一種用于冷鏈物流肉類品質在線檢測的電子鼻系統

徐向麗

鄂爾多斯職業學院（鄂爾多斯 017010）

隨著國家經濟不斷發展，冷鏈物流[1-3]在食品運輸領域扮演著越來越重要的角色，因此必須加強冷鏈物流的食品質量監控，保證食品營養價值和商業價值。業內普遍使用的一類方法是通過電子鼻測定食物各類指標以達到食品監測目的。應曉國等[4]使用電子鼻檢測277 K溫度下梅童魚的新鮮度，并建立起預測模型，預測準確度可達95%以上。萬賜暉等[5]將人工神經網絡算法與電子鼻系統結合，分析電子鼻在食品檢測中的應用，研究表明電子鼻在食物質量監測中具有響應速度快、檢測時間短等優點。因此，以肉類為研究對象，將電子鼻應用于冷鏈物流的在線動態監控，利用無線設備將冷鏈物流的品質信息實時發送至數據中心，實現肉類食品在冷鏈運輸過程中的全程質量監測。

1 電子鼻系統總體設計

電子鼻系統主要針對冷鏈物流中的運輸車輛設計，用于運輸過程中肉類品質的實時檢測。電子鼻檢測結果通過GPRS/SIM模塊發送到遠程數據中心，進一步進行遠程數據分析處理。電子鼻系統結構示意圖如圖1所示。肉類品質檢測通過氣敏傳感器陣列測量，經過電路轉換，利用輸出電壓值計算得出相關氣體濃度。

圖1 電子鼻系統結構示意圖

1.1 檢測氣室結構及設計

氣敏傳感器工作溫度200～300 ℃，氣敏傳感器在啟動之后，驟然通入運輸車冷倉內空氣，將嚴重影響氣敏傳感器工作性能[6-8]，導致較大測量偏差。專門設計檢測氣室，將冷鏈物流的運輸車冷倉空氣迅速加熱到預定溫度，利用氣敏傳感器檢測。檢測氣室的安裝位置如圖2（a）所示，安裝在冷倉上方。檢測氣室內部結構如圖2（b）所示。檢測氣室利用加熱裝置將進氣口流入的空氣加熱到預定溫度，整個過程由溫度傳感器將溫度實時上傳給控制器，控制器自動調節加熱裝置完成。控制器打開進氣閥將氣體吸入，并啟動保溫裝置，氣敏傳感器進行成分分析，檢測完成后控制器打開排氣閥將氣體排出，準備下一次檢測。食品檢測氣室工作流程如圖3所示。該結構設計通過隔離，有效避免低溫對氣敏傳感器陣列的不良影響，可保證氣體檢測的準確度。肉類在運輸過程中，伴隨著不確定因素，因此將檢測周期設置為1 h。

圖2 檢測氣室安裝位置與內部構造

1.2 氣敏傳感器選擇

肉類在冷鏈運輸過程中，在微生物和酶的共同作用下，相關成分會在化學作用下逐漸發生分解，進而產生各類氣體。肉類的分解內容主要有3類[9-10]。

1) 脂肪分解為脂肪酸類，進一步分解為醛酸類和醛類氣體，產生肉類臭氣。

2) 蛋白質分解為胺類，進一步分解為氨、硫化氫、乙硫醇等。

3) 碳水化合物分解成醛類、酮類、醇類和羧酸類氣體等。

選擇MQ135、MQ138、TGS822、MS1100這4種傳感器，用于檢測肉類品質變化過程中產生的氣體。MQ135主要用于檢測氨氣、苯系物、硫化物等氣體；MQ138主要用于檢測醇類、醛類、酮類等氣體；TGS822主要用于檢測酒精；MS1100主要用于檢測甲醛、苯化物等氣體。傳感器及對應敏感氣體如表1所示，在氣體檢測過程中4種傳感器組成傳感器陣列使用。

圖3 食品檢測氣室工作流程

表1 傳感器及對應敏感氣體

1.3 檢測電路

為保證測量的準確性和系統的靈敏度，傳感器檢測電路由惠斯登電橋和運算放大器OPA2333共同組成，它們可有效抑制基線偏移引起的誤差。電子鼻傳感器電路結構如圖4所示。

圖4 電子鼻傳感器檢測電路

觀察圖4可得，通過調節電阻R1，可在Vout中有效濾除分壓引起的基線電壓，增加電子鼻系統的檢測范圍，確保系統的檢測準確度。當R1=0，Vout、V1、Vs的數學關系為：

式中：V1為R1的輸入電壓，Vs為傳感器的輸入電壓，Rs為傳感器電阻值。

Rs與氣體濃度C之間的關系為：

式中：A與α為常數，由各氣體自身特性決定。利用式（1）和（2），可根據輸出電壓計算得出對應氣體濃度。

2 軟件設計

遠程數據中心接收到冷鏈物流運輸車通過GPRS/SIM模塊發送的傳感器檢測信息之后，對其進行存儲、分析、判斷、顯示。電子鼻系統和遠程數據中心的通信程序使用VC++編寫，利用PCA和LDA算法對肉類品質進行分析。檢測氣室默認設定每1 h自動發送1次數據到遠程數據中心，遠程數據中心也可根據運輸肉類改變檢測間隔時長，或根據需要發送指令立刻檢測。

3 系統測試

為驗證系統的可靠性和準確性，測試電子鼻系統的檢測性能和通信性能。

3.1 系統檢測性能

購買100 g新鮮豬肉進行試驗，使用小型冷倉并放置在室內，將檢測間隔設置為8 h，記錄4 d的檢測數據，圖5為電子鼻的峰值響應記錄。對照豬肉的實際情況，在前56 h，豬肉保持在新鮮狀態；56～72 h豬肉進入次新鮮狀態，色澤變暗，手指按壓后不能迅速恢復，彈性變差且有較輕微氨味，72 h以后豬肉肉質迅速變差，轉為嚴重腐敗。電子鼻檢測結果與人現場識別結果保持一致。

圖5 電子鼻系統峰值響應

3.2 系統通信性能

傳感器陣列檢測數據長度為48 B，每次發送100組，將冷鏈物流運輸車分別行駛至離遠程數據中心10～100 km的地點，丟包率結果如表2所示。除了40 km位置，其他位置的丟包率基本為0。40 km位置位于樹林濃密地區，收發信號較弱。遠程中心通過指令可以設置丟包信號再次發送，最終實現所有數據接收。經過再次測試，所有數據包均能完整收到。

表2 電子鼻系統丟包率

4 結論

融合電子鼻系統和GPRS/SIM模塊，設計用于冷鏈物流肉類品質在線檢測的電子鼻系統，其檢測性能和通信性能均可滿足冷鏈物流相關要求，為冷鏈物流的肉類食品實時狀態監控提供一種新途徑。系統可將冷鏈物流車的肉類品質信息傳遞至遠程數據中心，檢測頻率可根據遠程數據中心需求動態調節。系統雖然針對肉類設計，但通過更換傳感器組成新的傳感器陣列，調整電路后同樣可用于蔬菜、水果等食品的檢測，是一種擴展性較強的硬件系統。