傳感器型電子鼻技術(shù)在谷物品質(zhì)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

劉遠(yuǎn)方　趙愛娟

摘要：電子鼻技術(shù)是一種綜合的氣味分析技術(shù)，由樣品處理系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分構(gòu)成，根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)不同分為傳感器型電子鼻、氣譜型電子鼻和質(zhì)譜型電子鼻。通過對(duì)傳感器型電子鼻前處理?xiàng)l件優(yōu)化和電子鼻傳感器列陣優(yōu)化來得出較好的PCA結(jié)果，以區(qū)分谷物霉變程度、儲(chǔ)藏時(shí)間、蟲害情況以及感觀品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：電子鼻技術(shù)；谷物品質(zhì)；檢測(cè)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）47-0084-02

一、引言

作為誕生于上世紀(jì)90年代的嗅味識(shí)別檢測(cè)儀器，電子鼻以高度的仿人工嗅覺系統(tǒng)被冠以氣味掃描儀的稱號(hào)。不同于常規(guī)的普通的化學(xué)分析儀器，其具有常規(guī)色譜儀、毛細(xì)管電泳儀等不同的特征，最終得到的不是被檢測(cè)樣品中成分的定量與定性分析，而是定量與定性分析基礎(chǔ)上的整體信息獲取，也被形象地稱為指紋數(shù)據(jù)的獲取。不同的氣味，其會(huì)自動(dòng)捕捉到不同的信號(hào)特征，并且將這些信號(hào)與數(shù)據(jù)庫中的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，在識(shí)別后進(jìn)行有效判斷，在氣味識(shí)別及真?zhèn)舞b別等方面發(fā)揮重要作用，借助電子鼻真正實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品從生產(chǎn)源頭到加工所有環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)督與檢查。

二、電子鼻技術(shù)

1.電子鼻結(jié)構(gòu)原理與組成。電子鼻的主要部分是化學(xué)傳感器，這些傳感器以彼此重疊的方式排列。除了化學(xué)傳感器還有適當(dāng)模式識(shí)別方式，適當(dāng)模式識(shí)別方式主要服務(wù)于簡單與復(fù)雜氣味的識(shí)別，綜合來說電子鼻是新型的氣味仿生儀器。目前較常用的商品化電子鼻系統(tǒng)有德國Airsense系統(tǒng)的PEN2和PEN3、法國AlphaMOS系統(tǒng)FOX3000和FOX4000以及我國上海瑞玢公司的I-Nose。市面上通用的電子鼻分為檢測(cè)系統(tǒng)、樣品處理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三大部分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)大同小異。

2.樣品預(yù)處理系統(tǒng)。樣品處理系統(tǒng)是核心系統(tǒng)，也是實(shí)現(xiàn)電子檢測(cè)的關(guān)鍵，直接影響到后期的數(shù)據(jù)分析及抽樣分析，關(guān)系到電子鼻系統(tǒng)的氣味識(shí)別能力。常用的電子鼻樣品預(yù)處理系統(tǒng)有靜態(tài)頂部空間技術(shù)（SHS）、固相微萃取技術(shù)（SPME）、攪拌棒吸附萃取（SBSE）、內(nèi)針動(dòng)態(tài)萃取（INDEX）、膜進(jìn)樣質(zhì)譜（MIMS）。

3.檢測(cè)系統(tǒng)。電子鼻性能的核心技術(shù)取決于氣敏傳感器及其陣列的選擇，要提高電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)的性能必須選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅麝嚵?。?duì)于常用到的電子鼻德國Airsense系統(tǒng)的電子鼻包含有10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)金屬氧化物傳感器組成的陣列，法國Alpha MOS系統(tǒng)的FOX3000和FOX4000電子鼻一般包含18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)金屬氧化物傳感器，上海瑞玢公司的I-Nose包括10個(gè)金屬氧化物傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)不同的化學(xué)物質(zhì)敏感性不同，可以通過對(duì)比試驗(yàn)來篩選合適的傳感器組合。

4.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理需要結(jié)合線性變量分析方法，主要有主要成分分析、因子分析、別樣函數(shù)分析等，可按能被識(shí)別或不被識(shí)別分類[1]。

三、電子鼻技術(shù)與谷物品質(zhì)研究

作為人類主要糧食來源的谷物，因其自身易在貯存中受到霉菌污染而霉?fàn)€變質(zhì)，造成大量損失，甚至產(chǎn)生毒素，威脅人畜健康。在谷物品質(zhì)研究中電子鼻技術(shù)作為一種快速、綜合檢測(cè)分析方法其應(yīng)用研究在快速發(fā)展。以谷物作為樣品，通過電子鼻技術(shù)對(duì)其氣味分析來判斷其儲(chǔ)藏品質(zhì)和食用品質(zhì)，主要是以下兩種方式——直接檢測(cè)谷物顆粒揮發(fā)性氣體成分和檢測(cè)分析蒸煮米飯的揮發(fā)性氣體成分。

