电子鼻技术在食品工业领域中的应用摘要文章主要阐述现代电子鼻的重要特征和在食品工业领域中的一些应用实例。

说明电子鼻在无损检测中的优势，电子鼻系统能够实现快速、稳定、高效、现场实时的检测分析，在分析气味方面具有其他仪器无法比拟的优势。

关键词电子鼻无损检测传感器PCA LDA 食品工业前言在食品评价中，气味是一个很重要的指标。

气味是指食品给人嗅觉器官的感觉，而气味物质是指能够引起嗅觉反映的物质。

引起嗅觉的气味刺激主要是具有挥发性、可溶性的有机物和一些可挥发的无机物。

在食品的研发、生产和流通过程中，评价食品品质、鉴别杂质、是否变质等主要是依靠有经验的专业人员或者GC-MS（气相色谱-质谱联用技术）来进行判定。

不同的人对同一种气味有不同的感受，因而就有不同的评价，甚至同一个人在不同的环境、不同的情绪时对同一种气味也有不同的感受和评价，从而使得采用人鼻辨嗅法存在一定的局限性；另外，由于GC-MS 检测费用昂贵、检测周期长，与人的嗅觉很难进行科学的、系统的对照。

那么究竟有没有一种快速、稳定的设备能够达到检测食品气味的要求呢？电子鼻技术和电子鼻检测系统也就应运而生。

电子鼻(Electronic Noses) 是一种模仿生物嗅觉的电子系统，是由多个选择性的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置。

“电子鼻”的概念，最早是1982 年英国Warwick 大学的Persand 和Dodd 教授模仿哺乳动物嗅觉系统的结构和机理，对几种有机挥发气体进行类别分析时提出来的。

1990 年举行第一届电子鼻国际学术会议，对人工智能嗅觉系统的设计及信息处理进行讨论[1,2]。

正是由于对复杂的样品具有精确的检测和区分识别能力以及较低的使用成本，电子鼻技术广泛应用工业生产和环境保护的各个领域，如食品工业、化妆品行业、药品工业、环境监测与公共安全等，尤其在食品工业领域取得不错的研究成果。

1 电子鼻的组成与基本原理电子鼻包含一组用气敏的生物或者化学材料处理的传感器阵列，以此来检测和辨别复杂气味并形成特征指纹图。

用已知的气味指纹图建立数据库和模型识别系统，为未知的气味提供分类鉴定的依据。

这就是经典的电子鼻概念[3]。

电子鼻模拟人的嗅觉器官，因而其工作原理与人的嗅觉形成相似，也包括 4 个部分：(1) 气体采样系统，相当于人鼻的肌肉收缩呼气吸气的过程；(2) 传感器阵列，气味分子被电子鼻的传感器阵列吸附，产生信号，这个过程相当于人的嗅觉细胞感知气味；(3) 主控系统，控制何时采样、采多少样、何时清洁传感器、何时进行下一个分析循环等，这个过程相当于人的大脑对呼吸系统各器官工作状态的控制；(4) 软件分析系统，通过测试已知样品并对有效数据进行提取建立分析模型，然后对未知测试样品进行有效的判断，这个过程相当于人的大脑建立嗅觉感官经验，然后再进行有效的嗅觉感官评判。

1.1采样系统采样系统的主要功能是将被测样品的挥发性混合物引入到电子鼻检测系统。

采用合适的样品处理方案可以明显提高电子鼻的分析质量。

同时选择不同的进样方式，也需充分考虑被分析样品的形态、气体挥发状态和电子鼻分析所要选择的分析状态等。

如果盲目的选择不合适的进样方式，往往导致虽然得到比较好的实验结果图，但与实际的人为感官评价结果相去甚远，或者所得结论不具有重复再现性。

因此是否进行样品的前处理是经常被忽略，而对电子鼻分析却是很关键的步骤[4]，需引起重视。

开放式直接进样是一种比较直观、直接的进样方式，最接近于人鼻嗅物体的状态。

可以用于直接环境气味的监测与分析；也可以是电子鼻采集的气体量远小于容器中所存在的顶空气体量，通过电子鼻采集气体后不会明显引起容器内压力的变化，不会导致样品挥发气体状态的变化的情况下使用。

