電子鼻對荔枝成熟過程中理化參數的表征

徐 賽，陸華忠，周志艷，呂恩利，楊 徑（南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，華南農業大學工程學院，廣東廣州510642）

電子鼻對荔枝成熟過程中理化參數的表征

徐 賽，陸華忠，周志艷，呂恩利*，楊 徑
（南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，華南農業大學工程學院，廣東廣州510642）

探究了采用電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數變化的可行性。在分別獲取不同成熟階段果園荔枝的電子鼻響應參數和理化特征參數后，對荔枝成熟階段與電子鼻響應數據之間的關系、荔枝成熟階段與理化參數之間的關系以及電子鼻響應數據與理化特征之間的關系進行了分析。實驗結果表明，隨著荔枝不斷成熟，電子鼻響應特征逐漸增大。荔枝理化特征在成熟階段s5之前均呈上升的趨勢，s5到s6階段除L*值與b*值略有減小外，其余理化指標均有所增加且部分理化指標變化在成熟過程中存在一定的線性關系。采用電子鼻傳感器響應值建立理化特征表征模型能夠較好地對各項理化指標進行表征，R2均大于0.9。實驗驗證了采用電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數變化的可行性，為今后機器識別方法在果園果實成熟度監測以及水果品質檢測的應用提供參考。

荔枝，成熟階段，電子鼻，理化參數，表征

荔枝營養豐富，食味鮮美，深受廣大人民群眾的喜愛。研究表明［1］：不同品種荔枝適合采摘的成熟度均有所差異，在適宜的成熟度對荔枝果實進行采摘，有助于采摘到最佳品質的荔枝以及提高荔枝采后的耐貯運能力。因此，加強荔枝成熟過程的監測可為果園荔枝采摘提供科學指導，具有重要意義。

在荔枝成熟過程中，其大小、顏色、形狀以及營養物質的成分與含量均會發生一定變化，這為理化參數檢測法在荔枝果實成熟度實時監測上的應用提供了理論依據。理化參數檢測法［2］是目前使用的食品

品質檢測的主要方法，是一種直觀有效的檢測方法，在水果成熟度的檢測方面也有一定的研究，如：石榴［3］、葡萄［4］、棗［5］、蘋果［6］等。但理化參數檢測法費時費力，對檢測人員的要求較高，不能滿足實際檢測的需要。

電子鼻［7］是一種模擬生物嗅覺的智能識別手段，通過數個對不同氣味敏感的氣敏傳感器組成傳感器陣列，使得整個電子鼻系統能夠檢測與識別不同的氣味。電子鼻操作簡單、檢測速度較快，相對理化指標檢測法大大節約了勞動成本與檢測時間，具有廣泛的應用前景。而今，電子鼻在水果成熟度的檢測上已有一定研究［8-10］，但電子鼻能否取代人工理化指標檢測法對荔枝各成熟階段的品質狀況進行準確評價，值得深入研究。

本研究探究了采用電子鼻采樣數據表征荔枝成熟過程的可行性，可彌補理化指標人工采樣法存在的缺陷，并為果園水果生長信息實時監測提供一種新方法。分別獲取荔枝不同成熟階段的電子鼻數據與理化參數后，分析了成熟階段與電子鼻響應數據之間的關系、荔枝成熟階段與理化參數之間的關系以及電子鼻響應數據與理化特征之間的關系。研究結果可為今后電子鼻取代人工理化指標檢測法在果園品質信息監測上的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

“水林”荔枝 于華南農業大學校內荔枝園取果后，立即送回實驗室進行檢測。

PEN3型電子鼻 德國AirSense公司；CR-400型全自動色差儀 日本美能達公司；PR-32α型數字式折射計 日本愛拓中國分公司；MNT-150型游標卡尺 德國美耐特公司；JY600型電子天平 中國上海浦春計量儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣本的處理 待果樹掛果約25 d，于2015年4 月25日（s1）、5月2日（s2）、5月9日（s3）、5月16日（s4）、5月23日（s5）、5月30日（s6）對荔枝果實參數進行采樣。由于成熟階段s1至s2期間荔枝果肉并未達到可溶性固形物（TSS）測量的要求，TSS檢測于s3開始，與其他參數同步測量。其中每7 d取樣一次，共采樣6次。每次摘取荔枝果實20顆，隨機選擇10顆進行電子鼻采樣，剩余10顆用于理化參數采樣，取平均值做為荔枝在該成熟階段的采樣值。

