用了DAQmx參考觸發(fā)，其作用是配置任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備在觸發(fā)前采樣，模擬信號(hào)達(dá)到指定電壓后，停止數(shù)據(jù)采集。本程序中設(shè)定觸發(fā)信號(hào)為0.01 V，每通道觸發(fā)前采樣1 000個(gè)數(shù)據(jù)，即在信號(hào)為0.01 V之前預(yù)采集1 000個(gè)點(diǎn)。

4 數(shù)據(jù)處理方法

智舌采樣頻率為1.25 MHz，獲取的響應(yīng)數(shù)據(jù)量很大，因此需要運(yùn)用數(shù)據(jù)處理方法從原始數(shù)據(jù)中，提取出能標(biāo)準(zhǔn)溶液特性的數(shù)據(jù)，再利用模式識(shí)別方法進(jìn)行不同物質(zhì)的鑒別與區(qū)分。

4.1特征值提取——傅里葉變換

傅里葉變換是一種經(jīng)典的頻率域分析方法，通過(guò)把時(shí)域信息轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，達(dá)到壓縮、濾除冗余信息，突出主頻信息的效果，使得數(shù)據(jù)分析省時(shí)、高效。對(duì)智舌系統(tǒng)，通過(guò)伏安法得到大量時(shí)域信息的響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信息，得到各個(gè)樣品的特征響應(yīng)頻率譜，方便進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理[9]。

4.2 主成分分析

主成分分析的中心思想是將數(shù)據(jù)降維，以排除眾多電化學(xué)信息中互相重疊的信息，并用少數(shù)幾分新變量來(lái)很好的表征原變量所包含的特征信息，最后主要用主成分得分值來(lái)表征辨識(shí)程度。有關(guān)主成分分析的原理與方法見(jiàn)文獻(xiàn)。其智舌系統(tǒng)采集的信息經(jīng)過(guò)傅里葉變換之后，數(shù)據(jù)只是減少了50%，還是存在大量的冗余信息，因此主要選取包含主頻信息的一定區(qū)間的頻段數(shù)據(jù)[10]。

4.3 DI的計(jì)算

DI值即為辨別值，是辨識(shí)程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，也是判斷區(qū)分能力好壞的主要指標(biāo)，一般附于主成分得分圖上。DI的計(jì)算方式有兩種：

（1）各個(gè)樣品代表區(qū)域都已經(jīng)明確區(qū)分開(kāi)，則：

式中：Si是指單個(gè)樣品的區(qū)域面積；S總則表示的是所有區(qū)域的總體面積。從而得到，DI值越大表示區(qū)分的效果越理想，兩種樣品之間的距離越遠(yuǎn)。

（2）只要有重疊部分存在，則：

式中變量含義如公式（1）。

由公式（1）、（2）可以看出DI值為正且越接近100%則表示區(qū)分效果越理想，DI值為負(fù)說(shuō)明不能完全區(qū)分檢測(cè)樣品，數(shù)值越小區(qū)分效果越差。一般情況下，認(rèn)為DI大于70%～80%為區(qū)分效果非常理想。

5 結(jié)果與分析

5.1 高頻正弦包絡(luò)伏安法對(duì)四種基本味覺(jué)物質(zhì)的區(qū)分辨識(shí)研究

圖4為1 000 Hz～10 000 Hz激發(fā)頻率下0.01 mol/L氯化鉀的掃描圖，圖5為1、10、100 Hz激發(fā)頻率下氯化鉀的掃描圖。兩圖比較可知，低頻條件下，完成一個(gè)電極掃描需要12 s，6個(gè)電極掃描完成一次需要72 s，而在高頻條件下，完成一個(gè)電極掃描需要0.25 s，一次完成6個(gè)電極掃描實(shí)驗(yàn)只需要1.5 s。智舌作為一種快速檢測(cè)儀器，通過(guò)提高儀器的激發(fā)頻率，從而減少實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間，提高其工作效率，符合了現(xiàn)代食品檢測(cè)的快速檢驗(yàn)理念。

利用智舌系統(tǒng)對(duì)0.01 mol/L氯化鉀、酒石酸、谷氨酸鈉、安賽蜜等4種味覺(jué)物質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)與識(shí)別實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法見(jiàn)1.3。提取出原始數(shù)據(jù)，利用matlab軟件，進(jìn)行傅里葉變換，提取出特征值，之后對(duì)所有樣本的特征值進(jìn)行主成分分析，得出主成分得分值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以主成分得分圖和主成分得分值體現(xiàn)，結(jié)果顯示，在1、10、100 Hz條件下DI值均為負(fù)值，而在高頻時(shí)DI值均為正值。表1羅列了所有1、10、100Hz以及1000Hz～10 000 Hz條件下的DI值。圖6（a）為低頻端最優(yōu)區(qū)分效果的主成分得分圖（1 Hz），圖6（b）為高頻端最優(yōu)區(qū)分效果的主成分得分圖（1 000 Hz）。PC1、PC2分別是主成分1和2，括號(hào)中的數(shù)值表示PC1、PC2各占原始特征值信息的百分比。

