電子鼻對荔枝成熟過程中理化參數(shù)的表征

徐 賽，陸華忠，周志艷，呂恩利，楊 徑（南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642）

電子鼻對荔枝成熟過程中理化參數(shù)的表征

徐 賽，陸華忠，周志艷，呂恩利*，楊 徑
（南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642）

探究了采用電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數(shù)變化的可行性。在分別獲取不同成熟階段果園荔枝的電子鼻響應(yīng)參數(shù)和理化特征參數(shù)后，對荔枝成熟階段與電子鼻響應(yīng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、荔枝成熟階段與理化參數(shù)之間的關(guān)系以及電子鼻響應(yīng)數(shù)據(jù)與理化特征之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著荔枝不斷成熟，電子鼻響應(yīng)特征逐漸增大。荔枝理化特征在成熟階段s5之前均呈上升的趨勢，s5到s6階段除L*值與b*值略有減小外，其余理化指標(biāo)均有所增加且部分理化指標(biāo)變化在成熟過程中存在一定的線性關(guān)系。采用電子鼻傳感器響應(yīng)值建立理化特征表征模型能夠較好地對各項(xiàng)理化指標(biāo)進(jìn)行表征，R2均大于0.9。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數(shù)變化的可行性，為今后機(jī)器識別方法在果園果實(shí)成熟度監(jiān)測以及水果品質(zhì)檢測的應(yīng)用提供參考。

荔枝，成熟階段，電子鼻，理化參數(shù)，表征

荔枝營養(yǎng)豐富，食味鮮美，深受廣大人民群眾的喜愛。研究表明［1］：不同品種荔枝適合采摘的成熟度均有所差異，在適宜的成熟度對荔枝果實(shí)進(jìn)行采摘，有助于采摘到最佳品質(zhì)的荔枝以及提高荔枝采后的耐貯運(yùn)能力。因此，加強(qiáng)荔枝成熟過程的監(jiān)測可為果園荔枝采摘提供科學(xué)指導(dǎo)，具有重要意義。

在荔枝成熟過程中，其大小、顏色、形狀以及營養(yǎng)物質(zhì)的成分與含量均會發(fā)生一定變化，這為理化參數(shù)檢測法在荔枝果實(shí)成熟度實(shí)時監(jiān)測上的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。理化參數(shù)檢測法［2］是目前使用的食品

品質(zhì)檢測的主要方法，是一種直觀有效的檢測方法，在水果成熟度的檢測方面也有一定的研究，如：石榴［3］、葡萄［4］、棗［5］、蘋果［6］等。但理化參數(shù)檢測法費(fèi)時費(fèi)力，對檢測人員的要求較高，不能滿足實(shí)際檢測的需要。

電子鼻［7］是一種模擬生物嗅覺的智能識別手段，通過數(shù)個對不同氣味敏感的氣敏傳感器組成傳感器陣列，使得整個電子鼻系統(tǒng)能夠檢測與識別不同的氣味。電子鼻操作簡單、檢測速度較快，相對理化指標(biāo)檢測法大大節(jié)約了勞動成本與檢測時間，具有廣泛的應(yīng)用前景。而今，電子鼻在水果成熟度的檢測上已有一定研究［8-10］，但電子鼻能否取代人工理化指標(biāo)檢測法對荔枝各成熟階段的品質(zhì)狀況進(jìn)行準(zhǔn)確評價，值得深入研究。

本研究探究了采用電子鼻采樣數(shù)據(jù)表征荔枝成熟過程的可行性，可彌補(bǔ)理化指標(biāo)人工采樣法存在的缺陷，并為果園水果生長信息實(shí)時監(jiān)測提供一種新方法。分別獲取荔枝不同成熟階段的電子鼻數(shù)據(jù)與理化參數(shù)后，分析了成熟階段與電子鼻響應(yīng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、荔枝成熟階段與理化參數(shù)之間的關(guān)系以及電子鼻響應(yīng)數(shù)據(jù)與理化特征之間的關(guān)系。研究結(jié)果可為今后電子鼻取代人工理化指標(biāo)檢測法在果園品質(zhì)信息監(jiān)測上的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

“水林”荔枝 于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)荔枝園取果后，立即送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測。

