第六章--食品无损检测：人工嗅觉与人工味觉检测

食品无损检测潘磊庆南京农业大学食品科技学院2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院2第六章人工嗅觉与人工味觉检测香、酸、甜、苦、辣、咸人工：鼻和舌——主观性化学分析法：色谱法、光谱法、毛细电泳法——复杂、结果单一----模拟动物和人的嗅觉和味觉功能----人工嗅觉系统：电子鼻人工味觉系统：电子舌——简单、快捷、准确、无损2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院3主要的化学感受：味觉、嗅觉、三叉神经味觉：辨别进入口中的不挥发的化学物质；嗅觉：辨别容易挥发的物质；三叉神经：感受体分布在黏膜和皮肤上，对挥发和不会发的物质均有作用，能区分刺激和化学反应的种类。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院4一生物嗅觉与生物味觉（一）生物嗅觉嗅感：挥发性物质散发的气体分子与鼻腔内嗅觉神经反应所引起的刺激感，是一种生理反应。生理传导过程如下：2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院6人的鼻腔中约有5000万个嗅觉细胞，单个嗅觉细胞生存期约22d，灵敏度不高，选择性差。人的嗅觉系统对气味的识别能力是由大量性能彼此重叠的嗅细胞，嗅球中经和大脑共同作用的结果。一般来讲，从气味分子被嗅细胞表面吸附到产生嗅觉反应仅需0.2-0.3s.人的嗅觉能够分辨出的气味约10000种。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院7（二）生物味觉味觉的感受器是味蕾，主要分布在舌背部表面和舌缘，口腔和咽部黏膜的表面也有零散的味蕾存在。舌表面约有50万个香蕉型的味觉细胞。在20-30℃味觉的灵敏度最高。如图所示：2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院82020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院9味感的形成阶段：1：舌表面味蕾上的味觉细胞的生物膜感受味觉物质并形成生物电信号；2：该生物电信号经神经纤维传至大脑；3：大脑识别。味道：甜、咸、酸、苦、涩、辣、鲜2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院10各味觉的化学缘由：酸味：氢离子，盐酸、氨基酸…甜味：蔗糖、葡萄糖…苦味：奎宁、咖啡因…鲜味：谷氨酸单钠、肌苷酸二钠…咸味：钠离子…味觉细胞膜的主要成分：脂质（酸、咸、苦）、蛋白质（苦，甜、鲜）、无机离子、少量的糖和核酸2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院11二、人工嗅觉和人工味觉（一）人工嗅觉简介（1）人工嗅觉系统---电子鼻ArtificialOlfactorySystem,AOS基本组成：气敏传感器阵列、信号预处理单元、模式识别单元气体传感器阵列：有多个相互之间性能有所重叠的气体传感器构成；嗅觉的强度：既可用每个传感器的绝对电压、电阻或电导值表示，也可用相对信号值表示；2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院12电子鼻的工作原理万宝路香烟气味指纹比较和辩认数据处理信息采集传感器信号信号处理数据分析和比较结论大脑大脑皮层分辨气味指纹气味气味指纹吻合：万宝路香烟x2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院13识别方法:主要有统计模式识别和人工神经网络模式识别2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院142.人工嗅觉研究进展已经成熟应用于食品、化妆品、香料、香精等的香气质量评定；研究重点：（1）研究对微量、痕量气体分子瞬时敏感的检测器、以得到与气体成分相对应的信号。（2）研究对检测的信号进行识别与分类的数据处理器，以便将有用信号与噪声加以分离。（3）研究将测量数据转化为感官评定指标的智能解释器，以得到与人的感官相符的结果。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院15（二）人工味觉系统ArtificialTasteSystem,ATS，电子舌传统方法：酸度：pH计咸度：导电计甜度：比重计、折光仪缺陷：1.所测物理化学参数要受到外界非味觉物质的影响；2.所侧参数不能反映味觉物质之间的交互作用产生的效果。故模拟不好实际的生物味觉感官功能。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院16电子舌的工作原理5种主味•酸•甜•苦•咸•鲜°°°°°°结论味道滑润纯正大脑大脑皮层分辨舌头味蕊信息采集数据处理气味指纹比较和辩认传感器信号信号处理数据分析和比较2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院17人工味觉系统：多通道类脂膜味觉传感器和模式识别算法组成。原理：根据类脂、高聚物膜对味觉溶液物质产生电势变化。模式识别：神经网络和混沌识别区分：酸甜苦鲜咸区分：咖啡、啤酒、日本米酒、牛奶酒类检测2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院18第二节人工嗅觉与人工味觉的传感器阵列及模式识别人工嗅觉和人工味觉的仿生过程：2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院19一、人工嗅觉和人工味觉传感器及传感器阵列嗅觉传感器：由气敏元件、电路和其它部件一起组成的传感装置。气敏元件：指能感知环境中某种气体（如CO,CO2,O2,Cl2等）及其浓度的一种元件。气体传感器应满足：1.具有较高的灵敏度和宽的动态响应范围；2.性能稳定，传感器的响应不随温度、湿度的变化而发生变化；3.响应速度快，重复性好；4.保养简单、价格便宜。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院20分类原理优点缺点金属氧化物型半导体传感器及其阵列吸附气味分子后会引起电阻下降产生负的电信号。