初探人工嗅覺系統(tǒng)及其在糧食質(zhì)量檢驗(yàn)中的應(yīng)用

夏文琪

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1 人工嗅覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成部分

1.1 人的嗅覺特點(diǎn)

人的嗅覺形成是通過(guò)分子擴(kuò)散到鼻腔后與G受體結(jié)合蛋白作用后產(chǎn)生信號(hào)，然后通過(guò)人體的嗅覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)一系列加工后輸入大腦，由大腦對(duì)氣味進(jìn)行辨別，并在長(zhǎng)期的工作中形成記憶，以此感受所吸入的味道。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

人工嗅覺系統(tǒng)的設(shè)置原理與人的嗅覺系統(tǒng)相似，在使用過(guò)程中氣味分子被系統(tǒng)的傳感器所吸附并產(chǎn)生信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理及加工并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理及模式識(shí)別系統(tǒng)中，然后后做出相應(yīng)判斷。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

人工嗅覺系統(tǒng)由兩部分組成，分別為傳感器及其陳列及數(shù)據(jù)處理及模式識(shí)別系統(tǒng)。其中傳感器是該系統(tǒng)的心臟，在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中起著核心的作用，它將接收到的各種氣味分子，通過(guò)一系列的操作將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可識(shí)別的物理信號(hào)，以供后續(xù)工作的完成。在對(duì)傳感器的材料進(jìn)行選擇時(shí)，需要選擇通用性強(qiáng)且對(duì)氣味的識(shí)別沒有特殊要求的材料，確保其可以將所有的不同的氣味在分子水平上相互作用并產(chǎn)生反應(yīng)。在鑒別過(guò)程中，因?yàn)槠洳⒉痪邆溆洃浶员仨毐Ｕ想娮託馕犊梢钥焖俚膫鬟f到識(shí)別系統(tǒng)中，從而避免影響下一次的操作效果。傳感器產(chǎn)生信號(hào)被電子放大后需要使用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，轉(zhuǎn)換為可以輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)。在進(jìn)行模式識(shí)別時(shí)，可以使用電阻或者電壓的變化率表示被測(cè)嗅覺的強(qiáng)度，并以此對(duì)氣味的性質(zhì)進(jìn)行比較。電子信號(hào)由專用的軟件進(jìn)行加工及處理后，機(jī)器可以將信號(hào)與以收集到的信息進(jìn)行對(duì)比、識(shí)別，以此來(lái)確認(rèn)檢查樣品的質(zhì)量[1]。

2 人工嗅覺系統(tǒng)在糧食質(zhì)量檢驗(yàn)中應(yīng)用的作用分析

2.1 提高檢驗(yàn)人員檢驗(yàn)的安全性

當(dāng)前我國(guó)糧食質(zhì)量檢驗(yàn)的檢測(cè)方法，基本上都是通過(guò)檢驗(yàn)人員品聞糧食中釋放的不同氣味，來(lái)鑒別糧食質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)并將變質(zhì)糧食進(jìn)行分類，一般會(huì)將糧食分為合格品、發(fā)霉品、質(zhì)量可疑品、腐敗品、蟲蛀品。變霉的谷物會(huì)對(duì)人體造成傷害，一般會(huì)引起檢驗(yàn)人員的肺部疾病，在長(zhǎng)期品聞糧食質(zhì)量過(guò)程中會(huì)對(duì)人體造成巨大的傷害，這在一定程度上會(huì)使相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員不足，令國(guó)民的身體健康遭到威脅。此外，靠檢驗(yàn)人員根據(jù)氣味分辨變質(zhì)谷物存在著很大的主觀因素，檢驗(yàn)人員會(huì)受情緒或機(jī)體體質(zhì)不同的影響出現(xiàn)判斷失誤的情況，且不利于給不同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的糧食進(jìn)行分類。比如紅籽小麥摻雜在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)的小麥中是很難區(qū)分出來(lái)的，人若食用了變質(zhì)小麥，輕者會(huì)產(chǎn)生身體不適的現(xiàn)象，當(dāng)變質(zhì)糧食中含有黃曲霉毒素b1時(shí)就會(huì)發(fā)生中毒現(xiàn)象，一般中毒幾率會(huì)達(dá)到5%～15%。人工嗅覺系統(tǒng)利用信息化技術(shù)和生物學(xué)技術(shù)能夠很好的克服檢驗(yàn)過(guò)程對(duì)檢驗(yàn)人員身體的傷害和人工品聞主觀性強(qiáng)的困難[2]。

