电子鼻及其在食品领域的应用
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综述与评论
电子鼻及其在食品领域的应用
聂雪梅1,刘仲明1,张水华2,王启军2
(1.广州军区广州总医院,广东广州510010;2.华南理工大学食品与生物工程学院,广东广州510640)
摘 要:介绍了电子鼻的基本原理和组成,不同种类的电子鼻由不同的传感器阵列组成。
并在应用方面可以对不同酒类的气味进行鉴别判断;对肉类进行微生物分析;对奶制品进行在线控制;还能够检测饮用水和饮料中不同微生物和重金属的含量;对不同品质的茶类能够迅速识别。
关键词:电子鼻;原理;应用;食品领域
中图分类号:Q811;TS207.3 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2004)10-0001-03
E lectronic nose and its application in food field
NIE Xue2mei1,LI U Zhong2ming1,ZH ANG Shui2hua2,W ANG Qi2jun2
(1.G u angzhou G eneral H ospital of G u angzhou Military Comm and,G u angzhou510010,China;
2.Coll of Food and Bioengin,South China U niversity of T echnology,G u angzhou510640,China)
Abstract:Principle and constitution of electronic nose are described,and different electronic noses are made of different sens or arrays.As for its applications,it can discriminate different kinds of wines based on its gas,analyse microorganism of meat,control milk products on line,and it can detect different microorganisms and heavy metals in potable water and beverage,identify different tea quality rapidly.
K ey w ords:electronic nose;principle;application;food field
0 引 言
在很多领域,人的鼻子仍是评判气味和香味的主要手段,但是,这种传统的方法主观性强、重复性差,并且,人的鼻子对气味具有适应性,容易出现疲劳而影响分析结果,评判结果往往不够客观。
虽然可以使用常规的气体分析设备(如G C/MS气相色谱2质谱)来测定气味成分和浓度。
但这样不仅耗时,而且气味的成分和浓度与它们的嗅觉效果之间的关系仍然不是很明确,所以,能模拟人的嗅觉器官快速感知,信息的电子仪器有着巨大的社会需求。
电子鼻就是符合此要求在20世纪90年代发展起来的一种新颖的分析、识别和检测复杂嗅味和挥发性成分的人工嗅觉装置。
它与普通化学分析仪器不同的是,得到的不是被测样品中某种或某几种成分的定性或定量的结果,而是样品中挥发性成分的整体信息,也称“指纹信息”,它模拟人的鼻子“闻到”的是目标总体气息,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训练后建立的数据库中的信号加以比较,进行判断识别,因而具有类似鼻子的功能。
电子鼻应用的范围特别广,例如:在器材、食品、环境、微生物、包装、化妆品、汽车等方面都有应用。
尤其在食品方面,它已经发展成为了很重要的装置。
目前,国外对电子鼻的研究异常活跃,主要应用是酒类、肉类、饮料等食品挥
收稿日期:2004-03-22发气味的识别和分类,目的是对其进行质量分级和新鲜判别。
1 电子鼻的基本组成与原理
电子鼻主要由传感器阵列、电子仪表、泵、空气调节阀、复杂的软件等组成,如图1所示。
图1 电子鼻的基本组成
