电子鼻在食品领域的应用

安徽农业科学，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ａ　．Ｓｃｉ．２０１４，４２（２５）：８７４７—８７４８，８７５０　责任编辑李菲菲责任校对况玲玲　电子鼻在食品领域的应用　纪飞，李静，李臻峰　，宋飞虎，徐晚秀　（江南大学机械工程学院，江苏无锡２１４ｌ２２）　摘要简要介绍了电子鼻的发展历史、组成和基本原理。阐述了４５－鼻在肉制品检测、酒类识别、水果评价等食品工业中的最新应用进　展，提出了电子鼻目前存在的问题，并对其未来发展趋势进行展望。　关键词电子鼻；气味检测；食品工业　中图分类号￥６０９．９；ＴＰ２１２．９　文献标识码Ａ　文章编号０５１７—６６１ｌ（２０１４）２５—０８７４７—０２　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｎｏｓｅ　ｉｎ　Ｆｏｏｄ　Ｆｉｅｌｄ　ＪＩ　Ｆｅｉ，ＬＩ　Ｚｈｅｎ－ｆｅｎｇ　ｅｔ　ａｌ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２１４１２２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｎｏｓｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃ—　ｔｒｏｎｉｃ　ｎｏｓｅ　ｉｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅａｔ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ．ｗｉｎｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｒｕｉｔｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆｏｏｄ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｆｏｒ　ｉｔｓ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ａｒｅ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ．　ＫｅＹ　ｗｏｒｄｓ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｎｏｓｅ：Ｏｄｏｕｒ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ：Ｆｏｏｄ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　

气味是食品品质评价中的一项重要指标，目前主要是由　专业人员组成的专家组用鼻子进行气味的评判。这种方法　的结果包含多种不稳定因素：人的鼻子对气味具有适应性，　容易产生嗅觉疲劳；人的情绪波动和心理状态会影响评判结　果；一些变质食品的气味可能会对人体产生危害。而电子鼻　技术的出现很好地解决了这些问题，电子鼻技术拥有客观、　可靠和安全等优点。　电子鼻，又称人工嗅觉系统、气味扫描仪，是２０世纪９Ｏ　年代产生并发展起来的一种快速检测挥发性气味的仪器。　因其检测快速、准确的优点，在食品、医疗卫生　、化　工　Ｊ、公共安全　等领域有着广泛的应用。　ｌ　电子鼻组成及工作原理　电子鼻的概念最早出现在２０世纪８０年代，１９８２年，　Ｋｒｉｓｈｎａ　Ｐｅｒｓａｕｄ等提出了一种可以将气体分类的化学传感器　阵列的概念　，揭开了电子鼻技术发展的序幕。１９９４年，　Ｊ．Ｗ．Ｇａｒｄｎｅｒ提出了广为接受的电子鼻的定义：电子鼻是一　种由功能各异的化学传感器阵列适当的模式识别系统组成　的，可以用来识别简单或者复杂气味的仪器　，标志着电子　鼻技术进入到快速发展的阶段。２０世纪９０年代出现了商用　电子鼻，目前世界上比较有名的电子鼻厂商有十多家，包括　英国的Ｎｅｏｔｒｏｎｉｃｓ　ｓｙｓｔｅｍ和ＡｒｏｍａＳｃａｎ　ｓｙｓｔｅｍ、美国的Ｅｌｅｃ—　ｔｒｏｎｉｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、法国的Ａｌｐｈａ　ＭＯＳ、日本的Ｆｒｇａｒｏ、我　国台湾的Ｓｍｅｌｌ和Ｋｅｅｎ　Ｗｅｅｎ等　。　电子鼻的主要组成部件为：气味取样装置、气体传感器　阵列和信号处理系统　。电子鼻最核心的部件是多个具有　气味选择性的气体传感器所组成阵列，正是利用它们各自对　特定气体的敏感性可以获得被测气味的整体信息。