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1電子鼻系統評判農產品品質等級

1.1電子鼻系統評價農產品新鮮度和預測貨架期

當肉類、水產品、果蔬隨著貯藏時間的延長和新鮮度下降或在腐敗過程中，其揮發性成分將發生明顯變化，氣味也與新鮮時的品質有著顯著差別，采用基于氣敏傳感器陣列的電子鼻系統對農產品的新鮮度進行檢測，可以獲得農產品的氣味指紋圖譜數據，通過不同的模式識別可以判定其新鮮度。通過建立電子鼻的響應信號與品質指標的相關性，對所獲得的傳感器陣列數據進行特征提取，通過各種化學計量學(如主成分分析、線性判別、最小偏二乘回歸分析等)方法進行建模歸類和模式識別，不同模式識別方法對未知樣品的貨架期和品質分類的回判正確率不同，但許多研究表明電子鼻可用于農產品品質和貨架期的快速評估。國內外學者將電子鼻應用于畜禽肉、水產品、牛乳、果蔬、谷物、酒類等[1]的品質等級和貨架期預測進行了研究；綜合已有的研究結果，必須建立電子鼻傳感器響應值與有效的農產品品質指標(如貯藏時間、理化指標、微生物數量等)良好的相關性，才能通過識別電子鼻響應信號來預測農產品的新鮮度和貨架期。

1.2電子鼻系統評價果蔬成熟度

果蔬通過呼吸作用進行新陳代謝而不斷成熟，不同成熟階段散發的氣味有所不同，通過電子鼻對其氣味進行采集和分析可以無損評價其成熟度。如通過堅實度指標對番茄成熟度進行劃分后，采用電子鼻和主成分分析可以準確區分番茄的半熟期、成熟期和完熟期；類似地，通過電子鼻和線性判別分析可以無損判定不同時間采摘的柑橘[2]。采用電子鼻系統對不同品種資源和成熟度的甜瓜進行分析測定，研究表明：主成分分析方法可以100%區分和判定不同成熟度的甜瓜。采用32個導電高分子傳感器陣列的電子鼻系統和非線性掃描軟件進行分析，可以區分3種不同成熟度的日本“LaFrance”梨，而且與GC-MS等化學分析結果具有強相關性[3]。采用電子鼻測定桃子、油桃、蘋果、梨的傳感器信號，結果表明傳感器信號與品質評價指標具有良好的相關性，能夠明顯地區分不同水果的成熟度，采用主成分分析可以測量其貯藏時間[4]。

2電子鼻系統監控加工過程農產品質量

2.1電子鼻系統實時監測農產品加工過程的品質變化

目前，農產品加工過程的質量控制主要依賴于人力，具有很強的主觀性和不確定性，同時專業技術要求高，使其品質監控難度加大。基于電子鼻客觀、靈敏、快速的分析特點，可使用其監測農產品加工工序環節是否出現異常氣味。如采用電子鼻系統在線實時監測肉制品加工過程的揮發性氣體成分的變化，并同時對加工環境進行監測，綜合評價和預測肉品的質量；同樣在豬肉加工過程中，通過電子鼻監測豬肉冷加工或熱加工中的氣味變化，跟蹤肉中微生物的腐敗產物、脂肪氧化產物等與品質密切相關的氣味指標，可跟蹤肉制品的品質變化，從而達到實時監管豬肉加工過程[5]。電子鼻系統能識別巴氏殺菌乳和超高溫瞬時殺菌乳，并通過跟蹤牛乳酸敗過程的傳感器響應值，采用主成分分析可以判定其品質的優劣及酸敗進程[6]。采用電子鼻監測初榨橄欖油中關鍵揮發性物質的變化規律，優化橄欖攪拌工序的時間[7]。采用電子鼻監測葡萄酒生產過程的脫水工序，通過監測脫水過程中揮發性厭氧代謝產物的變化，確保脫水工序的合理性[8]。另外，電子鼻判定谷物在存儲過程中是否發生霉變也起到很好的作用。

