丁興林，張宇林*，周紅標(biāo)（淮陰工學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇淮安223003）

電子鼻/舌在酒類品質(zhì)檢測中的應(yīng)用研究進(jìn)展

丁興林，張宇林*，周紅標(biāo)
（淮陰工學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇淮安223003）

隨著生活水平的提高，酒類的品質(zhì)問題一直受到人們的密切關(guān)注。電子鼻、舌是模仿哺乳動(dòng)物嗅覺和味覺而制成的智能檢測儀器，與模式識(shí)別算法相結(jié)合，可用于酒類品質(zhì)檢測。該文主要是對(duì)目前電子鼻、舌在酒類品質(zhì)檢測中的應(yīng)用研究展開了綜述，并對(duì)電子鼻、舌今后的研究前景進(jìn)行了展望。

電子鼻；電子舌；酒類；品質(zhì)

隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，食品質(zhì)量問題一直受到消費(fèi)者們的關(guān)注，其中酒類品質(zhì)更是被人們重視。目前，對(duì)于酒類品質(zhì)檢測的手段有人工感官法、化學(xué)法和電子技術(shù)（電子鼻、舌）法。所謂人工感官法，靠的是人的嗅覺和味覺，通過聞酒類產(chǎn)品散發(fā)出的氣味或是品嘗酒類產(chǎn)品的味道而做出判斷，但由于人是感性動(dòng)物，易受周圍環(huán)境和情緒變化的影響，使得嗅覺和味覺出現(xiàn)“疲憊”的狀態(tài)，檢測結(jié)果可能就會(huì)受到人的誤判。而化學(xué)法一般需借助于化學(xué)儀器設(shè)備，但這些設(shè)備因價(jià)格昂貴、體積較大、檢測耗時(shí)等因素而沒有被廣泛使用，而且化學(xué)法一般是對(duì)樣品的定性或定量分析，只能檢測到樣品含有一種或幾種化學(xué)成分，不能代表對(duì)象的整體綜合信息。電子鼻、舌技術(shù)正是在這種檢測不足的情況下產(chǎn)生的，因其價(jià)格低廉、檢測快捷、重復(fù)性好、適應(yīng)性強(qiáng)和檢測范圍廣而得到使用［1-6］。

1　電子鼻、舌的工作原理

電子鼻是指模仿人和動(dòng)物的嗅覺機(jī)制而制成，能快速準(zhǔn)確識(shí)別復(fù)雜氣味的智能設(shè)備。電子鼻是在20世紀(jì)90年代召開的電子鼻專題會(huì)議上由GARDNER J W［7］提出。其組成通常包括氣敏傳感器陣列、數(shù)據(jù)處理和智能識(shí)別3部分［8-10］，在對(duì)酒類進(jìn)行檢測的時(shí)候，氣敏傳感器陣列中的傳感器會(huì)與酒類散發(fā)出的氣味發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生模擬信號(hào)，再由信號(hào)處理單元處理、放大和將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，最后經(jīng)過模式識(shí)別環(huán)節(jié)檢測結(jié)果。

在電子鼻體系中，氣敏傳感器陣列處于電子鼻的中心地位，氣敏傳感器陣列中不同的傳感器對(duì)部分氣體擁有選擇性，因此將不同的氣敏傳感器進(jìn)行組合可以檢測酒類品質(zhì)的整體信息，也就是可以“聞”出酒類品質(zhì)。氣敏傳感器的分類主要是根據(jù)其選擇的敏感材料的不同，目前可將氣敏傳感器分為4類［11-12］：（1）金屬氧化物型傳感器，如ZnO、SnO2等，這類傳感器因?yàn)槌杀镜汀㈧`敏度高和響應(yīng)快而受到眾多專家學(xué)者的使用；（2）質(zhì)量敏感型傳感器，這類傳感器靈敏度高、可在常溫下工作；（3）場效應(yīng)管氣敏傳感器，這類傳感器集成度高，但靈敏度具有局限性；（4）導(dǎo)電聚合物氣敏傳感器，這類傳感器在吸附氣體后，電導(dǎo)率發(fā)生改變，可用于檢測氣體的類別和濃度。

電子舌是模仿哺乳動(dòng)物的味覺機(jī)理而制成的檢測儀器，電子舌一般由3部分組成［13］，分別是味覺傳感器陣列、信號(hào)采集器和智能識(shí)別系統(tǒng)。先將電子舌系統(tǒng)的電極端放入待測液體中，味覺傳感器接觸液體輸出模擬信號(hào)，再通過信號(hào)采集器將模擬量進(jìn)行處理放大，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，最后通過通信技術(shù)傳送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過智能識(shí)別系統(tǒng)處理檢測最終的結(jié)果。

