糧油新型檢測方法研究綜述

羅莫放　劉翠銀

摘 要：隨著新材料、傳感技術、信息采集與數字化處理等新興學科的迅猛發展，基于計算機的電子眼技術、電子鼻技術、電子舌技術等無損檢測技術成了糧油品質檢測的研究熱點，國內外學者已進行了大量的前期研究工作。該文綜合國內外最新的研究成果，對電子眼、電子鼻、電子舌三個新型技術分別進行了闡述，探討它們在糧油品質檢測中發揮的作用以及最新的研究進展，同時也討論這三個檢測技術存在的局限性，最后對糧油檢測技術手段發展的前景進行了展望。

關鍵詞：糧油；檢測方法；電子眼；電子鼻；電子舌

中圖分類號 TS207 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）17-0152-03

Abstract：With the rapid development of new disciplines， new materials，sensor technology， information acquisition and digital processing，and based on the computer's electronic eye technology， electronic nose technology and electronic tongue technology，nondestructive detection technology has become the hot spot in the field of grain and oil quality testing.Scholars who from domestic and foreign have done a large amount of previous studies. The latest research is involving in home and abroad and including electronic eyes， electronic nose and tongue technology.This essay describes and explores those new technology which play a role in the quality detection of cereals and oils，then shares the latest research progress，and discusses limits of these three detection techniques.Finally，future development of grain and oil testing technology are discussed.

Key words：Grain and oil；Detection method；Electronic eye；Electronic nose；Electronic tongue

1 前言

當前糧油品質的研究熱點在于生物信息技術的合理運用，其不僅快捷、高效，而且具有非常廣闊的應用前景。隨著科學技術的不斷發展，著眼于傳感技術、新材料以及數字化信息采集等混合學科的研究，研發了很多的智能感官糧油檢測設備，例如3E設備，包括電子眼（E-eye）、電子鼻（E-nose）、電子舌（E-tongue）。新科學技術的誕生正式以生物學、食品檢測學、食品品質控制學等學科為基礎，在這之上汲取各科之優勢所在，并結合這些技術與傳感技術的交匯點發展而來。

糧油是人類賴以生存的必需品，其品質的好壞關系到國計民生，雖然我國一直在致力于提高糧食作物的產量，并且已經取得了舉世矚目的成績，但是糧油的品質仍難以滿足人們日益增長的需求以及市場不斷提高的要求。糧油品質的提高離不開檢測技術的不斷更新，目前的分析技術摻雜了太多的主觀因素，如檢驗員的感官評價，這直接導致了作物生產處理的滯后性；而化學方法因本身具有破壞性，從某種程度上限制了檢測技術的發展，其他現有技術或多或少的存在程序復雜等缺陷，不利于推廣普及。因此，糧油市場的長遠發展需要高效、快捷、適用性好的檢測技術。

2 電子眼技術

由于人類的對糧油大米的感官評測存在的不足，如主觀性很強且會消耗大量的精力和時間，所以很有必要借助蓬勃發展的計算機技術。到目前為止，以電子信息計算機技術為基礎的電子眼技術已經在檢測大米粒型、黃米率、堊白以及直鏈淀粉等指標方面得到了應用。使用電子眼技術研究大米堊白檢測算法是借助MATLAB軟件來構造，針對不同的大米圖像處理，測定大米的堊白度和堊白粒率。為了快速檢測稻米品質，設計了一套運用電子眼技術的稻谷品質快速檢測裝置，該裝置對堊白度、堊白粒率、直鏈淀粉等參數的目標檢測得到基本實現，結果表明，該裝置對堊白度的測試精度小于1%，對堊白粒率的測試精度小于2%，對直鏈淀粉的測試精度小于1%。此外，該裝置無需替換硬件，只需在軟件上進行增加，就可對其他大米品質參數如色澤、異品種粒等實現檢測。調整圖像分割的閡值和改變掃描條件等方法，實現高效、快捷地檢測大米加工精度。萬鵬等[1]在大米粒型檢測計算機視覺識別試驗的基礎上，采用閡值分割、平滑處理、灰度變換等圖像處理方法得到大米的粒形圖像，該方法對整粒米、碎米識別準確率分別為98.67%、92.09%。使用電子眼技術研究大米的粒型，然而本方法因為自身要求的一些局限性所以沒有被廣泛使用。凌云等[2]利用極坐標的粒型檢測算法先求出質心再求出最長軸與最短軸，然后再對稻米外形進行橢圓擬合，但其準確度有待提高。對稻米蛋白質檢測是利用數字圖像采集方式，結果與蛋白質含量的標定值偏差較小，偏差最大的測定值與標定值的誤差也只有0.91g/100g，絕對誤差的平均值僅為0.37g/100g，檢測結果較為準確。侯彩云等[3]利用微切片3維圖像處理系統對稻米品質特性進行研究，結果顯示，在三維可視化技術條件下，客觀、準確的測定了稻谷的營養品質、外觀品質及蒸煮品質等特性。

