食品無損檢測人工嗅覺與人工味覺檢測第1頁/共40頁05五月20232第六章人工嗅覺與人工味覺檢測香、酸、甜、苦、辣、咸人工：鼻和舌——主觀性化學(xué)分析法：色譜法、光譜法、毛細(xì)電泳法

——復(fù)雜、結(jié)果單一----模擬動物和人的嗅覺和味覺功能----人工嗅覺系統(tǒng)：電子鼻人工味覺系統(tǒng)：電子舌

——簡單、快捷、準(zhǔn)確、無損第2頁/共40頁05五月20233主要的化學(xué)感受：味覺、嗅覺、三叉神經(jīng)味覺：辨別進(jìn)入口中的不揮發(fā)的化學(xué)物質(zhì)；嗅覺：辨別容易揮發(fā)的物質(zhì)；三叉神經(jīng)：感受體分布在黏膜和皮膚上，對揮發(fā)和不會發(fā)的物質(zhì)均有作用，能區(qū)分刺激和化學(xué)反應(yīng)的種類。第3頁/共40頁05五月20234一生物嗅覺與生物味覺（一）生物嗅覺

嗅感：揮發(fā)性物質(zhì)散發(fā)的氣體分子與鼻腔內(nèi)嗅覺神經(jīng)反應(yīng)所引起的刺激感，是一種生理反應(yīng)。生理傳導(dǎo)過程如下：第4頁/共40頁05五月20235生物嗅覺是由氣味物質(zhì)分子刺激嗅覺感受器引起的。第5頁/共40頁05五月20236人的鼻腔中約有5000萬個(gè)嗅覺細(xì)胞，單個(gè)嗅覺細(xì)胞生存期約22d，靈敏度不高，選擇性差。人的嗅覺系統(tǒng)對氣味的識別能力是由大量性能彼此重疊的嗅細(xì)胞，嗅球中經(jīng)和大腦共同作用的結(jié)果。一般來講，從氣味分子被嗅細(xì)胞表面吸附到產(chǎn)生嗅覺反應(yīng)僅需0.2-0.3s.

人的嗅覺能夠分辨出的氣味約10000種。第6頁/共40頁05五月20237（二）生物味覺味覺的感受器是味蕾，主要分布在舌背部表面和舌緣，口腔和咽部黏膜的表面也有零散的味蕾存在。舌表面約有50萬個(gè)香蕉型的味覺細(xì)胞。在20-30℃味覺的靈敏度最高。

如圖所示：第7頁/共40頁05五月20238第8頁/共40頁05五月20239味感的形成階段：1：舌表面味蕾上的味覺細(xì)胞的生物膜感受味覺物質(zhì)并形成生物電信號；2：該生物電信號經(jīng)神經(jīng)纖維傳至大腦；3：大腦識別。味道：甜、咸、酸、苦、澀、辣、鮮第9頁/共40頁05五月202310各味覺的化學(xué)緣由：酸味：氫離子，鹽酸、氨基酸…甜味：蔗糖、葡萄糖…苦味：奎寧、咖啡因…鮮味：谷氨酸單鈉、肌苷酸二鈉…咸味：鈉離子…味覺細(xì)胞膜的主要成分：脂質(zhì)（酸、咸、苦）、蛋白質(zhì)（苦，甜、鮮）、無機(jī)離子、少量的糖和核酸第10頁/共40頁05五月202311二、人工嗅覺和人工味覺（一）人工嗅覺簡介（1）人工嗅覺系統(tǒng)---電子鼻ArtificialOlfactorySystem,AOS

基本組成：氣敏傳感器陣列、信號預(yù)處理單元、模式識別單元

氣體傳感器陣列：有多個(gè)相互之間性能有所重疊的氣體傳感器構(gòu)成；嗅覺的強(qiáng)度：既可用每個(gè)傳感器的絕對電壓、電阻或電導(dǎo)值表示，也可用相對信號值表示；

第11頁/共40頁05五月202312電子鼻的工作原理萬寶路香煙氣味指紋比較和辯認(rèn)數(shù)據(jù)處理信息采集傳感器信號信號處理數(shù)據(jù)分析和比較結(jié)論大腦大腦皮層分辨氣味指紋氣味氣味指紋吻合：萬寶路香煙x第12頁/共40頁05五月202313

識別方法:主要有統(tǒng)計(jì)模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別第13頁/共40頁05五月2023142.人工嗅覺研究進(jìn)展

