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摘要：電子鼻作為一種新型食品風味檢測傳感器，被廣泛應用于食品行業。電子鼻具有低成本、操作簡單、可用于現場檢測、分析結果客觀等優點。文章綜述了電子鼻在食品行業中的應用進展，并對其發展做了展望。
關鍵詞：電子鼻；調味料；飲料；食品；研究進展
在食品風味檢測中，最主要的是檢測食品的氣味。感官評價作為傳統的食品風味檢測方法，主要由專業人員通過感官鑒定食品的風味指標，具有方便快捷的優點，但也存在較多不足，如人為誤差、嗅覺疲勞、評價結果不客觀等缺點。常規儀器分析方法，如氣相色譜法、液相色譜法、離子遷移譜法等，在風味檢測方面具有高靈敏度和低檢測限的優點，但是需要復雜的儀器設備和專業的操作技術，成本較高且不能用于現場監測，存在較大的不便。電子鼻利用氣體傳感器和模式識別技術，能夠快速檢測出被測樣品的氣味信息，可用于區分食品的品牌、產地和工藝，鑒定食品的等級及存儲時間，檢測食品的成熟度和新鮮度。目前，電子鼻已被廣泛應用于酒、茶、飲料、果蔬、肉制品、調味品、油脂等領域的檢測。本文對電子鼻技術做了介紹，概述了電子鼻在食品行業的代表性應用，并對其發展做了展望。
１電子鼻介紹
電子鼻（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｎｏｓｅ，ＥＮ），又稱氣味傳感器、人工鼻等，其發明受生物嗅覺系統的啟發。在生物嗅覺系統中，氣味分子被鼻子中的嗅覺感受器細胞所感知，大腦中的嗅皮質對氣味進行描述并識別出氣味。電子鼻的氣體傳感器陣列對應著鼻子中的嗅覺感受器細胞，可檢測空氣中的氣味分子。模式識別系統對捕捉到的氣味信號進行特征提取，再利用機器學習相關算法來識別和區分氣味。
１．１電子鼻的工作原理
電子鼻是模擬動物嗅覺器官開發的一種高科技產品，氣體傳感器作為電子鼻的核心元件，通過與待測氣體反應將組成和濃度等信息轉化為電信號輸出，從而實現對環境中氣體的快速、靈敏、實時檢測。作為電子鼻的核心器件，氣體傳感器可以分為多個種類，如半導體型氣體傳感器、電化學型氣體傳感器、紅外氣體傳感器等［１］。半導體型氣體傳感器：半導體型傳感器直接根據電學性能的變化來確定氣體濃度，最常用的是電阻型半導體傳感器。目前普遍認為，電阻型半導體傳感器的傳感機理是待測氣體與材料上的吸附氧發生氧化還原反應，導致敏感材料電阻發生變化，其電阻變化率與待測氣體濃度呈指數關系。電化學型氣體傳感器：其工作原理是使待測氣體在電極上發生氧化還原反應產生電解電流，通過檢測電流的大小確定待測氣體的濃度。與其他類型的傳感器相比，電化學型傳感器具有低功耗、高靈敏度和高選擇性的特點和性能。紅外氣體傳感器：紅外氣體傳感器是一種光吸收式氣體傳感器，以氣體的光學性質和朗伯－比爾定律為依據，根據氣體的特征紅外吸收光譜確定氣體的組成和濃度。紅外氣體傳感器的抗干擾能力很強，具有良好的長期穩定性，且不需要與待測氣體直接接觸，適用于一些特殊環境，如文物保護、航天領域等。
１．２電子鼻的優勢
