粮食中质量检测方案(感官智能分析)

2009年33月农机化研究第33期 2009年33月第3期农机化研究 电子鼻技术在粮食质量检测中的应用 张红梅，何玉静 (河南农业大学机电工程学院，郑州 450002) 摘 要： 对消费者来说，粮食的气味也是衡量其质量的一个重要标准。电子鼻是一种新颖的仿生系统，是用于分析、检测挥发性气味的仪器。为此，综述了电子鼻在粮食质量检测中的应用，主要包括粮食霉变、虫害和储藏年限等方面的研究及其应用现状；最后，展望了电子鼻在粮食检测中的应用前景。 关键词：电子鼻；粮食质量；霉变；害虫；储藏年限 中图分类号：：TS242.6*4 文献标识码：A 文章编号：1003-188X(2009)03-0180-03 0 引言 粮食的储藏损失，很大一部分是由微生物的危害所造成的，其中最主要的一种就是霉菌。据联合国粮农组织估计，全世界每年大约有5%~7%的粮食、饲料等农作物受霉菌浸染。谷物在发生霉变过程中会产生霉味、腐败味、酸败味或甜味等气味，这些气味的主要成分是由微生物作用产生的羟基类、醛基类、硫化物等化合物。储粮的霉变检测，一部分是测量谷物温度和对部分谷物进行实例抽样检测，而大部分靠人的嗅觉感受评定，人的嗅觉感受评定结果的准确性难以保证。虫害是粮食储藏损失的另一个主要原因。据统计，我国国库储粮损失率一般在0.2%左右，其中虫害是主要原因之一。我国于1998年开始大规模兴建中央直属储备粮库，储粮中害虫的检测是人工取样、过筛、查虫的传统方法。为了减少由微生物引起的谷物品质的改变，在欧洲对谷物的处理和品质控制是按照一定标准执行的。谷物品质是由专家进行评价，他们用谷物的香气分级体系来决定所评价的谷物是适合于人食用，还是只适于动物食用，或者是应该被拒绝使用21 电子鼻是人类嗅觉的延伸，是用于分析、检测挥发性化学成分的仪器。电子鼻是由性能彼此重叠的多个化学传感器和适当模式识别方法所组成的装置，具有识别简单和复杂气味的能力“。它与普通的化学分析仪器，如色谱仪、光谱仪等不同，得到的不是被测样品中某种或某几种成分的定性与定量结果，而 ( 收稿日期：2008-05-26 ) ( 作者简介：张红梅(1977-)，女，河南驻马店人，讲师，博士，(E-mail)hmzh86022625@ sina com。 ) 是给予样品中挥发成分的整体信息，也称“指纹"数据。它不仅可以根据各种不同的气味测到不同的信号，而且可以将这些信号与经过“学习"和“训练"后建立的数据库中的信号加以比较，进行识别判断，因而具有类似鼻子的功能5-61。。基于电子鼻的特点与检测中的优越性，电子鼻有了各种应用与潜在发展领域，国内外已在食品工业、环境检测、医疗卫生、药品工业、安全保障、公安与军事等方面报道了很多研究成果17-8] 霉变的检测 在谷物品质鉴定上，电子鼻应用最为成功且广泛的是谷物损坏的早期识别9].1997年， Jonsson 等人110]利用电子鼻结合人工神经网络识别技术，对不同气味的燕麦、黑麦和大麦以及含有不同麦角固醇和菌落总数的小麦进行了研究。结果显示：神经网络能够准确识别出好的发霉的、霉变严重的和霉变轻微的燕麦，也可以预测出霉变大麦和新鲜大麦相混合、霉变黑麦和新鲜黑麦相混合混合物中霉变谷物的百分比。在小麦的检测中，神经网络的预测结果与常规检测方法检测的麦角固醇和菌落总数有很高的相关性。电子鼻作为一种简单和快速的谷物霉变识别方法得到验证。随后O1sson等人研究了用电子鼻和 GC/MS相结合的方法量化自然污染的大麦样品中麦角固醇和菌落总数(CFU)的含量。每个样品被分成3个部分分别用于麦角角醇和 CFU分析、电子鼻测量和GC/MS分析。试验中用了10个正常气味的大麦样品和30个具有臭味大麦样品。结果显示：GC/MS和电子鼻测量数据的 PLS归归模型都能预测麦角固醇的含量，具有很高的精度和低的预测误差均方根。 Evans等人用导电聚聚物物列传感器电子鼻检测污染小 麦的气味，用径向基神经网络(RBF)建立电子鼻信号和人工分级结果的相关性，建立数据库用来检测样品的好和坏，准确度可达92.3%。2002年，Olsson 等人13]从瑞典粮仓中选取了10个正常气味的大麦样品和30个具有臭味的大麦样品，检测了这些样品的湿度、真菌污染度、麦角固醇含量、赭曲霉素A(OA)含量和脱氧核糖核酸酶 (DON)量；并利用电子鼻和 GC/MS分析了这些样品的挥发性成分。结果显示：电子鼻能够区分出赭曲霉素A含量大于和小于 5pg/kg的大麦(瑞典国家食品管理部门确定的正常谷物OA含量极限值)，也能够预测谷物中 DON的含量。邹小波和赵杰文于2004年研制出一套能够快速检测谷物是否霉变的电子鼻装置，该装置能快速、准确地分析所测谷物散发的气味，从而判定所测谷物是否霉变。潘天红等14-15]利用自行研制的一组厚膜金属氧化锡气体传感器阵列，获得了传感器与粮食挥发气味的整个反应过程的数据，用RBF神经网络进行分析，回判率达到100%，识别正确率达到92.19%。