電子鼻技術(shù)及其在茶葉香氣檢測(cè)中的應(yīng)用及展望

楊雪梅，趙建銳，王智慧，武珊珊，李家華

1.滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)普洱茶學(xué)院，665099；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)龍潤(rùn)普洱茶學(xué)院，650201

電子鼻是一種全新的識(shí)別、檢測(cè)和分析復(fù)雜氣味和大多揮發(fā)性成分的電子儀器。1967年，日本Figaro 公司率先將金屬氧化物半導(dǎo)體（SnO2）氣體傳感器商品化，并且認(rèn)識(shí)到單個(gè)傳感器的作用十分有限，從而開展對(duì)電子鼻的研究。它的概念最早是在1982年英國(guó)Warwick 大學(xué)Persand 和Dodd教授模仿哺乳動(dòng)物的嗅覺結(jié)構(gòu)和機(jī)理，對(duì)幾種揮發(fā)性氣味進(jìn)行識(shí)別和分析時(shí)提出來的[1]。電子鼻又稱人工嗅覺分析系統(tǒng)，是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種用來分析、識(shí)別和檢測(cè)氣味的具有人工智能特點(diǎn)的仿生檢測(cè)儀器。電子鼻技術(shù)是一種新興的，能在短時(shí)間內(nèi)分析、識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜氣味和大多數(shù)揮發(fā)性成分的智能感官儀器，具有重復(fù)性好、不需要復(fù)雜的樣品預(yù)處理過程、不發(fā)生感官疲勞和檢測(cè)結(jié)果客觀可靠等特點(diǎn)；且可用于檢測(cè)一些不適合人鼻檢測(cè)的氣體，如毒氣或一些刺激性氣體[2]。與色譜儀、光譜儀等普通的化學(xué)分析儀器不同，電子鼻得到的不是被測(cè)樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結(jié)果，而是給予樣品中揮發(fā)性成分的整體信息[3]。這些信息作為樣品特征的指紋，可以鑒別食品的真?zhèn)?，原料質(zhì)量是否合格，生產(chǎn)流程工藝是否正常?；陔娮颖堑奶攸c(diǎn)及其方便快捷的優(yōu)越性，它被越來越多的研究者用于食品、化妝品、醫(yī)藥、商檢、宇航、環(huán)保、微生物等領(lǐng)域[4-5]。

近年來隨著與電子鼻相關(guān)的傳感技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)等的不斷發(fā)展，電子鼻廣泛應(yīng)用在食品行業(yè)[6-8]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[9-11]、醫(yī)學(xué)[12-13]和安全保障[14-16]等方面，在茶葉領(lǐng)域研究應(yīng)用中，電子鼻也逐漸得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，顯示出其廣闊的發(fā)展前景。

一、電子鼻工作原理

1.傳感器陣列電子鼻結(jié)構(gòu)組成

電子鼻的工作原理就是模擬人的嗅覺器官對(duì)氣味進(jìn)行感知、分析和判斷。電子鼻一般由氣體采集流向控制系統(tǒng)、氣敏傳感器陣列、信號(hào)處理子系統(tǒng)和模式識(shí)別子系統(tǒng)等四大部分組成。工作時(shí)，通過控制器將氣味分子采集回來，并流經(jīng)氣敏傳感器；氣味分子被氣敏傳感器陣列吸附，產(chǎn)生信號(hào)；生成的信號(hào)被送到信號(hào)處理子系統(tǒng)進(jìn)行處理和加工；并最終由模式識(shí)別子系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的結(jié)果作出判斷[17]。電子鼻的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 電子鼻設(shè)備外觀圖

圖2 電子鼻設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.傳感器陣列

德國(guó)AIRSENS 公司的新型PEN3 電子鼻的傳感器陣列包含10個(gè)對(duì)不同類別氣體揮發(fā)物敏感的金屬氧化物氣敏傳感器，使整個(gè)電子鼻系統(tǒng)可以識(shí)別不同的氣味。電子鼻不同傳感器得到的信息代表了樣品中全部揮發(fā)物的總體分布，而不是正常情況下分析測(cè)得的某種或某幾種具體組成的含量。當(dāng)檢測(cè)樣品的香氣物質(zhì)揮發(fā)后，經(jīng)過傳感器時(shí)其電導(dǎo)率為G，經(jīng)過活性炭過濾的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過傳感器時(shí)其電導(dǎo)率為G0，電子鼻系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)即為2 個(gè)電導(dǎo)率的比值，即G/G0[18]。G/G0值的變化表明的是香氣物質(zhì)含量的相對(duì)變化。電子鼻的10 個(gè)傳感器陣列所代表的的物質(zhì)種類及特點(diǎn)見表1。