Fig1 Bisic constitution of electronic nose
在电子鼻的组成中,传感器阵列是整个系统的基础,阵列可以有多个分立元件构成,也可以是单片集成的。
许多传感器都可以应用在电子鼻上,但是,当前仅有4种传感器用于商业上的电子鼻:金属氧化物传感器、金属氧化物半导体场效应管传感器、有机导电聚合物传感器、质量传感器。
一种气味被识别的过程如图2所示。
图2 气味识别的过程示意图
Fig2 Schem atic diagram of odor distinguishing process
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2004年第23卷第10期 传感器技术(Journal of T ransducer T echnology)
电子鼻系统是仿照生物的嗅觉系统所设计出来的,所以,它在原理上和人体的嗅觉系统十分相似。
人的鼻子是这样闻到气味的:芳香物分子经空气扩散到达鼻腔,与嗅觉细胞表皮纤毛的G受体的结合蛋白作用,产生信号,信号经过嗅觉细胞神经网络和嗅球后经一系列加工放大后输入大脑,大脑接受信号与经验进行比较后作出识别判断。
而电子鼻与此类似,它是通过传感器与气味的物质反应后,通过一系列物理、化学变化产生电信号,经电子线路放大及A/D转换成数字信号输入计算机中,进行数据处理和模式识别。
因而它具有鼻子的功能,从而在生产实践中得到了广泛的应用。
2 电子鼻在食品方面的应用
电子鼻在食品上应用的范围相当宽,在生产中可用于检测鱼、肉、蔬菜、水果等的新鲜度,可分类谷物,对禽类进行沙门氏菌检疫;在生产过程方面,可以用它实现烹调、发酵、存储等过程的监测;在产品评价方面,它可以用来评价水果、葡萄酒、干酪和肉制品等的成熟度;也可评价和识别不同品牌的白酒、葡萄酒,检测果汁等饮料的新鲜度,此外,它还可以用来分析包装材料及其与产品的相互作用。
下面介绍几种目前在国外应用最多且应用效果较好的几类食品的检测。
2.1 在酒类方面的应用
早在1993年,Pearce等人就首次把传感器应用在啤酒检测上,实验室制造的由12个有机导电聚合物传感器组成的系统检测了3种近似的商品酒,有2种是酿造后再贮存的啤酒,还有1种是淡色啤酒,结果表明:这3种啤酒很容易被鉴别,而且还很快鉴别出一种人为感染的啤酒和未被感染的酒。
之后,电子鼻在酒类方面的应用更为广泛,现在它已经成功地应用在各种酒类的检测上,尤其是在品牌的鉴定、异味检测、新产品研发、原料检验、蒸馏酒品质鉴定、制酒过程的管理和监控等方面。
目前,国外电子鼻应用在酒方面的报道有很多,如用电子鼻可以鉴别各种葡萄酒的产地[1];可以鉴别红酒和白葡萄酒的各种组分[2,3];在苹果酒的处理和贮藏过程中,酒的挥发性特征性质的变化[4];用电子鼻的传感器融合技术对酒进行分析[5];用由BAW组成的电子鼻研究啤酒的芳香气味等[6]。
其中,在2000年[7],西班牙的G uadarrama等人用CP传感器对3种不同的西班牙酒进行了评估,2种是红酒,都用橡木封装,一种来自Rioja O D;另外一种来自Ribera de Duero O D;还有一种是白酒来自R′√as Baixas O D。
将3种不同的酒稀释15%后,采用2个不同方法,即静态和动态的顶部空间取样方法,对酒的挥发性气体组分进行分析。
根据聚合物阵列对不同酒的变化的响应,很快能够鉴别出不同的酒,并且从一系列实验数据得知,用动态的顶部空间加样方法能够清楚的将样品组分分辨出来,相对而言,静态法分辨的效果不太好,甚至有2种成分呈重叠状态。
但在本实验中,它的最大缺点是湿度对其数据结果影响很大,因此,它不像其它质量传感设备,不能检测质量太大或太小的气体物质。
2.2 在肉类方面的应用
目前,对于肉的检测有很多,如用电子鼻分析意大利干制腊肠[8];评估烹制好的羊驼肉和骆驼肉[9];与其它方法一起检测腐败的猪肉[10];分析低温、长时间下腐败的肉等[11]。
2003年,意大利的T aurino等人用电子鼻分析了意大利干制腊肠[8],电子鼻采用的是金属氧化物SnO2传感器,用它进行分析腊肠的挥发性成分,能测定它的各个不同的贮期,从而得知它的新鲜程度。
它检测了腊肠的3个不同方面:一是检测不同类型的香肠;二是分析相同香肠的不同的成熟期;最为有意思的是第三点,它能够评估由不同性别的猪肉制成的香肠,本实验中,它检测出19种不同的成分, 90.54%为调味品成分,9.46%为脂内氧化物。
