電子鼻傳感技術(shù)在辣椒料氣味等級(jí)檢測(cè)中的應(yīng)用

李倩，李喆時(shí)

(1.河北傳媒學(xué)院，石家莊 051430；2.石家莊理工職業(yè)學(xué)院，石家莊 050228)

辣椒最初產(chǎn)自中南美洲熱帶國(guó)家，在明代時(shí)期傳入我國(guó)，辣椒作為一種調(diào)味料，富含辣椒素、維生素C和胡蘿卜素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。辣椒氣味刺激，有除濕和增溫的功效，辣椒的特殊氣味能激發(fā)前列腺素的釋放，促進(jìn)胃膜的蠕動(dòng)再生，保持腸胃功能，防治胃潰瘍的同時(shí)能夠激發(fā)食欲[1]，并有利于血液循環(huán)[2]。電子鼻是用于分析、識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜氣味的嗅覺裝置[3]，它模擬人的嗅覺對(duì)揮發(fā)性成分進(jìn)行判斷。羅鳳蓮等[4]研究表明，用感官評(píng)定法測(cè)得干辣椒樣品的辣度與電子鼻法結(jié)果一致。曾嶺嶺等[5]針對(duì)貴陽地區(qū)人們對(duì)辣味食品辣度的感官評(píng)價(jià)進(jìn)行了調(diào)查，在考慮辣椒原料綜合利用的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了定量添加辣椒精以生產(chǎn)不同辣度辣味食品的工藝路線[6]。熊敏等、Liu H等、Zhang Q等、閻紅等[7-10]應(yīng)用電子鼻技術(shù)評(píng)價(jià)香辛料對(duì)食品風(fēng)味的作用，但利用電子鼻技術(shù)對(duì)辣椒料氣味等級(jí)進(jìn)行識(shí)別的研究較少。

電子鼻結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 電子鼻結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of electronic nose

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用的辣椒料樣品購于河北某超市，4種樣品分別為不同氣味等級(jí)的辣椒料，編號(hào)分別為1，2，3，4。

參照Li等[11]、Chen等[12]的方法進(jìn)行改善。分別稱取1.0 g樣品置于帶蓋的樣品瓶中進(jìn)行密封，在常溫保持30 min；設(shè)置PEN3電子鼻傳感器清潔時(shí)間為120 s，檢測(cè)樣品時(shí)間為70 s。每個(gè)樣品測(cè)定3次。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用PEN3電子鼻對(duì)辣椒料氣味等級(jí)進(jìn)行檢測(cè)，電子鼻傳感器及其功能見表1。

表1 電子鼻傳感器及其功能Table 1 Electronic nose sensors and their functions

1.3 傳感器陣列對(duì)辣椒料樣品的響應(yīng)

由于電子鼻傳感器易受外界干擾，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大誤差，可以通過對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，在一定程度上排除傳感器自身和外界環(huán)境所引起的誤差。

圖2 傳感器陣列對(duì)樣品1號(hào)辣椒的響應(yīng)曲線Fig.2 Response curves of sensor array to sample No.1 pepper

由圖2中10種傳感器對(duì)其中1種辣椒料樣品的平滑曲線可以明顯看出，傳感器陣列在最初采樣點(diǎn)數(shù)時(shí)響應(yīng)電壓很弱，大約為0.2左右，之后辣椒料的氣味信息明顯，傳感器陣列的響應(yīng)電壓逐漸上升，一段時(shí)間后達(dá)到最大，輸出電壓為最大值，將辣椒料樣品拿走，傳感器輸出電壓驟降，其中10種傳感器的響應(yīng)電壓的變化趨勢(shì)相同，但是電壓值各不相同，變化速度也存在一定的差異。

1.4 樣品特征響應(yīng)值

采用10種傳感器陣列對(duì)每種辣椒料樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，響應(yīng)曲線點(diǎn)太多，不能全都選取，因此只選取最能代表辣椒料氣味特征的響應(yīng)值作為特征值，4種樣品實(shí)驗(yàn)后對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值見表2。

表2 4種樣品的傳感器特征響應(yīng)值Table 2 E-nose sensor response values of four samples

2 模式識(shí)別方法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能儲(chǔ)存豐富的輸入-輸出關(guān)系。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特色為能夠同時(shí)處理和貯存信息，將大量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共同作用可以解決更多的問題。一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層(中間層)和輸出層(見圖3)，通常使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是3層網(wǎng)絡(luò)。

圖3 BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of BP network

BP網(wǎng)絡(luò)包括信息的正向傳播和誤差的反向傳播。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正向傳播是各個(gè)神經(jīng)元之間互不影響和干涉，但是只會(huì)對(duì)其下一個(gè)對(duì)應(yīng)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有影響作用；正向傳播過程是由輸入信號(hào)接收、處理到傳出的過程；相反，在輸出層結(jié)點(diǎn)處的輸出層與期望的輸出層相差較大時(shí)，兩者之間存在偏差時(shí)進(jìn)行，兩者之間的偏差會(huì)根據(jù)偏差的大小進(jìn)行改正，然后反向向輸入層反向傳遞，反向傳播過程則是對(duì)實(shí)際輸出信號(hào)與理想輸出信號(hào)進(jìn)行不斷修正的過程，前提在于兩者之間的差距較大，極其不匹配，則發(fā)出信號(hào)開始反向傳播過程，兩者之間的偏差經(jīng)過反向傳播到輸入層，對(duì)各個(gè)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)盡最大可能達(dá)到理想情況[13]。BP網(wǎng)絡(luò)在正向傳播和反向傳播兩個(gè)過程中不斷重復(fù)進(jìn)行，在進(jìn)行的過程中偏差在不斷減小，則是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化過程，之后進(jìn)行正向傳播。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的根本在于不斷地降低偏差，采用梯度降低的方法，從開始進(jìn)行修正直到目標(biāo)達(dá)到最小[14]。

3 結(jié)果與討論

BP算法識(shí)別結(jié)果見表3。

表3 BP的鑒別結(jié)果Table 3 BP identification results

對(duì)于10個(gè)傳感器陣列的輸出信號(hào)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本進(jìn)行模式識(shí)別時(shí)，分類效果很好，但對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行分類時(shí)，雖然解決問題的能力較強(qiáng)，但是對(duì)于偏差和隱含層單元的修正結(jié)果不是很好，說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在小樣本的情況下泛化能力較低。

4 結(jié)論

本文利用自行研制的電子鼻系統(tǒng)對(duì)4種不同氣味等級(jí)的辣椒料樣品在相同條件下進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了結(jié)果分析。BP網(wǎng)絡(luò)由于在小樣本的情況下泛化能力較低，BP算法適應(yīng)性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活方便，并且處理復(fù)雜問題較快，對(duì)辣椒料等級(jí)強(qiáng)度樣品的識(shí)別準(zhǔn)確度較高，為94.23%。雖然BP網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的應(yīng)用，但它本身也有部分缺點(diǎn)和不足，BP網(wǎng)絡(luò)算法的學(xué)習(xí)效率較低，因此對(duì)于大量問題的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。另外，BP網(wǎng)絡(luò)中的大量隱含層信息不是建立在基礎(chǔ)理論上，而是根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)獲得的，可靠性較低，并且BP網(wǎng)絡(luò)選擇典型樣本問題較大，所以優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)、更新傳感器陣列信息來提高識(shí)別率是下一步要進(jìn)行的研究。