氣味掃描儀在食品質量檢測中的應用

◎ 汪惠珍

（黃山市產品質量檢驗研究院，安徽 黃山 245000）

在日常生活中，人類的鼻子是一個有用的分析器官，能夠在消費前評估食品質量和識別環境中潛在的有害氣體。據報道，人類的鼻子有大約400個氣味感受器，可以探測到至少1萬億種氣味[1]。感官評價作為一種常見的食品質量評價方式，在生活及生產中應用廣泛。雖然人類的鼻子可以對氣味進行評估，但判斷有偏差，且人類的鼻子不能用來感知有毒氣體，對不同的氣體也有檢測極限。這些局限性使得人類的鼻子無法成為所有與嗅覺有關的辨別和分類的通用工具。

由于安全和衛生方面的考慮及食品供應鏈中的食品摻假問題，對食品產品進行快速、準確的質量檢驗的需求逐漸增加。有研究表明，香氣和產品質量之間有很大的關系，因此開發模擬人類鼻子應用的嗅覺指示器可成為一種有效檢測產品質量的方式[2]。氣味掃描儀是一種模擬動物嗅覺器官開發的一種高科技產品，由氣體傳感器、信號預處理和模式識別3個部分組成，用來模仿人類的鼻子[3]。這種傳感器陣列通常可以實現快速傳感，且與氣相色譜-質譜聯用儀、激光散射分析儀、高效液相色譜儀等標準分析設備相比，價格偏低，在確定食品質量相關屬性方面已經有廣泛的應用，如感官屬性、微生物屬性和加工質量[4]。例如，LI等[5]采用便攜式氣味掃描儀檢測系統，對魚粉新鮮度的表征指標AV和TVB-N進行了檢測，結果表明利用氣味掃描儀檢測魚粉的新鮮度是一種很有前途的方法，可以實現新鮮度的定量分析。MOTA等[6]闡述了基于傳感器的氣味掃描儀系統不僅可以篩選真菌的不同屬，還可以識別真菌的伴生種，有望作為一種真菌毒素篩選工具應用于食品工業中。

目前，氣味掃描儀在食品質量檢測中的應用受到了廣泛的關注，具有良好的市場應用前景。本文介紹了氣味掃描儀工作原理、基本結構組成及目前氣味掃描儀在常見食品質量檢測過程的應用，并討論了氣味掃描儀未來的發展趨勢、局限性和實現方向，以期為氣味掃描儀在食品行業中的應用提供參考。

1 氣味掃描儀技術概述

1.1 氣味掃描儀工作原理

氣味掃描儀技術的基本原理是模擬動物的嗅覺，通過氣體傳感器陣列來檢測和識別復雜的揮發性氣體，再通過信號轉化器傳輸給計算機進行數據處理分析，傳感器對樣品中的不同氣體成分會產生不同的響應信號，以此來實現對樣品的檢測[7]。

揮發性有機化合物的檢測在評估食品腐敗方面發揮著重要作用，氣味掃描儀是傳統方法經過改進而得到的，其主要是利用揮發性分子與氣體傳感器的傳感材料發生反應，導致電學相關特性發生不可逆的變化。氣味掃描儀能識別香氣揮發性化合物的差異，并根據香氣模式對食品品種進行分類。

在過去的十年中，氣味掃描儀因其具有環境友好和成本低等優點，朝著改善當前發展狀況的方向迅速發展。目前的氣味掃描儀主要集中在經濟、便攜、可實時使用的設備開發上，將氣味掃描儀的檢測應用于某一類符合標準和規范的食品[8]。氣味掃描儀的出現為農業和食品產品的無損質量評估提供了一種新的選擇，可用于評估與產品物理化學性質相關的氣體組成[9]，在監測氣味相關食品加工方面有廣泛的應用[10]。

1.2 氣味掃描儀組成結構

在過去的幾十年里，氣味掃描儀的革命已經在傳感器類型的范圍和更復雜的化學傳感器陣列上取得了進展。傳感器探測器通常由不同類型的材料制成，如金屬氧化物或導電聚合物，當暴露于揮發性化合物時，它們會經歷電阻和靈敏度的變化。如圖1所示，氣味掃描儀結構包括3個部分，具體為樣品處理系統、檢測系統和數據處理系統。氣味掃描儀的基本組件包括氣體化合物和選定的涂層物質之間的交換，涂層物質控制通過傳感器傳輸的電流，然后由信號處理系統將模擬信號轉換為數字信號，最后由計算機對輸出結果進行分析和識別。

圖1 氣味掃描儀結構示意圖

氣味掃描儀的核心器件是氣體傳感器。多種氣味掃描儀可用于農業產品的分析，由于涉及響應變量和輸出數據的配置機制的改變，每種傳感器都有自己的優點和缺點。根據傳感材料的不同，氣體傳感器可以分為導電聚合物（CP）、金屬氧化物半導體（MOS）、石英晶體微天平（QCM）和表面聲波（SAW）傳感器，見表1。目標氣體與傳感材料發生反應會產生可逆的電性能[11]。

