電子鼻/舌在酒類品質檢測中的應用研究進展

丁興林，張宇林*，周紅標（淮陰工學院自動化學院，江蘇淮安223003）

電子鼻/舌在酒類品質檢測中的應用研究進展

丁興林，張宇林*，周紅標
（淮陰工學院自動化學院，江蘇淮安223003）

隨著生活水平的提高，酒類的品質問題一直受到人們的密切關注。電子鼻、舌是模仿哺乳動物嗅覺和味覺而制成的智能檢測儀器，與模式識別算法相結合，可用于酒類品質檢測。該文主要是對目前電子鼻、舌在酒類品質檢測中的應用研究展開了綜述，并對電子鼻、舌今后的研究前景進行了展望。

電子鼻；電子舌；酒類；品質

隨著人們物質生活水平的提高，食品質量問題一直受到消費者們的關注，其中酒類品質更是被人們重視。目前，對于酒類品質檢測的手段有人工感官法、化學法和電子技術（電子鼻、舌）法。所謂人工感官法，靠的是人的嗅覺和味覺，通過聞酒類產品散發(fā)出的氣味或是品嘗酒類產品的味道而做出判斷，但由于人是感性動物，易受周圍環(huán)境和情緒變化的影響，使得嗅覺和味覺出現(xiàn)“疲憊”的狀態(tài)，檢測結果可能就會受到人的誤判。而化學法一般需借助于化學儀器設備，但這些設備因價格昂貴、體積較大、檢測耗時等因素而沒有被廣泛使用，而且化學法一般是對樣品的定性或定量分析，只能檢測到樣品含有一種或幾種化學成分，不能代表對象的整體綜合信息。電子鼻、舌技術正是在這種檢測不足的情況下產生的，因其價格低廉、檢測快捷、重復性好、適應性強和檢測范圍廣而得到使用［1-6］。

1　電子鼻、舌的工作原理

電子鼻是指模仿人和動物的嗅覺機制而制成，能快速準確識別復雜氣味的智能設備。電子鼻是在20世紀90年代召開的電子鼻專題會議上由GARDNER J W［7］提出。其組成通常包括氣敏傳感器陣列、數據處理和智能識別3部分［8-10］，在對酒類進行檢測的時候，氣敏傳感器陣列中的傳感器會與酒類散發(fā)出的氣味發(fā)生物理化學反應，產生模擬信號，再由信號處理單元處理、放大和將模擬量轉化為數字量，最后經過模式識別環(huán)節(jié)檢測結果。

在電子鼻體系中，氣敏傳感器陣列處于電子鼻的中心地位，氣敏傳感器陣列中不同的傳感器對部分氣體擁有選擇性，因此將不同的氣敏傳感器進行組合可以檢測酒類品質的整體信息，也就是可以“聞”出酒類品質。氣敏傳感器的分類主要是根據其選擇的敏感材料的不同，目前可將氣敏傳感器分為4類［11-12］：（1）金屬氧化物型傳感器，如ZnO、SnO2等，這類傳感器因為成本低、靈敏度高和響應快而受到眾多專家學者的使用；（2）質量敏感型傳感器，這類傳感器靈敏度高、可在常溫下工作；（3）場效應管氣敏傳感器，這類傳感器集成度高，但靈敏度具有局限性；（4）導電聚合物氣敏傳感器，這類傳感器在吸附氣體后，電導率發(fā)生改變，可用于檢測氣體的類別和濃度。

電子舌是模仿哺乳動物的味覺機理而制成的檢測儀器，電子舌一般由3部分組成［13］，分別是味覺傳感器陣列、信號采集器和智能識別系統(tǒng)。先將電子舌系統(tǒng)的電極端放入待測液體中，味覺傳感器接觸液體輸出模擬信號，再通過信號采集器將模擬量進行處理放大，轉化為數字量，最后通過通信技術傳送到計算機，經過智能識別系統(tǒng)處理檢測最終的結果。

味覺傳感器陣列是電子舌系統(tǒng)的核心部分，根據味覺傳感器的不同，可將電子舌分為4類［14-15］：伏安型電子舌；電導分析傳感器型電子舌；光學傳感器型電子舌；生物傳感器型電子舌。

