智舌高频正弦包络信号对椰汁的区分辨识研究

吴凤华，兰余，麦文镇，胡晓晖，田师一，邓少平，*

（1.浙江工商大学食品与生物工程学院食品质量与安全系，浙江杭州 310035；2.海南椰岛（集团）股份有限公司，海南海口 570105）

智舌是以金属裸电极传感器阵列为基础，以脉冲伏安法为传感器激发与采集信号，配合多元统计分析或智能模式识别系统，是能够对液体样品进行整体品质差异区分识别的一种新型电子舌系统[1]。智舌的主要功能为利用不同形式的脉冲伏安法，将溶液中的各个组分在非特异性传感器阵列上，进行各自独特的电化学响应，获得能够表征溶液整体特征的综合图谱。再利用智能模式识别技术，模拟生物味觉系统，对样品整体质量差异进行评价。智舌与传统分析方法的区别在于，智舌只能给出不同溶液综合性质的差异性，而无法明确指出检测对象具体差异的来源，以及溶液中某种差异组分的浓度。虽然，智舌无法如同高效液相、气相等设备能够明确给出溶液中具体某些组分的浓度值，但是在红酒、白酒、乳制品等食品类复杂体系的质量与品质控制中体现了良好的应用价值与应用潜力[2－7]。

智舌在前期的研究中，设计开发了一种新型的脉冲伏安技术——正弦波包络脉冲伏安法，并且实现了1 Hz、10 Hz以及100 Hz的应用，四种基本味物质以及绍兴黄酒的区分识别中呈现了非常好的应用能力[8]。本研究在正弦波包络脉冲伏安法的基础上，利用LabVIEW程序软件，对其脉冲频率进行了进一步的拓展，实现了1 000 Hz～10 000 Hz高频率包络信号的激发与采集，并且在不同品牌椰子汁的区分中体现了非常好的应用能力，为电子舌在椰汁评价研究中的应用提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

氯化钾（分析纯）、酒石酸（分析纯）：成都科龙化学试剂有限公司；谷氨酸钠（分析纯）、安赛蜜（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；椰岛椰汁、椰岛果肉椰汁：海南椰岛股份有限公司；椰树椰汁：椰树集团海南椰汁饮料有限公司；椰林湾椰汁：海口裕成实业有限公司；华雄椰汁：广东百森饮料有限公司；海航椰汁：海南海航饮品有限公司。

1.2 仪器与设备

美国Millpore超纯水仪，智舌。

1.3 实验方法

首先对传感器阵列进行研磨膏打磨，然后进行电极超声清洗，之后再进行传感器预热。实验之前对传感器用蒸馏水进行电化学清洗，每次检测后也需对传感器进行电化学清洗，取0.01 mol/L氯化钾、酒石酸、谷氨酸钠、安赛蜜溶液各15 mL，倒入智舌专用烧杯中，按照以上顺序进行6次循环检测。对于椰岛椰汁、椰岛果肉椰汁、椰树椰汁、华雄椰汁、椰林湾椰汁、海航椰汁等6种样品检测，检测方法同上。

2 智舌系统

图1为本实验室自主研发构建的多频大幅脉冲智舌的示意图。该智舌包含6个工作电极（铂电极、银电极、钯电极、钨电极、钛电极、金电极）的传感器阵列。以1 mm×5 mm铂柱电极为辅助电极，Ag/AgCl作为参比电极，通过6通道多频大幅脉冲信号激发采集装置，使工作电极对溶液进行多频大幅脉冲伏安法扫描[3－4]。脉冲信号由0.05 Hz余弦波和1 Hz正弦波复合而成，形成1 Hz正弦包络信号，正向最大脉冲电位为1 V，负向最小脉冲电位为－1 V。频段为1 000 Hz～10 000 Hz，间隔为1 000 Hz。提取响应电流信号的原始数据进行数据处理和模式识别。图2为0.01 mol/L氯化钾溶液的信号激发和采集示意图。