目前，檢測氣體的方法主要有氣相色譜法、液相色譜法、分光光度法、離子遷移譜法等，這些方法往往具有高靈敏度和低檢測限的優點，但是需要復雜的儀器設備和專業的操作技術，成本較高且不能用于現場監測，在生產和生活中使用存在極大的不便。相比于人工聞味，電子鼻技術可以避免各種人為的誤差，甚至還能檢測到人類鼻子不易覺察的微弱氣體，評價結果客觀，很好地彌補了人類的某些生理限制。相比于儀器分析方法，電子鼻技術具有小型化、低成本、實時性等優點，不需要專業操作技術，無需人工干預，可用于現場監測。
２電子鼻在食品行業的應用
電子鼻在食品行業有著廣泛的應用［２－５］，其檢測對象主要有酒類、飲料、茶葉、水產品、調味品、肉制品、果蔬等，應用場景主要有品質鑒定、風味分析、成分檢測、品牌分類、新鮮度檢測、產品工藝改善等。
２．１電子鼻在酒類檢測中的應用
劉芳等［６］利用電子鼻對１１種濃香型白酒的分類進行了研究，結果表明，電子鼻對不同品牌濃香型白酒揮發性風味成分具有較好的響應。在對傳感器的響應數據進行分析后，發現主成分分析比線性判別分析更適用于濃香型白酒的分類分析，可有效區分不同品牌濃香型白酒。曹有芳等［７］以不同產地的３種蘋果為原料釀造蘋果酒，用電子鼻對其揮發性氣味進行檢測和分析，通過單因素方差分析和主成分分析獲得了電子鼻的最佳檢測參數，電子鼻對３種蘋果酒的檢測結果表明，電子鼻可從揮發性氣味方面實現蘋果酒的區分。蒲璐璐等［８］以５種不同酒齡的醬香型白酒為研究對象，利用電子鼻和氣質聯用技術研究了不同酒齡醬香型白酒的品質及風味變化。電子鼻檢測結果表明，不同酒齡的醬香型白酒香氣成分存在明顯差異，主成分分析和線性判別分析均可對樣品進行有效區分，為醬香酒酒齡的鑒別提供了指導。趙寧等［９］采用電子鼻對徐香、海沃德和黃金果獼猴桃釀造的３種獼猴桃酒中的香氣物質進行測定和分析，實驗結果表明不同獼猴桃酒間香氣特征有較大差異，其中徐香和海沃德酒風味差異最大，用主成分分析法可實現３種酒的區分。喬淼等［１０］利用電子鼻對葡萄酒品種鑒別進行了研究，采集了７個品種葡萄酒的２１００組氣味信息數據，應用ＬｉｇｈｔＧＢＭ算法對葡萄酒氣味特征進行學習，實驗結果表明建立的判別模型對葡萄酒樣品的判別準確率為９６．６２％，驗證了電子鼻在葡萄酒品種鑒別中的可行性。
２．２電子鼻在調味品檢測中的應用
李倩等［１１］利用電子鼻對辣椒料氣味等級快速區分進行了研究，采集了４種不同氣味等級辣椒料樣品的氣味數據，并用ＢＰ神經網絡對數據進行學習，實驗結果表明ＢＰ神經網絡對辣椒料氣味等級區分的準確率為９４．２３％。易宇文等［１２］以８種醬油的電子鼻、電子舌檢測信號為研究對象，結合主成分分析法從香味和滋味角度綜合評價醬油的風味。電子鼻分析表明，從香氣上可將８種醬油分為３組，電子舌分析表明，８種醬油在滋味上特征明顯，電子鼻結合電子舌能綜合分析樣品的氣味和滋味信息。閻紅等［１３］采用電子鼻對青花椒和紅花椒樣品進行檢測，并對所獲得的數據進行主成分分析和判別因子分析，發現兩者之間氣味存在明顯差異，與感官分析的結論一致，為花椒類產品的品質評定和快速檢測提供了依據。鄺格靈等［１４］利用電子鼻技術結合主成分分析法對恒順香醋陳釀期成分進行了研究，實驗結果顯示電子鼻對不同陳釀期的恒順香醋的香氣具有明顯響應，可較好地進行識別分類，為快速鑒別不同陳釀期的恒順香醋提供了理論依據。周州等［１５］用電子鼻研究了藥膳火鍋底料制備工藝對其感官評分的影響，發現成品藥膳火鍋底料的香氣主要由藥材提供，并對影響藥膳火鍋底料的水煮時間、中藥材添加量、辣椒添加量、加水量等因素進行了優化，確定了最佳的工藝參數。
