淺談電子鼻在食品檢測中的應(yīng)用

安 瑜 張敏娟

陜西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，西安 710054

淺談電子鼻在食品檢測中的應(yīng)用

安 瑜 張敏娟

陜西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，西安 710054

本文簡單介紹了電子鼻的結(jié)構(gòu)及原理，并對電子鼻在近年來食品檢測中的應(yīng)用研究進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)介紹了它在谷物、肉品、乳品、果蔬檢測中的應(yīng)用，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

電子鼻；原理； 檢測；應(yīng)用

electronic nose principle detection application

目前，電子鼻技術(shù)作為一種新穎的檢測復(fù)雜風(fēng)味的儀器受到各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，電子鼻技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用也有一定研究，應(yīng)用電子鼻可以對食品的風(fēng)味、品質(zhì)、質(zhì)量等進(jìn)行快速檢測，并且可以結(jié)合相關(guān)軟件進(jìn)行食品的貨架期預(yù)測模型、氣味指紋模型等。因此，研究電子鼻在食品檢測中的應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。

1. 電子鼻及其原理簡介

電子鼻（Electronic Nose）是一種新型的識別、分析及檢測復(fù)雜風(fēng)味化合物和大多數(shù)揮發(fā)性物質(zhì)的儀器。與傳統(tǒng)化學(xué)分析儀器不同，電子鼻得到的不是待檢測樣品中某幾種成分的定性及定量結(jié)果，而是樣品中揮發(fā)性組分的整體信息（指紋數(shù)據(jù)）, 它可以根據(jù)各種不同的氣味測定不同的信號，并與已建立數(shù)據(jù)庫中的信號進(jìn)行比較、識別和判斷，具有相似于鼻子的功能。[1]

電子鼻主要有氣體傳感器陣列、信號處理系統(tǒng)和模式識別系統(tǒng)三個組成部分。不同的傳感器對不同氣體的響應(yīng)譜是不同的，電子鼻系統(tǒng)能根據(jù)傳感器的響應(yīng)譜來對不同氣體進(jìn)行識別。其工作原理（圖2）是模擬人和動物的嗅覺器官對氣體進(jìn)行感知、分析和判斷。圖1 比較了電子鼻與人嗅覺的不同。

圖1 電子鼻與人嗅覺的比較[2]

電子鼻工作時首先是氣敏傳感器感受氣體分子并與之相互作用引起傳感器本身性質(zhì)的變化，這種變化被信號處理系統(tǒng)接收，然后做相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并通過模式識別器、智能解釋器等的處理最后輸出結(jié)果。

電子鼻中，模式識別相當(dāng)于動物和人類的神經(jīng)中樞，它運(yùn)用一定的算法完成氣味或氣體的定性、定量識別。目前常用的模式識別方法有統(tǒng)計(jì)模式識別方法(如主成分分析法、最小二乘法)，智能識別(如誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)等方法。[3]

2. 電子鼻在食品檢測中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的食品檢測中，很多時候都需要用到人的鼻子，例如對酒類的品評，這些傳統(tǒng)方法主觀性強(qiáng)、重復(fù)性差，另外，人的嗅覺對氣味會產(chǎn)生適應(yīng)性并導(dǎo)致嗅覺疲勞，會影響分析結(jié)果。由于電子鼻不受人的主觀性的影響，且不易出現(xiàn)疲勞，在進(jìn)行一定時間的模式學(xué)習(xí)之后，對食品質(zhì)量檢測的準(zhǔn)確性可大大提高。電子鼻的這一系列的優(yōu)點(diǎn)使其被廣泛應(yīng)用到食品檢測中。

2.1 電子鼻在谷物檢測中的應(yīng)用

谷物在儲藏過程中會出現(xiàn)陳化、霉變等變化。常用的鑒別方法均有一定缺點(diǎn)，如檢驗(yàn)結(jié)果差異不明顯，檢驗(yàn)周期長等。因此，需要開發(fā)一種快速、準(zhǔn)確的方法對谷物陳化度及霉變進(jìn)行檢測。