2　電子鼻在酒類品質檢測中的應用

2.1電子鼻用于酒類品牌判斷

酒在人類歷史上具有重要的地位，對于不同品牌的酒所散發(fā)出的氣味也有所區(qū)別，電子鼻正是根據酒散發(fā)出的不同香氣進行檢測。秦萬廣等［16］利用電子鼻技術結合神經網絡算法對不同品牌的白酒進行了檢測，結果表明電子鼻技術具有識別不同白酒的能力。史志存等［17］使用電子鼻技術聯(lián)合主成分分析法（principal components analysis，PCA）、反向傳播（back propagation，BP）網絡法對不同品牌的濃香型、醬香型和清香型白酒進行了檢測，結果表明，電子鼻識別不同品牌的白酒能力良好。皺小波等［18］選取了不同的白酒，采用可視化傳感器陣列進行測定，結果表明，該傳感器陣列對識別不同品牌的白酒具有良好的能力。

2.2電子鼻用于酒類酒齡判斷

不同品牌的酒具有不同的品質，然而同一種品牌的酒因為年份不同也會有不同的口味，電子鼻技術在識別不同年份酒的方面上也表現(xiàn)俱佳。NATALECD等［19］利用電子鼻技術結合主成分分析法對年份在1989～1993的干葡萄酒進行了檢測，結果表明電子鼻具有識別不同年份葡萄酒的能力。LOZANOC J等［20］使用電子鼻技術聯(lián)合主成分分析法和概率神經網絡法對不同酒齡的葡萄酒進行了檢測，研究表明電子鼻對不同年份的葡萄酒具有很好的判別能力。張振等［21］采用表面聲波型電子鼻對4個年份的古越龍山黃酒樣品進行采樣分析，研究結果表明，表面聲波型電子鼻結合化學計量方法適用于古越龍山黃酒酒齡鑒別。

2.3電子鼻用于酒類產地判斷

同一品牌的酒在不同的產地也會有不同的香氣，電子鼻可以根據香氣的不同識別出同一品牌酒的不同產地?？婅吹龋?2］利用GC-Flash型電子鼻結合主成分分析和線性判別分析法對來自不同產地的黃酒進行了檢測，結果表明電子鼻對不同產地的黃酒具有很好的識別能力。MARTI M P等［23］利用質譜型電子鼻對多種酒進行了檢測，結果表明電子鼻能夠區(qū)分不同產地的酒，具有很好的效果。

3　電子舌在酒類品質檢測中的應用

3.1電子舌用于酒類品牌判斷

電子舌因味覺傳感器的獨特特性，可分析出液體的綜合信息，進而檢測出結果，酒因品牌的不同而具有不同的風味，電子舌正是根據這種風味的整體信息的不同，對酒的品牌進行了識別。為了對不同品牌的白酒進行檢測，王永維等［24］使用電子舌聯(lián)合主成分分析和判別因子分析法進行識別，研究表明電子舌對不同品牌的白酒具有很好的判別能力。田師一等［25］選用6種不同品牌的干紅葡萄酒，使用多頻脈沖電子舌，并聯(lián)合主成分分析法進行測定，結果表明多頻脈沖電子舌可以用來區(qū)分不同品牌的葡萄酒，有良好的識別能力。LEGIN A等［26］利用電子舌對33種品牌的啤酒進行了檢測，研究結果表明了電子舌具有很好的識別能力。

3.2電子舌用于酒類酒齡判斷

電子舌不僅能識別不同品牌的酒，而且在識別酒齡方面也表現(xiàn)俱佳。于海燕等［27］使用電子舌聯(lián)合化學計量學方法檢測黃酒，利用主成分分析和判別因子分析法，研究結果表明：電子舌聯(lián)合化學計量學方法可以用來區(qū)分黃酒酒齡。李華等［28］選取不同時期的干紅葡萄酒，使用電子舌技術進行檢測，采用主成分分析，研究結果表明：電子舌的識別能力良好。RUDNITSKAYA A等［29］對不同酒齡的葡萄酒進行了檢測，分別單獨使用了電子舌和理化指標分析法，結果表明：電子舌的分析結果接近理化指標檢測結果。

