電子鼻在食品行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)展

王建偉，葉升

(1.天津大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，天津 300072；2.杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司，杭州 310009)

在食品風(fēng)味檢測(cè)中，最主要的是檢測(cè)食品的氣味。感官評(píng)價(jià)作為傳統(tǒng)的食品風(fēng)味檢測(cè)方法，主要由專業(yè)人員通過(guò)感官鑒定食品的風(fēng)味指標(biāo)，具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，但也存在較多不足，如人為誤差、嗅覺疲勞、評(píng)價(jià)結(jié)果不客觀等缺點(diǎn)。常規(guī)儀器分析方法，如氣相色譜法、液相色譜法、離子遷移譜法等，在風(fēng)味檢測(cè)方面具有高靈敏度和低檢測(cè)限的優(yōu)點(diǎn)，但是需要復(fù)雜的儀器設(shè)備和專業(yè)的操作技術(shù)，成本較高且不能用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，存在較大的不便。

電子鼻利用氣體傳感器和模式識(shí)別技術(shù)，能夠快速檢測(cè)出被測(cè)樣品的氣味信息，可用于區(qū)分食品的品牌、產(chǎn)地和工藝，鑒定食品的等級(jí)及存儲(chǔ)時(shí)間，檢測(cè)食品的成熟度和新鮮度。目前，電子鼻已被廣泛應(yīng)用于酒、茶、飲料、果蔬、肉制品、調(diào)味品、油脂等領(lǐng)域的檢測(cè)。本文對(duì)電子鼻技術(shù)做了介紹，概述了電子鼻在食品行業(yè)的代表性應(yīng)用，并對(duì)其發(fā)展做了展望。

1 電子鼻介紹

電子鼻(electronic nose, EN)，又稱氣味傳感器、人工鼻等，其發(fā)明受生物嗅覺系統(tǒng)的啟發(fā)。在生物嗅覺系統(tǒng)中，氣味分子被鼻子中的嗅覺感受器細(xì)胞所感知，大腦中的嗅皮質(zhì)對(duì)氣味進(jìn)行描述并識(shí)別出氣味。電子鼻的氣體傳感器陣列對(duì)應(yīng)著鼻子中的嗅覺感受器細(xì)胞，可檢測(cè)空氣中的氣味分子。模式識(shí)別系統(tǒng)對(duì)捕捉到的氣味信號(hào)進(jìn)行特征提取，再利用機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)算法來(lái)識(shí)別和區(qū)分氣味。

1.1 電子鼻的工作原理

電子鼻是模擬動(dòng)物嗅覺器官開發(fā)的一種高科技產(chǎn)品，氣體傳感器作為電子鼻的核心元件，通過(guò)與待測(cè)氣體反應(yīng)將組成和濃度等信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中氣體的快速、靈敏、實(shí)時(shí)檢測(cè)。作為電子鼻的核心器件，氣體傳感器可以分為多個(gè)種類，如半導(dǎo)體型氣體傳感器、電化學(xué)型氣體傳感器、紅外氣體傳感器等。

半導(dǎo)體型氣體傳感器：半導(dǎo)體型傳感器直接根據(jù)電學(xué)性能的變化來(lái)確定氣體濃度，最常用的是電阻型半導(dǎo)體傳感器。目前普遍認(rèn)為，電阻型半導(dǎo)體傳感器的傳感機(jī)理是待測(cè)氣體與材料上的吸附氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致敏感材料電阻發(fā)生變化，其電阻變化率與待測(cè)氣體濃度呈指數(shù)關(guān)系。

電化學(xué)型氣體傳感器：其工作原理是使待測(cè)氣體在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電解電流，通過(guò)檢測(cè)電流的大小確定待測(cè)氣體的濃度。與其他類型的傳感器相比，電化學(xué)型傳感器具有低功耗、高靈敏度和高選擇性的特點(diǎn)和性能。

紅外氣體傳感器：紅外氣體傳感器是一種光吸收式氣體傳感器，以氣體的光學(xué)性質(zhì)和朗伯-比爾定律為依據(jù)，根據(jù)氣體的特征紅外吸收光譜確定氣體的組成和濃度。紅外氣體傳感器的抗干擾能力很強(qiáng)，具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，且不需要與待測(cè)氣體直接接觸，適用于一些特殊環(huán)境，如文物保護(hù)、航天領(lǐng)域等。

1.2 電子鼻的優(yōu)勢(shì)

目前，檢測(cè)氣體的方法主要有氣相色譜法、液相色譜法、分光光度法、離子遷移譜法等，這些方法往往具有高靈敏度和低檢測(cè)限的優(yōu)點(diǎn)，但是需要復(fù)雜的儀器設(shè)備和專業(yè)的操作技術(shù)，成本較高且不能用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在生產(chǎn)和生活中使用存在極大的不便。