这种进样方式不需要样品的严格前处理，对采样过程的环节控制要求也不高，所以不容易出错，最接近气体稳定状态，所得数据结果也比较平稳，可提取平稳状态的数据点作为有效数据进行分析处理。

静态顶空进样技术是将待测样品放入密闭容器中平衡一段时间，然后检测顶空部分的气体样。

样品温度、平衡时间、容器大小和样品量是影响实验结果的主要物理参数，需要严格控制，否则会导致结果的不准确。

静态顶空进样分为手动顶空进样和自动进样器顶空进样 2 种方式。

手动顶空进样主要是通过手动顶空采样器（气体注射器）来控制进样速度、进样量等，这种方式比较简单，进样过程各环节不易控制，重复性相对低一些，但比较廉价经济；自动进样器顶空进样相比较手动顶空进样而言，更为科学，过程控制也更严格，但自动进样器比较昂贵，运行成本高，固定的样品瓶对样品本身形态有特殊的要求，比较适合液体或粉末状态的样品。

同时这种进样方式多采用峰值点法提取有效分析数据，而峰值点法是一个气体挥发累计效果量，这样对样品温度、平衡时间、样品量等必须有严格的控制。

动态顶空进样是将待测样品放入具有进气口和出气口的密封容器平衡一段时间，进气口接（不带压或带正压）的洁净空气或氮气，出气口接具有吸气功能的电子鼻采样口，电子鼻连续采样进气口持续补气，达到样品气体的动态挥发平衡，电子鼻有效监测动态平衡状态下的气体状态，获取稳定的响应信号数据进行分析。

这种进样方式对固体、液体样本都适合，而且接近样品气体自然挥发状态，同时进样过程需要严格控制的环节较少，数据结果相对稳定可靠。

吸附浓缩进样技术主要为电子鼻的检测提供一种预浓缩方法，从而大大提高检出限和灵敏度。

主要有热解析浓缩、吹扫捕集浓缩、固相微萃取浓缩等，将吸附浓缩的气态分子经过加热解吸附后由载气带入电子鼻的检测系统进行分析。

这种进样方式中，吸附剂的选择、进样温度、吸附浓缩时间、气体流动速度、吹扫时间和加热解析附温度等是我们主要的考虑因素。

以上任何一种气体进样方式，做具体选择的时候应该充分考虑样品的类型和方法的适用性。

对于一些需要无损检测的样品，比如水果、蔬菜、鸡蛋等，就应该在不破坏样品的情况下进行动态顶空进样，这样可以获得样品在自然平衡挥发条件下稳定挥发物质的信息。

从另外一个角度，对挥发的核心气体进行预浓缩可以提高仪器分析的检测下限，同时避免不需要研究的干扰气体的影响，从而有效提高分析的准确性，找到样品挥发的核心关键指纹气体。

1.2 检测系统传感器阵列是当今最为流行的电子鼻检测系统，它可以将样品复杂的化学信息转化为简单的电信号[5]。

根据检测原理不同，用于电子鼻检测的传感器可以分为压电传感器、电化学传感器、光学传感器等。

压电传感器也叫重量或声波传感器，基于声波的传播，采用石英等压电材料制作而成。

表面声波(SAW) 和石英振荡天平(QCM) 是这类传感器中最为常见的。

这类传感器检测精度高，性能稳定，但气体选择范围窄，应用领域有限。

电化学传感器包括电流式、电位式、化学电阻式、电导式等，其中化学电阻式传感器，如金属氧化半导体(MOS) 和导电聚合物(CP) 被广泛用于制造气体传感器阵列。

目前金属氧化物半导体（MOS）传感器技术是新兴的传感器技术，具有成熟稳定、数据可靠、重复性强等特点，既可以用于科学研究，又能够进行指导生产。

光学传感器如光感纤维，由于其所特有的传感信号无电磁干扰、噪声小、电绝缘好、化学稳定性及热稳定性佳等优点，在电子鼻研究中也越来越引起人们的关注。

但是光学传感器技术目前还不是很成熟，有待进一步的研究。

1.3主控系统成熟的商业电子鼻一般都具有主控系统，差异在于有的全自动控制，控制环节多、精度高、智能化，保证操作简便、检测稳定、维护量少等，而有的只是各部件协调控制，无法实现智能化。

