电子鼻与电子舌技术在食品检测中的运用

电子鼻与电子舌技术在食品检测中的运用
刘燕琪时丽韩孔艳张晓旭李俊娟孔治云于靖宇
（河南农业大学食品科学技术学院 08级食品科学与工程四班）摘要:随着嗅觉与味觉传感器技术的发展,电子鼻与电子舌技术在食品检测中得到了不断研究与应用。

电子鼻由气敏传感器、信号处理和模式识别系统等功能器件组成；电子舌是用类脂膜作为味觉传感器,以类似人的味觉感受方式检测味觉物质。

着重阐述了电子鼻与电子舌技术的结构组成,重点介绍了其在食品新鲜度检测、果蔬成熟度评价及饮料、酒类识别等轻工业中的应用现状与发展趋势,并指出了这些信息新技术实现过程中所需要解决的问题。

关键词:电子鼻;电子舌;食品;检测
一、电子鼻与电子舌的提出
目前，在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，如利用人的嗅觉或味觉评价食品(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、容错性强等优点，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，嗅觉系统容易疲劳，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，如在食品工业，由于生产过程中很多环节已经实现了自动化，而用人工去评价原料、成品或半成品的品质已经成为制约生产效率进一步提高的瓶颈。

如果有一个模拟嗅觉分辨机理的设备，它能克服单个传感器的缺点，既能检测特定的气体，又能评价混合气体或挥发性化学物质，再加上它不会疲劳，并可以给出客观的数据或结论，那么这种设备将会在某些领域部分或完全替代动物的嗅觉，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受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和舌头成为可能。

现在随着嗅觉与味觉传感器技术的发展,电子鼻与电子舌技术在食品检测中得到了不断研究与应用。

二、电子鼻与电子舌的简要介绍
食品品质通常是通过气味、外观、质地、滋味和营养等方面来评价的。

为提
高食品品质评审的客观性、可靠性、重复性,减少人为评定差异,近年来国内外在应用电子鼻与电子舌技术方面,开展了一系列研究,并取得相当进展。

电子鼻（如图一、二）又称气味扫描仪,是20世纪90年代发展起来的一种快速检测食品的
【图一】【图二】新兴仪器。

它以特定的传感器和模式识别系统快速提供被测样品的整体信息,指示样品的隐含特征。

电子舌（如图三、四）是一种使用
类似于生物系统的材料作传感器的敏
感膜,当类脂薄膜的一侧与味觉物质接
触时,膜电势发生变化,从而产生响应,
检测出各类物质之间的相互关系。

这种
味觉传感器具有高灵敏度、可靠性、重
复性。

它可以对样品进行量化,同时可
以对一些成分含量进行测量。

【图三】
基于电子舌与电子鼻各自的特点与检测中的优越性,电子鼻与电子舌已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不少研究成果。

【图四】
三、电子鼻与电子舌的原理和结构
（1）电子鼻的原理和结构
电子鼻是一种模拟生物嗅觉系统的新兴检测仪器。

嗅觉是生物的嗅觉系统对某种气体或挥发性物质的分子产生的一种生理反应。

气体或挥发性物质刺激嗅觉受体细胞，这些细胞直接向特定的微型终端传送神经反应过程，微型终端再向大脑其他的部分传送信息，接着大脑对数个嗅觉受体所得到的信息进行综合分析。

因此，我们能够在春天时感觉到丁香的香味，并在其他时候记起这种香味。

电子鼻由传感器阵列、信号处理系统和模式识别系统等功能器件组成。

由于食品的气味是多种成分的综合反映,所以电子鼻的气味感知部分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,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、场效应传感器、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、压电材料等。

【图五】电子鼻系统结构
（2）电子舌原理和结构
电子舌是以人类味觉感受机理为基础研究开发的一种新型现代化分析检测仪器，它由一个具有部分专一性的电子化学传感器阵列和一个合适的模式识别系统组成，能识别单一的或混合的溶液，通过传感器阵列代替生物味觉味蕾细胞感测检测对象,由味觉传感器获取溶液信息，经过预处理电路及特征提取后，对其进行信息处理。

四、电子鼻与电子舌在食品工业中的应用
（1）电子鼻对芝麻油掺假的检测
常用于油脂掺假的检测主要是一些物理或化学的方法，如现行采用较多的威勒迈志法、波多因法和硫酸显色法、色谱法、红外光谱法、核磁共振法等。

但这些方法不仅操作复杂，而且耗时，有的方法还要耗费较多费用，对于油脂掺假的快速检测都有一定的局限性，而使用电子鼻可以较好的避免这些缺陷。

使用电子鼻系统对芝麻油中掺入大豆油、玉米油、葵花籽油进行检测分析，分别对芝麻油中不同量的掺假进行辨别，用主成分分析(PCA)和线性判别式分析(LDA)两种方法分析。

（2）电子鼻和电子舌在乳制品风味中的应用研究
乳制品的风味分析乳制品的风味是决定其品质的关键因素，而母畜种类、
饲料、产地等的不同以及加工工艺条件的变化都会导致乳制品的风味差异。