表1 不同頻率下正弦包絡(luò)信號(hào)對(duì)4種味覺(jué)物質(zhì)檢測(cè)的DI值Table 1 DI value of different frequency sinusoidal envelope signal on different taste substances

結(jié)果表明，1 Hz主成分得分值為－0.49%，1 000 Hz主成分得分值為97.39%。在高頻條件下智舌對(duì)4種味覺(jué)物質(zhì)有較好的區(qū)分辨識(shí)效果。

5.2 高頻正弦包絡(luò)伏安法對(duì)不同品牌椰子汁品質(zhì)差異區(qū)分辨識(shí)研究

研究考察了高頻信號(hào)對(duì)復(fù)雜體系液體類食品品質(zhì)差異的區(qū)分辨識(shí)能力，用市售椰島椰汁、椰島椰肉椰汁、椰樹(shù)椰汁、海航椰汁、華雄椰汁、椰林灣椰汁等6種椰汁進(jìn)一步驗(yàn)證其區(qū)分辨識(shí)能力[11－13]。DI值見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與四種純物質(zhì)類似，正弦包絡(luò)伏安法的高頻端對(duì)樣品整體品質(zhì)差異的區(qū)分識(shí)別能力要明顯強(qiáng)于低頻端。1 Hz～100 Hz低頻端的DI值均為負(fù)值，1 000 Hz～10 000 Hz高頻端的DI值均為正值，并所有值均大于80%。

表2 不同頻率下正弦包絡(luò)信號(hào)對(duì)不同椰汁檢測(cè)的DI值Table 2 DI value of different frequency sinusoidal envelope signal on different coconut

圖7（a）為低頻端最優(yōu)主成分得分圖（1 Hz），圖7（b）為高頻端最優(yōu)主成分得分圖（1 000 Hz）。1Hz條件下主成分得分值為－3.82%，PC1貢獻(xiàn)率為67.11%，PC2貢獻(xiàn)率為17.73%。1 000 Hz條件下主成分得分值為95.65%，PC1貢獻(xiàn)率為 99.42%，PC2貢獻(xiàn)率為0.41%。比較兩者的主成分得分圖，1 000 Hz高頻正弦包絡(luò)脈沖對(duì)椰汁整體品質(zhì)的區(qū)分辨識(shí)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于1 Hz的低頻正弦包絡(luò)脈沖。1 000 Hz高頻正弦包絡(luò)脈沖能夠區(qū)分5個(gè)不同廠家椰汁的品質(zhì)差異性，并且相同品牌椰汁在主成分得分圖上的聚集程度要高于1 Hz低頻正弦包絡(luò)脈沖。相反，對(duì)于1 Hz低頻正弦包絡(luò)脈沖，雖然對(duì)不同廠家之間的椰汁能很好區(qū)分辨識(shí)，但在同一廠家之間兩種不同椰汁區(qū)分效果不好。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究在智舌原正弦包絡(luò)信號(hào)的基礎(chǔ)上，利用Labview虛擬儀器技術(shù)，將正弦包絡(luò)信號(hào)的1 Hz、10 Hz、100 Hz的低頻端，拓展至 1 000 Hz～10 000 Hz的高頻激發(fā)區(qū)。并同時(shí)通過(guò)1.25 MHz的高頻采樣，實(shí)現(xiàn)了高頻正弦包絡(luò)伏安法的激發(fā)與采集。研究利用4種味覺(jué)物質(zhì)以及6種市售不同品牌椰汁產(chǎn)品品質(zhì)差異性的區(qū)分識(shí)別，驗(yàn)證高頻正弦包絡(luò)伏安法的有效性。結(jié)果顯示，高頻正弦包絡(luò)信號(hào)相對(duì)于低頻正弦包絡(luò)信號(hào)更能區(qū)分識(shí)別對(duì)不同品牌椰汁的品質(zhì)差異性，并且還能大大縮短檢測(cè)時(shí)間。高頻正弦包絡(luò)伏安法將有望替代低頻正弦包絡(luò)伏安法應(yīng)用于電子舌信號(hào)的激發(fā)與檢測(cè)當(dāng)中。

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