一般情況下，大米色澤是由重鉻酸鉀法和羅維朋比色法進行測定，但是由于試驗方法受主觀因素的影響常常導致了不準確的結果。為了解決大米色澤檢測的問題，大量國內外學者進行了研究。在羅維朋比色法的基礎上設計研發基于電子技術的圖像處理方法，實現了良好的試驗重現性。利用電子眼技術把椰子油分為4個等級，分別是不成熟的、半成熟的、成熟的、過成熟的，結果表明，運用這種方法，分級正確率可以達到95%以上，當然這樣的分析需要大量的樣品，從目前來看，檢測的錯誤率要比人工分級少很多。用計算機圖像處理技術探究羅維朋標準色片與油脂顏色的關系，結果得到特征參數A（R-G）和B（R/G），驗證結果表明，不同油脂測定羅維朋紅值與計算結果的相關系數大于0.98，平均誤差小于0.40。

3 電子鼻技術

21世紀初，出現了一種可以用來快速檢測食品氣味的電子鼻氣味掃描儀。檢測的依據是模電位的改變與氣味強弱呈現相關關系，從而可以進行判別，而引起這種變化的原因在于氣味分子與生物膜接觸或者氧化反應所導致。這種方法的特點是利用具有高靈敏度、可靠性、可重復性強的識別系統外加特定的傳感器，可以做出高效快捷地判斷，不失為一種合適的檢測手段。電子鼻技術正逐漸得到了廣泛應用，無論是在化學化工還是環境監測以及巖茶行業甚至于醫學領域都得到了越來越廣泛而有推廣效應的研究，這其中也包括糧油谷物果蔬等食品方面的研究和檢測應用，包括模塊化識別技術以及傳感器的應用技術。谷物是很容易發生霉變的，但過往由于技術的缺乏，依靠人力往往很難檢測出霉變，如今已經出現依托電子鼻技術識谷物霉變的儀器設備，不僅檢測速度快，而且準確率相當高。有研究基于電子鼻對4種不同大米樣品的區分檢測，對電子鼻的參數優化以及氣敏傳感器的選擇進行了初步的研究，并指出以Cyranose-320為例的電子鼻對大米的芳香化學成分的檢測還需進一步的研究，從而改進其作為一種檢測評價大米品質質量的檢測方法。此外，還有采用金屬氧化物傳感器陣列為主要分析法對6個霉變程度的稻谷成功進行了檢測，很多的研究實例都證明電子鼻技術具有極高的推廣價值。

利用電子鼻在其他谷物的研究上，通過參考電子鼻在酒類、香水、煙草等方面的應用，提出了電子鼻用于谷物品質的檢測。電子鼻依靠人工神經網絡（ANN）這一模式成功識別了包括大麥、燕麥等幾類糧食樣品，運用到不同的氣敏傳感器進一步識別小麥樣品，這一樣品受到了真菌、細菌的污染，甚至部分有麥角固醇的混入。在實驗的基礎上驗證了電子鼻依據氣味信息鑒別谷物的可行性，為未來電子鼻的廣發應用提供有價值的參考。以真菌的揮發性代謝物作為指標，通過氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS）和電子鼻來分析各種正常和一些變質程度的谷物樣品，結果表明，其揮發性物質與儲曲霉毒素相關性不大，但通過電子鼻檢測均能預測脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）的污染程度電子鼻的作用不僅可以對谷類感染真菌進行定性判斷，而且隨著技術的不斷成熟未來可以進行相應的定量檢測。在脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）的檢測當中，研究表明，不同的有機物與DNO的劑量濃度呈現不同的線性關系，例如十五烷、1-壬醇、1-辛醇、乙基乙醇等與DON呈現負相關，而戊烷、3-戊酮、醋酸異辛酷則呈現正相關，后續的驗證評價試驗對這種建立在電子鼻上的技術進行了誤差評估，分別為25μg/kg（負相關）和16μg/kg（正相關）。