3.3電子舌用于酒類產地判斷

對于不同產地的酒，電子舌也具有良好的識別效果。王俊等［30］選擇了不同產地的葡萄酒，使用電子舌檢測，采用主成分分析和判別因子法，結果表明：判別因子法優(yōu)于主成分分析法。PATRYCJA C等［31］利用電子舌結合偏最小二乘法和神經網絡算法對不同產地的啤酒進行了檢測，結果表明電子舌在產地鑒別方面具有很好的區(qū)分效果。周牡艷等［32］使用智能電子舌聯(lián)合化學計量學方法對不同產地的黃酒進行檢測，采用主成分分析法，實驗結果表明，智能電子舌聯(lián)合化學計量學方法可識別黃酒產地。

4　融合電子鼻、舌在酒類品質中的檢測

電子鼻是模仿人的鼻子，檢測對象是氣體；電子舌模仿的是人的舌頭，檢測對象是液體；但人的味覺和嗅覺不是獨立存在的，而是相互影響的，因此可以將電子鼻、舌技術相結合來檢測酒類品質。

現(xiàn)如今多數使用單一電子鼻、舌技術和單一的算法對酒類品質進行檢測，使用融合算法對于酒類品質檢測的報道還較少，其實融合算法就是對模仿人類感官的多傳感器的響應值進行組合和優(yōu)化，目前已廣泛應用于多領域（如遙感技術、醫(yī)療診斷、交通管理和機器人運行與識別等）。按照數據融合的不同層次，可分為三類［33］：數據層、特征層和決策層融合。數據層方面的算法有：PCA變換、HIS變換和小波變換（wavelet transform）等。特征層方面的算法有：貝葉斯估計法（Bayesian algorithm）、加權平均法（weighted average method）和D-S證據理論等。決策層方面的算法有：專家系統(tǒng)（expert system）、模糊集理論（fuzzy set theory）和神經網絡（neural network）等。

目前在一些領域已使用電子鼻、舌相結合的技術進行了檢測。BANERJEE R等［34］聯(lián)合使用電子鼻、舌技術和單獨使用電子鼻、舌技術分別對不同等級的紅茶進行了檢測，結果表明：相比于單獨使用電子鼻、舌，電子鼻、舌相結合的檢測效果較好。HADDI Z等［35］先單獨使用電子鼻、舌技術對不同品牌的果蔬汁進行了檢測，后又使用電子鼻、舌相結合的技術并結合主成分分析法進行了檢測，研究結果表明：聯(lián)合使用電子鼻、舌技術檢測效果比單獨使用任何一種技術要好。NATALE C D等［36］選取不同新鮮度的牛奶，利用電子鼻、舌技術結合主成分分析進行檢測，結果表明：通過對電子鼻、舌響應值進行建模后的識別能力優(yōu)于直接使用原始數據進行檢測。

5　研究前景展望

電子鼻、舌是模仿人類的嗅覺和味覺，以易于便攜、價格低廉、重復性好、適應性強而得到應用，但國內對于聯(lián)合使用電子鼻、舌對酒類品質檢測的報道還較少，基本上還處于實驗階段，使用的融合算法也不多，目前較多采用的是：主成分分析、判別因子分析、聚類分析等。因此在未來階段，我國對于酒類品質檢測的重點應放在電子鼻、舌相結合的技術上，并使用融合算法來加以比較，通過不斷地實驗來獲得最佳效果。

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The application of electronic nose and electronic tongue in quality detection of alcoholic drink

DING Xinglin，ZHANG Yulin*，ZHOU Hongbiao
（Faculty of Electronic and Electrical Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai'an 223003，China）

With the improvement of living standards，the problem of alcoholic drink quality has been closely watched.Electronic nose and electronic tongue are intelligent instrumentations，which simulate the olfactory and taste of mammal.They combine with pattern recognition algorithm to detect alcohol quality.The article reviewed on the application of electronic nose and electronic tongue in alcoholic drink quality detection of，in addition，the future research was prospected.

electronic nose；electronic tongue；alcoholic drink；quality

TS261.7

A

0254-5071（2015）11-0020-03

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.11.005

2015-09-21

淮安市科技項目（No.HAG2014001）

丁興林（1991-），男，碩士研究生，研究方向為自動化技術。

張宇林（1970-），男，教授，博士，研究方向為智能控制、數據融合。