活性材料:SnO2\ZnO2\TiO3等衬底材料:采用硅、玻璃和塑料。选择性高、稳定性好、能耗小、寿命长、耐腐蚀性强等宽的适用范围较低的成本工作温度较高,长时间工作后响应基准值易发生漂移对气体混合物中的硫化物呈“中毒”反应,受水汽影响大等缺点。导电高分子传感器及其阵列(CP)活性材料:噻吩、吲哚、呋喃等成分构成的导电聚合物。发生聚合反应引起电阻增加,产生正的信号。体积小、能耗小、常温下工作而无需加热有利于向便携方向发展活性材料电聚合过程较为困难和费时接触响应也存在随时间发生漂移的现象。对湿度过于敏感,严重时会干扰常响应质量传感器及其阵列一类是石英晶体微天平传感器(QCM)一类是声表面波传感器(SAW)灵敏度高、信号易于微机处理及抗传输干扰等优点气敏传感器类型2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院21注意：严格控制温度和湿度的影响2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院232020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院24（二）味觉传感器阵列2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院252020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院26传感器阵列的模拟信号转换数字信号输入计算机中,被测嗅觉的强度可用每个传感器的输出的绝对电压、电阻或电导来表示。电子鼻数据中提出有效特征值：某点值、斜率、最大值、相对最大值、平均值、积分值等,使维数降低。二、人工嗅觉与人工味觉的模式识别2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院27模式识别处理多元数据统计分析方法（主要有主成分分析法PCA、偏最小二乘法PLS、聚类分析法CA、线性判别法LDA）等;神经网络方法（反向神经网络BP、径向基结合径向基神经网络RBF);模糊方法.将多维响应信号转换为感官评定指标值或组成成分的浓度值，得到被测气味定性分析结果的智能解释器。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院28第三节人工嗅觉与人工味觉技术在食品检测中的应用一、人工嗅觉在食品检测中的应用(电子鼻)（一）人工嗅觉技术应用简介应用领域：酒类、茶叶、鱼类、肉类等食品挥发气味。质量分级和新鲜度判别。国外已有了商品化的人工嗅觉系统，如表所示：国内还停留在试验阶段。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院292020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院302020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院31MOS：金属氧化物传感器CP：导电聚合物传感器；QCM：石英晶体谐振传感器；SAW：声表面波传感器IR：红外线光电传感器MOSEET：金属氧化硅场效应管传感器2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院32电子鼻优点1.电子鼻具有新颖的仿生检测技术，与传统成分分析仪器不同，它根据测定样品气味的整体信息，产生“指纹”图谱，提供样品的隐含性质。2.电子鼻测定速度快，一般仅需几分钟，能及时反馈信息，调整生产流程中的各项工艺条件，确保质量评价(QA)和质量管理(QC)指标，从而使产品质量得到保.3.电子鼻测定范围广。它不仅能测定气体、液体，而且也能测定固体等各种形态的样品。样品不需前处理，极少使用各种有机溶剂，是一项“绿色”检测技术。4.避免了靠人体感官测定中的主观因素及其它的人为误差，提高测定的精确度，而且可以避免人工测定嗅味中因吸入样品对健康带来影响。5.测试结果都基本上代表样品的整体性。气相色谱法(GC)、色谱-质谱联用技术(GC-MS)与电化学方法是是经样品分离后的结果，而且时效性和成本上需要考虑。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院33改进改变阵列中各传感器的工作状态(温度等）,使传感器阵列对不同的气味具有相异的选择性,进而实现以较少的气敏传感器对多种成分的混合气体的识别。需要提高降维方法的精度和改进模式识别方法，这样电子鼻的应用就会更方便与可靠，也将进一步深入到现代科学技术的各个领域。研究将测量数据转换为感官评定指标的智能解释器,以得到与人的感官感受相符的结果。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院34与其它无损检测设备融合，提高准确性。特征值的获取：判别时间长，由于气味特性是随时间而缓慢变化的,传感器的响应也是随时间而缓慢变化的。利用响应曲线上升部分的斜率,可提高测试速度;利用响应曲线的积分值,可提高测试装置的灵敏度和选择性。寻找最适的试验方法和手段，增强其可重现性、实用性。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院35二、人工味觉在食品检测中的应用（一）人工味觉的应用概况用于：咖啡、啤酒、离子饮料、饮用水等的品质检测污染物的检测（Fe3+,Cu2+等）（二）多通道人工味觉系统在食品味道检测中的应用装置及原理：用类脂膜构成的多通道电极制成，多通道电极通过多通道放大器与多通道扫描器连接，从传感器得到的电子信号通过A/D转化为数字信号，然后进入计算机进行模式识别处理，得出相应的味道。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院36多通道电子味觉装置8个2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院37人工味觉响应示意图2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院38应用实例：图1-15为区分:2种酸（醋酸、柠檬酸）;3种鲜味化合物（谷氨酸钠、肌苷酸二钠、鸟苷酸二钠）结果：变化趋势相似，但响应强度不同。2020年3月2日星期一南京农业大学食品科技学院39