目前，常　用的气体传感器根据材料类型可以分为３类　：①金属氧化　物（ＭＯＳ）传感器，利用其与气味分子吸附后氧化物电阻的下　基金项目　作者简介　收稿日期　国家自然基金项目（２１２０６０５１）；江苏省产学研联合创新资　金项目（ＢＹ２０１３０１５５－２２）。　纪飞（１９９０一），男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向：食　品无损检测。　通讯作者，教授，博士生导师，从事食品无　损检测技术研究。　２Ｏ１４－０７－２５　降产生信号。②导电高分子（ＣＰ）传感器，气味分子与传感　器反应后引起其电阻升高产生信号。③质量传感器，主要包　括石英晶体微平衡（ＱＣＭ）传感器和声表面波（ＳＡＷ）传感　器，它们在吸附气味分子后共振频率会产生变化从而产生　信号。　电子鼻对气味的分析识别过程可分为３个过程：①气体　传感器阵列吸附气味分子并产生信号。②对生成的信号进　行加工处理和传输。③对处理后的信号进行模式识别并作　出判断。电子鼻是模仿人类的嗅觉器官建立的，人的嗅觉产　生也可以分为３个过程：①鼻腔中的嗅觉细胞与气味分子吸　附产生信号。②嗅觉细胞核嗅球对信号进行加工放大后传　输到神经中枢（人的大脑）。③大脑对接收到的信号做出判　断，产生嗅觉。　２　电子鼻在食品领域的应用　２．１在肉制品检测中的应用　肉制品是人们日常生活中不　可或缺的消费品，它的新鲜度对人的健康有较大影响。近年　来，电子鼻在肉制品新鲜度检测中的应用越来越多。Ｍｕｓａｔｏｖ　等用基于金属氧化物传感器电子鼻和线性判别式分析法　（ＬＤＡ）对肉类的新鲜度进行了检测”　。他们发现对于同一　家厂家的肉样，只需要１个或者２个标准样品就可以达到　１００％的识别率。通过对２种分别存储在４℃和２５　ｑＣ的肉样　在变质的前期单独建立ＬＤＡ模型并通过电子鼻的训练进行　识别，然后经过３～４个周期的训练后，电子鼻就可以建立不　同厂商肉样可靠的ＬＤＡ模型。结果表明，基于金属氧化物　传感器的电子鼻可以用来对食品的新鲜度进行检测，且准确　率较高。石志标等利用自己开发的电子鼻检测系统对牛肉　新鲜度进行了评判　。他们分别用ＳＶＭ算法和ＢＰ神经算　法对储存７　ｄ的不同新鲜度的牛肉进行检测，发现训练样本　为７组时，ＢＰ算法最高识别率９０．２３％，ＳＶＭ算法最高识别　率为９６．２４％；训练样本１４组时，ＢＰ算法最高识别率　９９．２５％，ＳＶＭ算法最高识别率为９６．２４％。结果表明，ＳＶＭ　算法的识别率较高并且稳定，利用电子鼻对牛肉进行新鲜度　检测是可行的。　２．２在酒类检测中的应用　目前市场上的酒类存在着以次　８７４８　安徽农业科学　２０１４生　充好、伪造酒类等现象，利用电子鼻可以实现对酒类产地、酒　龄等进行检测分析。鲁小利等开发了具有仿生特性的电子　鼻系统，并用其对黄酒的品质进行检测　。他们选取了来　自绍兴、上海和其他产地的黄酒样本各加个进行黄酒产地　的区分，并对１年陈、３年陈和５年陈的古月龙山黄酒进行酒　龄区分，模式识别方法主要采用主成分分析（ＰＣＡ）、判别因　子分析（ＤＦＡ）以及误差反向传播（ＢＰ）神经网络。结果表　明，该电子鼻系统能够很好地区分不同产地和古越龙山不同　标注酒龄的黄酒，准确率可达到１００％，并可对产地和酒龄进　行很好地预测，准确率在８０％～１００％，这对于酒类原产地的　保护工作有着重要的借鉴意义。柯永斌等设计了由５个　ＴＧＳ传感器阵列组成的电子鼻用于识别不同香型的白酒　，　他们分别采集了浓香型、酱香型、清香型、米香型４种香型的　酒样的气味数据，并用主成分分析（ＰＣＡ）、线性判别分析　（ＬＤＡ）和概率神经网络（ＰＮＮ）进行模式识别。试验数据表　明，主成分分析的前２个主元累计贡献率达９３．５５％，线性判　别分析的前２个主元累计贡献率为９７，３３％，概率神经网络　模型识别率达到１００％。结果表明，设计的电子鼻可以应用　于对不同香型白酒的快速识别。Ｍａｈｄｉ　Ｇｈａｓｅｍｉ—Ｖａｍａｍｋｈａｓ－　ｔｉａ等用基于金属氧化物传感器的电子鼻检测了普通啤酒和　无醇啤酒在陈化过程中气味的变化　。他们用人工神经网　络（ＡＮＮ）算法将陈化的啤酒分为若干个等级，对数据使用主　成分分析（ＰＣＡ）和线性判别分析（ＬＤＡ）进行分析后发现，无　醇啤酒的等级可以明显区分出来，而普通啤酒则无法明显区　分，表明普通啤酒的陈化过程比无醇啤酒要稳定，这为酒厂　提供了一种在线检测啤酒品质的方法。　２．３在水果检测中的应用　对水果成熟度进行检测可以有　效地防止腐烂的发生。Ｈｕｉ　Ｇｕｏｈｕａ等研制了基于金属氧化　物传感器的电子鼻并对富士苹果的库存时间进行检测并建　立了预测模型，发现主成分分析（ＰＣＡ）法不能区分所有样　品，而基于信噪比（ＳＮＲ）的自适应算法可以成功区分未熟、　半数和成熟的苹果　。在对预测模型的验证试验中，发现　预测准确率达到了８４．６２％，表明这种方法有着检测快速、操　作简单、准确率高和可靠性高等优点。