表1 傳感器性能

二、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

通過查看每個(gè)傳感器響應(yīng)信號(hào)的變化曲線、每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)值及星型雷達(dá)圖或柱狀指紋圖，清晰考察各個(gè)傳感器在實(shí)驗(yàn)分析過程中的響應(yīng)情況。由于每個(gè)傳感器對(duì)某一類特征氣體響應(yīng)劇烈，可以確定樣品分析過程中樣品主要揮發(fā)出了哪一類特征氣體。

對(duì)于樣品區(qū)分分析，實(shí)驗(yàn)可提取10 個(gè)傳感器的特征值，然后采用主成分分析法（PCA）、線性判別分析法（LDA）和傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法（Loadings）作為主要區(qū)別分析方法。利用該方法可以確認(rèn)特定實(shí)驗(yàn)樣品下各傳感器對(duì)樣品區(qū)分的貢獻(xiàn)率大小，從而可以考察在這個(gè)樣品區(qū)分過程中哪一類氣體起了主要區(qū)分作用。

1.主成分分析法

主成分分析法是模式識(shí)別中的一種線性監(jiān)督分析法，其將傳感器多元的信息線性進(jìn)行降維、簡(jiǎn)化、重排、變換為少數(shù)的幾個(gè)保留了原始數(shù)據(jù)中主要信息的綜合信息（主成分），最終用二維的散點(diǎn)圖形式展現(xiàn)。主成分分析法的散點(diǎn)圖中每個(gè)圈代表1 個(gè)樣品，點(diǎn)與點(diǎn)的距離代表樣品間特征的差異大小。主成分的總貢獻(xiàn)率大于85%，就基本可以反映原始數(shù)據(jù)的特征信息。

2.線性判別分析法

線性判別分析法是將高維的模式樣本投影到最佳鑒別矢量空間，達(dá)到抽取分類信息和降低特征空間維數(shù)的效果，可以將組間分得更開，線性判別分析值越大區(qū)分效果就越好，當(dāng)線性判別分析值大于80%時(shí)即可用。

3.傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法

傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法與主成分分析法相關(guān)，它們都基于同一種算法。傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法主要是對(duì)傳感器進(jìn)行研究，利用該方法可以確認(rèn)特定實(shí)驗(yàn)樣品下各傳感器對(duì)樣品區(qū)分的貢獻(xiàn)率大小，從而可以考察在樣品區(qū)分過程中哪一類氣體起了主要區(qū)分作用。

三、電子鼻在茶葉香氣檢測(cè)中的應(yīng)用

隨著各種微量分析儀器的應(yīng)用，茶香氣物質(zhì)的提取、組分鑒定的研究有了很大的進(jìn)展。目前，廣泛采用頂空固相微萃?。℉S-SPME）或GC-MS 綜合測(cè)定茶葉香氣物質(zhì)[19]。但由于香氣物質(zhì)在普洱茶中含量低、成分雜、易揮發(fā)、不穩(wěn)定，提取過程中易發(fā)生氧化、聚合、基團(tuán)轉(zhuǎn)移等反應(yīng)[20]。因此，目前常用的HS-SPME或GC-MS方法所獲得的茶葉香氣提取物仍不能很好地反映茶樣的香氣特征。除此之外，由于閾值的不同，由儀器檢測(cè)獲得的含量高的化合物未必是香氣的主導(dǎo)因素，而含量低的化合物卻極有可能是香型形成的關(guān)鍵。

電子鼻技術(shù)是模仿人類嗅覺的一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，通過測(cè)定干茶樣、茶湯、葉底的香氣特點(diǎn)等，可以判斷揮發(fā)性物質(zhì)的主要香氣種類，可以綜合測(cè)定茶葉本身所固有的香氣組成成分，主觀性比較強(qiáng)，目前已在很多食品檢測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