２．３電子鼻在飲料檢測中的應用
蓬桂華等［１６］用電子鼻對桑果汁風味分析進行了研究，發現桑果汁氣味差異主要體現于甲基類、硫化物、氮氧化物等化合物上，主成分分析累計方差貢獻率達９９．９１％。此外，電子鼻亦可用于區分不同品牌的桑果汁，各樣品判別指數在０．９７７～１．０００之間。潘明慧等［１７］利用電子鼻對乳飲料的風味評價和工藝優化進行了研究，運用電子鼻對工藝調整后的樣品進行了檢測，發現電子鼻對不同參數調整后的樣品的區分效果明顯，并最終篩選出最佳工藝。劉學艷等［１８］以８種紅茶作為實驗對象，采用電子鼻和氣相色譜－離子遷移譜技術對紅茶樣品的揮發性香氣物質進行檢測分析。電子鼻檢測結果顯示８種紅茶樣品的揮發性香氣差異顯著，結合氣相色譜－離子遷移譜分析結果可知，野生茶樹的酮類、酸類香氣物質較生態茶豐富，等級越高，醇類揮發性香氣物質越豐富。羅冬蘭等［１９］研究了電子鼻技術對貴州４種名優茶葉的鑒別能力，通過采集４種名優茶葉的氣味并結合線性判別分析，發現４種樣品均有明顯的區分，說明不同種類茶葉形成了獨特的風味成分，證明了電子鼻可對不同種類茶葉進行區分。
２．４電子鼻在肉制品檢測中的應用
柏霜等［２０］用電子鼻測定了羊肉臊子傳統工業大鍋和小鍋炒制過程中各階段的氣味強度，并用氣質聯用技術對揮發性化合物進行分析。實驗結果表明電子鼻可區分各加工階段的氣味，結合氣質聯用技術可較好地區分傳統工業大鍋和小鍋炒制的羊肉臊子。此外，他們也對牛肉臊子炒制過程中的風味進行了研究［２１］，電子鼻的分析結果表明煸炒脂肪階段對牛肉臊子的風味貢獻較大，采用偏最小二乘判別分析可將揮發性化合物形成過程分為４個階段，為工業生產炒制肉制品提供了技術參考。丁楠［２２］利用電子鼻檢測自制灌腸產品在儲藏期的品質變化，并與傳統分析方法進行比較，對其貨架期進行了預測。實驗結果表明，電子鼻結合主成分分析或線性判別分析都能很好地區分不同儲存時間、儲存溫度的灌腸產品，可用于灌腸產品貨架期預測。黃苓等［２３］以多種調味物質替代亞硝酸鹽，開發了零添加亞硝酸鹽臘肉，并用電子鼻對零添加亞硝酸鹽臘肉、添加食鹽臘肉、添加食鹽和亞硝酸鹽臘肉的揮發性風味進行分析。實驗結果表明，零添加亞硝酸鹽臘肉的揮發性風味物質種類和含量均為最高，總體可接受度最高，為傳統腌制品轉型升級提供了新思路。楊江等［２４］使用電子鼻對１１種臘腸樣品的風味進行分析評價，發現臘腸樣品可按風味分為２個聚類，采用顯著性分析發現不同聚類的差異是芳香類物質和有機硫化物含量不同導致的。
２．５電子鼻在果蔬檢測中的應用