2.2電子鼻鑒別農產品加工過程的微生物種類及數量

在農產品中微生物的種類和負載量不同，其代謝產物所產生的揮發性氣味產物濃度也有差異，因此有研究采用電子鼻鑒別和監測腐敗微生物和病原微生物的生長情況。如利用電子鼻分析冷藏牛肉和羊肉的腐敗過程，建立電子鼻響應值信號與菌落總數的對應關系，通過傳感器響應信號預測菌落總數的數量[9]；電子鼻在區分不同溫度下豬肉排骨菌落總數的數量也具有很好的評判效果。把傷寒沙門氏菌接種到牛肉中，通過電子鼻監測已接種牛肉貯藏過程中氣味的變化，進而通過傳感器信號預測沙門氏菌的數量[10]。除了區分微生物的數量以外，通過電子鼻系統還能有效區分微生物的種類。研究表明：結合SPME-GC-MS檢測的揮發性成分，電子鼻可以明顯區分從豬肉分離得出的3株假單胞菌。采用電子鼻系統檢測體外培養基培養的厭氧病原菌(包括14株梭狀芽孢桿菌和12株脆弱擬桿菌)的氣味，結果表明：通過主成分分析、遺傳算法和神經網絡可以將8種未知的厭氧菌正確地鑒別[11]。另外，通過電子鼻系統動態監測葡萄酒的芳香成分，利用主成分分析和線性判別可以較好地區分不同釀酒酵母對應的葡萄酒試樣，并且能夠較好地預測葡萄酒香氣的大致種類和濃度。

2.3電子鼻系統鑒別農產品的真偽與摻假

電子鼻在鑒別農產品摻假中起到重要作用，如摻假牛乳，即對添加不同比例的乳粉、外來脂肪、水分等進行檢測，通過主成分分析和線性判別等模式識別，均能有效區分摻假牛乳和正常牛乳[12]。用電子鼻檢測在山茶油、芝麻油中摻假大豆油，結果表明，3種油脂的傳感器響應有顯著差異；通過線性判別分析方法，電子鼻不僅可以很好地區分不同種類的油脂，還可以區分混入與未混入大豆油的山茶油或芝麻油，通過BP神經網絡可以大體預測芝麻油與大豆油的混合比例，但不能精確預測[13]。類似的，采用電子鼻監測摻假和不摻假橄欖油的氣味，通過電子鼻系統結合線性判別分析、二次判別分析和人工神經網絡算法可以很好地區分摻假和不摻假橄欖油，雖然不能識別出摻假所使用油的類型，但可以量化摻假油的比例[14]。在肉制品原產地域保護的鑒別方面，電子鼻可以識別如皋火腿、宣威火腿、金華火腿等不同產地的干腌火腿，也可以有效區分完全公豬、手術去勢和免疫去勢公豬的氣味。

3電子鼻系統監控室內環境空氣

電子鼻系統在監測環境空氣方面也有一些報道。利用電子鼻檢測室內空氣中微生物的揮發性成分，進而指示真菌含量，也可以測定圖書館藏書的真菌污染[15]。采用6只不同摻雜的納米ZnO氣體傳感器組成的電子鼻實現了空氣中極低濃度(10-6體積分數)的乙醇、丙酮、苯的定量分析，其中基于非線性函數映射的人工神經網絡算法具有最佳定量精度[16]。采用電子鼻系統監測微生物發酵床豬舍環境氣味，結合相色譜-質譜聯用技術檢測發酵床墊料揮發性物質的變化，通過模型構建和聚類分析，對墊料發酵程度級別的判別準確率達96.67%[17]。同樣，采用電子鼻監測豬舍中NH3和H2S有害氣體，可以達到良好的定量識別效果。電子鼻系統可以精確識別4種組分的混合氣體，并成功鑒別正常環境氣味和危險環境氣味。因此，可以考慮采用電子鼻監測物流環節(包括倉儲、車廂等)的異味或環境空氣的污染情況。