3 高频正弦包络信号的实现

智舌利用美国虚拟仪器公司的USB_6251采集板卡作为正弦包络信号的激发采集模块，结合LabVIEW虚拟仪器实现高频正弦包络信号。

高频包络信号的程序框图如3图所示，采样频率为1 250 000 Hz，即1 s采集1 250 000个点。而整体信号激发频率是1 000 Hz～10 000 Hz，间隔1 000 Hz，相当于10个波段采集下来大约需要0.05 s时间，信号采集之前有0.2 s等待时间，整体采集时间只需要0.26 s。在程序中使用了DAQmx参考触发，其作用是配置任务，并实现设备在触发前采样，模拟信号达到指定电压后，停止数据采集。本程序中设定触发信号为0.01 V，每通道触发前采样1 000个数据，即在信号为0.01 V之前预采集1 000个点。

4 数据处理方法

智舌采样频率为1.25 MHz，获取的响应数据量很大，因此需要运用数据处理方法从原始数据中，提取出能标准溶液特性的数据，再利用模式识别方法进行不同物质的鉴别与区分。

4.1特征值提取——傅里叶变换

傅里叶变换是一种经典的频率域分析方法，通过把时域信息转换成频域信号，达到压缩、滤除冗余信息，突出主频信息的效果，使得数据分析省时、高效。对智舌系统，通过伏安法得到大量时域信息的响应信号，经过傅里叶变换转换为频域信息，得到各个样品的特征响应频率谱，方便进一步数据处理[9]。

4.2 主成分分析

主成分分析的中心思想是将数据降维，以排除众多电化学信息中互相重叠的信息，并用少数几分新变量来很好的表征原变量所包含的特征信息，最后主要用主成分得分值来表征辨识程度。有关主成分分析的原理与方法见文献。其智舌系统采集的信息经过傅里叶变换之后，数据只是减少了50%，还是存在大量的冗余信息，因此主要选取包含主频信息的一定区间的频段数据[10]。

4.3 DI的计算

DI值即为辨别值，是辨识程度的衡量标准，也是判断区分能力好坏的主要指标，一般附于主成分得分图上。DI的计算方式有两种：

（1）各个样品代表区域都已经明确区分开，则：

式中：Si是指单个样品的区域面积；S总则表示的是所有区域的总体面积。从而得到，DI值越大表示区分的效果越理想，两种样品之间的距离越远。

（2）只要有重叠部分存在，则：

式中变量含义如公式（1）。

由公式（1）、（2）可以看出DI值为正且越接近100%则表示区分效果越理想，DI值为负说明不能完全区分检测样品，数值越小区分效果越差。一般情况下，认为DI大于70%～80%为区分效果非常理想。

5 结果与分析

5.1 高频正弦包络伏安法对四种基本味觉物质的区分辨识研究

图4为1 000 Hz～10 000 Hz激发频率下0.01 mol/L氯化钾的扫描图，图5为1、10、100 Hz激发频率下氯化钾的扫描图。两图比较可知，低频条件下，完成一个电极扫描需要12 s，6个电极扫描完成一次需要72 s，而在高频条件下，完成一个电极扫描需要0.25 s，一次完成6个电极扫描实验只需要1.5 s。智舌作为一种快速检测仪器，通过提高仪器的激发频率，从而减少实验完成时间，提高其工作效率，符合了现代食品检测的快速检验理念。

利用智舌系统对0.01 mol/L氯化钾、酒石酸、谷氨酸钠、安赛蜜等4种味觉物质进行检验与识别实验。实验方法见1.3。提取出原始数据，利用matlab软件，进行傅里叶变换，提取出特征值，之后对所有样本的特征值进行主成分分析，得出主成分得分值。实验结果以主成分得分图和主成分得分值体现，结果显示，在1、10、100 Hz条件下DI值均为负值，而在高频时DI值均为正值。表1罗列了所有1、10、100Hz以及1000Hz～10 000 Hz条件下的DI值。图6（a）为低频端最优区分效果的主成分得分图（1 Hz），图6（b）为高频端最优区分效果的主成分得分图（1 000 Hz）。PC1、PC2分别是主成分1和2，括号中的数值表示PC1、PC2各占原始特征值信息的百分比。

表1 不同频率下正弦包络信号对4种味觉物质检测的DI值Table 1 DI value of different frequency sinusoidal envelope signal on different taste substances

