電子鼻在食品安全中的應用及發展趨勢

曲愛玲，馬長路

北京農業職業學院（北京 102442）

食品安全關系人民群眾身體健康和生命安全，關系中華民族未來。食品安全戰略是決勝全面建成小康社會、全面建設社會主義現代化國家的重大任務。我國食品存在微生物和重金屬污染、農藥獸藥殘留超標、添加劑使用不規范、制假售假、環境污染對食品安全影響等問題。人民日益增長的美好生活需要對加強食品安全工作提出新的更高要求，進一步加強食品安全工作，確保人民群眾“舌尖上的安全”是健康中國戰略的首要任務[1]。隨著傳感器技術及模式識別技術的不斷發展和成熟，模仿人類嗅覺的電子鼻智能感官儀器在食品安全檢測領域應用逐漸普及并深入。

1 電子鼻

人類的鼻子約有400個氣味受體，至少能夠檢測到1萬億種氣味[2]。人類的鼻子可評估和識別食品質量和環境中潛在危險氣體，但人類的鼻子對不同的氣體有檢測極限，且有毒氣體危害人類健康安全。電子鼻的出現，完美地繼承并超越了人類鼻子的功能。

1.1 電子鼻定義

電子鼻是一種模擬人類嗅覺功能的氣體傳感器陣列檢測系統，對檢測對象特定揮發性成分或氣體提供氣味指紋圖譜，通過模式識別做定性或定量的分析、識別和檢測，實現品質評價[3]，其具有廣譜響應性、交叉敏感等特點。電子鼻和人類嗅覺識別氣味對比如圖1所示[4]。

圖1 電子鼻與人類嗅覺識別氣味對比

1.2 電子鼻組成及工作原理

氣體傳感器陣列、信號處理單元及模式識別單元是電子鼻三大核心組成部分。氣體傳感器陣列是電子鼻模擬人類嗅覺的多重感知器件，陣列中的每個傳感器對被測氣體有不同的靈敏度，具有感知特定多種氣體的功能；氣體傳感器陣列采集的氣體信號通過轉換電路轉換成數字信號，由信號處理單元提取信號特征；模式識別單元主要通過統計模式識別和人工神經網絡模式識別方法對提取的信號進行快速統計與分析，與數據庫中存儲信息對比完成檢測氣體的定量定性識別，輸出氣體文本或可視化的“指紋”信息等，為氣味監測、鑒別、判斷和分析提供科學依據[5-7]。

電子鼻系統原理如圖2所示[8]。

圖2 電子鼻系統原理

1.3 電子鼻中常用氣體傳感器

電子鼻中常用的氣體傳感器類型、傳感材料、測量原理如圖3所示。金屬氧化物傳感器具有成本低、適用范圍寬的優勢，其在電子鼻系統中應用最廣泛；導電聚合物傳感器不同的材料分別對不同的氣體呈特定響應，工作無需加熱，應用有自身優勢；場效應管傳感器質量穩定，但存在基準值漂移；光纖傳感器有很強的抗噪能力和極高的靈敏度，但其高成本，短壽命。此外，電化學傳感器、紅外傳感器、質量傳感器等在電子鼻中也有應用[9-10]。

圖3 電子鼻中常用的氣體傳感器

1.4 電子鼻中常用的模式識別

電子鼻中常用的模式識別有統計模式識別和人工神經網絡模式識別，常用的算法如圖4所示。統計模式識別算法模型相對簡單，無需訓練，但抗干擾能力較差；人工神經網絡識別算法訓練時長間，但抗干擾能力較強。模式識別算法向運算速度快、易于訓練、存儲空間小、精度高、抗干擾能力強和具有不確定性估計等方向發展[11-12]。