味覺傳感器陣列是電子舌系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)味覺傳感器的不同，可將電子舌分為4類［14-15］：伏安型電子舌；電導(dǎo)分析傳感器型電子舌；光學(xué)傳感器型電子舌；生物傳感器型電子舌。

2　電子鼻在酒類品質(zhì)檢測中的應(yīng)用

2.1電子鼻用于酒類品牌判斷

酒在人類歷史上具有重要的地位，對(duì)于不同品牌的酒所散發(fā)出的氣味也有所區(qū)別，電子鼻正是根據(jù)酒散發(fā)出的不同香氣進(jìn)行檢測。秦萬廣等［16］利用電子鼻技術(shù)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)不同品牌的白酒進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明電子鼻技術(shù)具有識(shí)別不同白酒的能力。史志存等［17］使用電子鼻技術(shù)聯(lián)合主成分分析法（principal components analysis，PCA）、反向傳播（back propagation，BP）網(wǎng)絡(luò)法對(duì)不同品牌的濃香型、醬香型和清香型白酒進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明，電子鼻識(shí)別不同品牌的白酒能力良好。皺小波等［18］選取了不同的白酒，采用可視化傳感器陣列進(jìn)行測定，結(jié)果表明，該傳感器陣列對(duì)識(shí)別不同品牌的白酒具有良好的能力。

2.2電子鼻用于酒類酒齡判斷

不同品牌的酒具有不同的品質(zhì)，然而同一種品牌的酒因?yàn)槟攴莶煌矔?huì)有不同的口味，電子鼻技術(shù)在識(shí)別不同年份酒的方面上也表現(xiàn)俱佳。NATALECD等［19］利用電子鼻技術(shù)結(jié)合主成分分析法對(duì)年份在1989～1993的干葡萄酒進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明電子鼻具有識(shí)別不同年份葡萄酒的能力。LOZANOC J等［20］使用電子鼻技術(shù)聯(lián)合主成分分析法和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)不同酒齡的葡萄酒進(jìn)行了檢測，研究表明電子鼻對(duì)不同年份的葡萄酒具有很好的判別能力。張振等［21］采用表面聲波型電子鼻對(duì)4個(gè)年份的古越龍山黃酒樣品進(jìn)行采樣分析，研究結(jié)果表明，表面聲波型電子鼻結(jié)合化學(xué)計(jì)量方法適用于古越龍山黃酒酒齡鑒別。

2.3電子鼻用于酒類產(chǎn)地判斷

同一品牌的酒在不同的產(chǎn)地也會(huì)有不同的香氣，電子鼻可以根據(jù)香氣的不同識(shí)別出同一品牌酒的不同產(chǎn)地?？婅吹龋?2］利用GC-Flash型電子鼻結(jié)合主成分分析和線性判別分析法對(duì)來自不同產(chǎn)地的黃酒進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明電子鼻對(duì)不同產(chǎn)地的黃酒具有很好的識(shí)別能力。MARTI M P等［23］利用質(zhì)譜型電子鼻對(duì)多種酒進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明電子鼻能夠區(qū)分不同產(chǎn)地的酒，具有很好的效果。

3　電子舌在酒類品質(zhì)檢測中的應(yīng)用

3.1電子舌用于酒類品牌判斷

電子舌因味覺傳感器的獨(dú)特特性，可分析出液體的綜合信息，進(jìn)而檢測出結(jié)果，酒因品牌的不同而具有不同的風(fēng)味，電子舌正是根據(jù)這種風(fēng)味的整體信息的不同，對(duì)酒的品牌進(jìn)行了識(shí)別。為了對(duì)不同品牌的白酒進(jìn)行檢測，王永維等［24］使用電子舌聯(lián)合主成分分析和判別因子分析法進(jìn)行識(shí)別，研究表明電子舌對(duì)不同品牌的白酒具有很好的判別能力。田師一等［25］選用6種不同品牌的干紅葡萄酒，使用多頻脈沖電子舌，并聯(lián)合主成分分析法進(jìn)行測定，結(jié)果表明多頻脈沖電子舌可以用來區(qū)分不同品牌的葡萄酒，有良好的識(shí)別能力。LEGIN A等［26］利用電子舌對(duì)33種品牌的啤酒進(jìn)行了檢測，研究結(jié)果表明了電子舌具有很好的識(shí)別能力。

3.2電子舌用于酒類酒齡判斷

電子舌不僅能識(shí)別不同品牌的酒，而且在識(shí)別酒齡方面也表現(xiàn)俱佳。于海燕等［27］使用電子舌聯(lián)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法檢測黃酒，利用主成分分析和判別因子分析法，研究結(jié)果表明：電子舌聯(lián)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法可以用來區(qū)分黃酒酒齡。李華等［28］選取不同時(shí)期的干紅葡萄酒，使用電子舌技術(shù)進(jìn)行檢測，采用主成分分析，研究結(jié)果表明：電子舌的識(shí)別能力良好。RUDNITSKAYA A等［29］對(duì)不同酒齡的葡萄酒進(jìn)行了檢測，分別單獨(dú)使用了電子舌和理化指標(biāo)分析法，結(jié)果表明：電子舌的分析結(jié)果接近理化指標(biāo)檢測結(jié)果。