PEN3型電子鼻 德國AirSense公司；CR-400型全自動色差儀 日本美能達(dá)公司；PR-32α型數(shù)字式折射計(jì) 日本愛拓中國分公司；MNT-150型游標(biāo)卡尺 德國美耐特公司；JY600型電子天平 中國上海浦春計(jì)量儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣本的處理 待果樹掛果約25 d，于2015年4 月25日（s1）、5月2日（s2）、5月9日（s3）、5月16日（s4）、5月23日（s5）、5月30日（s6）對荔枝果實(shí)參數(shù)進(jìn)行采樣。由于成熟階段s1至s2期間荔枝果肉并未達(dá)到可溶性固形物（TSS）測量的要求，TSS檢測于s3開始，與其他參數(shù)同步測量。其中每7 d取樣一次，共采樣6次。每次摘取荔枝果實(shí)20顆，隨機(jī)選擇10顆進(jìn)行電子鼻采樣，剩余10顆用于理化參數(shù)采樣，取平均值做為荔枝在該成熟階段的采樣值。

1.2.2 電子鼻采樣 實(shí)驗(yàn)采用PEN3電子鼻進(jìn)行荔枝氣體揮發(fā)物采樣，該電子鼻主要由采樣及清洗通道、傳感器陣列以及模式識別子系統(tǒng)構(gòu)成。傳感器整列包含10個氣敏傳感器，不同傳感器對不同類別的氣體揮發(fā)物敏感，各傳感器的性能如表1所示。電子鼻采樣前，每個荔枝樣本均放置于200 mL燒杯中，用雙層塑料膜密封，靜置1 h待杯中氣體揮發(fā)物平衡后進(jìn)行頂空氣體采樣。電子鼻采樣參數(shù)設(shè)置為：采樣時間間隔為1 s，傳感器自動清洗時間為70 s，傳感器歸零時間為10 s，分析采樣時間為80 s，進(jìn)樣準(zhǔn)備時間為5 s，進(jìn)樣流量為300 mL/min。

1.2.3 色差值采樣 采用全自動色差儀獲取荔枝果實(shí)的色差值，包括L*值、a*值和b*值。其中L*值越大則果皮越亮，反之越暗，a*值越大則果皮越紅，反之越綠，b*值越大則果皮越黃，反之越藍(lán)。在荔枝果實(shí)的赤道兩面各測1次色差，每個樣本重復(fù)檢測3次。

表1 電子鼻傳感器的性能Table1 Feature of electronic nose’s sensors

1.2.4 可溶性固形物采樣（TSS） 實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字式折射計(jì)（可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)測量范圍0%～32%，最小刻度0.1%）進(jìn)行可溶性固形物檢測。剝除荔枝果皮后對果肉進(jìn)行擠壓取汁，攪拌均勻后進(jìn)行檢測，每次測量重復(fù)3次。

1.2.5 其他物理參數(shù)采樣 實(shí)驗(yàn)對荔枝成熟過程中其他物理參數(shù)進(jìn)行了采樣，包括果實(shí)大小、果核大小、果實(shí)凈重。其中果實(shí)大小與果核大小采用游標(biāo)卡尺分別測量荔枝果實(shí)與果核赤道位置的最大直徑，果實(shí)凈重采用精度為0.01的電子天平獲取。每個荔枝樣本參數(shù)均重復(fù)測量3次。

1.2.6 電子鼻特征值的提取 電子鼻對荔枝果實(shí)氣體揮發(fā)物采樣如圖1所示。采樣前，電子鼻各傳感器的響應(yīng)值均為1。隨著荔枝氣體揮發(fā)物在氣敏傳感器陣列上富集，各傳感器響應(yīng)值逐漸上升，在38 s左右達(dá)到最大值，隨后略有下降，在60 s之后基本穩(wěn)定。本研究選取各傳感器處于穩(wěn)定狀態(tài)的響應(yīng)值作為電子鼻的特征值，即選取75 s時刻的傳感器響應(yīng)值。

圖1 電子鼻對荔枝氣體揮發(fā)物的響應(yīng)Fig.1 Response of electronic nose for litchi volatile

2 結(jié)果與討論

2.1 荔枝成熟階段與電子鼻響應(yīng)參數(shù)的關(guān)系

為探究電子鼻響應(yīng)參數(shù)與荔枝成熟階段之間的

關(guān)系，實(shí)驗(yàn)采用每次采樣10個荔枝樣本特征值的平均值作為該成熟階段荔枝的電子鼻響應(yīng)參數(shù)。電子鼻響應(yīng)特征在成熟過程中的變化如圖2所示。由圖2可知，隨著荔枝不斷成熟，電子鼻響應(yīng)值逐漸增大，其中R7的變化趨勢最為明顯。在s1~s5階段，電子鼻響應(yīng)特征變化不大，但隨著荔枝的進(jìn)一步成熟，電子鼻響應(yīng)特征值在s6階段迅速上升。