结果表明，1 Hz主成分得分值为－0.49%，1 000 Hz主成分得分值为97.39%。在高频条件下智舌对4种味觉物质有较好的区分辨识效果。

5.2 高频正弦包络伏安法对不同品牌椰子汁品质差异区分辨识研究

研究考察了高频信号对复杂体系液体类食品品质差异的区分辨识能力，用市售椰岛椰汁、椰岛椰肉椰汁、椰树椰汁、海航椰汁、华雄椰汁、椰林湾椰汁等6种椰汁进一步验证其区分辨识能力[11－13]。DI值见表2。实验结果与四种纯物质类似，正弦包络伏安法的高频端对样品整体品质差异的区分识别能力要明显强于低频端。1 Hz～100 Hz低频端的DI值均为负值，1 000 Hz～10 000 Hz高频端的DI值均为正值，并所有值均大于80%。

表2 不同频率下正弦包络信号对不同椰汁检测的DI值Table 2 DI value of different frequency sinusoidal envelope signal on different coconut

图7（a）为低频端最优主成分得分图（1 Hz），图7（b）为高频端最优主成分得分图（1 000 Hz）。1Hz条件下主成分得分值为－3.82%，PC1贡献率为67.11%，PC2贡献率为17.73%。1 000 Hz条件下主成分得分值为95.65%，PC1贡献率为 99.42%，PC2贡献率为0.41%。比较两者的主成分得分图，1 000 Hz高频正弦包络脉冲对椰汁整体品质的区分辨识能力远远优于1 Hz的低频正弦包络脉冲。1 000 Hz高频正弦包络脉冲能够区分5个不同厂家椰汁的品质差异性，并且相同品牌椰汁在主成分得分图上的聚集程度要高于1 Hz低频正弦包络脉冲。相反，对于1 Hz低频正弦包络脉冲，虽然对不同厂家之间的椰汁能很好区分辨识，但在同一厂家之间两种不同椰汁区分效果不好。

6 结语

本研究在智舌原正弦包络信号的基础上，利用Labview虚拟仪器技术，将正弦包络信号的1 Hz、10 Hz、100 Hz的低频端，拓展至 1 000 Hz～10 000 Hz的高频激发区。并同时通过1.25 MHz的高频采样，实现了高频正弦包络伏安法的激发与采集。研究利用4种味觉物质以及6种市售不同品牌椰汁产品品质差异性的区分识别，验证高频正弦包络伏安法的有效性。结果显示，高频正弦包络信号相对于低频正弦包络信号更能区分识别对不同品牌椰汁的品质差异性，并且还能大大缩短检测时间。高频正弦包络伏安法将有望替代低频正弦包络伏安法应用于电子舌信号的激发与检测当中。

：

[1]田师一.多频脉冲电子舌系统的构建及应用[D].杭州:浙江工商大学,2007：10－45

[2]TIAN S Y,DENG S P,CHEN Z X.Multifrequency large amplitude pulse voltammetry:A novel electrochemical method for electronic tongue[J].Sensors and actuators B,2003,123(2):1049－1056

[3]TIAN S Y,DENG S P,DING C H.Discrimination of red wine age using voltammetric electronic tongue based on multifrequency largeamplitude voltammetry and pattern recognition method[J].sensors and materials,2007,19(5):287－298

[4]CHRISTIDIS K,ROBERTSON P,GOW K,et al.Voltammetric in situ measurements of heavy metals in soil using a portable electrochemical instrument[J].Measurement,2007,40(9/10):960－967

[5]胡晓晖,毛岳忠,田师一,等.智舌信号的数字滤波设计[J].食品工业科技,2010,12(3):352－354

[6]张东星,罗之纲,田师一,等.智舌在茶类饮料生产中的应用[J].食品研究与开发,2010,31(3):184－186

[7]田师一,邓少平.多频脉冲电子舌对酒类品种区分与辨识[J].酿酒科技,2006(11):24－26

[8]Tian S Y,Xiao X,Deng S P.Sinusoidal envelope voltammetry as a new readout technique for electronic tongues[J].Microchim Acta,2012,178(3):315－321

[9]许国根,许萍萍.化学化工中的数学方法及MATLAB实现[M].北京:化学工业出版社,2010:51－85

[10]史永刚,粟斌,天高由.化学计量学方法及MATLAB实现[M].北京:中国石化出版社,2010:136－232

[11]肖丹.强身养颜的椰汁[J].中国食品,2001,6(13):41－42

[12]戴南艺,姚朔影.椰子汁的稳定性研究[J].食品工业科技,2006,27(8):113－115

[13]毛海梅,叶海辉.微薄消解—石墨炉原子吸收法测定椰果中铬[J].热带农业工程,2009,33(5):4－9