相比于人工聞味，電子鼻技術(shù)可以避免各種人為的誤差，甚至還能檢測(cè)到人類鼻子不易覺察的微弱氣體，評(píng)價(jià)結(jié)果客觀，很好地彌補(bǔ)了人類的某些生理限制。相比于儀器分析方法，電子鼻技術(shù)具有小型化、低成本、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，不需要專業(yè)操作技術(shù)，無(wú)需人工干預(yù)，可用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

2 電子鼻在食品行業(yè)的應(yīng)用

電子鼻在食品行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，其檢測(cè)對(duì)象主要有酒類、飲料、茶葉、水產(chǎn)品、調(diào)味品、肉制品、果蔬等，應(yīng)用場(chǎng)景主要有品質(zhì)鑒定、風(fēng)味分析、成分檢測(cè)、品牌分類、新鮮度檢測(cè)、產(chǎn)品工藝改善等。

2.1 電子鼻在酒類檢測(cè)中的應(yīng)用

劉芳等利用電子鼻對(duì)11種濃香型白酒的分類進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，電子鼻對(duì)不同品牌濃香型白酒揮發(fā)性風(fēng)味成分具有較好的響應(yīng)。在對(duì)傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)主成分分析比線性判別分析更適用于濃香型白酒的分類分析，可有效區(qū)分不同品牌濃香型白酒。曹有芳等以不同產(chǎn)地的3種蘋果為原料釀造蘋果酒，用電子鼻對(duì)其揮發(fā)性氣味進(jìn)行檢測(cè)和分析，通過(guò)單因素方差分析和主成分分析獲得了電子鼻的最佳檢測(cè)參數(shù)，電子鼻對(duì)3種蘋果酒的檢測(cè)結(jié)果表明，電子鼻可從揮發(fā)性氣味方面實(shí)現(xiàn)蘋果酒的區(qū)分。

蒲璐璐等以5種不同酒齡的醬香型白酒為研究對(duì)象，利用電子鼻和氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)研究了不同酒齡醬香型白酒的品質(zhì)及風(fēng)味變化。電子鼻檢測(cè)結(jié)果表明，不同酒齡的醬香型白酒香氣成分存在明顯差異，主成分分析和線性判別分析均可對(duì)樣品進(jìn)行有效區(qū)分，為醬香酒酒齡的鑒別提供了指導(dǎo)。趙寧等采用電子鼻對(duì)徐香、海沃德和黃金果獼猴桃釀造的3種獼猴桃酒中的香氣物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定和分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同獼猴桃酒間香氣特征有較大差異，其中徐香和海沃德酒風(fēng)味差異最大，用主成分分析法可實(shí)現(xiàn)3種酒的區(qū)分。喬淼等利用電子鼻對(duì)葡萄酒品種鑒別進(jìn)行了研究，采集了7個(gè)品種葡萄酒的2100組氣味信息數(shù)據(jù)，應(yīng)用LightGBM算法對(duì)葡萄酒氣味特征進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明建立的判別模型對(duì)葡萄酒樣品的判別準(zhǔn)確率為96.62%，驗(yàn)證了電子鼻在葡萄酒品種鑒別中的可行性。

2.2 電子鼻在調(diào)味品檢測(cè)中的應(yīng)用

李倩等利用電子鼻對(duì)辣椒料氣味等級(jí)快速區(qū)分進(jìn)行了研究，采集了4種不同氣味等級(jí)辣椒料樣品的氣味數(shù)據(jù)，并用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)辣椒料氣味等級(jí)區(qū)分的準(zhǔn)確率為94.23%。易宇文等以8種醬油的電子鼻、電子舌檢測(cè)信號(hào)為研究對(duì)象，結(jié)合主成分分析法從香味和滋味角度綜合評(píng)價(jià)醬油的風(fēng)味。電子鼻分析表明，從香氣上可將8種醬油分為3組，電子舌分析表明，8種醬油在滋味上特征明顯，電子鼻結(jié)合電子舌能綜合分析樣品的氣味和滋味信息。閻紅等采用電子鼻對(duì)青花椒和紅花椒樣品進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析和判別因子分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間氣味存在明顯差異，與感官分析的結(jié)論一致，為花椒類產(chǎn)品的品質(zhì)評(píng)定和快速檢測(cè)提供了依據(jù)。鄺格靈等利用電子鼻技術(shù)結(jié)合主成分分析法對(duì)恒順香醋陳釀期成分進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電子鼻對(duì)不同陳釀期的恒順香醋的香氣具有明顯響應(yīng)，可較好地進(jìn)行識(shí)別分類，為快速鑒別不同陳釀期的恒順香醋提供了理論依據(jù)。周州等用電子鼻研究了藥膳火鍋底料制備工藝對(duì)其感官評(píng)分的影響，發(fā)現(xiàn)成品藥膳火鍋底料的香氣主要由藥材提供，并對(duì)影響藥膳火鍋底料的水煮時(shí)間、中藥材添加量、辣椒添加量、加水量等因素進(jìn)行了優(yōu)化，確定了最佳的工藝參數(shù)。