谷物在儲藏過程中會產(chǎn)生一些揮發(fā)性物質(zhì)，主要是一些羰基化合物，如酮類、醛類和其它化合物。[4]可通過電子鼻對這些揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測進(jìn)而推斷出谷物的儲藏年限。張紅梅研究了電子鼻在小麥儲藏年限檢測中的應(yīng)用，[5]對傳感器信號進(jìn)行方差分析和Loading分析，使用優(yōu)化后的傳感器陣列進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示此方法可以很好地區(qū)分5個不同年份的小麥。另外，鄒小波研究了電子鼻在檢測谷物霉變中的應(yīng)用[6]，通過電子鼻分析所測谷物的氣味，從而快速、準(zhǔn)確地判定所測谷物是否霉變。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)檢測方法相比，該電子鼻裝置可以更方便、快速、客觀的檢測霉變谷物。

圖2 電子鼻工作原理圖[2]

2.2 電子鼻在肉品檢測中的應(yīng)用

肉品質(zhì)量評價中，氣味是其中很重要的指標(biāo)，傳統(tǒng)檢驗(yàn)是人的鼻子起主要作用，鑒于人鼻子有主觀性及重復(fù)性差等一些缺點(diǎn)，電子鼻在肉類檢驗(yàn)中可發(fā)揮很大作用。

通過電子鼻對肉類氣味的分析，進(jìn)而對其新鮮度、分級進(jìn)行判斷。電子鼻可以用來檢驗(yàn)肉類的腐敗變質(zhì)，在生產(chǎn)線上進(jìn)行連續(xù)檢驗(yàn)，判斷肉類產(chǎn)品的成熟期，檢測肉類的摻雜摻偽，對肉類進(jìn)行分級等。Bourrounet等人用電子鼻對小牛肉進(jìn)行等級評定和分析。他們將不同貯藏時間的小牛肉劃分為不同等級，利用電子鼻對這些小牛肉的揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測，依據(jù)自組織映射網(wǎng)絡(luò)(Self-organizing Map，SOP)對樣品的檢測結(jié)果進(jìn)行分析，得到的等級評定結(jié)果與貯藏時間一致[7]。Hansen等人使用電子鼻對加過程工中肉制品產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體成分進(jìn)行在線分析，以此來評價肉品的質(zhì)量。這種檢測方式快捷、方便，能在生產(chǎn)早期就檢測到肉品的質(zhì)量問題，從而減少經(jīng)濟(jì)損失。[8]

2.3 電子鼻在乳品檢測中的應(yīng)用

由于乳品是一個非常復(fù)雜的體系，電子鼻在乳品檢測中主要是用來區(qū)分乳制品的風(fēng)味、評價乳制品的質(zhì)量等。

電子鼻對乳品儲藏過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體成分具有的響應(yīng)值與乳品中產(chǎn)生的微生物數(shù)量具有一定的相關(guān)性，可以由此判斷乳品的貨架期。Labreche等人通過電子鼻來確定乳制品的貨架期。結(jié)果表明，電子鼻測定的結(jié)果可用于確定乳制品的貨架期和控制乳制品的新鮮度。用儀器對乳品揮發(fā)性成分分析的同時，記錄樣品中的菌落總數(shù)。將微生物數(shù)量的變化與電子鼻的檢測結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)微生物數(shù)量的變化與指紋傳感器檢測結(jié)果存在相關(guān)關(guān)系。因此，電子鼻可以用于乳品中的微生物數(shù)量的檢測和乳品貨架期的預(yù)測。[9]高大啟等人對電子鼻改進(jìn)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)的電子鼻由檢測盒、溫度調(diào)節(jié)杯和個人計(jì)算機(jī)組成。結(jié)果表明，電子鼻能較好的對不同風(fēng)味和濃度的乳制品進(jìn)行同步檢測。[10]