圖4 模式識別常用算法

1.5 常用電子鼻產品

電子鼻產品以國外產品居多，國內使用較多的電子鼻產品型號和生產商如表1所示[13]。

表1 電子鼻產品信息

2 電子鼻在食品安全中的應用

食品按營養特點主要分為五大類。第一類谷薯類，即主食，主要提供能量、碳水化合物，及小部分膳食纖維；第二類蔬果類，即蔬菜和水果，主要提供維生素、礦物質（鈣、鐵、鋅等），及水溶性的膳食纖維；第三類大豆類，即大豆及其制品，提供蛋白質、脂肪、碳水化合物；第四類動物性食物，包括魚、肉、蛋、奶及其制品，主要提供優質的蛋白質和能量；第五類純能量食物，包括烹調油、糖果、堅果、酒等，雖提供能量，但營養相對少一些[14]。電子鼻在五大類食品質量安全檢測中，均有廣泛的應用。

2.1 谷薯類

電子鼻在谷薯類即糧食類食品質量安全檢測中主要應用在蟲害、霉變、品種、儲藏年限4個方面。

2.1.1 蟲害

糧食存儲蟲害會使糧食受到污染、影響品質，造成糧食總儲存量減少，使經濟產生損失[15]。糧食在存儲過程中，自身新陳代謝產物會進行釋放，若產生蟲害，則會釋放特殊的揮發物，電子鼻可以檢測揮發物質的樣本指紋信息，進行蟲害識別[16]。文獻研究表明，利用自制電子鼻系統，結合PCA和LDA分析法，可以根據受侵害的時間對受蟲害的稻谷、小麥和玉米進行很好的分類[17]。

2.1.2 霉變

糧食霉變會使營養物質流失，產生的霉菌毒素威脅人類健康。糧食霉變是微小細菌大量的繁殖和代謝活動引起，會產生揮發性氣味，電子鼻通過對氣味信息提取和分析，可判斷糧食霉變的程度和階段[18]。文獻研究表明，利用FOX3000型電子鼻，結合PCA分析法，可以較好地區別不同霉變狀態的小麥[19]；利用自制電子鼻，結合多特征融合技術可有效鑒別玉米霉變程度[20]。

2.1.3 品種

糧食品種不同，品質不同。電子鼻技術在檢測糧食不同產地、不同品種等方面進行了大量應用。文獻研究表明，利用PEN3電子鼻，結合BP神經網絡可以區分6種不同稻谷品種，常規稻與雜交稻[21]。利用PEN3型電子鼻，結合PCA分析法，對我國10個省份47個小麥樣品的揮發性物質進行檢測，可以區分不同用途小麥、不同產地的小麥和同一產地不同品種的小麥[22]。

2.1.4 儲藏年限

糧食儲藏時間過長，霉菌毒素超標會造成品質下降、口感變差，發生變質或陳化。文獻研究表明，利用PEN2型電子鼻，通過優化電子鼻傳感器陣列，采用3層BP神經網絡，可以快速、準確地區別小麥儲藏年限[23]。利用PEN2型電子鼻，結合PCA分析法，也可以將不同儲藏年限的小麥較好地進行區分[24]。

2.2 蔬果類

蔬果香味因自身所含的芳香物質不同而不同，且每種蔬果在自身的生命周期內香氣值也會不斷變化，蔬果的成熟度、新鮮度、貯藏時間長短可通過其揮發香氣進行反映。大量文獻研究表明，利用不同電子鼻產品，結合多種模式識別技術，可對塊菌、紅皮洋蔥、馬鈴薯、南瓜、線椒、番茄、蘋果、梨、桃、獼猴桃、菠蘿等多種蔬果進行農藥殘留檢測、病害探測、品種區分、品質鑒定、成熟度判別和貨架期預測。電子鼻在蔬果中的應用可實現蔬果品質的無損檢測，利于蔬果市場的綠色、健康和安全流通[25-31]。