2.3 電子鼻在飲料檢測(cè)中的應(yīng)用

蓬桂華等用電子鼻對(duì)桑果汁風(fēng)味分析進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)桑果汁氣味差異主要體現(xiàn)于甲基類、硫化物、氮氧化物等化合物上，主成分分析累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)99.91%。此外，電子鼻亦可用于區(qū)分不同品牌的桑果汁，各樣品判別指數(shù)在0.977～1.000之間。潘明慧等利用電子鼻對(duì)乳飲料的風(fēng)味評(píng)價(jià)和工藝優(yōu)化進(jìn)行了研究，運(yùn)用電子鼻對(duì)工藝調(diào)整后的樣品進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)電子鼻對(duì)不同參數(shù)調(diào)整后的樣品的區(qū)分效果明顯，并最終篩選出最佳工藝。劉學(xué)艷等以8種紅茶作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用電子鼻和氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)對(duì)紅茶樣品的揮發(fā)性香氣物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析。電子鼻檢測(cè)結(jié)果顯示8種紅茶樣品的揮發(fā)性香氣差異顯著，結(jié)合氣相色譜-離子遷移譜分析結(jié)果可知，野生茶樹的酮類、酸類香氣物質(zhì)較生態(tài)茶豐富，等級(jí)越高，醇類揮發(fā)性香氣物質(zhì)越豐富。羅冬蘭等研究了電子鼻技術(shù)對(duì)貴州4種名優(yōu)茶葉的鑒別能力，通過(guò)采集4種名優(yōu)茶葉的氣味并結(jié)合線性判別分析，發(fā)現(xiàn)4種樣品均有明顯的區(qū)分，說(shuō)明不同種類茶葉形成了獨(dú)特的風(fēng)味成分，證明了電子鼻可對(duì)不同種類茶葉進(jìn)行區(qū)分。

2.4 電子鼻在肉制品檢測(cè)中的應(yīng)用

柏霜等用電子鼻測(cè)定了羊肉臊子傳統(tǒng)工業(yè)大鍋和小鍋炒制過(guò)程中各階段的氣味強(qiáng)度，并用氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)揮發(fā)性化合物進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電子鼻可區(qū)分各加工階段的氣味，結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)可較好地區(qū)分傳統(tǒng)工業(yè)大鍋和小鍋炒制的羊肉臊子。此外，他們也對(duì)牛肉臊子炒制過(guò)程中的風(fēng)味進(jìn)行了研究，電子鼻的分析結(jié)果表明煸炒脂肪階段對(duì)牛肉臊子的風(fēng)味貢獻(xiàn)較大，采用偏最小二乘判別分析可將揮發(fā)性化合物形成過(guò)程分為4個(gè)階段，為工業(yè)生產(chǎn)炒制肉制品提供了技術(shù)參考。

丁楠利用電子鼻檢測(cè)自制灌腸產(chǎn)品在儲(chǔ)藏期的品質(zhì)變化，并與傳統(tǒng)分析方法進(jìn)行比較，對(duì)其貨架期進(jìn)行了預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電子鼻結(jié)合主成分分析或線性判別分析都能很好地區(qū)分不同儲(chǔ)存時(shí)間、儲(chǔ)存溫度的灌腸產(chǎn)品，可用于灌腸產(chǎn)品貨架期預(yù)測(cè)。黃苓等以多種調(diào)味物質(zhì)替代亞硝酸鹽，開發(fā)了零添加亞硝酸鹽臘肉，并用電子鼻對(duì)零添加亞硝酸鹽臘肉、添加食鹽臘肉、添加食鹽和亞硝酸鹽臘肉的揮發(fā)性風(fēng)味進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，零添加亞硝酸鹽臘肉的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)種類和含量均為最高，總體可接受度最高，為傳統(tǒng)腌制品轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新思路。楊江等使用電子鼻對(duì)11種臘腸樣品的風(fēng)味進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)臘腸樣品可按風(fēng)味分為2個(gè)聚類，采用顯著性分析發(fā)現(xiàn)不同聚類的差異是芳香類物質(zhì)和有機(jī)硫化物含量不同導(dǎo)致的。