已經(jīng)成熟應(yīng)用于食品、化妝品、香料、香精等的香氣質(zhì)量評定；

研究重點(diǎn)：

（1）研究對微量、痕量氣體分子瞬時(shí)敏感的檢測器、以得到與氣體成分相對應(yīng)的信號。（2）研究對檢測的信號進(jìn)行識別與分類的數(shù)據(jù)處理器，以便將有用信號與噪聲加以分離。（3）研究將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為感官評定指標(biāo)的智能解釋器，以得到與人的感官相符的結(jié)果。第14頁/共40頁05五月202315（二）人工味覺系統(tǒng)

ArtificialTasteSystem,ATS，電子舌

傳統(tǒng)方法：

酸度：pH計(jì)

咸度：導(dǎo)電計(jì)

甜度：比重計(jì)、折光儀缺陷：1.所測物理化學(xué)參數(shù)要受到外界非味覺物質(zhì)的影響；2.所側(cè)參數(shù)不能反映味覺物質(zhì)之間的交互作用產(chǎn)生的效果。故模擬不好實(shí)際的生物味覺感官功能。第15頁/共40頁05五月202316電子舌的工作原理5種主味酸甜苦咸鮮°°°°°°

結(jié)論味道滑潤純正

大腦大腦皮層分辨舌頭味蕊信息采集數(shù)據(jù)處理氣味指紋比較和辯認(rèn)傳感器信號信號處理數(shù)據(jù)分析和比較SaltytasteSaltytaste第16頁/共40頁05五月202317人工味覺系統(tǒng)：多通道類脂膜味覺傳感器和模式識別算法組成。原理：根據(jù)類脂、高聚物膜對味覺溶液物質(zhì)產(chǎn)生電勢變化。模式識別：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混沌識別區(qū)分：酸甜苦鮮咸區(qū)分：咖啡、啤酒、日本米酒、牛奶酒類檢測第17頁/共40頁05五月202318第二節(jié)人工嗅覺與人工味覺的傳感器陣列及模式識別人工嗅覺和人工味覺的仿生過程：第18頁/共40頁05五月202319一、人工嗅覺和人工味覺傳感器及傳感器陣列嗅覺傳感器：由氣敏元件、電路和其它部件一起組成的傳感裝置。氣敏元件：指能感知環(huán)境中某種氣體（如CO,CO2,O2,Cl2等）及其濃度的一種元件。氣體傳感器應(yīng)滿足：1.具有較高的靈敏度和寬的動態(tài)響應(yīng)范圍；2.性能穩(wěn)定，傳感器的響應(yīng)不隨溫度、濕度的變化而發(fā)生變化；3.響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；4.保養(yǎng)簡單、價(jià)格便宜。第19頁/共40頁05五月202320分類原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)金屬氧化物型半導(dǎo)體傳感器及其陣列

吸附氣味分子后會引起電阻下降產(chǎn)生負(fù)的電信號。

活性材料:SnO2\ZnO2\TiO3等

襯底材料:采用硅、玻璃和塑料。選擇性高、穩(wěn)定性好、能耗小、壽命長、耐腐蝕性強(qiáng)等寬的適用范圍較低的成本工作溫度較高,長時(shí)間工作后響應(yīng)基準(zhǔn)值易發(fā)生漂移對氣體混合物中的硫化物呈“中毒”反應(yīng),受水汽影響大等缺點(diǎn)。導(dǎo)電高分子傳感器及其陣列(CP)活性材料:噻吩、吲哚、呋喃等成分構(gòu)成的導(dǎo)電聚合物。發(fā)生聚合反應(yīng)引起電阻增加,產(chǎn)生正的信號。體積小、能耗小、常溫下工作而無需加熱有利于向便攜方向發(fā)展活性材料電聚合過程較為困難和費(fèi)時(shí)接觸響應(yīng)也存在隨時(shí)間發(fā)生漂移的現(xiàn)象。對濕度過于敏感,嚴(yán)重時(shí)會干擾常響應(yīng)質(zhì)量傳感器及其陣列一類是石英晶體微天平傳感器(QCM)一類是聲表面波傳感器(SAW)靈敏度高、信號易于微機(jī)處理及抗傳輸干擾等優(yōu)點(diǎn)氣敏傳感器類型第20頁/共40頁05五月202321注意：嚴(yán)格控制溫度和濕度的影響第21頁/共40頁05五月202322金屬氧化物型半導(dǎo)體傳感器MOS第22頁/共40頁05五月202323第23頁/共40頁05五月202324（二）味覺傳感器陣列第24頁/共40頁05五月202325第25頁/共40頁05五月202326傳感器陣列的模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)中,被測嗅覺的強(qiáng)度可用每個(gè)傳感器的輸出的絕對電壓、電阻或電導(dǎo)來表示。電子鼻數(shù)據(jù)中提出有效特征值：某點(diǎn)值、斜率、最大值、相對最大值、平均值、積分值等,使維數(shù)降低。二、人工嗅覺與人工味覺的模式識別第26頁/共40頁05五月202327模式識別處理

多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法（主要有主成分分析法PCA、偏最小二乘法PLS、聚類分析法CA、線性判別法LDA）等;

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法（反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP、徑向基結(jié)合徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RBF);

模糊方法.