于慧春等[21-22]采用電子鼻技術(shù)以5 組不同等級(jí)的茶葉、茶湯、葉底以及4 個(gè)不同等級(jí)的龍井茶為研究對(duì)象，對(duì)茶葉品質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。Dutta等[23]利用電子鼻技術(shù)對(duì)5種不同加工工藝的茶葉進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，結(jié)果表明采用RBF 的模式識(shí)別方法時(shí)，可以100%區(qū)分5 種不同加工工藝的茶葉。Nabarum等[24]用電子鼻技術(shù)對(duì)紅茶發(fā)酵過程中的氣味進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便預(yù)測(cè)最佳的發(fā)酵時(shí)間，避免發(fā)酵時(shí)間不當(dāng)而對(duì)茶葉品質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。Yang 等[25]檢測(cè)日本綠茶中濃縮香豆素含量以及其獨(dú)特的香氣，結(jié)果表明電子鼻技術(shù)結(jié)合主成分分析和聚類分析方法能正確識(shí)別7 個(gè)不同香豆素含量的茶葉樣本。但是，目前電子鼻技術(shù)在普洱茶香氣研究領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少，研究成果也鮮見報(bào)道，故可以通過電子鼻技術(shù)來克服目前對(duì)普洱茶香氣研究的一些不足之處。

而儀器分析方法如GC-MS 法只能給出香氣成分的組成和含量，無法確定對(duì)香型起關(guān)鍵作用的一些主要香氣化合物[26-27]。電子鼻可通過對(duì)干茶樣、茶湯、葉底的香氣化合物的測(cè)定，來確定茶樣分析過程中主要揮發(fā)性物質(zhì)屬哪一類特征性氣體，然后采用主成分分析法、線性判別分析法和傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法可有效判定未知樣歸屬于哪一類[28-31]，達(dá)到一個(gè)用電子鼻驗(yàn)證未知樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

四、存在問題和展望

綜上，電子鼻具有響應(yīng)時(shí)間短、檢測(cè)速度快、樣品預(yù)處理簡(jiǎn)便、測(cè)定評(píng)估范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，若將電子鼻技術(shù)與GC-MS綜合應(yīng)用，可以彌補(bǔ)人類感官描述的模糊性、主觀性和不精確性。研究者在各領(lǐng)域的潛心研究，從單一敏感元件到傳感器陣列再到圖像傳感器，使得電子鼻技術(shù)獲得了豐碩的研究成果。但就目前的電子鼻技術(shù)而言，傳感器靈敏度不高、漂移影響大、重復(fù)性不理想等問題，是當(dāng)前該技術(shù)存在的缺陷[32-35]，因此，后續(xù)研究尚須對(duì)電子鼻檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。國(guó)內(nèi)氣敏傳感器近年發(fā)展較快，但總體技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比相差較大。

總體而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)電子鼻技術(shù)的研究大多還處于實(shí)驗(yàn)室階段，即便是已經(jīng)商品化的產(chǎn)品仍存在一些問題，如電子鼻系統(tǒng)中傳感器陣列專屬性及穩(wěn)定性差，易受環(huán)境因素（如濕度、溫度、振動(dòng)等）的影響；傳感器易于過載或中毒，與干擾氣體發(fā)生反應(yīng)，影響檢測(cè)結(jié)果。而有關(guān)傳感器與被測(cè)樣品中氣味物質(zhì)之間的相互作用機(jī)制以及傳感器響應(yīng)值變化的內(nèi)在物質(zhì)基礎(chǔ)的研究甚少，這是影響電子鼻適用領(lǐng)域受到局限的主要原因之一。

此外，傳感器陣列信息的冗余、后期的模式識(shí)別技術(shù)缺乏通用的識(shí)別算法、算法受實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響等也是造成其應(yīng)用推廣受限的原因。所以，在將來的研究中，新型的傳感材料、先進(jìn)的信號(hào)處理算法是電子鼻研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容；而根據(jù)所測(cè)樣品的物化屬性，針對(duì)性地研發(fā)特異性強(qiáng)、靈敏度高的傳感器材料，有目的地選擇并優(yōu)化專屬性傳感器陣列，從而解決上述種種不足和應(yīng)用局限；根據(jù)分析應(yīng)用的具體目的而選擇最適合、最簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)處理方法，應(yīng)是本領(lǐng)域研究的主要方向。