表1 不同類型氣體傳感器表

2 在食品質量評價中的應用

2.1 食品成熟度分級

在不同的生長階段，果蔬等農作物的化學成分含量、氣味等均會出現不同程度的差異。果實的成熟度、貯藏條件和腐爛程度等因素都會影響果實氣味。GóMEZ等[12]提出了使用氣味掃描儀來區分番茄的成熟度水平。揮發性化合物數據的線性判別分析表明，該技術可以成功地在各個成熟度級別上區分出幾乎100%正確的分類樣品。可以得出結論，氣味掃描儀在判斷化合物揮發性分布中有很好的效果，這可以用于進一步的研究，以確定傳感器的靈敏度。ASIKIN等[13]在文獻中報道了氣味掃描儀用于監測狗果和臭豆果實揮發性化合物的成熟變化。揮發性物質的組成特征表明，成熟程度對揮發性物質有一定的影響，主要是醇類和硫類物質。因此，氣味掃描儀不僅可以提供基于離子質量的分類，還可以用于不同成熟階段的快速氣味監測。

2.2 食品新鮮度檢測

食品或食品原材料腐敗變質時會產生大量揮發性氣體，氣味掃描儀可通過氣體傳感器實現對食品新鮮度檢測。閆子茹等[14]利用氣味掃描儀研究香梨腐爛程度，研究表明貯藏期間，香梨中揮發性物質如氮氧化合物、甲烷、硫化物和萜烯類、醇類和部分芳香族化合物釋放量逐漸增加，這主要是因為果實腐爛使硫化物和萜烯類、甲烷、氮氧化合物揮發性物質進一步積累釋放。SEMEANO等[15]開發了一種與凝膠材料相結合的氣味掃描儀來監測羅非魚的腐敗情況。由于魚類易受微生物污染，因此將氣味掃描儀的光信號與細菌生長情況相關聯，可以評估魚類的新鮮度。VAJDI等[16]利用冷庫下的氣味掃描儀識別了魚類揮發物，通過采用總活菌數和總揮發性堿氮評價方法對3種魚類樣品（新鮮、半新鮮和變質的魚）進行了品質評價。結果表明，采用多層感知器神經網絡對魚類病害進行建模，分類準確率達97%，因此氣味掃描儀可成功用于魚類病害的診斷。MAHDI等[17]利用氣味掃描儀對肉類和魚類產品進行了大量的腐敗檢測工作，發現腐敗肉類揮發性化合物產生的化學反應與氣體傳感器結果間具有重要關聯，這種測量原理是肉制品腐敗檢測的基礎。

2.3 食品摻假檢測

氣味掃描儀已廣泛應用于油脂的質量分析。WEI等[18]利用氣味掃描儀檢測牡丹籽油摻假情況，結果表明牡丹籽油中含有高含量的a-亞麻酸可用于區分純牡丹籽油和摻假牡丹籽油。殷志康等[19]利用氣味掃描儀對摻入不同比例餐廚廢棄油脂的花生油進行檢測，建立氣味掃描儀的響應值與餐廚廢棄油脂摻入比例之間的數學模型，利用主成分分析和線性判別分析對純花生油與摻入餐廚廢棄油脂的花生油實進行鑒別。研究表明，利用氣味掃描儀能夠有效判斷花生油中餐廚廢棄油脂摻假情況。MAMAT等[20]開發了混合儀器（包括一個氣味掃描儀和機器視覺系統）以分類4種類型的牛奶（原始鮮奶、巧克力鮮奶、豆奶和培養牛奶），結果發現采用支持向量機識別工具對不同類型的牛奶進行識別，其分類準確率達96.6%。

2.4 病原微生物污染檢測

氣味掃描儀在食品質量鑒定和檢測食品和農產品中的食源性病原體方面有重要的作用。食物致病菌會造成重大經濟損失，利用氣味掃描儀技術妥善處理食品可以提高食品安全和質量。

MAKARICHIAN等[21]開發了一種用于檢測谷物中霉菌毒素污染的氣味掃描儀系統。根據赭曲霉毒素A和脫氧雪腐鐮刀菌烯醇的含量，對正常氣味和異味大麥樣品進行了評價。結果表明，赭曲霉毒素A水平低于5 μg·kg-1的樣品中醇和醛的濃度更高，脫氧雪腐鐮刀菌烯醇水平與戊烷、甲基吡嗪、3-戊酮、3-辛烯-2-醇和異辛酯呈顯著正相關。因此，氣味掃描儀可以用于預測谷物真菌毒素。ALIREZA[22]研究了利用氣味掃描儀對大蒜綜合感染的真菌進行了早期無損、快速檢測，采用統計分析對氣味掃描儀獲得的香氣特征進行評價。結果表明，在有感染的情況下降解發生得更快。由于每種侵染的破壞效果不同，各傳感器對不同侵染處理香氣的響應變化也不相同。因此，氣味掃描儀在早期檢測大蒜的真菌感染中可以作為一種實用和有益的工具。

3 結語

氣味掃描儀作為一種新型綠色的工業設備，被用于食品工業領域以確保食品安全。氣味掃描儀是一種比較簡單的傳感設備，可用于識別、低成本生產和便攜式工作。在氣味掃描儀的基礎上，對不同香氣揮發性化合物進行數據細化，可獲得更好的識別性能和數據聚類。隨著傳感器陣列的性能和模式識別算法的進步，氣味掃描儀已經成為各種食品和農產品質量評價的有效氣體傳感工具。然而，氣味掃描儀仍然存在無法識別氣體氣味中的單個化學物質以及與感官刺激相關的濕度和溫度的不利影響的問題，因此急需研究者們解決。盡管氣味掃描儀可能不會完全取代傳統的分析設備，但其為食品行業發展提供了快速實時的檢測技術，在食品質量檢測中具有良好的發展前景。