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1、xx大学毕 业 论 文 电子鼻在食品检测中的研究进展学院(系): xxx专业班级: xx学生姓名: XXX指导老师: XXX学号: XXX完成时间: 2014年4月28日摘 要随着嗅觉传感器技术的不断发展，电子鼻技术得到了广泛的研究与应用。电子鼻由气敏传感器阵列、信号处理子系统和模式识别子系统等3 种功能器件组成。为此，本论文阐述了电子鼻技术的结构组成的基础上，介绍其在新鲜度检测、乳品检测、粮食贮存与加工及酒类识别等轻工业中的应用现状与发展趋势，并指出了这些新技术实现过程中所需要解决的问题。关键词：电子鼻；食品；检测前 言电子鼻是用来区分和辨别复合气味的设备，随着社会的发展，人类的嗅觉器官在日
2、常生活中的作用不能完全适应社会发展的需要，但嗅觉在农业工程中的应用却越来越重要，比如将其应用在奶制品的检测、酒类识别、新鲜程度检测、粮食贮存与加工等方面。电子鼻技术的研究涉及材料、精密制造工艺、多传感器融合、计算机、智能专家系统、应用数学及各具体应用领域的科学技术，具有重要的意义和应用前景。目 录1.电子鼻的提出.5 1.1电子鼻简介.5 1.2电子鼻的构成.6 1.3电子鼻的研究现状及发展趋势.62. 传统食品检测中存在的不足.63. 电子鼻在食品检测中的优越性.74. 电子鼻在食品检测中的应用.7 4.1电子鼻在新鲜度检测中的应用.7 4.2电子鼻在乳品检测中的应用.8 4.3电子鼻在粮食
3、贮存与加工中的应用.8 4.4电子鼻在酒类识别中的应用.8 4.5电子鼻在烟草业的应用.95. 结论.10参考文献.11一、电子鼻的提出目前，有很多领域仍然应用人或动物的嗅觉对气味进行分辨、识别或评价，如利用人的嗅觉评价食品（如咖啡、白酒等的质量）、利用狗的嗅觉检测毒品和爆炸物等，动物的嗅觉具有灵敏度高、容错性强等特点，而且具有训练、学习功能。但是，动物，特别是人的嗅觉系统有一定的主观性，并且在一个环境中待久了，嗅觉容易疲劳，也就是所谓的“久入芝兰之室而不闻其香，久入鲍鱼之肆而不闻其臭”，更重要的是，在自动化程度高的领域，如食品工业，由于生产过程的其它环节已经实现自动化，用人工去评价原料、成品
4、或半成品的质量已经成为制约生产效率进一步提高的瓶颈。一个模拟嗅觉分辨机理的设备，如果能克服单个传感器的缺点，既能检查特定的气体，又能评价混合气体或挥发性化学物质，再加上它不会疲劳，可以给出客观的数据或结论，将会在某个领域中部分或完全代替动物的嗅觉，在特殊环境条件下更将大有用武之地。虽然生物学家至今尚未完全理解嗅觉感觉和气味辨别所涉及的生物化学机理，但是相关技术的发展使得通过电子方法模拟动物的鼻子成为可能。在此过程中人们主要是模仿生物嗅觉系统的两个基本特征：（1）对多种气体和气味敏感；（2）通过必要的处理，能够识别所闻到的气体或气味。1待添加的隐藏文字内容3（一）电子鼻简介电子鼻又称气味扫描仪，
5、是20世纪90年代发展起来的一种实现快速检测的简便新颖仪器。与普通成分分析仪器相比，它不需进行样品前处理，很少或者几乎不用任何有机溶剂，并且得到的不是被测样品中某种或某几种成分的定性与定量的结果，而是能快速提供被测样品的整体信息，指示样品的隐含特征。自1982 年Dodd 和Petsaud 教授首次发表以多传感器系统来分辨气味之差异研究成果（即电子鼻）的文章以来，经过几十年的发展，加之电子鼻检测具有客观性、可靠性和重现性等方面的优点，使其得到了深入的研究与广泛的应用。电子鼻有多种应用与潜在发展领域，如食品工业、环境检测、医疗卫生、药品工业、安全保障、公安与军事等。笔者对最近几年来电子鼻在农业工