因此，分析乳制品的风味成为获得乳制品品质差异信息的有效途径。

乳制品风味的研究通常采用气相色谱和液相色谱等色谱技术，通过分析其中不同风味物质的组成、含量和性质来研究整体风味的形成或变化。

然而由于乳制品中风味物质的多样性，使得其间的相互作用很难解释。

而电子鼻系统所检测的信息则包含了样品中挥发性和半挥发性物质的信息以及这些风味物质之间相互作用的信息等，电子鼻依据这一独特优势为乳制品的风味分析提供了一种新的途径。

（3）在果蔬成熟度检测中的应用
农产品中水果与蔬菜的成熟度的检测不仅关系到消费者,也关系到食品工业的发展。

目前农产品的无损检测手段不断得到发展,但它们都局限于特定的农产品,并且也不能进行在线检测,而电子鼻检测却能做到,它将通过气味检测得到的数据信号与产品各成熟度指标建立关系,从而能够做到在线检测生长中的水果或蔬菜所散发的气味并进行成熟度判别。

（4）在酒类识别中的应用
电子鼻与电子舌在酒类方面的应用,尤其在品牌的鉴定、异味检测、新产品的研发、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。

通过电子鼻电子可进行酒类的识别。

在实验中，对不同品牌的白酒做了测试分析,实验表明：使用该实验系统可以准确识别不同香型和同种香型不同品牌的白酒。

（5）电子鼻技术及其在烟草行业中的应用
在烟草行业中，卷烟品质的评定主要通过专家的感官来进行，这类工作通常由训练有素、经验丰富的专家进行，但是培养一名专职评烟师投入费用大、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。

因此，需要寻求可靠实用的实验方法对其进行辅助。

经研究发现电子鼻不仅可以探测到相似香味物质之间的细小差别，而且可以区分不同价格的香味物质。

目前，虽然在烟草行业中电子鼻的应用研究相对较少，但利用电子鼻进行真假烟鉴别、卷烟质量控制等方面具有广阔的应用前景。

随着技术的不断成熟和完善，电子鼻在烟草行业中必将拥有广泛的应用空间。

（6）在饮料识别中的应用
目前检测饮料质量的方法主要有化学分析和物理化学分析。

化学方法烦琐,实时性差,而物理化学分析方法又需要较贵重的仪器,并对技术要求很高,不适应快速分析的需要。

国外研究人员研究电子舌在茶叶滋味分析中的运用，他们首先研究用电子舌区分常见饮料的能力。

通过对立顿红茶、4种韩国产的绿茶和咖啡的研究表明,采用PCA分析方法的电子舌可以很好地区分红茶、绿茶和咖啡，并且也能很好地区分不同品种的绿茶。

后用不同样品的茶汤培训电子舌,再用经过培训的电子舌来预测未知绿茶样品的主要成分含量。

结果表明,电子舌可以很好地预测咖啡碱(代表了苦味)、单宁酸(代表了苦味和涩味)、蔗糖和葡萄糖(代表了甜味)、L-精氨酸和茶氨酸(代表了由酸到甜的变化范围)的含量和儿茶素的总含量。

应用研究表明电子舌可以定性和定量分析茶叶的品质。

它在味评价中将是一项具有广阔前景的技术。

五、结束语
通过特定的传感器阵列、信号处理和模式识别系统组成的电子鼻和电子舌,能快速提供被测样品的整体信息。

各种各样的电子鼻和电子舌,除在食品工业中应用外,电子鼻与电子舌还有许多潜在的应用领域,如环境检测、医疗卫生、药品工业、安全保障、公安与军事等。

然而电子鼻和电子舌也存在许多问题和需研究的课题。

首先,由于传感器具有选择性和限制性,电子鼻和电子舌往往有一定的适应性,不可能适应所有检测对象,即没有通用的电子鼻和电子舌。

但大力研究、制作有针对性专用的,如烟草专用电子鼻、肉用电子鼻、鱼用电子鼻和酒用电子舌、饮料用电子舌等等,则能提高检测精度和使用寿命。

这也意味着需要加强研制并发展合适的传感器结构和传感器材料。

其次,在模式识别系统上亦应多样化。

采用某一种模式识别方式可能不能识别、类别或不很理想,或许用另外一种模式识别方式或改进模式识别方法后,则可能获得理想的结果。

食品的种类很多,其芳香成分不一样,要求采用多种模式识别与比较,以提高检测精度。

第三,检测环境不同和在检测过程中温度、湿度有变化,会使传感器响应特性有所不同,这就要求对电子鼻和电子舌的传感器周围温湿度严格控制,或者在
检测中至少允许进行温湿度补偿。

第四,在一些用途上,如要进行水果与蔬菜的野外检测,就应改进电子鼻的结构设计,达到较好的便携性,从而为在线检测提供方便。

至今电子鼻和电子舌的实际应用还不多,还有诸多问题需要解决。

随着现代科学技术和科学理念的不断发展,电子鼻和电子舌技术作为一个新兴技术它必将给众多领域带来一次技术革命,也将使其逐步走向实用。

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