電子鼻在牙膏風味評價中的應用探討

何家俊 鄧全富 張 環(huán) 陳 欣

(重慶登康口腔護理用品股份有限公司，重慶 江北 400025)

一直以來人們對加香產(chǎn)品的品質(zhì)優(yōu)劣等級劃分通常是以香氣、外觀、質(zhì)地、風味等多個維度采用人工感官綜合評價的方法進行的。隨著仿生生物學領域和人工智能的蓬勃發(fā)展，通過對人類和動物體的嗅覺味覺感官的深入研究，人們研發(fā)出了可以模仿生物有機體嗅覺的人工智能識別系統(tǒng)——電子鼻[1,2]。特別是在風味評價中，電子鼻的應用既克服了傳統(tǒng)人工評價時所表現(xiàn)出來的受主觀性影響和可重復性不佳的問題，又解決了使用色譜法進行分析檢測時繁瑣的樣品前處理，且不使用任何有機溶劑，不會對分析檢測人員的身體健康有所影響，是一種環(huán)?？煽康目焖俜治鰴z測手段[3,4]?；陔娮颖堑奶攸c和優(yōu)越性能，其在國內(nèi)外已廣泛應用于食品工業(yè)、藥品工業(yè)、環(huán)境檢測和國家安全等方面。目前，電子鼻還未廣泛應用于牙膏行業(yè)，本研究對電子鼻在牙膏風味評價中的應用和研究進行綜述，為電子鼻技術在牙膏行業(yè)的發(fā)展提供一定的參考思路。

1 電子鼻的結構及原理

電子鼻又稱氣味掃描儀，在檢測中充分發(fā)揮了其客觀性、可靠性和重現(xiàn)性等方面的優(yōu)點，主要用來識別、分析、檢測一些揮發(fā)性成分。

1.1 電子鼻的結構

電子鼻的整個系統(tǒng)主要是由氣敏傳感器陣列、信號預處理單元和模式識別單元三大部分組成。氣敏傳感器陣列是電子鼻的核心部分，主要類型有導電型傳感器、壓電式傳感器、場效應傳感器、光纖傳感器等，最常用的氣敏傳感器的材料為金屬氧化物、高分子聚合物材料、壓電材料等[5-7]。由于產(chǎn)品的氣味復雜，所以電子鼻的氣味感知部分往往采用多個具有不同選擇性的氣敏傳感器組成陣列，利用其對多種氣體的交叉敏感性，將不同的氣味分子在其表面的作用轉(zhuǎn)化為方便計算的且與時間相關的可測物理信號組，從而實現(xiàn)對混合氣體的分析。

1.2 電子鼻的原理

電子鼻的檢測過程就是人工模擬嗅覺形成的過程，首先由氣敏傳感器陣列對氣味產(chǎn)生信號，信號經(jīng)預處理后進行模式識別判斷，最后輸出對氣體組成成分定性和定量的檢測結果。在功能上氣敏傳感器陣列相當于人的嗅覺感受細胞用來感受氣體并產(chǎn)生嗅覺信號；信號處理系統(tǒng)和模式識別系統(tǒng)相當于人的大腦主要是對前面產(chǎn)生的嗅覺信號進行判斷分析[8,9]。

2 電子鼻在牙膏風味檢測中的應用

在牙膏成品中，牙膏的風味變化不僅關系到消費者的切身利益，也與產(chǎn)品品質(zhì)的影響有著密切的關系。而電子鼻可以通過氣味檢測得到不同時期產(chǎn)品風味表現(xiàn)的數(shù)據(jù)信號，從而做到對風味變化進行判別。

通常會采用兩種檢測的方式，一種是通過檢測多個已知樣品，在電子鼻的檢測結果中比較分析不同樣品之間的區(qū)別和聯(lián)系，從而建立一種關系或進行區(qū)分；第二種是檢測已知樣品，得到結果后進行記錄并確定為標準品。通過檢測未知樣品與標準樣品進行比對，比較未知樣品和標準樣品的差異性。本研究采用第一種檢測方式進行研究。

2.1 材料與方法

2.1.1 材料與香料

膏體基料(出鍋不超過12小時) ，配制好的香精(圓熟48小時以上)。

2.1.2 儀器與設備

FOX4000電子鼻(法國阿爾法)；自動進樣器HS100；電子鼻標配進樣瓶。

表1 主要的技術參數(shù)