6、程中的研究应用成果做了总结，列出其在农业工程中的应用例子，并指出了其发展前景。目前，比较著名的电子鼻系统有英国的Neotronics system 和AromaScan system、法国的Alpha MOS 系统、日本的Frgaro、台湾的Smell 和Keen Ween 等。2（二）电子鼻的构成电子鼻的气味感知部件往往采用多个具有不同选择性的气敏传感器组成阵列，利用其对多种气体的交叉敏感性，将不同的气味分子在其表面的作用转化为方便计算的与时间相关的可测物理信号组，来实现混合气体分析。在电子鼻系统中，气体传感器阵列是关键因素。目前，电子鼻传感器的主要类型有导电型传感器、压电式传感器、场效应传
7、感器及光纤传感器等，最常用的气敏传感器的材料为金属氧化物、高分子聚合物材料和压电材料等。在信号处理系统中，模式识别部分主要采用人工神经网络和统计模式识别等方法。人工神经网络对处理非线性问题有很强的处理能力，并能在一定程度上模拟生物的神经联系，因此在人工嗅觉系统中得到了广泛的应用。由于在同一个仪器装置里采用了多类不同的矩阵技术，使检测更能模拟人类嗅觉神经细胞，根据气味标识和利用化学计量统计学软件对不同气味进行快速鉴别。在建立数据库的基础上，对每一样品进行数据计算和识别，可得到样品的“气味指纹图”和“气味标记”。电子鼻采用了人工智能技术，实现了有仪器“嗅觉”对产品进行客观分析。由于这种智能传感器矩
8、阵系统中配有不同类型传感器，使它能更充分模拟复杂的鼻子，也可通过它得到某产品实实在在的身份证明（指纹图），从而辅助专家快速地进行系统化与科学化的气味监测、鉴别、判断和分析。（三）电子鼻的研究现状及发展趋势电子鼻现在已在许多国家投入使用，随着传感器技术的进展和人对嗅觉过程的深入了解，电子鼻的功能必将日益增强，愈来愈多地取代生产和生活过程中人鼻的作用，取得愈来愈广泛的应用。二、传统食品检测中存在的不足点目前，在食品检测行业中，各类食品品种繁多，性质各异，没有具体的国家标准，质量价格也参差不齐。评价食品的质量（品质、鉴别杂质、变质及赝品）通常只能主要通过专家的感官来进行，这类工作通常由训练有素、经验
9、丰富的专家进行，但是培养一名专职食品鉴别师投入费用大、周期长，另外人工鉴别带有一定的主观因素，结果可能会出现误差。气相色谱法、色谱-质谱联用方法及电化学方法是目前常用的食品检测方法，但这些方法检测费用昂贵，检测周期长，实验难度大，所得的气味图谱与人的嗅觉系统很难作系统化和科学化的对比。三、电子鼻在食品检测中的优越性与传统的食品检测方法相比，电子鼻有着一定的优越性。将电子鼻用于食品检测具有检测简单、快捷、样品用量少、成本低等特点，已引起许多研究者的关注。电子鼻不仅可以对不同样品的气味信息进行简单的比对分析，而且可以通过采集标样信息建立数据库，利用化学计量学的统计方法对未知样本进行定性和定量分析。
10、四、电子鼻在食品检测中的应用在传统的食品检测中，很多时候都需要用到人的鼻子，例如对酒类的品评，这些传统方法主观性强、重复性差，另外，人的嗅觉对气体会产生适应性并产生嗅觉疲劳，会影响分析结果。在进行一定时间的模式学习之后，对食品质量检测的准确性会大大提高。电子鼻的这一系列优点使其被广泛应用到食品检测中。（一） 电子鼻在新鲜度检测中的应用在食品工业中，随着ISO9000 的出现，质量控制显得更加重要。食品气味是人鼻评判的重点，即使是对味道的认知，仍有90%的成分与气味有关。因此，电子鼻在食品检测中有一定的应用价值。在原材料方面，可以用来检测橄榄油和其它食用油是否变质及鱼、肉、蔬菜及水果等的新鲜度。
