传感器型电子鼻技术在谷物品质研究中的应用进展

刘远方　赵爱娟

摘要：电子鼻技术是一种综合的气味分析技术，由样品处理系统、检测系统、数据处理系统三部分构成，根据检测系统不同分为传感器型电子鼻、气谱型电子鼻和质谱型电子鼻。通过对传感器型电子鼻前处理条件优化和电子鼻传感器列阵优化来得出较好的PCA结果，以区分谷物霉变程度、储藏时间、虫害情况以及感观品质。

关键词：电子鼻技术；谷物品质；检测应用

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）47-0084-02

一、引言

作为诞生于上世纪90年代的嗅味识别检测仪器，电子鼻以高度的仿人工嗅觉系统被冠以气味扫描仪的称号。不同于常规的普通的化学分析仪器，其具有常规色谱仪、毛细管电泳仪等不同的特征，最终得到的不是被检测样品中成分的定量与定性分析，而是定量与定性分析基础上的整体信息获取，也被形象地称为指纹数据的获取。不同的气味，其会自动捕捉到不同的信号特征，并且将这些信号与数据库中的信号进行对比，在识别后进行有效判断，在气味识别及真伪鉴别等方面发挥重要作用，借助電子鼻真正实现了产品从生产源头到加工所有环节的质量监督与检查。

二、电子鼻技术

1.电子鼻结构原理与组成。电子鼻的主要部分是化学传感器，这些传感器以彼此重叠的方式排列。除了化学传感器还有适当模式识别方式，适当模式识别方式主要服务于简单与复杂气味的识别，综合来说电子鼻是新型的气味仿生仪器。目前较常用的商品化电子鼻系统有德国Airsense系统的PEN2和PEN3、法国AlphaMOS系统FOX3000和FOX4000以及我国上海瑞玢公司的I-Nose。市面上通用的电子鼻分为检测系统、样品处理系统及数据处理系统三大部分，内部结构大同小异。

2.样品预处理系统。样品处理系统是核心系统，也是实现电子检测的关键，直接影响到后期的数据分析及抽样分析，关系到电子鼻系统的气味识别能力。常用的电子鼻样品预处理系统有静态顶部空间技术（SHS）、固相微萃取技术（SPME）、搅拌棒吸附萃取（SBSE）、内针动态萃取（INDEX）、膜进样质谱（MIMS）。

3.检测系统。电子鼻性能的核心技术取决于气敏传感器及其阵列的选择，要提高电子鼻检测系统的性能必须选择适当的传感器阵列。对于常用到的电子鼻德国Airsense系统的电子鼻包含有10个标准金属氧化物传感器组成的阵列，法国Alpha MOS系统的FOX3000和FOX4000电子鼻一般包含18个标准金属氧化物传感器，上海瑞玢公司的I-Nose包括10个金属氧化物传感器，每个传感器对不同的化学物质敏感性不同，可以通过对比试验来筛选合适的传感器组合。

4.数据处理系统。数据处理需要结合线性变量分析方法，主要有主要成分分析、因子分析、别样函数分析等，可按能被识别或不被识别分类[1]。

三、电子鼻技术与谷物品质研究

作为人类主要粮食来源的谷物，因其自身易在贮存中受到霉菌污染而霉烂变质，造成大量损失，甚至产生毒素，威胁人畜健康。在谷物品质研究中电子鼻技术作为一种快速、综合检测分析方法其应用研究在快速发展。以谷物作为样品，通过电子鼻技术对其气味分析来判断其储藏品质和食用品质，主要是以下两种方式——直接检测谷物颗粒挥发性气体成分和检测分析蒸煮米饭的挥发性气体成分。