并且它结合了微生物分析方法,因微生物分析方法能够准确鉴别样品的差别,甚至于在成熟期的开始阶段,它成为了辅助电子鼻的一个有效方法。
所以,如果能把微生物分析方法、分析化学及电子鼻结合起来一起检测,对于单独使用电子鼻无疑是一个巨大的挑战。
2.3 在乳酪和牛奶中的应用
目前,国外在乳酪和牛奶方面研究的有:英国切达干酪的风味鉴别[12];瑞士多空干酪的性质鉴定[13];法国camem2 bert村产的软质乳酪判别[14];辨别各种不同种类牛奶和奶油;以及生产过程中监控牛奶的生产等。
奶制品生产中最重要的是进行牛奶的质量控制,所以,牛奶的挥发性成分分析已经成为取得牛奶信息和辨别不同种牛奶的最具有潜力的工具,主要是在不同的热处理的过程中。
2001年,意大利的Capone[15]等人用电子鼻识别2种不同的牛奶,一种是巴氏杀菌过的;另一种是经过超高温瞬时杀菌处理过的。
用5个不同的SnO2组成的传感器阵列,通过溶胶-凝胶技术识别2种牛奶的处理过程以及跟踪牛奶腐败的动力学过程,反应器响应得到的数据通过原理成分分析,可以得知其品质优劣和整个腐败过程,并且在奶制品生产工业上已经开始应用这种仪器去作质控分析。
实验中,传感器有好的可重复性,并且其响应时间很短,大约为2~3min。
电子鼻应用在奶制品中最大的优势就是可以进行在线控制,这是任何其它方法所不能比拟的。
2.4 在饮料及水中的应用
不同的报道表明:电子鼻广泛应用于各种不同的饮料和水中,如可乐、橙汁、苹果汁、葡萄汁、废水、饮用水等。
随着处理饮用水和废水费用的增加,以及工农业对于纯净水日益增长的需要,对于水的检测要求也很高。
传统的化学方法虽然准确,但它主要能选择一些样品和作一些简单分析,而电子鼻能够检测和辨别各种不同样品,它为水的检测提供了一个更便捷简单的技术。
它甚至能够用来检测水中的微生物和重金属,2002年,英格兰的Canhoto和
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传 感 器 技 术 第23卷
Magan做了此实验[16]来确定它检测饮料中不同微生物的潜力,以及各种不同重金属As,Cd,Pb,Zn的含量。
结果表明:它能够检测到样品中0.5×10-6金属混合物含量,经24h培养后,在102~104菌群形成单位ml-1可检测到不同的细菌种类。
2.5 在茶叶方面的应用
电子鼻在茶叶方面也有应用。
茶的风味主要在于气味和口感,它是由茶中几百种挥发性有机成分和非挥发性有机成分组成,挥发性有机成分的不同比例决定着茶的不同品质。
2003年,Dutta等人[17]用金属氧化物传感器组成的电子鼻分析了不同品质的5种茶样品:干制一个月的茶、干制一个月后又焙烤的茶、在锅上正常发酵很好的茶、在锅上焙烤发酵很好的茶、在锅上正常焙烤未发酵好的茶。
这些样品通常是由传统的仪器加上人鼻去评估,但是,这样缺乏灵敏度,不仅费时,而且还不准确。
现在采用4个金属氧化物传感器组成的电子鼻去检测,它能够迅速辨别这几种样品,因此,工业上有用电子鼻代替人鼻去检测茶的趋势。
另外,它在蘑菇、蓝莓、鱼、谷物、咖啡、糖类、食用油以及食品包装方面都有了报道,可以看到电子鼻的应用范围很广,它已经融入到了食品领域中。
3 结束语
电子鼻技术响应时间短、检测速度快,不像其它仪器,如气相色谱传感器、高效液相色谱传感器需要复杂的预处理过程;其测定评估范围广,它可以检测各种不同种类的食品;并且能避免人为误差,重复性好;还能检测一些人鼻不能检测的气体,如毒气或一些刺激性气体,它在许多领域尤其是食品行业发挥着越来越重要的作用。
并且目前在图形认知设备的帮助下,其特异性大大提高,传感器材料的发展也促进了其重复性的提高,并且随着生物芯片、生物技术的发展和集成化技术的提高及一些纳米材料的应用,电子鼻将会有更广阔的应用前景。
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作者简介:
聂雪梅(1978-),女,河北唐山人,华南理工大学食品生物工程学院在读硕士研究生,目前,主要从事食品分析和生物传感器的研究工作。
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第10期 聂雪梅等:电子鼻及其在食品领域的应用 。