1.2.2 電子鼻采樣 實驗采用PEN3電子鼻進行荔枝氣體揮發物采樣，該電子鼻主要由采樣及清洗通道、傳感器陣列以及模式識別子系統構成。傳感器整列包含10個氣敏傳感器，不同傳感器對不同類別的氣體揮發物敏感，各傳感器的性能如表1所示。電子鼻采樣前，每個荔枝樣本均放置于200 mL燒杯中，用雙層塑料膜密封，靜置1 h待杯中氣體揮發物平衡后進行頂空氣體采樣。電子鼻采樣參數設置為：采樣時間間隔為1 s，傳感器自動清洗時間為70 s，傳感器歸零時間為10 s，分析采樣時間為80 s，進樣準備時間為5 s，進樣流量為300 mL/min。

1.2.3 色差值采樣 采用全自動色差儀獲取荔枝果實的色差值，包括L*值、a*值和b*值。其中L*值越大則果皮越亮，反之越暗，a*值越大則果皮越紅，反之越綠，b*值越大則果皮越黃，反之越藍。在荔枝果實的赤道兩面各測1次色差，每個樣本重復檢測3次。

表1 電子鼻傳感器的性能Table1 Feature of electronic nose’s sensors

1.2.4 可溶性固形物采樣（TSS） 實驗采用數字式折射計（可溶性固形物質量分數測量范圍0%～32%，最小刻度0.1%）進行可溶性固形物檢測。剝除荔枝果皮后對果肉進行擠壓取汁，攪拌均勻后進行檢測，每次測量重復3次。

1.2.5 其他物理參數采樣 實驗對荔枝成熟過程中其他物理參數進行了采樣，包括果實大小、果核大小、果實凈重。其中果實大小與果核大小采用游標卡尺分別測量荔枝果實與果核赤道位置的最大直徑，果實凈重采用精度為0.01的電子天平獲取。每個荔枝樣本參數均重復測量3次。

1.2.6 電子鼻特征值的提取 電子鼻對荔枝果實氣體揮發物采樣如圖1所示。采樣前，電子鼻各傳感器的響應值均為1。隨著荔枝氣體揮發物在氣敏傳感器陣列上富集，各傳感器響應值逐漸上升，在38 s左右達到最大值，隨后略有下降，在60 s之后基本穩定。本研究選取各傳感器處于穩定狀態的響應值作為電子鼻的特征值，即選取75 s時刻的傳感器響應值。

圖1 電子鼻對荔枝氣體揮發物的響應Fig.1 Response of electronic nose for litchi volatile

2 結果與討論

2.1 荔枝成熟階段與電子鼻響應參數的關系

為探究電子鼻響應參數與荔枝成熟階段之間的

關系，實驗采用每次采樣10個荔枝樣本特征值的平均值作為該成熟階段荔枝的電子鼻響應參數。電子鼻響應特征在成熟過程中的變化如圖2所示。由圖2可知，隨著荔枝不斷成熟，電子鼻響應值逐漸增大，其中R7的變化趨勢最為明顯。在s1~s5階段，電子鼻響應特征變化不大，但隨著荔枝的進一步成熟，電子鼻響應特征值在s6階段迅速上升。