2.2 糧食質(zhì)量評(píng)定

當(dāng)前商品市場(chǎng)上的糧食谷物多種多樣，相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)地、品種、生長(zhǎng)環(huán)境、加工條件等都會(huì)對(duì)糧食的氣味造成影響，人工嗅覺系統(tǒng)中的傳感器能夠?qū)Σ煌N類的氣味做出不同程度的響應(yīng)，是評(píng)定糧食質(zhì)量的重要工具。隨著大眾對(duì)食品加工多樣性的追求度越來(lái)越高，糧食加工方式和加工程度越來(lái)越多元化，使得糧食質(zhì)量評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越難以界定，糧食評(píng)定的工作難度也隨之增高，人工嗅覺系統(tǒng)需要從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、化學(xué)手段或物理手段等多種方面進(jìn)行糧食氣味的數(shù)據(jù)分析。一般可以用氣相色譜法和GC-MS測(cè)量得到糧食中各物質(zhì)的組成成分，同時(shí)利用分離技術(shù)，作出對(duì)糧食中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行全色譜分析。當(dāng)前常用的分離技術(shù)有直接熱解法、固相提取法、快速溶劑提取法等，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在糧食質(zhì)量檢驗(yàn)行業(yè)中得到了普遍的推廣與應(yīng)用。

當(dāng)前相關(guān)研究已經(jīng)在人工嗅覺系統(tǒng)中加入了SIMCA（近紅外光譜）技術(shù)，該技術(shù)的透射光譜波長(zhǎng)一般可達(dá)到700nm～1100nm，是集現(xiàn)代電子技術(shù)、化學(xué)計(jì)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的現(xiàn)代光譜分析技術(shù)，能夠有效辨別出糧食中的帶殼與去殼糧食。這一技術(shù)突破，使得人工嗅覺系統(tǒng)在糧食質(zhì)量檢驗(yàn)中的應(yīng)用性能進(jìn)一步提高，促使人工嗅覺的智能化程度越來(lái)越高，優(yōu)化了糧食質(zhì)量檢驗(yàn)的流程，使系統(tǒng)在操作過(guò)程中更加便捷，提升了糧食質(zhì)量檢驗(yàn)工作的效率，為我國(guó)糧倉(cāng)建設(shè)與糧食的流通提供了有效的檢驗(yàn)工具[3]。

2.3 辨別糧食中變霉的谷物

糧食釋放出的氣味比較多元，不是由單一的成分組成的，而是由多種氣味綜合反映而來(lái)的。在利用人工嗅覺系統(tǒng)進(jìn)行糧食質(zhì)量評(píng)定時(shí)，我們并不需要測(cè)量出所有氣味來(lái)評(píng)定糧食的質(zhì)量，甚至即使測(cè)量出全部氣味中的化學(xué)組合成分，我們也無(wú)法建立出具有科學(xué)代表性的數(shù)學(xué)邏輯表達(dá)式來(lái)，我們只需要利用人工嗅覺系統(tǒng)中n個(gè)氣敏傳感器所組成的陣列，對(duì)糧食樣本進(jìn)行一次測(cè)量，即可的得到一個(gè)n維向量，若測(cè)量m個(gè)樣本，就能夠得到m組關(guān)于質(zhì)量的數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般將糧食中的氣味通過(guò)傳感器時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)曲線族作為一組數(shù)據(jù)，然后采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行質(zhì)量模式的識(shí)別，即可完成對(duì)糧食質(zhì)量好壞做出精準(zhǔn)的評(píng)定。

主成分分析法是構(gòu)建人工嗅覺系統(tǒng)最為關(guān)鍵的技術(shù)模式，利用此技術(shù)能夠?qū)⒓Z食質(zhì)量分析過(guò)程中的低維空間清晰的表現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)氣味傳導(dǎo)到m個(gè)傳感器上時(shí)，組成的陣列所響應(yīng)出的矢量矩陣就會(huì)構(gòu)成一個(gè)多維空間X={x1，x2，…，xm}，此時(shí)就會(huì)計(jì)算出影響糧食質(zhì)量的多個(gè)主成分，繼而分辨出糧食質(zhì)量的分類。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前我國(guó)的人工嗅覺系統(tǒng)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)其應(yīng)用相對(duì)較少，但其當(dāng)前已經(jīng)具備了替代人工鑒別糧食質(zhì)量的功能，相信在未來(lái)的糧食質(zhì)量檢驗(yàn)中會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。通過(guò)人工嗅覺系統(tǒng)延伸人們的嗅覺能力，提高糧食質(zhì)量檢驗(yàn)的水平，幫助糧食加工廠商有效控制糧食在生產(chǎn)及存儲(chǔ)過(guò)程中的質(zhì)量。