干酪中品种识别检测方案(感官智能分析)

Dairy Industry乳品加工 Paackk a g ng rd Eq pme 口包装与设备 多年前，人们推测电子鼻技术用于气味的检测将是一种很有发展前途的技术，之后，它被成功地用于各个不同领域，比如食品科学、医药学以及环境污染的控制。随着生产过程中各环节自动化程度的提高，越来越需要一种客观、快捷、重复性好的方法来评定物质的气味、风味，而电子鼻恰恰符合这样的要求，而且电子鼻操作简单，不需要对样品进行前处理。电子鼻系统得到的“指纹信息”是样品中挥发性成分的整体信息，信息全面、客观，为食品风味评定开辟了一个新途径。 1.1概况 电子鼻是在20世纪90年代发展起 嗅味和挥发性成分的人工嗅觉装置。它与普通的化学分析仪器不同，得到的不是被测样品中某种或某几种成分的定性或定量结果，而是样品中挥发性成分的整体信息，也称“指纹信息”。 随着材料科学和制造工艺的发展，电子鼻的研究达到了一个相当高的水平，而需求的不断扩展延伸也促使了电子鼻的产品化进程。商品化的电子鼻出现在1993年，那时的电子鼻由多个分立的复合膜传感器、金属氧化物传感器或者压电传感器构成。其后世界各国在电子鼻产品化方面取得了很多成果。在过去10年间，Alpha MOS(法国)、Airsense(德国)、Smart Nose(瑞士)等公司都能够提供商品化的电子鼻设 备，并形成一定的市场规模。 与国外比较而言，国内的电子鼻的研究工作起步晚，还处于实验室研究阶段。1999年，殷勇博士对5种不同品牌的香烟进行了识别；2000年赵杰文教授和邹小波博士应用13个金属氧化物传感器阵列，利用神经网络技术和遗传算法对镇江香醋和山西陈醋进行识别，后又利用8个SnO2 金属氧化物传感器研制了电子鼻系统对可乐、雪碧、橙汁3种饮料进行鉴别，使用了主成分分析和人工神经网络等分析方法：潘胤飞在此基础上，通过改进电子鼻的试验装置，也利用遗传算法和神经网络结合，依据气味对苹果进行分类和分级；中科院电子所，国家传感器技术重点试验室的史志存博士2000年时利用单片机实现了一个电子鼻系统，可以对3种不同标号汽油和5种不同品牌白酒进行分类和识别。 各个高校如西北工业大学、安徽农业大学、复旦大学、湖南大学、大连理工大学和西安电子科技大学均对电子鼻有所研究，但是对电子鼻的研究还需要不断的深入和扩展，至今我国还没有一套商品化的电子鼻。 1.2特点 长期以来人们对气味的判断主要是靠人的感官，但是人的嗅觉在使用中，具有如下缺点：①要求鉴别人员训练有素，经验丰富；②带有很大的主观因素；③判断结果存在相当大的个体差异；④人工鉴别的连续工作时间不能太长。随着科技的进步，各类分析仪器发展迅速，气相色谱仪、气相色谱-质谱仪可以用于对物质挥发性成分的检测，但是这些仪器结构复杂，操作繁琐，价格昂贵，需要专业的操作人员。另外，这些仪器只能做化学成分的分析，只针对某几种化学成分进行定性的分析和定量的测定，得不到样品中挥发性成分的整体信息，不适用于气 味质量分析。虽然气相色谱、气一质与电化学方法也尝试过模拟“嗅觉”，但检测结果都很难代表样本的整体性，主要原因是所得的“嗅觉”都是在破坏样品及分离后的结果，然后再把分离后的结果重组，所以对嗅觉进行系统化、科学化变得非常困难。 电子鼻技术作为一门新兴的技术有其独特的优点，操作简单，不需要专业的技术人员，客观、准确、快速，重复性好，它反映的是样品气味的整体信息，由于以上这些特点在应用上有独到之处。 1.3工作原理 电子鼻主要是仿照人的嗅觉原理来设计的，它是一个定性的分析仪器，由传感器阵列、接口电路和模式识别软件系统3个主要部分构成。 其工作机理是：利用挥发 PC1-75.40% 图23种原干酪主成分分析二维图 图5 cheddar干酪与 chedddar 片状再制干酪的主成分分析图性化合物与传感器活性材料表 Mozarella Cheese Gouda Cheese Cheddar Cheese 图43种原干酪的雷达图 图6 cheddar干酪与chedddar片状再制干酪的雷达图 图7 cheddar 干酪与 chedddar 烟熏味再制干酪主成分分析图 面接触时，发生瞬间响应(发生了一系列的物理化学变化)，这种响应通过接口电路将电压信号转化为数字信 主要是针对某些需要较高检测温度的物质而设计的，温度控制盘可以调节所需的检测温度，其可以设置所需温 号，被计算机记录并传送到信号处理单元进行分析，与数据库中已存有的大量挥发性化合物的信息进行比较、鉴别，来确定气体的类型，从而鉴别出相应的物质。 2 E-Nose-1000型电子鼻的设计 E-Nose-1000型电子鼻的构成包括硬件和软件2部分，硬件即电子鼻试验装置，软件即数据分析系统，数据采集是软硬件的-个接口。E - Nose-1000型电子鼻装置主要包括显示器、键盘、鼠标、传感器阵列、温湿度传感器、流量计、保温装置和一个机箱。 图1为E- Nose-1000型电子鼻的实物图。本装置选择日本费加罗生产的TGS8系列的传感器，将其置于一个封闭的气室，气瓶中的气体经流量计进入进样装置，通过传感器再经单向排气阀排出，从而使传感器达到稳定；传感器的检测信号经信号处理系统在计算机的软件系统中 显示出来。保温装置 度的上限和下限。温湿度传感器用来检测电子鼻所处环境温湿度。 3E-Nose-1000 型电子鼻对不同干酪的区分 3.1实验材料 cheddar 干酪、mozzarella干酪、gouda 干酪、片状cheddar 再制干酪、cheddar 烟熏味再制干酪(均来自蒙牛奶酪应用研究室)。 3.2实验方法 将干酪切成长18mm， 宽18mm，高2mm的小方块，置于样品皿，直接上样，检测温度40℃，检测时间240s，标准空气流速3L/min。 