电子鼻用于水果品质、成熟度等鉴别的应用总结

电子鼻在水果无损检测中的应用分析报告摘要 电子鼻具有客观、准确、快捷、全面地评价气味并且具有不破坏样品和重复性好的特点, 电子鼻可以通过对水果挥发性成分的响应实现对果蔬品质的检测，因此可运用于对水果品质评价体系中。报告介绍了电子鼻技术软、硬件工作原理和常用的模式识别算法, 并综述了电子鼻在水果成熟度监控、货架期预测、区分不同品种以及危害分析中的应用。关键词 电子鼻 水果 成熟度 货架期 品种分析一、 研究背景许多研究结果表明，水果在采摘、包装、保存、运输及加工等环节中的损失率高达30.45%，主要原因之一即为不同成熟度的水果相互混杂所造成的。因此，根据水果的成熟度区分与筛选并及时的对其进行加工处理，对于改善水果品质、提升水果等级有重要意义。果实采收、贮藏、及流通过程中成熟度决定了消费者的满意程度,所以对水果成熟度进行监控就显得相当重要。传统的果品成熟度检测主要是利用硬度计、糖度计、酸度计等来检测水果内部的硬度、可溶性糖、可滴定酸等一些与成熟相关的指标，均属于有损检测，不仅检测过程中要破坏水果的组织。而且无法大规模地逐个检测，不适于现代果品生产。而使用电子鼻检测水果具有无损、快速、准确和实时性的优点，可以很好的对水果的成熟度进行监控和分级，确定水果的最佳采收期以及进行货架期判断。不同果蔬各自都具有不同的香味,这是由它们自身所含的芳香物质所决定的。芳香物质在果蔬中含量虽然极少,但因品种、成熟度和贮藏时间的不同其含量和种类各有不同。水果的成熟度是决定水果品质的主要因素。果蔬从采收到食用需要一定的时间,并且果实成熟期间最重要的变化发生在货架期阶段。果蔬在采收和随后贮藏的成熟过程中香气值不断变化。一些呼吸跃变型果实在呼吸跃变期间呼吸强度显著加强,芳香物质含量提高,呼吸高峰过后,香气值下降,品质劣变,不再适宜贮藏。电子鼻可以通过对这些挥发性成分的响应区分来实现对果蔬品质的检测。通过查阅相关文献可知，水果香气中的挥发性气味主要是由乙烯、蚁酸、醋酸、丙酸、丁酸和辛酸等挥发酸及酯、甲醇、乙醇和乙醛等组成。二、 国内外研究现状在过去的20年中,电子鼻无损检测技术得到了大量的探索与利用。国外的如Simon等人利用锡氧化气敏传感器进行对草莓芳香的研究。研究发现,该气敏传感器能够检测出包装中的草莓损伤程度以及水果的不同成熟度。Corrado Di Natale等人利用电子鼻对采收后的柑橘和苹果进行质量检测的研究表明,利用电子鼻可以容易区别出苹果的种类及预测损伤的程度,对柑橘可以预测出贮存的天数。此外还对甜瓜、梨、桃、香蕉、苹果等水果进行了研究。Pathange等研究发现电子鼻可以区分苹果的成熟度,分类准确度可达83%。国内的研究如潘胤飞等利用电子鼻对苹果的好坏进行检测,用主成分分析法和遗传RBF网络对所测的样本进行分析,对训练集和测试集的正确率分别为100%和96.4%。该研究采用日本费加罗公司生产的 5个厚膜金属氧化锡传感器（TGS813、TGS880、TGS800、TGS822 和 TGS825），组成气体传感器阵列。相类似的,国内也有学者利用电子鼻检测苹果的货架期。预测出红星果实的常温货架期为20d,并用传统的理化指标进行验证,结果证明了电子鼻技术检测和分析产品质量的准确性。罗剑毅等选用德国Airsense生产的PEN2进行电子鼻检测不同成熟度的梨。结果表明,贮藏天数相同的不同成熟度雪青梨都可以很好地区分。三、 电子鼻技术简介电子鼻主要由气敏传感器阵列、信号预处理和模式识别三部分（图1）组成。某种气味呈现在一种活性材料的传感器面前，传感器将化学输入转换成电信号，由多个传感器对一种气味的响应便构成了传感器阵列对该气味的响应谱。显然，气味中的各种化学成分均会与敏感材料发生作用，所以这种响应谱为该气味的广谱响应谱。为实现对气味的定性或定量分析，必须将传感器的信号进行适当的预处理( 消除噪声、特征提取、信号放大等) 后采用合适的模式识别分析方法对其进行处理。理论上，每种气味都会有它的特征响应谱，根据其特征响应谱可区分不同气味。同时还可利用气敏传感器构成阵列对多种气体的交叉敏感性进行测量，通过适当的分析方法，实现混合气体分析。图1 电子鼻的组成框图一般来说模式识别的过程分为两个阶段: 第一是监督学习阶段, 在该阶段需要用被测试的气体来训练电子鼻, 让它知道需要感应的气体是什么; 第二是应用阶段, 经过训练的电子鼻有了一定的测试能力, 这时它就会使用模式识别技术对被测气体进行辨识。