初探人工嗅觉系统及其在粮食质量检验中的应用

夏文琪

中央储备粮潍坊直属库有限公司 山东青州 262500

1 人工嗅觉系统的设计原理及构成部分

1.1 人的嗅觉特点

人的嗅觉形成是通过分子扩散到鼻腔后与G受体结合蛋白作用后产生信号，然后通过人体的嗅觉神经网络经过一系列加工后输入大脑，由大脑对气味进行辨别，并在长期的工作中形成记忆，以此感受所吸入的味道。

1.2 系统设计原理

人工嗅觉系统的设置原理与人的嗅觉系统相似，在使用过程中气味分子被系统的传感器所吸附并产生信号，系统对该信号进行处理及加工并将其传输到数据处理及模式识别系统中，然后后做出相应判断。

1.3 系统构成

人工嗅觉系统由两部分组成，分别为传感器及其陈列及数据处理及模式识别系统。其中传感器是该系统的心脏，在系统的运行过程中起着核心的作用，它将接收到的各种气味分子，通过一系列的操作将其转化为系统可识别的物理信号，以供后续工作的完成。在对传感器的材料进行选择时，需要选择通用性强且对气味的识别没有特殊要求的材料，确保其可以将所有的不同的气味在分子水平上相互作用并产生反应。在鉴别过程中，因为其并不具备记忆性必须保障电子气味可以快速的传递到识别系统中，从而避免影响下一次的操作效果。传感器产生信号被电子放大后需要使用A/D转换技术，转换为可以输入计算机的数字信号。在进行模式识别时，可以使用电阻或者电压的变化率表示被测嗅觉的强度，并以此对气味的性质进行比较。电子信号由专用的软件进行加工及处理后，机器可以将信号与以收集到的信息进行对比、识别，以此来确认检查样品的质量[1]。

2 人工嗅觉系统在粮食质量检验中应用的作用分析

2.1 提高检验人员检验的安全性

当前我国粮食质量检验的检测方法，基本上都是通过检验人员品闻粮食中释放的不同气味，来鉴别粮食质量的标准并将变质粮食进行分类，一般会将粮食分为合格品、发霉品、质量可疑品、腐败品、虫蛀品。变霉的谷物会对人体造成伤害，一般会引起检验人员的肺部疾病，在长期品闻粮食质量过程中会对人体造成巨大的伤害，这在一定程度上会使相关行业技术人员不足，令国民的身体健康遭到威胁。此外，靠检验人员根据气味分辨变质谷物存在着很大的主观因素，检验人员会受情绪或机体体质不同的影响出现判断失误的情况，且不利于给不同质量标准的粮食进行分类。比如红籽小麦掺杂在质量标准达标的小麦中是很难区分出来的，人若食用了变质小麦，轻者会产生身体不适的现象，当变质粮食中含有黄曲霉毒素b1时就会发生中毒现象，一般中毒几率会达到5%～15%。人工嗅觉系统利用信息化技术和生物学技术能够很好的克服检验过程对检验人员身体的伤害和人工品闻主观性强的困难[2]。

2.2 粮食质量评定

当前商品市场上的粮食谷物多种多样，相关产品的产地、品种、生长环境、加工条件等都会对粮食的气味造成影响，人工嗅觉系统中的传感器能够对不同种类的气味做出不同程度的响应，是评定粮食质量的重要工具。随着大众对食品加工多样性的追求度越来越高，粮食加工方式和加工程度越来越多元化，使得粮食质量评定的标准越来越难以界定，粮食评定的工作难度也随之增高，人工嗅觉系统需要从神经网络、化学手段或物理手段等多种方面进行粮食气味的数据分析。一般可以用气相色谱法和GC-MS测量得到粮食中各物质的组成成分，同时利用分离技术，作出对粮食中挥发性风味物质进行全色谱分析。当前常用的分离技术有直接热解法、固相提取法、快速溶剂提取法等，相关技术已经在粮食质量检验行业中得到了普遍的推广与应用。

当前相关研究已经在人工嗅觉系统中加入了SIMCA（近红外光谱）技术，该技术的透射光谱波长一般可达到700nm～1100nm，是集现代电子技术、化学计量技术、计算机技术为一体的现代光谱分析技术，能够有效辨别出粮食中的带壳与去壳粮食。这一技术突破，使得人工嗅觉系统在粮食质量检验中的应用性能进一步提高，促使人工嗅觉的智能化程度越来越高，优化了粮食质量检验的流程，使系统在操作过程中更加便捷，提升了粮食质量检验工作的效率，为我国粮仓建设与粮食的流通提供了有效的检验工具[3]。

2.3 辨别粮食中变霉的谷物

粮食释放出的气味比较多元，不是由单一的成分组成的，而是由多种气味综合反映而来的。在利用人工嗅觉系统进行粮食质量评定时，我们并不需要测量出所有气味来评定粮食的质量，甚至即使测量出全部气味中的化学组合成分，我们也无法建立出具有科学代表性的数学逻辑表达式来，我们只需要利用人工嗅觉系统中n个气敏传感器所组成的阵列，对粮食样本进行一次测量，即可的得到一个n维向量，若测量m个样本，就能够得到m组关于质量的数学对应关系。一般将粮食中的气味通过传感器时所产生的响应曲线族作为一组数据，然后采用BP神经网络进行质量模式的识别，即可完成对粮食质量好坏做出精准的评定。

主成分分析法是构建人工嗅觉系统最为关键的技术模式，利用此技术能够将粮食质量分析过程中的低维空间清晰的表现出来，当气味传导到m个传感器上时，组成的阵列所响应出的矢量矩阵就会构成一个多维空间X={x1，x2，…，xm}，此时就会计算出影响粮食质量的多个主成分，继而分辨出粮食质量的分类。

3 结语

综上所述，目前我国的人工嗅觉系统仍处于实验阶段，对其应用相对较少，但其当前已经具备了替代人工鉴别粮食质量的功能，相信在未来的粮食质量检验中会得到广泛的应用。通过人工嗅觉系统延伸人们的嗅觉能力，提高粮食质量检验的水平，帮助粮食加工厂商有效控制粮食在生产及存储过程中的质量。