第一篇：電子鼻用于水果品質、成熟度等鑒別的應用總結

電子鼻在水果無損檢測中的應用分析報告

摘要電子鼻具有客觀、準確、快捷、全面地評價氣味并且具有不破壞樣品和重復性好的特點, 電子鼻可以通過對水果揮發(fā)性成分的響應實現(xiàn)對果蔬品質的檢測，因此可運用于對水果品質評價體系中。報告介紹了電子鼻技術軟、硬件工作原理和常用的模式識別算法, 并綜述了電子鼻在水果成熟度監(jiān)控、貨架期預測、區(qū)分不同品種以及危害分析中的應用。關鍵詞電子鼻水果成熟度貨架期品種分析

一、研究背景

許多研究結果表明，水果在采摘、包裝、保存、運輸及加工等環(huán)節(jié)中的損失率高達30.45%，主要原因之一即為不同成熟度的水果相互混雜所造成的。因此，根據(jù)水果的成熟度區(qū)分與篩選并及時的對其進行加工處理，對于改善水果品質、提升水果等級有重要意義。

果實采收、貯藏、及流通過程中成熟度決定了消費者的滿意程度,所以對水果成熟度進行監(jiān)控就顯得相當重要。傳統(tǒng)的果品成熟度檢測主要是利用硬度計、糖度計、酸度計等來檢測水果內部的硬度、可溶性糖、可滴定酸等一些與成熟相關的指標，均屬于有損檢測，不僅檢測過程中要破壞水果的組織。而且無法大規(guī)模地逐個檢測，不適于現(xiàn)代果品生產。而使用電子鼻檢測水果具有無損、快速、準確和實時性的優(yōu)點，可以很好的對水果的成熟度進行監(jiān)控和分級，確定水果的最佳采收期以及進行貨架期判斷。

不同果蔬各自都具有不同的香味,這是由它們自身所含的芳香物質所決定的。芳香物質在果蔬中含量雖然極少,但因品種、成熟度和貯藏時間的不同其含量和種類各有不同。水果的成熟度是決定水果品質的主要因素。果蔬從采收到食用需要一定的時間,并且果實成熟期間最重要的變化發(fā)生在貨架期階段。果蔬在采收和隨后貯藏的成熟過程中香氣值不斷變化。一些呼吸躍變型果實在呼吸躍變期間呼吸強度顯著加強,芳香物質含量提高,呼吸高峰過后,香氣值下降,品質劣變,不再適宜貯藏。電子鼻可以通過對這些揮發(fā)性成分的響應區(qū)分來實現(xiàn)對果蔬品質的檢測。

通過查閱相關文獻可知，水果香氣中的揮發(fā)性氣味主要是由乙烯、蟻酸、醋酸、丙酸、丁酸和辛酸等揮發(fā)酸及酯、甲醇、乙醇和乙醛等組成。

二、國內外研究現(xiàn)狀

在過去的20年中,電子鼻無損檢測技術得到了大量的探索與利用。國外的如Simon等人利用錫氧化氣敏傳感器進行對草莓芳香的研究。研究發(fā)現(xiàn),該氣敏傳感器能夠檢測出包裝中的草莓損傷程度以及水果的不同成熟度。Corrado Di Natale等人利用電子鼻對采收后的柑橘和蘋果進行質量檢測的研究表明,利用電子鼻可以容易區(qū)別出蘋果的種類及預測損傷的程度,對柑橘可以預測出貯存的天數(shù)。此外還對甜瓜、梨、桃、香蕉、蘋果等水果進行了研究。Pathange等研究發(fā)現(xiàn)電子鼻可以區(qū)分蘋果的成熟度,分類準確度可達83%。

國內的研究如潘胤飛等利用電子鼻對蘋果的好壞進行檢測,用主成分分析法和遺傳RBF網絡對所測的樣本進行分析,對訓練集和測試集的正確率分別為100%和96.4%。該研究采用日本費加羅公司生產的5個厚膜金屬氧化錫傳感器（TGS813、TGS880、TGS800、TGS822 和 TGS825），組成氣體傳感器陣列。相類似的,國內也有學者利用電子鼻檢測蘋果的貨架期。預測出紅星果實的常溫貨架期為20d,并用傳統(tǒng)的理化指標進行驗證,結果證明了電子鼻技術檢測和分析產品質量的準確性。羅劍毅等選用德國Airsense生產的PEN2進行電子鼻檢測不同成熟度的梨。結果表明,貯藏天數(shù)相同的不同成熟度雪青梨都可以很好地區(qū)分。

三、電子鼻技術簡介

電子鼻主要由氣敏傳感器陣列、信號預處理和模式識別三部分（圖1）組成。某種氣味呈現(xiàn)在一種活性材料的傳感器面前，傳感器將化學輸入轉換成電信號，由多個傳感器對一種氣味的響應便構成了傳感器陣列對該氣味的響應譜。顯然，氣味中的各種化學成分均會與敏感材料發(fā)生作用，所以這種響應譜為該氣味的廣譜響應譜。為實現(xiàn)對氣味的定性或定量分析，必須將傳感器的信號進行適當?shù)念A處理(消除噪聲、特征提取、信號放大等)后采用合適的模式識別分析方法對其進行處理。理論上，每種氣味都會有它的特征響應譜，根據(jù)其特征響應譜可區(qū)分不同氣味。同時還可利用氣敏傳感器構成陣列對多種氣體的交叉敏感性進行測量，通過適當?shù)姆治龇椒ǎ瑢崿F(xiàn)混合氣體分析。