1.直接检测谷物颗粒的气味：谷物霉变程度检测。我国学者邹小波等人成功研制出一套新型电子鼻装置，可以轻松实现谷物霉变程度的判定。该装置主要组成部分为厚膜金属氧化锡气体传感器阵列和神经网络，主要服务于小麦、水稻及玉米的检测。新型电子鼻装置目前在谷物霉变程度检测方面的准确率高达百分之百[2]。我国学者惠国华等人也针对粮食霉变程度进行电子检测系统的创新研制，更注重检测的迅速性，可以实现连续7天检测荞麦、大麦及燕麦等物质的霉变程度，采用随机共振数据处理方式对粮食霉变程度予以判定。其以消除传感器在高温、长时间作业后引发的基线漂移为前提实现了检测的快速与准确。小麦的陈旧识别。科研发现储藏时间与小麦霉变程度存在正相关关系，储藏时间延长，小麦内部结构发生变化并产生霉变气味，气味主要成分为羰基化合物，此外还有少量的醇酮类化合物。极性气体的挥发与储藏时间存在正相关，而小极性物质则相对减少导致谷物的陈化。我国学者伟力国等人基于该相关关系研制出了新的小麦活性检测技术，通过分析小麦陈化气体实现小麦陈化程度的等级划分，后期辅助以概率神经网络参与模式识别，实现了小麦活性情况的精确检测。2007年以庞林江为代表的学者对5个储藏年限的小麦进行检测，AIRSENSE PEN2便携式电子鼻得出的小麦最佳静置时间为1.5小时，此次选用的小麦样品含量为50g，经过分析小麦的储藏年限可以得到区分，而低于年限间隔较小的陈化小麦检测并不灵敏。后来蒋德云等人研制推出了AlphaMOS Fox 3000电子鼻，其主要服务于病虫害的检测。结合主要成分实现对活虫存在气体样品的分析，并对标准空气样品进行检测比较，此次对比发现活虫样品、死虫样品与标准空气样品存在明显的检测差异，电子鼻检测病虫害的功能得到了有效验证。周博等科研学者[3]则利用电子鼻和气质联用仪结合起来对接种褐飞虱的水稻进行检测，结果表明电子鼻和气质联用仪能检测农作物的虫害情况。

2.蒸煮米饭风味检测研究。梁爱华等采用电子鼻对3种不同方便米饭（鸡米芽菜方便米饭、榨菜肉末方便米饭、素什锦方便米饭）的新鲜品和真空冷冻保藏品进行了比较分析，采用主成分分析和气味指纹对比的方法分析了所获得的数据，结果证明电子鼻不但能将不同的方便米饭区分开，而且还可以很好地区分新鲜品与冷冻品。Jeehye Sung等人用带有自动顶空样品采集器的SMart电子鼻（瑞士Marine-Epagnier公司的SMart电子鼻200）通过质谱技术直接分析不同条件下贮存四个月的大米样品中挥发性有机化合物，结合蒸煮米饭的感官评价对比研究证明结果显示MS-电子鼻系统可以成功应用于大米风味特征的品质评价和大米筛选[4]。

四、展望

我国借助电子鼻系统实现谷物鉴定及理化品质检测的研究尚处于起步阶段，后期还需要做出大量的努力与探究实践，目前我国的电子鼻专项检测还仅仅停留于小麦霉变、小麦陈旧分析、病虫害检测等几个方面，对于水稻及玉米等其他谷物的检测还需要深入研究与拓展。但伴随生物芯片技术与生物信息学的飞速发展，新型生物仿生材料的成功研制，我国电子鼻的研制也将实现更大程度的突破，取得理想的发展预期，更好地满足人们对谷物粮食的安全检测需求。

参考文献：

[1]Hines E L，Llobet E，Gardner JW.Electronic noses：a review of signal processing techniques[J].IEE Proc.Circuits Devices Syst，1999，146（6）：297-310.

[2]邹小波，赵杰文.电子鼻快速检测谷物霉变的研究[J].农业工程学报，2004，（2）：121-124.

[3]Zhou Bo，Wang Jun.Use of electronic nose technology foridentifying rice infestation by Nilaparvata lugens[J].Sensors andActuators B：Chemical，2011，（160）：15-21.

[4]Jeehye Sung，Bum-Keun Kim，Byung-Sam Kim，et al.Mass spectrometry-based electric nose system for assessing rice quality during storage at different temperatures.Journal of Stored Products Research，2014，（59）：204-208.