对于不成熟的试验品电子鼻，省去主控系统也是可以工作的，只是可操作性和重复性比较差。

1.4 软件分析系统软件分析系统的核心是聚类区分分析模型的方法和未知样品识别判定的方法。

聚类区分分析模型的方法比较常见的有PCA 主成分分析法、LDA 线性相关分析法、ANNs 神经网络法等，对于未知样品识别判定的方法常见的有DFA 区别判定法、EUCLID 欧氏距离法、MAHALANOBIS 马氏距离法、CORRELATION 相关系数法等，对于量化预测目前也有PLS 最小偏二乘法等，另外有一些辅助性分析方法，如传感器区分贡献率分析、统计质控分析等。

2 电子鼻技术在食品工业领域中的应用食品工业指主要以农业、渔业、畜牧业、林业或化学工业的产品或半成品为原料，制造、提取、加工成食品或半成品，具有连续而有组织的经济活动工业体系。

电子鼻技术在食品工业领域具有广泛的应用。

2.1 果蔬领域电子鼻在果蔬领域研发和生产加工过程中应用相当广泛。

Antihus Hernandez等[6] 利用电子鼻做番茄成熟度及贮藏时间的研究，从主成分分析( PCA) 和线性判别式分析( LDA) 中得到, 电子鼻可以较好地区分半熟期和成熟期、完熟期的番茄。

胡桂仙等[7] 采用电子鼻技术对柑橘成熟度进行无损检测，建立电子鼻响应值和成熟度之间的关系，证明电子鼻能够检测区分不同成熟度的柑橘。

Simona Benedetti 等[8] 用电子鼻区分4 种不同品种的桃子的实验，并且采用主成分分析( PCA) 和线性判别式分析(LDA) 对桃子成熟期和货架期进行分析。

唐晓伟等[9] 用电子鼻做甜瓜成熟度及风味的研究，建立一种快速准确的判读不同品种甜瓜的成熟度，改变以往仅通过人为的主观判断方式。

江琳琳等[10] 利用电子鼻技术做对水蜜桃货架期的评价，并且通过传感器贡献率分析（Loading）得出起主要作用的传感器，为进一步优化传感器以及探索方便快捷的无损检测技术提供依据。

无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映一个国家工业发展水平，其重要性已得到公认。

用电子鼻技术对果蔬等食品进行无损检测，客观、快捷、重复性好的评估产品的气味信息，更达到反映产品品质的目的。

2.2 粮油领域潘磊庆等[11] 使用电子鼻系统对芝麻油中掺入大豆油、玉米油和葵花籽油进行检测分析，得出电子鼻能够较好地对芝麻油掺假进行明显的区分和判定。

张红梅等[12] 用电子鼻对5 个陈化年限的小麦进行检测，结果显示能够对5 个年限的小麦进行很好的区分。

宋伟等[13] 采用电子鼻系统对不同储藏条件下的糙米进行分析检测，通过对传感器响应值进行PCA、LDA 方法分析，得出不同条件的规律和差异，并且存在交互作用。

目前，电子鼻技术应用到粮油储藏和掺假鉴别的检测还没有形成标准化。

粮油是关系到我国国计民生的重要研究课题，如果能够实现现场快速检测、现场准确鉴别，那样无疑将加速我国粮油储藏和加工科技基础标准化进程。

叶盛等[14] 基于电子鼻系统做水稻虫害信息快速检测方法的研究，结果表明，利用电子鼻检测是否发生病虫害和预测虫害程度是可行的。

得出虫害程度和种类，就能够实现有的放矢，究竟选择何种农药和农药的使用剂量都可依照电子鼻的数据来进行实际的操作。