1.直接檢測(cè)谷物顆粒的氣味：谷物霉變程度檢測(cè)。我國學(xué)者鄒小波等人成功研制出一套新型電子鼻裝置，可以輕松實(shí)現(xiàn)谷物霉變程度的判定。該裝置主要組成部分為厚膜金屬氧化錫氣體傳感器陣列和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要服務(wù)于小麥、水稻及玉米的檢測(cè)。新型電子鼻裝置目前在谷物霉變程度檢測(cè)方面的準(zhǔn)確率高達(dá)百分之百[2]。我國學(xué)者惠國華等人也針對(duì)糧食霉變程度進(jìn)行電子檢測(cè)系統(tǒng)的創(chuàng)新研制，更注重檢測(cè)的迅速性，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)7天檢測(cè)蕎麥、大麥及燕麥等物質(zhì)的霉變程度，采用隨機(jī)共振數(shù)據(jù)處理方式對(duì)糧食霉變程度予以判定。其以消除傳感器在高溫、長時(shí)間作業(yè)后引發(fā)的基線漂移為前提實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)的快速與準(zhǔn)確。小麥的陳舊識(shí)別。科研發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)藏時(shí)間與小麥霉變程度存在正相關(guān)關(guān)系，儲(chǔ)藏時(shí)間延長，小麥內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并產(chǎn)生霉變氣味，氣味主要成分為羰基化合物，此外還有少量的醇酮類化合物。極性氣體的揮發(fā)與儲(chǔ)藏時(shí)間存在正相關(guān)，而小極性物質(zhì)則相對(duì)減少導(dǎo)致谷物的陳化。我國學(xué)者偉力國等人基于該相關(guān)關(guān)系研制出了新的小麥活性檢測(cè)技術(shù)，通過分析小麥陳化氣體實(shí)現(xiàn)小麥陳化程度的等級(jí)劃分，后期輔助以概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參與模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了小麥活性情況的精確檢測(cè)。2007年以龐林江為代表的學(xué)者對(duì)5個(gè)儲(chǔ)藏年限的小麥進(jìn)行檢測(cè)，AIRSENSE PEN2便攜式電子鼻得出的小麥最佳靜置時(shí)間為1.5小時(shí)，此次選用的小麥樣品含量為50g，經(jīng)過分析小麥的儲(chǔ)藏年限可以得到區(qū)分，而低于年限間隔較小的陳化小麥檢測(cè)并不靈敏。后來蔣德云等人研制推出了AlphaMOS Fox 3000電子鼻，其主要服務(wù)于病蟲害的檢測(cè)。結(jié)合主要成分實(shí)現(xiàn)對(duì)活蟲存在氣體樣品的分析，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)空氣樣品進(jìn)行檢測(cè)比較，此次對(duì)比發(fā)現(xiàn)活蟲樣品、死蟲樣品與標(biāo)準(zhǔn)空氣樣品存在明顯的檢測(cè)差異，電子鼻檢測(cè)病蟲害的功能得到了有效驗(yàn)證。周博等科研學(xué)者[3]則利用電子鼻和氣質(zhì)聯(lián)用儀結(jié)合起來對(duì)接種褐飛虱的水稻進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明電子鼻和氣質(zhì)聯(lián)用儀能檢測(cè)農(nóng)作物的蟲害情況。

2.蒸煮米飯風(fēng)味檢測(cè)研究。梁愛華等采用電子鼻對(duì)3種不同方便米飯（雞米芽菜方便米飯、榨菜肉末方便米飯、素什錦方便米飯）的新鮮品和真空冷凍保藏品進(jìn)行了比較分析，采用主成分分析和氣味指紋對(duì)比的方法分析了所獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)果證明電子鼻不但能將不同的方便米飯區(qū)分開，而且還可以很好地區(qū)分新鮮品與冷凍品。Jeehye Sung等人用帶有自動(dòng)頂空樣品采集器的SMart電子鼻（瑞士Marine-Epagnier公司的SMart電子鼻200）通過質(zhì)譜技術(shù)直接分析不同條件下貯存四個(gè)月的大米樣品中揮發(fā)性有機(jī)化合物，結(jié)合蒸煮米飯的感官評(píng)價(jià)對(duì)比研究證明結(jié)果顯示MS-電子鼻系統(tǒng)可以成功應(yīng)用于大米風(fēng)味特征的品質(zhì)評(píng)價(jià)和大米篩選[4]。

四、展望

我國借助電子鼻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)谷物鑒定及理化品質(zhì)檢測(cè)的研究尚處于起步階段，后期還需要做出大量的努力與探究實(shí)踐，目前我國的電子鼻專項(xiàng)檢測(cè)還僅僅停留于小麥霉變、小麥陳舊分析、病蟲害檢測(cè)等幾個(gè)方面，對(duì)于水稻及玉米等其他谷物的檢測(cè)還需要深入研究與拓展。但伴隨生物芯片技術(shù)與生物信息學(xué)的飛速發(fā)展，新型生物仿生材料的成功研制，我國電子鼻的研制也將實(shí)現(xiàn)更大程度的突破，取得理想的發(fā)展預(yù)期，更好地滿足人們對(duì)谷物糧食的安全檢測(cè)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hines E L，Llobet E，Gardner JW.Electronic noses：a review of signal processing techniques[J].IEE Proc.Circuits Devices Syst，1999，146（6）：297-310.

[2]鄒小波，趙杰文.電子鼻快速檢測(cè)谷物霉變的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，（2）：121-124.

[3]Zhou Bo，Wang Jun.Use of electronic nose technology foridentifying rice infestation by Nilaparvata lugens[J].Sensors andActuators B：Chemical，2011，（160）：15-21.

[4]Jeehye Sung，Bum-Keun Kim，Byung-Sam Kim，et al.Mass spectrometry-based electric nose system for assessing rice quality during storage at different temperatures.Journal of Stored Products Research，2014，（59）：204-208.