圖1電子鼻的組成框圖

一般來說模式識別的過程分為兩個階段: 第一是監(jiān)督學習階段, 在該階段需要用被測試的氣體來訓練電子鼻, 讓它知道需要感應的氣體是什么;第二是應用階段, 經過訓練的電子鼻有了一定的測試能力, 這時它就會使用模式識別技術對被測氣體進行辨識。常用的模式識別技術有主成分分析(PCA)、線性判別法(LDA)、人工神經網絡(ANN)、支持向量機(SVM)和負荷加載分析法(Loadings)等。

PCA分析是將傳感器所提取的多指標信息進行數(shù)據(jù)轉換和降維處理, 并對降維后的特征向量進行線性分類, 最后在PCA分析的散點圖上顯示主要的兩維散點圖;LDA分析是研究樣品所屬類型的一種統(tǒng)計方法, 分析時, 其利用了傳感器所有的信號以提高分類的準確性。在運用電子鼻技術對水果質量進行研究的過程中, 可以根據(jù)不同的水果類型以及不同的要求選擇合適的MOS類型和模式識別技術。

四、研究條件及軟硬件平臺

1.氣體傳感器選型

通過查閱相關文獻可知，水果香氣中的揮發(fā)性氣味主要是由乙烯、蟻酸、醋酸、丙酸、丁酸和辛酸等揮發(fā)酸及酯、甲醇、乙醇和乙醛等組成。選擇對這些氣味敏感的e2v

氣

體

傳

感

器

有

：MICS-4515,MICS-5121,MICS-5521,MICS-5524,MICS-5525。2.硬件平臺

圖2為電子鼻硬件的結構框圖。其主要由兩大部分構成：與氣體反應的硬件部分和數(shù)據(jù)處理分析的軟件部分。硬件包括氣體傳感器陣列和測試裝置。測試裝置分為機械裝置和電路兩大部分。其中，機械裝置包括真空泵、帶風扇的試驗箱、載氣供給系統(tǒng)（壓縮氮氣和氣體過濾器）、試樣瓶以及相應的氣路等；電路包括傳感器信號調理電路、數(shù)據(jù)采集電路板、PC計算機。

圖2 實驗用電子鼻硬件結構圖

測試時，將待測蘋果樣本放入到試樣瓶中，同時把濾清后的載氣（氮氣）通入式樣瓶，樣本的揮發(fā)氣味就由載氣帶入到試驗箱，在風扇的作用下氣體在試驗箱中充分混合，待測蘋果氣味在實驗箱中與傳感器陣列反應，產生電信號，通過采集電路把數(shù)據(jù)采集到計算機以供進一步數(shù)據(jù)處理。每次測量后要排放廢氣并向試驗箱中通入潔凈空氣，使傳感器復原，以便下一次測試。3.軟件部分

軟件部分主要利用VC6.0編程實現(xiàn)，包括信號采樣控制，模式識別算法，以及友好圖形界面的定制等。此外，還會用到matlab進行算法研究和數(shù)據(jù)訓練等任務。

電子鼻在水果無損檢測中的應用分析

五、目前利用電子鼻對水果的無損檢測主要應用在以下方面[1]： 1)電子鼻對水果成熟度的監(jiān)控[1] 2)電子鼻在水果貯藏中的應用[1] 3)水果品種鑒定[1]

研究檢測的水果有：蘋果、梨、桃子、獼猴桃、柑橘、香蕉等。

六、總結與展望

綜上所述,電子鼻通過對果蔬氣味的檢測可以很好地區(qū)分其成熟度,評價其新鮮度,預測其貨架期等,從而實現(xiàn)對果蔬品質的無損檢測。但是電子鼻在水果供應鏈中還未能大規(guī)模的商業(yè)應用, 原因是: 首先, 電子鼻并不是直接能夠使用的,在使用之前需要建立一個評價體系, 建立一套對應的訓練集, 并且每種電子鼻訓練集并不是通用的, 對于同一水果但不同品種需要建立相對應的訓練集, 前期工作相當艱巨;其次, 雖然隨著科學技術的發(fā)展, 傳感器制作工藝的改進、性能的提高以及信號處理方法的進一步完善, 電子鼻的準確度有所提高, 但與傳統(tǒng)的評價方法相比, 電子鼻的準確度仍有所欠缺。但是電子鼻與傳統(tǒng)分析儀器相比具有獲取樣品氣體整體信息的能力, 識別效果更好, 且不需對樣本進行前處理和不需要化學試劑, 是一種綠色檢測技術。電子鼻系統(tǒng)分析測定速度快, 能及時反饋信息, 這些信息有利于及時調整水果貯藏環(huán)境下的溫度、濕度和氣體成分, 有利于對最適采收期的判定。

隨著納米材料、新型傳感、微細加工等技術的不斷進步, 可以預見, 傳感器制作工藝、性能以及信號處理方法等會得到進一步完善。同時, 電子鼻將會具有更高級的智能, 在水果供應鏈中的使用也會變得越來越寬泛。

僅主要參考文獻：

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