2.5 電子鼻在果蔬檢測(cè)中的應(yīng)用

惠國(guó)華等研究了基于電子鼻的香蕉存儲(chǔ)時(shí)間鑒定方法，用電子鼻檢測(cè)了不同儲(chǔ)存時(shí)間的香蕉樣品，發(fā)現(xiàn)電子鼻對(duì)不同香蕉樣品具有靈敏的響應(yīng)，并基于信噪比特征值構(gòu)建了香蕉的儲(chǔ)存時(shí)間預(yù)測(cè)模型，可快速、準(zhǔn)確地對(duì)香蕉的儲(chǔ)存時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。徐靜等研究了基于氣味判別草莓新鮮度的方法，分別利用電子鼻和乙醇傳感器采集草莓儲(chǔ)存期間的氣味，比較了不同傳感器和模型對(duì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的影響，發(fā)現(xiàn)采用電子鼻和支持向量機(jī)分類模型，可獲得最好的草莓新鮮度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率分別為99.2%和96.7%。張?chǎng)蔚炔捎秒娮颖菍?duì)不同成熟度的錦繡黃桃果實(shí)判別進(jìn)行了研究，用電子鼻檢測(cè)了轉(zhuǎn)色期、成熟期和完熟期黃桃的氣味，由主成分分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)色期的果實(shí)與成熟期、完熟期的果實(shí)可較好地區(qū)分開，但成熟期、完熟期的果實(shí)芳香程度較為接近，存在部分區(qū)域重疊。邢夢(mèng)珂等開發(fā)了一款基于電子鼻的草莓損傷檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)損傷果和正常果的氣味，并結(jié)合支持向量機(jī)方法建立草莓損傷檢測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模型可較好地區(qū)分損傷草莓和正常草莓，判別準(zhǔn)確率為92.5%，具有良好的適用性。

2.6 電子鼻在其他食品檢測(cè)中的應(yīng)用

劉樹萍等利用電子鼻研究了辣白菜腌制及發(fā)酵過(guò)程中的風(fēng)味變化，主成分分析結(jié)果表明，不同發(fā)酵天數(shù)的辣白菜風(fēng)味不同，并優(yōu)化得到辣白菜的最佳腌制工藝參數(shù)，證明了電子鼻技術(shù)能有效應(yīng)用于辣白菜的風(fēng)味分析。劉亞雄等對(duì)電子鼻檢測(cè)調(diào)味品中非法添加罌粟殼進(jìn)行了研究，以不同罌粟殼添加比例的花椒粉、孜然粉、燒烤粉為檢測(cè)對(duì)象，利用電子鼻對(duì)氣味進(jìn)行檢測(cè)，再結(jié)合線性判別分析和多層感知器建立判別模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示多層感知器模型的預(yù)測(cè)效果更好，對(duì)于預(yù)測(cè)集樣品的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)100%，可為打擊非法添加罌粟殼提供有力的支撐。佘義勇等對(duì)電子鼻鑒別不同品牌紅糖進(jìn)行了研究，利用電子鼻檢測(cè)不同紅糖樣品的風(fēng)味特征，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明不同品牌紅糖之間揮發(fā)性氣味差異明顯，電子鼻可快速地對(duì)不同品牌的紅糖進(jìn)行區(qū)分，為紅糖品質(zhì)鑒定提供了參考。曹森等以天麻為檢測(cè)對(duì)象，采用電子鼻結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)不同采收期的天麻樣品進(jìn)行芳香品質(zhì)分析與辨別。電子鼻數(shù)據(jù)的主成分分析和線性判別分析結(jié)果均表明，電子鼻可對(duì)不同采收期的天麻進(jìn)行區(qū)分。香氣成分分析結(jié)果也證明不同采收期的天麻均有獨(dú)特的成分，因此電子鼻技術(shù)可用于區(qū)分不同采收期的天麻。

3 展望

電子鼻作為一種檢測(cè)食品風(fēng)味的高科技設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用于食品的品質(zhì)鑒定、風(fēng)味分析、成分檢測(cè)、品牌分類、新鮮度檢測(cè)、產(chǎn)品工藝改善等領(lǐng)域。相比常規(guī)儀器分析方法，電子鼻具有低成本、操作簡(jiǎn)單、可用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，相比于人工檢測(cè)它具有方便快捷、結(jié)果客觀、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)現(xiàn)階段電子鼻存在對(duì)環(huán)境要求高、智能化程度低等不足，針對(duì)這些不足進(jìn)行改善，提高電子鼻檢測(cè)能力，降低電子鼻使用門檻是未來(lái)的發(fā)展方向。比如通過(guò)新的氣體檢測(cè)原理研發(fā)新型氣體傳感器，降低電子鼻對(duì)工作環(huán)境的要求；結(jié)合人工智能算法，尋求更好的數(shù)據(jù)特征提取技術(shù)和識(shí)別方法，提升其智能化程度。此外，隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展以及敏感材料性能的提升，電子鼻正朝著集成化、小型化和實(shí)用化發(fā)展，相信未來(lái)電子鼻技術(shù)將在食品行業(yè)迸發(fā)出更多潛力。