在食用油的品質及貯藏性和橄欖油（食用油）的摻假檢測方面，國外也有一些報道。相比而言，在國內已經出現利用線性判別式的方法輔助電子鼻可以進行芝麻油和山茶油的鑒偽，用這樣的方法不僅可以區分不同種類的油脂，甚至可以進一步將芝麻油中的山茶花油鑒別出來，借助多層次的前饋網絡系統神經能夠對于芝麻油和大豆油的均勻混合比進行大致的估計，也就是說從現在掌握的技術來看，這種技術還無法進行精確檢測。

4 電子舌技術

電子舌技術是20世紀末發展起來的一種用以識別不同液體味道的新型技術，主要有味覺傳感器與計算機分析系統連接組成。由于所有植物油中都含如維生素E、多酚化合物、類胡蘿卜素等具有氧化還原活性的物質，相關研究正是從這些物質的易敏感的特點入手，開發應用于檢測不同植物油中的特殊類化學物質，從而達到定量檢測的目的，但油品的導電率很低、勁度大、溶解度低。為了解決以上問題，提出一種區分植物油的不同來源和品質的方法，原理是將植物油作為涂層涂在改進的碳層電極上，然后放在不同的電解水溶液中產生電化學反應。電極浸在不同的電解質溶液中時獲得電勢信號，電勢受到電極所浸放的溶液的電解溶液產生的離子的強烈影響。設計試驗可以利用輸入變量的主成分來分析不同品種的油所產生的特征信號，從而鑒別不同的植物油。分析6種油其中包括橄欖油、籽油、花生油和3種不同壓榨程度的橄欖油，結果表明，這種方法可以用于區分不同的植物油。

5 結論和展望

從電子鼻對稻米和稻谷檢測的研究來看，目前的電子鼻技術基本還處于可檢出若干成分或應用開發的階段，又因為應用在電子鼻中的傳感器大多對工作溫度比較敏感，從而要求其工作環境必須能有較好的可控性；另外因為金屬氧化物型傳感器工作所需的溫度比較高，所以測試前需額外對傳感器進行預熱，且較長的工作時間容易使基準值發生漂移。而模式識別的方法還不夠成熟，人工神經網絡相對于傳統識別方法來說，其優勢在于擁有較好的的特定位點識別，從而得以完成較繁雜的非線性運算映射，即便如此，由于這種方法是建立在大量的測試樣品之上的，使得取樣較為麻煩。因此，電子舌頭可以在涉及到油料以及特殊物質的研究檢測上有很大的應用前景，而模式識別技術以及傳感技術的結合發展則離不開電子鼻技術的廣泛應用。

綜合性的評價是指到糧食生產前再到生產進行最后到成品后這一系列過程中所涉及到的檢測與評價技術。雖然現在很多研究表明，電子眼技術可以基本滿足稻米粒型等品質的檢測需要，但是要考慮到整精米率等品質易受到光源、米型等的影響而產生變差的現實問題。此外，需要注意的是儀器的穩定性，方法的可行性（因為在初期試驗階段，樣品的取樣沒有嚴格的科學論證，數量少，品種單一等問題導致不能證明儀器方法的通用性）以及評價驗證方案都需要去不斷地完善補充。

未來應用依托計算機的視覺技術、電子鼻技術、電子舌技術對稻米及其他糧油制品進行快速、無損檢測區分的方法將會越來越成熟，因為目前傳感器模塊識別技術已經和電子計算機技術結合的十分緊密并且還在迅速地完善。總之，3E（電子眼技術、電子鼻技術、電子舌技術）技術將會成為今后的熱門研究領域，糧油的檢測技術將會迎來飛速的發展。

參考文獻

[1]萬鵬，孫瑜，孫永海.基于計算機視覺的大米粒形識別方法[J].吉林大學學報：工學版，2008，38（2）：489-492.

[2]凌云.基于機器視覺的谷物外觀品質檢測技術研究[D].北京：中國農業大學，2004.

[3]侯彩云，Seiichi O，Yasuhisa S，等.三維圖像處理系統在稻米品質檢測中的應用研究[J].農業工程學報，2001，17（3）：93-95.

（責編：張宏民）