对电子鼻进行训练学习并识别： (1)不同原干酪之间的区区；(2)cheddar干酪和其再制干酪的区分。 3.3结果与讨论 3.3.1不同原酪酪间的区分结果 选择全部传感器，全部特征，三点均值滤波，用45个样本对电子鼻进行训练，56个样本进行检测。结果显示，电子鼻对Gouda， Cheddar，Mozzarella干酪的识别完全正确，所需时间120s。 图2为3种干酪的主成分分析图。从图中可以看出，3种干酪分别属不同的区域，电子鼻可以很容易地将其进行区分。 图3和图4为3种干酪的类指纹图谱和雷达图，从图中可以看出，3种干酪的图谱各不相同。 3.3.2 Cheddar干酪和其再制干酪的区分结果 选择全部传感器，均值、能量、平均速度、速度、加速度5个特征，三点均值滤波， Cheddar 干酪和 Cheddar片状再制干酪间可分，用40个样本进行训练，36个样本进行检测，识别准确率100%， 所需时间为40s。 图5和图6为cheddar干酪和 cheddar 片状再制干酪的主成分分析和雷达图。从图中可以看出，2种干酪的图谱分属不同的区域，图谱形状差别较大，电子鼻区分很容易。 选择全部传感器，均值、能量、平均速度、速度、加速度5个特征， 三点均值滤波， Cheddar干酪和Cheddar烟熏味再制干酪间可分，用40个样本进行训练，29个样本进行检测，识别准确率100%，所需时间为 120s。 图7为 cheddar 干酪和 cheddar烟熏味再制干酪的主成分分析图。从图中看出两者的分布区域比较靠近，电子鼻区分所需时间较长， 为120s， 但完全区分并没有问题。 图 8 为 cheddar 干酪和 cheddar 烟熏味再制干酪的类指纹图谱。从图8可以看出，同种样品间图谱相似，不同样品间有差异。 4结论 电子鼻技术作为一门新兴的技术，已经广泛地应用于一些部门，其可以作为常规仪器分析和感官评价方法的补充工具，并可在这2种分析评价方法之间的某些领域发挥重要作用。E-Nose-1000型电子鼻可以对不同种类的干酪进行区分，该电子鼻在其它乳制品上的应用以及进一步运用到生产中还需要进一 步研究。 ( 参考文献 ) ( [1] A ponzoni，A D e pari，M Falasconi， et al. Breadbaking aromas detection by low-cost electronic nose. Sensors and Actuators B， 2007 (7) ： 1~5 ) ( [2]朱丽敏， 倪元元， Soffy Venzal等.气味指纹分析 技术在食品质控和风味研究的应用.农产品加工， 2005，9(10)： 72~76 ) ( [3] 芦筱菲.电子鼻系统的研发与应用：[硕士学位论文].北京：中国农业大学，2008 ) ( [ 4]Persaud K，Dodd G H. Analysis of discrimination m echanisms in the m ammalian olfactory systemusing a model nose. Nature ， 1982(299)：352~ 355 ) ( [5] Bartlett PN， Blair N， Gardner J W. Electronicnose P r inciples， applications and outlook. Colloque Montpellier，1993(228)： 478~486 ) ( [6]高大启，杨根兴.嗅觉模拟技术综述.电子学报， ) ( 2001，29(12A)： 1749~1752 ) ( [7]殷勇.人工嗅觉系统在农产品质量检测中的应 用研究：[博士学位论文].镇江：江苏理工大学， 1999 ) ( [16]贾宗艳，任发政，郑丽敏.电子鼻技术及在乳制品中的应用研究进展.中国乳品工业，2006，34 (4)：35~38 ) ( [8] Gardner J W， B a rtlett P N. Electronic Noses： P rinciples and Applications.Oxford： Oxford UniversityPress， 1999 ) ( [17]贾宗艳.电子鼻技术在干酪鉴别中的应用研 究：[硕士学位论文].北京：中国农业大学，2006[18]芦筱菲，郑丽敏，贾宗艳等.电子鼻对干酪识别的数据预处理和特征提取.计算机应用，2007， 27(6)： 65~67 ) ( [9] Comparing Odor Evaluation Technologies[EB/OL].www.infometrix.com.apps.ENoseCompAN.pdf ) ( [10]殷勇，吴守一，邱明.用基于神经网络的电子鼻评定卷烟香气质量.仪器仪表学报，2003，24(1：86~88 ) ( [11]邹小波.电子鼻模拟监测酿制香醋的发酵过程的研究：[硕士学位论文].镇江：江苏大学， 2000 ) ( [12]赵杰文，邹小波，潘胤飞.遗传算法在电子鼻 中的应用研究.江苏大学学报(自然科学版)， 2002， 23(1)： 9~13 ) ( [13]邹小波，赵杰文.电子鼻在饮料识别中的应 用研究.农业工程学报，2002，18(3)：146~ 149 ) ( [14]潘胤飞.基于非线性模式识别的电子鼻技术在 苹果分类中的应用：[硕士学位论文].江苏：江苏 大学， 2003 ) ( [15] 史志存.电子鼻及其应用研究：[博士学位论文]. ) ( 北京：中科院电子学研究所，2000 ) China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net