Ｌｕｉｓａ　Ｔｏｎｉ等研究了　电子鼻在监测鲜切水果（菠萝片）新鲜度的应用，将菠萝样品　在３种不同的温度（４～５，７～８，１５～１６℃）下储存６～１０　ｄ，　通过２种方法分析得到数据：一种是用不连续的方法对处于　不同储存阶段的样品进行一系列的分析，另一种是连续的方　法，用电子鼻的探针自动监测菠萝片储存过程中顶空　。　结果表明，使用不连续的方法时，电子鼻能够区分若干样品　并且监控与腐烂相关的挥发性物质的变化，电子鼻技术在工　业质量控制中的应用值得人们关注。　２．４在茶叶检测中的应用现代科学分析表明，茶叶中含　有多种营养成分和药效成分，利用电子鼻可以对茶叶等级进　行鉴定。史波林等用法国Ａｌｐｈａ　ＭＯＳ公司的Ｆｏｘ４０００型电　子鼻对西湖龙井茶的香气特征进行研究，并探寻用电子鼻鉴　别龙井茶等级的方法　。试验所用的茶叶样品分为３个等　级，ＡＡＡ级、ＡＡ级和Ａ级（品质依次降低），采用软独立建模　分类法（ＳＩＭＣＡ）进行模式识别，结果表明，Ａ级样品与其他２　组样品区分显著，识别率可以达到１００％。由于ＡＡＡ级和　ＡＡ级的等级识别过程受到了ＡＡ级样品中少数异常点的影　响，识别率只有９３％左右，这已经基本满足了检测需要，可以　实现对西湖龙井的智能分级。甘芝霖等用电子鼻对２种品　牌、５个等级的信阳毛尖茶进行检测，并用主成分分析法　（ＰＣＡ）建立图谱来区分不同等级茶叶的差异，用偏最小二乘　法（ＰＬＳ）建立模型　。结果得出，ＰＣＡ图谱可以将各个茶叶　样品明显区分，并利用盲样的试验结果对感官评审结果进行　验证，表明所建立的ＰＬＳ模型可以较为准确地检测茶叶样品　的品质和等级，实现对茶叶品质的快速判定。　３结语　凭借着检测快速、简单、安全以及重复性高等优点，电子　鼻技术在未来将会逐步取代人工感官评价成为主要的气味　评价手段。未来电子鼻技术主要发展趋势：①朝着便携、微　型方向发展。目前多数电子鼻体积太过庞大，不方便携带，　给电子鼻的普及带来了一定阻碍。②开发出专用的电子鼻。　通用型的电子鼻灵敏度低，应开发出专门应用于食品行业的　电子鼻。③实现在线检测。受到外部环境、传感器寿命、样　品种类的影响，目前还没有实时在线的电子鼻检测系统，通　过研究外部与内在因素对电子鼻检测的影响并开发出在线　检测系统是未来的发展趋势之一。　参考文献　［１］杨文玺，魏胜利，刘亚令，等．基于电子鼻技术的大黄药材气味鉴别　［Ｊ］．现代中药研究与实践，２０１４（１）：ｎ—ｌ３．　［２］ＷＬＯＤＺＩＭＩＲＯＷ　Ｋ　Ａ，ＡＢＵ．ＨＡＮＮＡ　Ａ，ＳＣＨＵＬＴＺ　Ｍ　Ｊ．ｅｔ　８１．Ｅｘｈａｌｅｄ　ｂｒｅａｔｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｉｔｈ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｎｏｓｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｕｔｅ　ｌｉｖｅｒ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｉｎ　［Ｊ］．Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｅｓ，２０１４，５３：１２９—１３４．　［３］龙君，朱晓琼，杨涓，等．电子鼻对烟用香精香料检测参数的研究［Ｊ］．　化学研究与应用，２０１４（３）：３９５—４００．　［４］朱晓琼，杨涓，李婧，等．电子鼻结合ＰＣＡ—ＢＰ神经潮络在烟用香料质量　控制中的应用［Ｊ］．化学研究与应用，２０１４（２）：２６１—２６６．　［５］方向生，施汉昌，何苗，等．电子鼻在环境监测中的应用与进展［Ｊ］．环　境科学与技术，２０１１（１ｏ）：１１２—１１７．　［６］王玲，桂阳海，张顺平，等．电子鼻在危险爆炸物检测中的应用研究　［Ｊ］．传感技术学报，２ｏｏ７（１）：４２—４５．　［７］ＫＩ￣ＳＩ－ＩＮＡ　ＰＥＲＳＡＵＤ，ＧＥＯＲＧＥ　ＤＯＤＤ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａ．　ｎｉｓｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｍｍａｌｉａｎ　ｏｌｆａｃｔｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｎｏｓｅ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，　１９８２，２９９（５８８１）：３５２—３５５．　［８］ＧＡＲＤＮＥＲ　Ｊ　Ｗ，ＢＡＲＴＬＥＴＦ　Ｐ　Ｎ．Ａ　ｂｒｉｅｆ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｎｏｓｅｓ［Ｊ］．