2.3 大豆類

大豆是我國主要糧食作物，其富含蛋白質、碳水化合物等成分，具有較高的營養價值，可以加工生產成豆粉類、豆漿類、豆腐類、豆干類、臭豆腐類、發酵類等多種制品。文獻研究表明，利用PEN3型電子鼻，結合BP神經網絡，能夠實現種子生活力快速、無損檢測[32]；利用自主研發電子鼻，結合隨機共振方法，提取豆類樣品的霉變特征，可以得到很好地區分不同儲存時間豆類樣品[33]；利用iNOSE型電子鼻，結合PCA分析法，能夠很好地區分不同蒸煮條件毛霉型豆豉，提高毛霉型豆豉品質評審的客觀性[34]；利用FOX4000型電子鼻，結合PCA和CA模式識別方法，對不同干燥方式郫縣豆瓣樣品風味分析，得出未干燥的郫縣豆瓣與冷凍干燥的樣品在風味上最為相似，冷凍干燥對樣品風味物質影響最小[35]；利用ISENSO SmartNose型電子鼻，結合PCA分析法，能夠較好地區分發酵成熟鹵水和豆腐浸泡鹵水的揮發性成分及活性風味物質[36]；利用PEN3型電子鼻，結合PCA、CA、PLS模式識別方法，可分析出大豆油在煎炸過程中產生的物質，可實現大豆油煎炸過程中的質量監控[37]；利用iNose電子鼻，結合BP神經網絡，可快速判別豆干真偽品牌，為食品溯源提供支撐[38]。

2.4 動物性食物

動物性食物富含蛋白質，其新鮮度、品種和是否摻假，是消費者關注的熱點。

2.4.1 新鮮度檢測

文獻研究表明，利用自制電子鼻，結合SVM算法，對牛肉新鮮度識別的準確率達99.25%[39]；利用中國農業大學研制的E-Nose-1000型電子鼻系統，結合Bayes判別方法，可以有效地鑒別牛奶新鮮度[40]；利用浙江工商大學食品安全傳感技術實驗室研制電子鼻系統，結合非線性隨機共振方法，可以實現雞肉鮮度的檢測，檢測率達94%[41]；利用FOX4000型電子鼻，結合PCA和判別因子分析（DFA）分析法，可將0 ℃和10 ℃貯藏溫度和貯藏時間的雞肉進行區分[42]；利用自主研發的電子鼻系統，結合SVM分析法，可以實現三文魚新鮮度的智能檢測與辨識[43]。

2.4.2 品種區分

利用FOX4000電子鼻，結合PCA和DFA分析法，能夠有效區分牦牛、普通牛及豬等不同的肉類，且能夠識別不同部位的牦牛肉和牛肉[44]；利用PEN3電子鼻，結合LDA分析法，可以快速檢測辨別坨坨豬肉中揮發性成分差異，即能區別不同廠家生產的坨坨豬肉[45]；利用PEN3型電子鼻，結合PCA分析法，可以檢測不同貝類氣味的差異程度，區別貝類的品種[46]。

2.4.3 摻假檢測

肉類摻假是食品安全隱患，易引發食品安全事件，電子鼻技術可以檢測肉類參假。文獻研究表明，利用PEN2型電子鼻，結合MLR、PLS和BP神經網絡分析，均能準確識別羊肉中摻入的豬肉[47]；利用PEN3型電子鼻，結合PCA和PLS分析法，可實現駝乳摻假牛乳有效判別，最低檢測濃度為1%[48]；利用PEN3型電子鼻，結合PCA和LDA分析法，均能夠區分原料奶和巴氏殺菌奶中羊奶混入不同比例的牛奶[49]；利用FOX4000電子鼻，結合DFA、PLS、質量控制分析法，均能對牛乳中摻入脂肪進行定性的判別和定量的預測[50]；利用PEN3電子鼻，結合PCA和LDA分析，能夠對不同類別的蛋白質摻假物質進行定性分析，結合線性回歸分析、FDA和KNN分析，能夠對不同類別的蛋白質摻假物質進行定量分析[51]。