4電子鼻系統的遠程實時監控及網絡化實現

由于物流是個動態的移動過程，因此需要實時監測農產品的品質，必須實現電子鼻響應信號的網絡化傳輸。目前關于智能電子鼻網絡化的設計與實現也逐漸得到了研究。網絡化電子鼻技術是傳感器技術、計算機技術和通訊技術相結合的現代綜合技術，是目前信息化領域的研究熱點。張苗等[18]初步構建了基于TCP/IP協議的網絡化電子鼻系統，闡述了系統網絡化的實現方案及相關硬件軟件的設計，實現了電子鼻響應信號的實時采集與網絡化傳輸。也有研究基于GPRS通信技術的遠程電子鼻檢測系統，成功地實現了電子鼻數據的傳輸。柴毅等[19]研究了一種用于遠程實時環境氣體濃度精確監控的無線電子鼻網絡節點設備，闡述了該系統的組成設計與功能實現的原理及方法。趙昂等[20]設計了一種基于ZigBee無線傳感網絡的電子鼻氣體監控系統，將包含氣體傳感器陣列的無線節點布置在室內的各處，監控氣體的空氣質量，并將檢測結果通過ZigBee網絡傳輸到控制中心，由控制中心對各處空氣質量進行評價，并啟動相應執行系統確保空氣新鮮。隨著傳感器技術和無線通訊技術的快速發展，遠程實時監測農產品加工車間或物流單元的氣體質量或農產品的劣變氣味將成為可能。

5電子鼻在物流過程農產品品質監控的應用潛力及存在的問題

根據農產品的易腐性，保障流通過程的質量安全、減少腐損極為重要。在農產品物流過程實施無損檢測，有效監控農產品的特征變化，及時對品質等級進行評判和分類，預測剩余貨架期，及時處理即將不合格或已腐爛/腐敗的產品，避免交叉污染、減少損耗，成為農產品物流過程中不容忽視的技術問題。盡管冷庫/車廂能夠通過降低溫度在一定程度上避免農產品腐敗變質，但對于農產品的新鮮度和品質總體信息的在線監控卻無法做到。根據電子鼻的檢測特點及其網絡化實現，建立電子鼻氣味信號數據與農產品品質指標的關系模型，進而通過監測氣味變化快速評判其品質等級，預測其貨架期，為農產品物流管理和分銷提供決策支持。此外，利用電子鼻系統還可以對農產品的倉儲環境進行實時監測，避免因設施落后、儲存地點不衛生、管理不當等原因造成產品質量問題。因此，電子鼻技術在農產品物流領域將會擁有巨大的應用需求。隨著網絡通訊技術的快速發展，氣味指紋圖譜數據可以通過ZigBee網絡化傳輸到控制中心，由控制中心對氣味指紋圖譜的質量進行評估。和其他品質指標不同，基于氣味指紋技術的電子鼻系統可以客觀、快速、無損地評估農產品物流過程中真實的品質變化，通過網絡通訊傳輸，可以滿足遠程實時監控，為現代智能化物流過程中農產品的質量控制提供解決方案。電子鼻系統已經廣泛應用于農產品的品質評價和質量控制，但在物流過程中的應用及其適用性還有待進一步的深入研究。目前電子鼻在使用過程中仍存在一些問題：如電子鼻的檢測性能和靈敏度受到傳感器種類的影響，傳感器陣列易受環境因素的影響，如濕度、溫度、振動等；而且傳感器易于中毒，與干擾氣體發生反應，影響檢測結果。此外，后期的模式識別技術缺乏通用的識別算法，算法受實驗數據的影響，而且不同的算法得出的判別結果有很大差異。在物流過程中，由于車廂承載的農產品比較復雜，運輸過程中的強烈震動，以及冷鏈運輸過程中車廂溫度濕度的變化會影響傳感器的響應輸出信號，為了物流過程實時監測農產品的品質和質量控制，需要解決物流過程中農產品氣味的采集方法，不同運輸方式和車廂環境因子對電子鼻輸出信號的影響。根根目前先進的傳感技術和通訊技術，電子鼻系統對氣味感應的靈敏度，以及現有模式識別的有效性，遠程實時監控物流過程農產品的品質變化將成為可能，也將會是農產品物流質控信息化管理領域一個新的研究趨勢。

作者:劉壽春趙春江楊信廷錢建平鐘賽意單位:國家農產品現代物流工程技術研究中心國家農業信息化工程技術研究中心廣東海洋大學食品科技學院