圖2 電子鼻隨成熟階段響應特征雷達圖Fig.2 Radar plot of electronic nose response in mature stages

2.2 荔枝成熟階段與理化特征參數的關系

2.2.1 荔枝成熟階段與色差值的關系 圖3為荔枝果皮色差L*值、a*值和b*值隨成熟階段的變化關系圖。成熟階段s1到s5，隨著荔枝的不斷成熟，荔枝的果皮色差L*、a*、b*值均逐漸增大，但變化不大。隨著荔枝進一步成熟，s6階段荔枝果皮色差a*值迅速上升，L*與b*值略有下降。a*值的變化過程與荔枝成熟后果皮逐漸變紅的情況相一致。L*值與b*值的變化趨勢說明荔枝在成熟過程中，果皮亮度先增大再減小，果皮顏色在變紅之前先略有變黃。

2.2.2 荔枝成熟階段與果實重量的關系 圖4為荔枝成熟階段與果實凈重的變化關系圖。隨著荔枝的不斷成熟，荔枝果實的重量不斷增大。按照荔枝成熟過程中果實重量的增加速率可分為三個階段。s1到s2的重量增加速率較小，s2到s5的重量增加速率有所增加，s5到s6重量增加速率最大。

圖4 荔枝成熟階段與果實重量的關系Fig.4 Relationship between mature stages with net weight of litchi

圖5 荔枝成熟階段與果實大小的關系Fig.5 Relationship between mature stages with fruit size of litchi

2.2.3 荔枝成熟階段與果實大小的關系 圖5為荔枝成熟階段與果實大小的變化關系圖。隨著荔枝不斷成熟，荔枝果實的大小不斷增加。s1到s3以及s5到s6，荔枝果實大小增加速率較快，s3到s5階段荔枝果實增加速率較小。

2.2.4 荔枝成熟階段與果核大小的關系 圖6為荔枝成熟階段與果核大小的變化關系圖。隨著荔枝不斷成熟，荔枝果核大小在s1到s3迅速增大，s3之后，果核大小略有增加，但變化不明顯。

圖6 荔枝成熟階段與果核大小的關系Fig.6 Relationship between mature stages with fruit kernel of litchi

2.2.5 荔枝成熟階段與可溶性固形物的關系 圖7為荔枝成熟階段與TSS的變化關系圖。成熟階段s1到s2，荔枝果肉尚未形成，無法進行TSS檢測。荔枝在成熟階段s3到s4之間TSS含量逐漸上升。隨著荔枝進一步成熟，在s4到s5期間，荔枝TSS含量增加速率加快。s5后，荔枝TSS含量略有增加，但變化不明顯，此時果

實已經成熟。

圖7 荔枝成熟階段與可溶性固形物的關系Fig.7 Relationship between mature stages with TSS of litchi

2.3 荔枝電子鼻特征參數對理化特征參數的表征關系式

2.3.1 荔枝電子鼻各傳感器對理化特征參數的表征為探究電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數的可行性，實驗分別以電子鼻各傳感器響應特征值為輸入值x，荔枝理化特征參數為輸出值y，建立曲線回歸關系模型，選擇決定系數R2較大的模型做為該電子鼻傳感器與理化特征的表征模型（R2越接近1，說明該模型的表征效果越好）。所建模型以及相應的R2如表2所示。

表2 荔枝成熟過程中各傳感器參數與理化參數關系式Table2 Relational expression of single sensor indexe and physicochemical indexes during litchi’s mature period

除果實大小與果核大小外，各項理化指標均能被電子鼻某一傳感器響應特征參數較好的表征，且該表征式的決定系數R2均大于0.9。荔枝成熟過程中，L*值能夠被傳感器R7較好的表征，R2為0.96。電子鼻各傳感器（R1～R10）在表征a*值時均取得了很好的表征效果，其中R7的表征效果最好，R2為0.9999。在表征b*值和果實重量時，電子鼻傳感器R7均取得了較好的表征效果，R2為分別為0.93和0.9。傳感器R1、R2、R7和R9在表征荔枝成熟過程中TSS變化時均取得了較好的效果，其中R7的表征效果最好，R2為0.9962。因此，在今后的荔枝成熟過程理化指標監測過程中，可用傳感器R7的響應特征對荔枝L*值、a*值、b*值、果實重量、TSS含量進行預測，有效的節約監測時間與檢測成本。