11、如英国科学家最近发明了用于检验蔬菜和水果是否快要腐烂的新型电子鼻；Olafsson 等(1992 年)利用气敏传感器对鱼的新鲜度做过研究；意大利Rome-Tor Vergata大学Damico 教授的研究小组研制的电子鼻，已经用于区分鱼的新鲜度等食品分析中，另外经试验证明，该电子鼻能更好地将新鲜西红柿与腐烂的西红柿区分开来；Borrounet 等(1995年)利用法国Alpha MOS 系统可以区分不同的猪肉，准确率达到84%，在生产过程方面，可以用它来实现烹调、发酵和存储等过程的监测；Funazaki 等(1995年)用一单独的半导体气敏传感器进行在存储过程中肉新鲜度的质量监视，在产品评价方
12、面，它可以用来评价水果、干酪和肉制品等的成熟度和新鲜度；Tan等(1995年)利用一套传感器阵列进行不同等级香肠的区分，判别准确率在90%；2001年，邹小波等开发的电子鼻主要应用于水果、茶叶等挥发性气体的识别与分类。3（二） 电子鼻在乳品检测中的应用由于乳品是一个非常复杂的体系，电子鼻在乳品检测中，主要是用来区分乳制品的风味，评价乳制品的质量等。电子鼻对乳品储藏过程中产生的微生物数量具有一定的相关性。可以由此判断乳品的货架期Labreche等人通过电子鼻来确定乳制品的货架期。结果表明，电子鼻测定的结果可用于确定乳制品的货架期和控制乳制品的新鲜度。用仪器对乳品挥发性成分分析的同时，记录样品的菌
13、落总数。将微生物数量的变化与电子鼻的检测结果进行比较发现微生物数量的变化与指纹传感器检测结果存在相关关系。因此，电子鼻可以用于乳品中的微生物数量的检测和乳品货架期的预测。高大启等人对电子鼻改进后进行实验，改进的电子鼻由检测盒、温度调节杯和个人计算机组成。结果表明，电子鼻能较好的对不同风味和浓度的乳制品进行同步检测。（三） 电子鼻在粮食贮存与加工中的应用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，谷物品质是由专家进行评价，他们从瑞典各个粮仓中选取了10个正常样品和30个。先用GC-MS分析，在10个正常样品中，没发现赭曲霉素A（OA）的平均含量为76gk
14、g-1脱氧核糖核酸酶（DON）的平均含量为69gkg-1然后他们用电子鼻分析了这些样品的挥发物电子鼻采用10个金属氧化物传感器阵列，数据处理采用PCA和PLS方法。分析的结论是GC-MS分析OA浓度比电子鼻更加准确，GC-MS分析37个样品，得到错误的结果为3个样品，而电子鼻分析37个样品得到的错误结果为7个样品。并且发现OA的浓度与谷物的香气不存在相关性。同时他们得到用电子鼻可以区分OA的浓度是低于或高于5gkg-1（瑞典国家食品管理部门确定的正常谷物OA浓度极限值）。用电子鼻可以预测谷物中DON的含量，电子鼻的检测速度快于GC-MS分析。4（四） 电子鼻在酒类识别中的应用电子鼻在酒类识别中
15、也有一定的应用价值，尤其在品牌的鉴定和异味检测、新产品研发、原料检验、蒸馏酒品质鉴定、制酒过程管理的监控方面大有用武之地。早在1992 年，Shurmer 和Gardner 就已利用12 个金属氧化气敏传感器构成阵列识别5种醇类样本，通过主元素分析发现仅有四五个传感器是必需的；Di Natale 等(1995年)发现气敏传感器能很好地区分5 年陈酿的不同酒类等；2000 年，同济大学的秦树基等利用精选出的较少的金属氧化物气敏传感器构成阵列，改进人工神经网络识别软件来进行酒类的识别，探索电子鼻在酒类方面的应用途径。试验结果：利用3 个传感器组成的阵列和利用L-M算法的人工神经网络相结合建立的电子