圖2 電子鼻隨成熟階段響應(yīng)特征雷達(dá)圖Fig.2 Radar plot of electronic nose response in mature stages

2.2 荔枝成熟階段與理化特征參數(shù)的關(guān)系

2.2.1 荔枝成熟階段與色差值的關(guān)系 圖3為荔枝果皮色差L*值、a*值和b*值隨成熟階段的變化關(guān)系圖。成熟階段s1到s5，隨著荔枝的不斷成熟，荔枝的果皮色差L*、a*、b*值均逐漸增大，但變化不大。隨著荔枝進(jìn)一步成熟，s6階段荔枝果皮色差a*值迅速上升，L*與b*值略有下降。a*值的變化過程與荔枝成熟后果皮逐漸變紅的情況相一致。L*值與b*值的變化趨勢說明荔枝在成熟過程中，果皮亮度先增大再減小，果皮顏色在變紅之前先略有變黃。

2.2.2 荔枝成熟階段與果實(shí)重量的關(guān)系 圖4為荔枝成熟階段與果實(shí)凈重的變化關(guān)系圖。隨著荔枝的不斷成熟，荔枝果實(shí)的重量不斷增大。按照荔枝成熟過程中果實(shí)重量的增加速率可分為三個階段。s1到s2的重量增加速率較小，s2到s5的重量增加速率有所增加，s5到s6重量增加速率最大。

圖4 荔枝成熟階段與果實(shí)重量的關(guān)系Fig.4 Relationship between mature stages with net weight of litchi

圖5 荔枝成熟階段與果實(shí)大小的關(guān)系Fig.5 Relationship between mature stages with fruit size of litchi

2.2.3 荔枝成熟階段與果實(shí)大小的關(guān)系 圖5為荔枝成熟階段與果實(shí)大小的變化關(guān)系圖。隨著荔枝不斷成熟，荔枝果實(shí)的大小不斷增加。s1到s3以及s5到s6，荔枝果實(shí)大小增加速率較快，s3到s5階段荔枝果實(shí)增加速率較小。

2.2.4 荔枝成熟階段與果核大小的關(guān)系 圖6為荔枝成熟階段與果核大小的變化關(guān)系圖。隨著荔枝不斷成熟，荔枝果核大小在s1到s3迅速增大，s3之后，果核大小略有增加，但變化不明顯。

圖6 荔枝成熟階段與果核大小的關(guān)系Fig.6 Relationship between mature stages with fruit kernel of litchi

2.2.5 荔枝成熟階段與可溶性固形物的關(guān)系 圖7為荔枝成熟階段與TSS的變化關(guān)系圖。成熟階段s1到s2，荔枝果肉尚未形成，無法進(jìn)行TSS檢測。荔枝在成熟階段s3到s4之間TSS含量逐漸上升。隨著荔枝進(jìn)一步成熟，在s4到s5期間，荔枝TSS含量增加速率加快。s5后，荔枝TSS含量略有增加，但變化不明顯，此時果

實(shí)已經(jīng)成熟。

圖7 荔枝成熟階段與可溶性固形物的關(guān)系Fig.7 Relationship between mature stages with TSS of litchi

2.3 荔枝電子鼻特征參數(shù)對理化特征參數(shù)的表征關(guān)系式

2.3.1 荔枝電子鼻各傳感器對理化特征參數(shù)的表征為探究電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數(shù)的可行性，實(shí)驗(yàn)分別以電子鼻各傳感器響應(yīng)特征值為輸入值x，荔枝理化特征參數(shù)為輸出值y，建立曲線回歸關(guān)系模型，選擇決定系數(shù)R2較大的模型做為該電子鼻傳感器與理化特征的表征模型（R2越接近1，說明該模型的表征效果越好）。所建模型以及相應(yīng)的R2如表2所示。

表2 荔枝成熟過程中各傳感器參數(shù)與理化參數(shù)關(guān)系式Table2 Relational expression of single sensor indexe and physicochemical indexes during litchi’s mature period

除果實(shí)大小與果核大小外，各項(xiàng)理化指標(biāo)均能被電子鼻某一傳感器響應(yīng)特征參數(shù)較好的表征，且該表征式的決定系數(shù)R2均大于0.9。荔枝成熟過程中，L*值能夠被傳感器R7較好的表征，R2為0.96。電子鼻各傳感器（R1～R10）在表征a*值時均取得了很好的表征效果，其中R7的表征效果最好，R2為0.9999。在表征b*值和果實(shí)重量時，電子鼻傳感器R7均取得了較好的表征效果，R2為分別為0.93和0.9。傳感器R1、R2、R7和R9在表征荔枝成熟過程中TSS變化時均取得了較好的效果，其中R7的表征效果最好，R2為0.9962。因此，在今后的荔枝成熟過程理化指標(biāo)監(jiān)測過程中，可用傳感器R7的響應(yīng)特征對荔枝L*值、a*值、b*值、果實(shí)重量、TSS含量進(jìn)行預(yù)測，有效的節(jié)約監(jiān)測時間與檢測成本。