將多維響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為感官評定指標(biāo)值或組成成分的濃度值，得到被測氣味定性分析結(jié)果的智能解釋器。第27頁/共40頁05五月202328第三節(jié)人工嗅覺與人工味覺技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用一、人工嗅覺在食品檢測中的應(yīng)用(電子鼻)（一）人工嗅覺技術(shù)應(yīng)用簡介

應(yīng)用領(lǐng)域：酒類、茶葉、魚類、肉類等食品揮發(fā)氣味。質(zhì)量分級和新鮮度判別。

國外已有了商品化的人工嗅覺系統(tǒng)，如表所示：

國內(nèi)還停留在試驗(yàn)階段。第28頁/共40頁05五月202329第29頁/共40頁05五月202330第30頁/共40頁05五月202331MOS：金屬氧化物傳感器CP：導(dǎo)電聚合物傳感器；QCM：石英晶體諧振傳感器；SAW：聲表面波傳感器IR：紅外線光電傳感器MOSEET：金屬氧化硅場效應(yīng)管傳感器第31頁/共40頁05五月202332電子鼻優(yōu)點(diǎn)1.電子鼻具有新穎的仿生檢測技術(shù)，與傳統(tǒng)成分分析儀器不同，它根據(jù)測定樣品氣味的整體信息，產(chǎn)生“指紋”圖譜，提供樣品的隱含性質(zhì)。2.電子鼻測定速度快，一般僅需幾分鐘，能及時(shí)反饋信息，調(diào)整生產(chǎn)流程中的各項(xiàng)工藝條件，確保質(zhì)量評價(jià)(QA)和質(zhì)量管理(QC)指標(biāo)，從而使產(chǎn)品質(zhì)量得到保.3.電子鼻測定范圍廣。它不僅能測定氣體、液體，而且也能測定固體等各種形態(tài)的樣品。樣品不需前處理，極少使用各種有機(jī)溶劑，是一項(xiàng)“綠色”檢測技術(shù)。4.避免了靠人體感官測定中的主觀因素及其它的人為誤差，提高測定的精確度，而且可以避免人工測定嗅味中因吸入樣品對健康帶來影響。5.測試結(jié)果都基本上代表樣品的整體性。氣相色譜法(GC)、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)與電化學(xué)方法是是經(jīng)樣品分離后的結(jié)果，而且時(shí)效性和成本上需要考慮。第32頁/共40頁05五月202333改進(jìn)改變陣列中各傳感器的工作狀態(tài)

(溫度等）,使傳感器陣列對不同的氣味具有相異的選擇性

,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以較少的氣敏傳感器對多種成分的混合氣體的識別。需要提高降維方法的精度和改進(jìn)模式識別方法，這樣電子鼻的應(yīng)用就會更方便與可靠，也將進(jìn)一步深入到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。研究將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為感官評定指標(biāo)的智能解釋器,以得到與人的感官感受相符的結(jié)果。第33頁/共40頁05五月202334與其它無損檢測設(shè)備融合，提高準(zhǔn)確性。特征值的獲?。号袆e時(shí)間長，由于氣味特性是隨時(shí)間而緩慢變化的,傳感器的響應(yīng)也是隨時(shí)間而緩慢變化的。利用響應(yīng)曲線上升部分的斜率,可提高測試速度;利用響應(yīng)曲線的積分值,可提高測試裝置的靈敏度和選擇性。尋找最適的試驗(yàn)方法和手段，增強(qiáng)其可重現(xiàn)性、實(shí)用性。第34頁/共40頁05五月202335二、人工味覺在食品檢測中的應(yīng)用（一）人工味覺的應(yīng)用概況

用于：咖啡、啤酒、離子飲料、飲用水等的品質(zhì)檢測污染物的檢測（Fe3+,Cu2+等）（二）多通道人工味覺系統(tǒng)在食品味道檢測中的應(yīng)用

裝置及原理：用類脂膜構(gòu)成的多通道電極制成，多通道電極通過多通道放大器與多通道掃描器連接，從傳感器得到的電子信號通過A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行模式識別處理，得出相應(yīng)的味道。第3