惠國華等［２５］研究了基于電子鼻的香蕉存儲時間鑒定方法，用電子鼻檢測了不同儲存時間的香蕉樣品，發現電子鼻對不同香蕉樣品具有靈敏的響應，并基于信噪比特征值構建了香蕉的儲存時間預測模型，可快速、準確地對香蕉的儲存時間進行預測。徐靜等［２６］研究了基于氣味判別草莓新鮮度的方法，分別利用電子鼻和乙醇傳感器采集草莓儲存期間的氣味，比較了不同傳感器和模型對預測準確率的影響，發現采用電子鼻和支持向量機分類模型，可獲得最好的草莓新鮮度預測準確率，訓練集和驗證集的預測準確率分別為９９．２％和９６．７％。張鑫等［２７］采用電子鼻對不同成熟度的錦繡黃桃果實判別進行了研究，用電子鼻檢測了轉色期、成熟期和完熟期黃桃的氣味，由主成分分析結果可知，轉色期的果實與成熟期、完熟期的果實可較好地區分開，但成熟期、完熟期的果實芳香程度較為接近，存在部分區域重疊。邢夢珂等［２８］開發了一款基于電子鼻的草莓損傷檢測系統，通過檢測損傷果和正常果的氣味，并結合支持向量機方法建立草莓損傷檢測模型。實驗發現，模型可較好地區分損傷草莓和正常草莓，判別準確率為９２．５％，具有良好的適用性。
２．６電子鼻在其他食品檢測中的應用
劉樹萍等［２９］利用電子鼻研究了辣白菜腌制及發酵過程中的風味變化，主成分分析結果表明，不同發酵天數的辣白菜風味不同，并優化得到辣白菜的最佳腌制工藝參數，證明了電子鼻技術能有效應用于辣白菜的風味分析。劉亞雄等［３０］對電子鼻檢測調味品中非法添加罌粟殼進行了研究，以不同罌粟殼添加比例的花椒粉、孜然粉、燒烤粉為檢測對象，利用電子鼻對氣味進行檢測，再結合線性判別分析和多層感知器建立判別模型，實驗結果顯示多層感知器模型的預測效果更好，對于預測集樣品的預測準確率達１００％，可為打擊非法添加罌粟殼提供有力的支撐。佘義勇等［３１］對電子鼻鑒別不同品牌紅糖進行了研究，利用電子鼻檢測不同紅糖樣品的風味特征，并對數據進行主成分分析，結果表明不同品牌紅糖之間揮發性氣味差異明顯，電子鼻可快速地對不同品牌的紅糖進行區分，為紅糖品質鑒定提供了參考。曹森等［３２］以天麻為檢測對象，采用電子鼻結合氣質聯用技術對不同采收期的天麻樣品進行芳香品質分析與辨別。電子鼻數據的主成分分析和線性判別分析結果均表明，電子鼻可對不同采收期的天麻進行區分。香氣成分分析結果也證明不同采收期的天麻均有獨特的成分，因此電子鼻技術可用于區分不同采收期的天麻。
３展望
電子鼻作為一種檢測食品風味的高科技設備，已被廣泛應用于食品的品質鑒定、風味分析、成分檢測、品牌分類、新鮮度檢測、產品工藝改善等領域。相比常規儀器分析方法，電子鼻具有低成本、操作簡單、可用于現場監測等優點，相比于人工檢測它具有方便快捷、結果客觀、穩定性好等優點。不過現階段電子鼻存在對環境要求高、智能化程度低等不足，針對這些不足進行改善，提高電子鼻檢測能力，降低電子鼻使用門檻是未來的發展方向。比如通過新的氣體檢測原理研發新型氣體傳感器，降低電子鼻對工作環境的要求；結合人工智能算法，尋求更好的數據特征提取技術和識別方法，提升其智能化程度。此外，隨著微機電技術的發展以及敏感材料性能的提升，電子鼻正朝著集成化、小型化和實用化發展，相信未來電子鼻技術將在食品行業迸發出更多潛力。
作者:王建偉 葉升 單位:天津大學 生命科學學院 杭州娃哈哈集團有限公司