2.1.3 樣品制備

先將加調(diào)配好香精樣品分別加入膏體基料中(香精添加量1%)，然后分別在25℃、35℃、45℃、50℃的不同溫度條件進行攪拌、脫氣制膏，最后將制得的膏體裝入空白牙膏管中封尾待用。

2.1.4 電子鼻檢測

準確控制室溫25℃。從牙膏樣中取1g于20ml潔凈的電子鼻進樣瓶中，在40℃條件下孵化20分鐘。

電子鼻試驗參數(shù)設置：捕集溫度40℃，26s；進樣量2000微升，進樣速度125微升/秒。升溫程序：初始溫度50℃，以1℃/s升至80℃，再以3℃/s升至250℃，保留21s。

2.1.5 數(shù)據(jù)處理

將電子鼻得到的數(shù)據(jù)利用電子鼻自帶軟件AlphaSoft9.1進行統(tǒng)計分析，主要采用主成分分析(PCA)。

2.2 結果與分析

2.2.1 電子鼻分析雷達圖比較

采用電子鼻對四個不同制膏溫度樣品樣品NTA-1(25℃)、NTB-2(35℃)、NTC-3(45℃)、NTD-4(50℃)進行揮發(fā)性風味的強度分析，圖1為4個牙膏樣品的揮發(fā)性風味強度進行重疊比較的相應雷達圖。由圖1可知，4個牙膏樣品揮重現(xiàn)性非常好，具有一致性，樣品NTA-1(25℃)、NTB-2(35℃)在前期揮發(fā)性風味的強度更高，樣品NTC-3(45℃)、NTD-4(50℃)在后期揮發(fā)性風味的強度更高。

圖1 四個牙膏樣品的雷達圖

2.2.2 主成分分析(PCA)

PCA是將所提取的傳感器多指標的信息進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維度，并對降維后的特征向量進行線性分類，最后通過在PCA分析的散點圖上顯示兩個主要維度的散點圖[10]。PC1和PC2上包含了在PCA轉(zhuǎn)換中得到的主成分1和主成分2的貢獻率，貢獻率越大，說明主要成分可以較好地反映原來多指標的信息。

主成分1貢獻率92.273%，主成分2貢獻率為5.892%

2.3 結論

雷達圖風味強度分析中可以看出樣品NTA-1(25℃)與NTB-2(35℃)頭香部分風味較為豐滿，樣品NTC-3(45℃)與樣品NTD-4(50℃)底香部分風味更加突出，說明制膏過程中溫度會對牙膏風味平衡造成一定影響。

PCA分析中，主成分1貢獻率92.273%，主成分2貢獻率5.892%，兩個主成分區(qū)分貢獻度和為98.165%，只要大于90%就可以表示兩個主成分已經(jīng)基本代表了樣品主要信息特征。同時，PCA的區(qū)分度達到98.165%。由圖2可以看出，樣品NTA-1(25℃)分別與NTB-2(35℃)、NTC-3(45℃)的分布區(qū)域較遠，差別比較明顯；樣品NTC-3(45℃)與樣品NTD-4(50℃)分布幾乎重疊，差別不明顯。通過PCA分析可以將在特定溫度條件下所制得的膏體風味區(qū)分開。

圖2 四個牙膏樣品PCA分析

3 展望

電子鼻作為集仿生學、傳感器和計算機科學為一體的新型仿生檢測技術，提供了一種客觀、具有良好重復性的辨別方法，可以結合人工感官方式更好對產(chǎn)品進行評價。電子鼻在各種檢測中，由于其測定快速，還可與色譜儀連用，加大產(chǎn)品鑒別能力，得到有效的利用。將來隨著生物芯片(基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、組織芯片、生物傳感器芯片)和生物信息學的發(fā)展，隨著傳感器數(shù)據(jù)融合技術、模式識別、人工智能、模糊理論、概率統(tǒng)計等交叉的新興學科的發(fā)展，其功能必將進一步增強。電子鼻作為一個流行技術已經(jīng)給眾多行業(yè)帶來較高的實用性，以其獨特的功能，在牙膏生產(chǎn)工藝控制、貨架期預測、品質(zhì)檢測等方面也將有不錯的應用前景。