傳感器型電子鼻技術在谷物品質研究中的應用進展

劉遠方　趙愛娟

摘要：電子鼻技術是一種綜合的氣味分析技術，由樣品處理系統、檢測系統、數據處理系統三部分構成，根據檢測系統不同分為傳感器型電子鼻、氣譜型電子鼻和質譜型電子鼻。通過對傳感器型電子鼻前處理條件優化和電子鼻傳感器列陣優化來得出較好的PCA結果，以區分谷物霉變程度、儲藏時間、蟲害情況以及感觀品質。

關鍵詞：電子鼻技術；谷物品質；檢測應用

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）47-0084-02

一、引言

作為誕生于上世紀90年代的嗅味識別檢測儀器，電子鼻以高度的仿人工嗅覺系統被冠以氣味掃描儀的稱號。不同于常規的普通的化學分析儀器，其具有常規色譜儀、毛細管電泳儀等不同的特征，最終得到的不是被檢測樣品中成分的定量與定性分析，而是定量與定性分析基礎上的整體信息獲取，也被形象地稱為指紋數據的獲取。不同的氣味，其會自動捕捉到不同的信號特征，并且將這些信號與數據庫中的信號進行對比，在識別后進行有效判斷，在氣味識別及真偽鑒別等方面發揮重要作用，借助電子鼻真正實現了產品從生產源頭到加工所有環節的質量監督與檢查。

二、電子鼻技術

1.電子鼻結構原理與組成。電子鼻的主要部分是化學傳感器，這些傳感器以彼此重疊的方式排列。除了化學傳感器還有適當模式識別方式，適當模式識別方式主要服務于簡單與復雜氣味的識別，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有德國Airsense系統的PEN2和PEN3、法國AlphaMOS系統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系統、樣品處理系統及數據處理系統三大部分，內部結構大同小異。

2.樣品預處理系統。樣品處理系統是核心系統，也是實現電子檢測的關鍵，直接影響到后期的數據分析及抽樣分析，關系到電子鼻系統的氣味識別能力。常用的電子鼻樣品預處理系統有靜態頂部空間技術（SHS）、固相微萃取技術（SPME）、攪拌棒吸附萃取（SBSE）、內針動態萃取（INDEX）、膜進樣質譜（MIMS）。

3.檢測系統。電子鼻性能的核心技術取決于氣敏傳感器及其陣列的選擇，要提高電子鼻檢測系統的性能必須選擇適當的傳感器陣列。對于常用到的電子鼻德國Airsense系統的電子鼻包含有10個標準金屬氧化物傳感器組成的陣列，法國Alpha MOS系統的FOX3000和FOX4000電子鼻一般包含18個標準金屬氧化物傳感器，上海瑞玢公司的I-Nose包括10個金屬氧化物傳感器，每個傳感器對不同的化學物質敏感性不同，可以通過對比試驗來篩選合適的傳感器組合。

4.數據處理系統。數據處理需要結合線性變量分析方法，主要有主要成分分析、因子分析、別樣函數分析等，可按能被識別或不被識別分類[1]。

三、電子鼻技術與谷物品質研究

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爛變質，造成大量損失，甚至產生毒素，威脅人畜健康。在谷物品質研究中電子鼻技術作為一種快速、綜合檢測分析方法其應用研究在快速發展。以谷物作為樣品，通過電子鼻技術對其氣味分析來判斷其儲藏品質和食用品質，主要是以下兩種方式——直接檢測谷物顆粒揮發性氣體成分和檢測分析蒸煮米飯的揮發性氣體成分。

1.直接檢測谷物顆粒的氣味：谷物霉變程度檢測。我國學者鄒小波等人成功研制出一套新型電子鼻裝置，可以輕松實現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網絡，主要服務于小麥、水稻及玉米的檢測。新型電子鼻裝置目前在谷物霉變程度檢測方面的準確率高達百分之百[2]。我國學者惠國華等人也針對糧食霉變程度進行電子檢測系統的創新研制，更注重檢測的迅速性，可以實現連續7天檢測蕎麥、大麥及燕麥等物質的霉變程度，采用隨機共振數據處理方式對糧食霉變程度予以判定。其以消除傳感器在高溫、長時間作業后引發的基線漂移為前提實現了檢測的快速與準確。小麥的陳舊識別。科研發現儲藏時間與小麥霉變程度存在正相關關系，儲藏時間延長，小麥內部結構發生變化并產生霉變氣味，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。極性氣體的揮發與儲藏時間存在正相關，而小極性物質則相對減少導致谷物的陳化。我國學者偉力國等人基于該相關關系研制出了新的小麥活性檢測技術，通過分析小麥陳化氣體實現小麥陳化程度的等級劃分，后期輔助以概率神經網絡參與模式識別，實現了小麥活性情況的精確檢測。2007年以龐林江為代表的學者對5個儲藏年限的小麥進行檢測，AIRSENSE PEN2便攜式電子鼻得出的小麥最佳靜置時間為1.5小時，此次選用的小麥樣品含量為50g，經過分析小麥的儲藏年限可以得到區分，而低于年限間隔較小的陳化小麥檢測并不靈敏。后來蔣德云等人研制推出了AlphaMOS Fox 3000電子鼻，其主要服務于病蟲害的檢測。結合主要成分實現對活蟲存在氣體樣品的分析，并對標準空氣樣品進行檢測比較，此次對比發現活蟲樣品、死蟲樣品與標準空氣樣品存在明顯的檢測差異，電子鼻檢測病蟲害的功能得到了有效驗證。周博等科研學者[3]則利用電子鼻和氣質聯用儀結合起來對接種褐飛虱的水稻進行檢測，結果表明電子鼻和氣質聯用儀能檢測農作物的蟲害情況。

2.蒸煮米飯風味檢測研究。梁愛華等采用電子鼻對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行了比較分析，采用主成分分析和氣味指紋對比的方法分析了所獲得的數據，結果證明電子鼻不但能將不同的方便米飯區分開，而且還可以很好地區分新鮮品與冷凍品。Jeehye Sung等人用帶有自動頂空樣品采集器的SMart電子鼻（瑞士Marine-Epagnier公司的SMart電子鼻200）通過質譜技術直接分析不同條件下貯存四個月的大米樣品中揮發性有機化合物，結合蒸煮米飯的感官評價對比研究證明結果顯示MS-電子鼻系統可以成功應用于大米風味特征的品質評價和大米篩選[4]。

四、展望

我國借助電子鼻系統實現谷物鑒定及理化品質檢測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踐，目前我國的電子鼻專項檢測還僅僅停留于小麥霉變、小麥陳舊分析、病蟲害檢測等幾個方面，對于水稻及玉米等其他谷物的檢測還需要深入研究與拓展。但伴隨生物芯片技術與生物信息學的飛速發展，新型生物仿生材料的成功研制，我國電子鼻的研制也將實現更大程度的突破，取得理想的發展預期，更好地滿足人們對谷物糧食的安全檢測需求。

參考文獻：

[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.電子鼻快速檢測谷物霉變的研究[J].農業工程學報，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.