16、嗅觉系统，对4 种酒类（无水酒精、烈性酒（红星二锅头）、葡萄酒（王朝干红）、啤酒（力波）的识别率可达到95%。但在此实验中，对于同一酒类、不同品牌的精细识别并没有做出进一步研究。同年，中国科学院电子学研究所的史志存等却对不同品牌的白酒做了测试分析，在实验中参考了气相色谱仪的结构，构造了一个简单的电子鼻系统，系统流程为：压缩空气流量计样品注入传感器室测试系统。测试样本为白酒的饱和蒸汽，即对3 种浓香型白酒、1 种清香型白酒和1 种酱香白酒进行了实验，用注射器注入。实验结果表明：使用该实验系统可以在准确识别不同香型和同种香型、不同品牌的白酒。采用PCA（主成分分析法）方法对所测的数据进行分析，降维
17、时采用K-L展开的方法，得出训练样本完全线性可分的结论，测试样本的分类正确率能达到100%，并用多层B-P网络对数据进行处理，均方误差仅为1.478510-9，具有很高的精确度；同时，与色谱法等分析化学方法相比，该系统具有速度快与操作简单等优点。2000 年，英国Warwick大学的Gardnert教授和Philip教授合作研制电子鼻仪器，并用于啤酒的气味检测。此设备由12个聚合体传感器组成，通过一个化学的或神经系统的分类器进行处理，最后使用多变量统计法得出结果。这种电子鼻不仅能区分不同品牌的啤酒，还能区分合格和腐败的啤酒。5(五) 电子鼻在烟草业的应用香烟或雪茄制造厂对烟草原料、香精及其它辅
18、料的选择与控制十分严格，通常采用人工鉴别方法，劳动强度大，并含有相当的主观因素；应用电子鼻可鉴别不同产地与加工方式不同的烟叶与不同的配方，还可对生产过程进行监控，使产品质量得到保证。黄骏雄等人利用电子鼻对检测香烟质量进行了研究，并采用英国AromaScan公司生产的LabStation电子鼻对国产香烟的质量进行鉴别。实验结果表明：全部原始数据采用PCA 和SammonMapping 两种方法进行图像识别，并比较相应的质量因子值（QF 值）。当QF 2 时，则可视为一类。在实验中，真品与赝品的QF =3.934，而对于不同等级的云烟，QF =13.995。所以，该电子鼻在烟草行业中可用于鉴别产品
19、是否合格及等级的分类、生产流程是否稳定与正常以及市场商品的真伪，是用于质量保证与质量控制测定不可缺少的工具之一。6五、结论目前电子鼻技术的应用受到敏感材料、制造工艺、数据处理方法等方面的限制。随着传感器技术的进展和人对嗅觉过程的深入了解，电子鼻的功能必将日益增强，愈来愈多的取代生产和生活过程中人鼻的作用，取得愈来愈广泛的应用。电子鼻具有极大的应用价值，有了它，我们的生活变得更加方便、安全。 参 考 文 献1 潘新民,等,微型计算机与传感器技术,第一版,北京:人民邮出版社,19882 唐月明,王俊.电子鼻技术在食品检测中的应用J.农机化研究.2006(10):169-1723 王平,陈裕泉,吴坚,等.人工嗅觉-电子鼻的研究J.中国生物医学工程学报,1996,15(4):346-353.4 史志存,李建平,崔大付,等.电子鼻在食品工业中的应用J.食品科技,2000,(3):15-17.5 秦树基,黄林.用于酒类识别的电子鼻研究J.郑州轻工业学院学报,2000,15(4):17-19.6 高旭升,王平.电子鼻信号处理方法的研究进展J.国外医学生物医学工程分册,2001,24(1):1-6.