常用的模式识别技术有主成分分析( PCA)、线性判别法( LDA)、人工神经网络( ANN)、支持向量机( SVM) 和负荷加载分析法( Loadings)等。PCA分析是将传感器所提取的多指标信息进行数据转换和降维处理, 并对降维后的特征向量进行线性分类, 最后在PCA分析的散点图上显示主要的两维散点图; LDA分析是研究样品所属类型的一种统计方法, 分析时, 其利用了传感器所有的信号以提高分类的准确性。在运用电子鼻技术对水果质量进行研究的过程中, 可以根据不同的水果类型以及不同的要求选择合适的MOS类型和模式识别技术。四、 研究条件及软硬件平台1. 气体传感器选型通过查阅相关文献可知，水果香气中的挥发性气味主要是由乙烯、蚁酸、醋酸、丙酸、丁酸和辛酸等挥发酸及酯、甲醇、乙醇和乙醛等组成。选择对这些气味敏感的e2v气体传感器有：MICS-4515, MICS-5121, MICS-5521, MICS-5524, MICS-5525。2. 硬件平台图2为电子鼻硬件的结构框图。其主要由两大部分构成：与气体反应的硬件部分和数据处理分析的软件部分。硬件包括气体传感器阵列和测试装置。测试装置分为机械装置和电路两大部分。其中，机械装置包括真空泵、带风扇的试验箱、载气供给系统（压缩氮气和气体过滤器）、试样瓶以及相应的气路等；电路包括传感器信号调理电路、数据采集电路板、PC计算机。图2 实验用电子鼻硬件结构图测试时，将待测苹果样本放入到试样瓶中，同时把滤清后的载气（氮气）通入式样瓶，样本的挥发气味就由载气带入到试验箱，在风扇的作用下气体在试验箱中充分混合，待测苹果气味在实验箱中与传感器阵列反应，产生电信号，通过采集电路把数据采集到计算机以供进一步数据处理。每次测量后要排放废气并向试验箱中通入洁净空气，使传感器复原，以便下一次测试。3. 软件部分软件部分主要利用VC6.0编程实现，包括信号采样控制，模式识别算法，以及友好图形界面的定制等。此外，还会用到matlab进行算法研究和数据训练等任务。五、 电子鼻在水果无损检测中的应用分析目前利用电子鼻对水果的无损检测主要应用在以下方面1：1) 电子鼻对水果成熟度的监控12) 电子鼻在水果贮藏中的应用13) 水果品种鉴定1研究检测的水果有：苹果、梨、桃子、猕猴桃、柑橘、香蕉等。六、 总结与展望综上所述,电子鼻通过对果蔬气味的检测可以很好地区分其成熟度,评价其新鲜度,预测其货架期等,从而实现对果蔬品质的无损检测。但是电子鼻在水果供应链中还未能大规模的商业应用, 原因是: 首先, 电子鼻并不是直接能够使用的,在使用之前需要建立一个评价体系, 建立一套对应的训练集, 并且每种电子鼻训练集并不是通用的, 对于同一水果但不同品种需要建立相对应的训练集, 前期工作相当艰巨; 其次, 虽然随着科学技术的发展, 传感器制作工艺的改进、性能的提高以及信号处理方法的进一步完善, 电子鼻的准确度有所提高, 但与传统的评价方法相比, 电子鼻的准确度仍有所欠缺。但是电子鼻与传统分析仪器相比具有获取样品气体整体信息的能力, 识别效果更好, 且不需对样本进行前处理和不需要化学试剂, 是一种绿色检测技术。电子鼻系统分析测定速度快, 能及时反馈信息, 这些信息有利于及时调整水果贮藏环境下的温度、湿度和气体成分, 有利于对最适采收期的判定。随着纳米材料、新型传感、微细加工等技术的不断进步, 可以预见, 传感器制作工艺、性能以及信号处理方法等会得到进一步完善。同时, 电子鼻将会具有更高级的智能, 在水果供应链中的使用也会变得越来越宽泛。仅主要参考文献：1 唐会周，电子鼻在水果品质评价体系中应用的研究进展J. 包装与食品机械，2011,29（1）：51-56.2 贺艳楠，魏永胜等. 水果成熟度无损检测技术研究进展J. 北方园艺，2010（3）, 208-212.3 潘胤飞. 电子鼻技术在苹果质量评定中的应用J.农机化研究，2004-5(3),179-182.4 彭涤非. 电子鼻在水果无损检测中的应用J果树，26-28.5 胡桂仙. 电子鼻无损检测柑橘成熟度的实验研究J.生产与科研经验，2005,31（8）.6 王俊,胡桂仙,于勇,等电子鼻与电子舌在食品检测中的应用研