文獻研究表明，電子鼻在動物性食物新鮮度、品種區別及摻假等方面應用具有較好的準確度和可行性。

2.5 純能量食物

純能量食物可為人體提供能量和必需的脂肪酸，是人類飲食結構中不可缺少的組成部分。文獻研究表明，電子鼻在純能量食物品種區分、年限、風味識別等方面應用較多。HS-SPME-GC-MS結合PEN3型電子鼻，通過PCA與LDA分析法，能對10種品系紅松籽油揮發性物質進行準確區別和分類[52]；利用PEN3型電子鼻，結合LDA分析法，能區別不同壓榨溫度下奇亞籽油的揮發性風味，并能將60 ℃與其他溫度下壓榨的奇亞籽油進行較好區分[53]；利用PEN3型電子鼻和氣質聯用儀，結合PCA分析法，可有效、全面地分析不同牡丹籽油產品的香氣差異，實現對不同牡丹籽油產品的區分[54]；使用電子鼻技術與聚苯胺氣體傳感器陣列，可有效地鑒別添加不同濃度橙色精油黑巧克力的儲藏時間[55]；利用PEN3型電子鼻，結合LDA識別方法，可以區分不同品牌和不同等級的紅糖[56]；利用PEN3型電子鼻，結合LDA與PCA分析法，均可以對5種不同酒齡醬香型白酒進行有效區分，通過CA分析法，可以對不同酒齡醬香型白酒揮發性氣味進行歸類[57]；利用PEN3型電子鼻，結合LDA分析法，可以完全區分不同方式干燥的澳洲堅果仁，分析不同干燥方法對澳洲堅果風味物質的影響[58]。

3 電子鼻發展趨勢

3.1 開發新型氣體傳感器

開發多功能、新材料、無漂移、抗環境干擾的新型氣體傳感器。生物技術、納米技術和基因工程的快速發展，使開發高精度、高選擇性和高靈敏度的新型氣體傳感器成為可能，該新型氣體傳感器應具備識別多種單一氣體、多種混合氣體，且能識別氣體的濃度的性能；采用新型半導體、陶瓷、高分子及納米等對環境變化不敏感的傳感材料，采用薄膜工藝降低敏感材料加熱所需的能量，提高電子鼻工作可靠無漂移和能量消耗[59]。

3.2 多技術融合

傳感器技術、模式識別、模糊理論、人工神經網絡、光譜技術、計算機視覺和人工智能等技術交叉融合，是電子鼻技術發展的必然趨勢。多技術融合和電子鼻與其他分析儀器的融合應用，使電子鼻檢測信息互補，進一步提高電子鼻檢測的精度和可靠性[59-61]。

3.3 多模式識別算法優化

單一的電子鼻模式識別難以獲得精確的模型，可將模糊理論、人工神經網絡和遺傳算法等結合，對改進算法模式進行優化，即元啟發式優化算法，此算法具有解決大規模復雜問題和非線性優化問題的能力，可進一步提高電子鼻的性能[59-61]。

3.4 云端共享模型庫

大數據技術和區塊鏈技術的發展，使信息共享成為必然趨勢。電子鼻檢測特定物質的精確模型，可以實現云端共享，復雜檢測數據的分析和處理可由云端服務器完成，使電子鼻檢測更快速、更便捷。

3.5 小型化、便攜化

傳感器技術、微電子技術、計算機技術、仿生材料和新型制造工藝的發展，使電子鼻向集成化、小型化、便攜化方向發展[26-28,59-61]。

4 結語

電子鼻是一種無接觸的綠色檢測技術，研究文獻表明，電子鼻在食品安全領域的應用效果顯著。但電子鼻產品存在氣體傳感器陣列識別氣味限定、獲取信號存在干擾、不同物質對不同模式識別算法敏感度不同、模型不通用等諸多問題需要解決。隨著傳感器技術、模式識別、模糊理論、人工神經網絡、光譜技術、計算機視覺和人工智能等技術的發展與日益成熟，電子鼻產品的智能性與通用性會穩步提升，應用領域會更廣泛。