2.3.2 荔枝電子鼻多傳感器對理化特征參數的表征由于電子鼻單一傳感器無法對荔枝成熟階段果實大小和果核大小變化進行表征，為進一步探究電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數變化的可行性。實驗采用多元回歸模型對荔枝果實大小和果核大小參數進行表征，即以電子鼻中數個傳感器的響應特征參數為輸入xi（i為傳感器編號），荔枝果實大小yf和果核大小yk為輸出，建立表征關系式。

為簡化表征模型，實驗參考各傳感器對荔枝成熟過程中果實大小和果核大小表征結果，分別選擇前4個表征效果較好的傳感器作為多元回歸模型的輸入。因此，以傳感器R1、R3、R7和R10作為輸入，建立的果實大小表征模型為yf=567.83xR1-294.66xR3+10.8xR7+21.19xR10-272.05，表征式的決定系數R2為0.96，具有較好的表征效果。以傳感器R1、R2、R3和R7作為輸入，建立的果核大小表征模型為yk=5452.51xR1-28.26xR2-400.38xR3+12.66xR7-11.74，表征式的決定系數R2為0.99，具有較好的表征效果。

3 結論

本實驗探究了采用電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數變化的可行性，分別對荔枝成熟階段與電子鼻響應數據之間的關系、荔枝成熟階段與理化參數之間的關系以及電子鼻響應數據與理化特征之間的關系進行了分析。實驗結果表明，隨著荔枝的不斷成熟，電子鼻各傳感器響應參數逐漸增大，其中傳感器R7變化趨勢最為明顯。在荔枝成熟各成熟階段，各項理化指標均呈現一定的變化趨勢，部分理化指標在成熟過程中存在一定的線性關系，可為下一階段水果品質研究提供參考。荔枝L*值、a*值、b*值、果實重量、TSS含量均可用單一傳感器R7進行表征，R2均大于0.9。采用多傳感器分別建立果實大小和果核大小的多元回歸模型，具有較好的表征效果，R2均大于0.95。實驗驗證了電子鼻表征荔枝成熟過程中理化參數的可行性，可為電子鼻取代人工理化指標檢測法在果園品質信息監測上的應用提供參考。

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Electronic nose for physicochemical indexes characterization during litchi's mature period

XU Sai，LU Hua-zhong，ZHOU Zhi-yan，LV En-li*，YANG Jing
（Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment，Ministry of Education，College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

This paper explored the feasibility of using electronic nose express the physicochemical indexes during litchi's mature period.After acquired litchi's electronic nose response feature and physicochemical indexes，then the relationship between litchi mature stage and electronic nose response feature，relationship between litchi mature stage and physicochemical indexes，relationship between litchi electronic nose response feature and physicochemical indexes had been analyzed.The experimental results showed that with the maturing of litchi，electronic nose response feature increased gradually.The physicochemical indexes increased gradually before mature stage s5.except L*value and b*value had light decrease，during s5 to s6，other physicochemical indexes were all increased.There were linear relationships between part physicochemical indexes.Using electronic nose sampling value built up the characterization model for physicochemical index representation，their R2were all bigger than 0.9，which had good characterization effect.The experiment proved the feasibility of using electronic nose express the physicochemical indexes during litchi's mature period.The experimental results provide reference for using machine recognition methods for mature stage monitoring in orchard and fruit quality detection.

litchi；mature period；electronic nose；physicochemical indexes；characterization

TS207

A

1002-0306（2016）08-0100-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.08.012

2015－10－08

徐賽（1991-），男，博士研究生，主要從事農產品冷鏈物流技術與裝備方面的研究，E-mail：204504658@qq.com。

*通訊作者：呂恩利（1979-），男，副教授，主要從事農產品冷鏈物流技術與裝備方面的研究，E-mail：txzzlu@sina.cn。

基金項目國家自然科學基金項目（31571561）；現代農業產業技術體系建設專項資金項目（CARS-33-13）。