2.3.2 荔枝電子鼻多傳感器對理化特征參數(shù)的表征由于電子鼻單一傳感器無法對荔枝成熟階段果實(shí)大小和果核大小變化進(jìn)行表征，為進(jìn)一步探究電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數(shù)變化的可行性。實(shí)驗(yàn)采用多元回歸模型對荔枝果實(shí)大小和果核大小參數(shù)進(jìn)行表征，即以電子鼻中數(shù)個傳感器的響應(yīng)特征參數(shù)為輸入xi（i為傳感器編號），荔枝果實(shí)大小yf和果核大小yk為輸出，建立表征關(guān)系式。

為簡化表征模型，實(shí)驗(yàn)參考各傳感器對荔枝成熟過程中果實(shí)大小和果核大小表征結(jié)果，分別選擇前4個表征效果較好的傳感器作為多元回歸模型的輸入。因此，以傳感器R1、R3、R7和R10作為輸入，建立的果實(shí)大小表征模型為yf=567.83xR1-294.66xR3+10.8xR7+21.19xR10-272.05，表征式的決定系數(shù)R2為0.96，具有較好的表征效果。以傳感器R1、R2、R3和R7作為輸入，建立的果核大小表征模型為yk=5452.51xR1-28.26xR2-400.38xR3+12.66xR7-11.74，表征式的決定系數(shù)R2為0.99，具有較好的表征效果。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)探究了采用電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數(shù)變化的可行性，分別對荔枝成熟階段與電子鼻響應(yīng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、荔枝成熟階段與理化參數(shù)之間的關(guān)系以及電子鼻響應(yīng)數(shù)據(jù)與理化特征之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著荔枝的不斷成熟，電子鼻各傳感器響應(yīng)參數(shù)逐漸增大，其中傳感器R7變化趨勢最為明顯。在荔枝成熟各成熟階段，各項(xiàng)理化指標(biāo)均呈現(xiàn)一定的變化趨勢，部分理化指標(biāo)在成熟過程中存在一定的線性關(guān)系，可為下一階段水果品質(zhì)研究提供參考。荔枝L*值、a*值、b*值、果實(shí)重量、TSS含量均可用單一傳感器R7進(jìn)行表征，R2均大于0.9。采用多傳感器分別建立果實(shí)大小和果核大小的多元回歸模型，具有較好的表征效果，R2均大于0.95。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數(shù)的可行性，可為電子鼻取代人工理化指標(biāo)檢測法在果園品質(zhì)信息監(jiān)測上的應(yīng)用提供參考。

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Electronic nose for physicochemical indexes characterization during litchi's mature period

XU Sai，LU Hua-zhong，ZHOU Zhi-yan，LV En-li*，YANG Jing
（Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment，Ministry of Education，College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

This paper explored the feasibility of using electronic nose express the physicochemical indexes during litchi's mature period.After acquired litchi's electronic nose response feature and physicochemical indexes，then the relationship between litchi mature stage and electronic nose response feature，relationship between litchi mature stage and physicochemical indexes，relationship between litchi electronic nose response feature and physicochemical indexes had been analyzed.The experimental results showed that with the maturing of litchi，electronic nose response feature increased gradually.The physicochemical indexes increased gradually before mature stage s5.except L*value and b*value had light decrease，during s5 to s6，other physicochemical indexes were all increased.There were linear relationships between part physicochemical indexes.Using electronic nose sampling value built up the characterization model for physicochemical index representation，their R2were all bigger than 0.9，which had good characterization effect.The experiment proved the feasibility of using electronic nose express the physicochemical indexes during litchi's mature period.The experimental results provide reference for using machine recognition methods for mature stage monitoring in orchard and fruit quality detection.

litchi；mature period；electronic nose；physicochemical indexes；characterization

TS207

A

1002-0306（2016）08-0100-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.08.012

2015－10－08

徐賽（1991-），男，博士研究生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流技術(shù)與裝備方面的研究，E-mail：204504658@qq.com。

*通訊作者：呂恩利（1979-），男，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流技術(shù)與裝備方面的研究，E-mail：txzzlu@sina.cn。

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31571561）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CARS-33-13）。