采用3层优化BP神经网络进行分析时，训练样品的回判准确率和测试样品的准确率均为 100%。Abram son等人16]利用一个具有12个金属氧化物化学传感器组成阵列的电子鼻系统用来检测小麦储藏期间挥发性物质的变化。其中，9个传感器能够跟踪湿度为20%的小麦挥发性物质的变化；9个化学传感器的信号与湿度20%的小麦中赭曲霉素A的形成有很大的相关性，相关性系数在0.83~0.87之间；9个传感器中其中有两个传感器的信号与橘霉素的形成有关相关性为0.83，与麦角固醇的形成的相关性更高(r=0.98)。 Falasco-ni等人17)用电子鼻检测了被乳酸链球菌污染的玉米，结果显示电子鼻可以利用这种毒素的独特气味对玉米进行分类。Paolesse等人18]用电子鼻检测被两种菌种污染的霉变谷物和完好的谷物，并用GSMS分析谷物的顶空气体成分来验证电子鼻的检测能力，结果表明电子鼻对霉变的识别率是令人满意的。Balasu-bramanian等人[19] Cyranose-320电子鼻系统分析了3种类型的大麦样品，结果显示可以把大麦样品分成麦角固醇含量小于3.0pg/g和大于等于3.0pg/g两个类别。笔者等1201利用电子鼻系统对稻谷的6个霉变程度各20个样本进行了检测，用具有两个隐含层的BP神经网络对所得的数据进行模式识别，实验结果表明该系统对稻谷霉变程度的检测具有很高的定量分析精度。 2 害虫的检测 电子鼻技术用于储粮害虫检测方面的研究相对 于霉变方面的检测要少一些。1999年，Ridgway用电子鼻技术检测感染螨类害虫的小麦样本，证明了该方法的可行性212005年，蒋德云等人提出用电子鼻技术检测储粮害虫，采用法国生产的 Abha MOXFox3000电子鼻和自行设计的试验系统，分别对含有活的储粮害虫气体样本、含有死虫的气体样本和标准空气样本进行了检测与比较，并应用主成分分析法进行了模式识别。结果表明，该方法可以快速检测出粮食是否受到害虫的侵蚀。o2007年，笔者等23]对5个储藏年限的虫害小麦和虫害小麦与正常小麦相混合进行电子鼻检测，结果表明该方法可以检测出虫害小麦、正常小麦以及掺入不同比例虫害小麦样本。 3 储藏年限的检测 谷物的气味一般取决于内部和外部两个方面的因素，内部因素是谷物的品种以及生理化学变化，外部因素是谷物收获和储藏等因素的影响。谷物随着收获后储藏时间的增加其气味也会发生很大的变化。一般对谷物储藏品质的检测都是采用理化分析的方法。目前，根据谷物气味进行检测的新方法有气谱质谱法和电子鼻法。庞林江[24-25]采用德国 Airsense公司的 PEN2电子鼻对1999-2003年5个年份的陈化小麦进行了辨别，主成分(PCA)分析结果显示可以辨别出不同年份的陈化小麦。BP神经网络的分析结果显示，识别正确率可达到了85%以上。笔者126也曾对不同储藏年限的小麦进行电子鼻识别，并对传感器阵列信号进行优化，结果显示采用优化后的传感器建立BP网络，识别率可达96%。 4 结语 电子鼻检测时间短、速度快、对要检测的样品不要复杂的预处理、操着简单、成本低廉；还可以完成生产线上原位、实时在线监测。随着新型传感技术、微细加工技术、纳米技术、先进的信号处理算法等的快速发展，电子鼻的功能将会更加强大，在粮食质量检测方面的应用将会更深入更广泛。 ( 参考文献： ) ( [1]3 邹小波，赵杰文.电子鼻快速检测谷物霉变的研究[J].农 业工程学报，2004，20(4)：121-124. ) ( [2] 王俊，胡桂仙，于勇，等.电子鼻与电子舌在食品检测中的 应用研究进展[J].农业工程学报，2004，20(2)：292- 295. ) ( [3] 胡卫军，许改霞，王平.电子鼻和电子舌在航天医学检测 中的应用[J].国外医学生物医学工程分册，2005，4(28)： ) ( 213-217. ) ( [4] 张楠，翁江来，马长伟.电子鼻及其在肉品检测中的应用 [J].肉类研究，2005(8)：29-31. ) ( [5] 周亦斌，王俊.电子鼻在食品感官检测中的应用进展[J]. 食品与发酵工业，2004，2(30)：129-132. ) ( [6] 杜锋，雷鸣.电子鼻及其在食品工业中的应用[J].食品科 学，2003，5(24)：161-163. ) ( [7 于勇，王俊，周鸣.电子鼻技术的研究进展及其在农产品 加工中的应用[J].浙江大学学报(农业与生命科学版)， 2003，29(5)：579-584. ) ( 18 31 王俊，胡桂仙，于勇，等.电子鼻与电子舌在食品检测中的 应用研究进展[J].农业工程学报，2004，20(2)：292- 295. ) ( [9] Magan， N . ， Ev a ns， P. 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