2.4 電子鼻在果蔬質(zhì)量品評中的應(yīng)用

電子鼻作為一種無損、快速的檢測方法，在果蔬質(zhì)量檢測中也有較多應(yīng)用。主要集中在果蔬儲藏時期的檢測、貨架期模型的預(yù)測等。

胡桂仙，王俊等利用電子鼻PEN2系統(tǒng)對不同儲藏方式及時問下柑橘芳香成分進(jìn)行檢測分析。試驗(yàn)先通過電子鼻系統(tǒng)動態(tài)采集柑橘芳香成分并得到電子鼻的響應(yīng)值，再利用PCA、LDA等模式識別方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，LDA方法能更好區(qū)分不同儲藏時間的柑橘，表明利用電子鼻能夠無損檢測區(qū)分不同新鮮度的柑橘，同時采用Loadings分析方法可以得知在檢測中起主要作用的幾個傳感器，這為進(jìn)一步優(yōu)化傳感器以及探索方便快捷的柑橘無損檢測技術(shù)提供了依據(jù)。[11]張曉華用電子鼻分析了四個早、中、晚熟品種蘋果的采收期和貨架期，并探討了原料品種、采收期和儲藏期對果汁品質(zhì)的影響，同時采用傳統(tǒng)的果實(shí)成熟度判定方法—理化指標(biāo)法及香氣檢測方法—?dú)赓|(zhì)聯(lián)機(jī)法來進(jìn)行對比分析，以準(zhǔn)確、全面地評價蘋果的質(zhì)量。[12]

3. 電子鼻的應(yīng)用前景

電子鼻技術(shù)的長處在于對香氣成分的定性分析，在用分析儀器對食品進(jìn)行質(zhì)量評價時，人們不僅想得到其理化指標(biāo)，更多時候想得到其感官指標(biāo)，這時電子鼻就可發(fā)揮巨大作用。另一方面，電子鼻正朝著智能化的方向發(fā)展，電子鼻與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相結(jié)合，在對專家樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)之后就可給出較接近人的感官評價的結(jié)果。目前電子鼻技術(shù)的應(yīng)用主要受到氣敏傳感器靈敏度、制造工藝以及數(shù)據(jù)處理等方面的限制，且電子鼻的檢測結(jié)果與人們的期望還存在一定的差距。但是，將電子鼻用于食品工業(yè)的時機(jī)已經(jīng)成熟，將會有越來越多的新型電子鼻應(yīng)用于食品工業(yè)。

[1] 黃駿雄，田莉娟. 新穎的仿生檢測技術(shù)—電子鼻. 現(xiàn)代儀器使用與維修，1999（1）:6～10

[2] 畢麗君，高宏巖. 電子鼻（EN）及其在多領(lǐng)域中的應(yīng)用. 醫(yī)學(xué)信息，2006，7（19）

[3] 陳曉明，李景明，李艷霞，倪元穎. 電子鼻在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展. 傳感器與微系統(tǒng)（Transducer and Microsystem Technologies），2006，4（25）:8～11

[4] 展海軍，李建偉，司學(xué)芝，等. 小麥陳化指標(biāo)的研究綜述. 糧食與飼料工業(yè)，2003，(4):8～9

[5] 張紅梅，王俊. 電子鼻傳感器陣列優(yōu)化及其在小麥儲藏年限檢測中的應(yīng)用. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，12（22）:164～167

[6] 鄒小波，趙杰文. 電子鼻快速檢測谷物霉變的研究. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20（4）:121～124

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[10] Gao Daqi，Chen Wei. Simultaneous estimation of odorclasses and concentrations using an electronic nose with function approximation model ensembles[J]. Sens Actuators B，2006，in press

[11] 胡桂仙，王俊，海錚，王小驪. 不同儲藏時間柑橘電子鼻檢測研究. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2006，18（6）:458～461

[12] 張曉華. 電子鼻技術(shù)與傳統(tǒng)檢測方法在蘋果質(zhì)量研究中的應(yīng)用. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007

The basic principles and configuration of the electronic nose are described. Their applications in the food industry are discussed in the paper.Furthermore, their applications in the quality evaluation of corn, meat, milk and fruit are gone into details. The foreground of the electronic nose was talked at last.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.18.060