3.3電子舌用于酒類產(chǎn)地判斷

對(duì)于不同產(chǎn)地的酒，電子舌也具有良好的識(shí)別效果。王俊等［30］選擇了不同產(chǎn)地的葡萄酒，使用電子舌檢測，采用主成分分析和判別因子法，結(jié)果表明：判別因子法優(yōu)于主成分分析法。PATRYCJA C等［31］利用電子舌結(jié)合偏最小二乘法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)不同產(chǎn)地的啤酒進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明電子舌在產(chǎn)地鑒別方面具有很好的區(qū)分效果。周牡艷等［32］使用智能電子舌聯(lián)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)不同產(chǎn)地的黃酒進(jìn)行檢測，采用主成分分析法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，智能電子舌聯(lián)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法可識(shí)別黃酒產(chǎn)地。

4　融合電子鼻、舌在酒類品質(zhì)中的檢測

電子鼻是模仿人的鼻子，檢測對(duì)象是氣體；電子舌模仿的是人的舌頭，檢測對(duì)象是液體；但人的味覺和嗅覺不是獨(dú)立存在的，而是相互影響的，因此可以將電子鼻、舌技術(shù)相結(jié)合來檢測酒類品質(zhì)。

現(xiàn)如今多數(shù)使用單一電子鼻、舌技術(shù)和單一的算法對(duì)酒類品質(zhì)進(jìn)行檢測，使用融合算法對(duì)于酒類品質(zhì)檢測的報(bào)道還較少，其實(shí)融合算法就是對(duì)模仿人類感官的多傳感器的響應(yīng)值進(jìn)行組合和優(yōu)化，目前已廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域（如遙感技術(shù)、醫(yī)療診斷、交通管理和機(jī)器人運(yùn)行與識(shí)別等）。按照數(shù)據(jù)融合的不同層次，可分為三類［33］：數(shù)據(jù)層、特征層和決策層融合。數(shù)據(jù)層方面的算法有：PCA變換、HIS變換和小波變換（wavelet transform）等。特征層方面的算法有：貝葉斯估計(jì)法（Bayesian algorithm）、加權(quán)平均法（weighted average method）和D-S證據(jù)理論等。決策層方面的算法有：專家系統(tǒng)（expert system）、模糊集理論（fuzzy set theory）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（neural network）等。

目前在一些領(lǐng)域已使用電子鼻、舌相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行了檢測。BANERJEE R等［34］聯(lián)合使用電子鼻、舌技術(shù)和單獨(dú)使用電子鼻、舌技術(shù)分別對(duì)不同等級(jí)的紅茶進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明：相比于單獨(dú)使用電子鼻、舌，電子鼻、舌相結(jié)合的檢測效果較好。HADDI Z等［35］先單獨(dú)使用電子鼻、舌技術(shù)對(duì)不同品牌的果蔬汁進(jìn)行了檢測，后又使用電子鼻、舌相結(jié)合的技術(shù)并結(jié)合主成分分析法進(jìn)行了檢測，研究結(jié)果表明：聯(lián)合使用電子鼻、舌技術(shù)檢測效果比單獨(dú)使用任何一種技術(shù)要好。NATALE C D等［36］選取不同新鮮度的牛奶，利用電子鼻、舌技術(shù)結(jié)合主成分分析進(jìn)行檢測，結(jié)果表明：通過對(duì)電子鼻、舌響應(yīng)值進(jìn)行建模后的識(shí)別能力優(yōu)于直接使用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。

5　研究前景展望

電子鼻、舌是模仿人類的嗅覺和味覺，以易于便攜、價(jià)格低廉、重復(fù)性好、適應(yīng)性強(qiáng)而得到應(yīng)用，但國內(nèi)對(duì)于聯(lián)合使用電子鼻、舌對(duì)酒類品質(zhì)檢測的報(bào)道還較少，基本上還處于實(shí)驗(yàn)階段，使用的融合算法也不多，目前較多采用的是：主成分分析、判別因子分析、聚類分析等。因此在未來階段，我國對(duì)于酒類品質(zhì)檢測的重點(diǎn)應(yīng)放在電子鼻、舌相結(jié)合的技術(shù)上，并使用融合算法來加以比較，通過不斷地實(shí)驗(yàn)來獲得最佳效果。

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The application of electronic nose and electronic tongue in quality detection of alcoholic drink

DING Xinglin，ZHANG Yulin*，ZHOU Hongbiao
（Faculty of Electronic and Electrical Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai'an 223003，China）

With the improvement of living standards，the problem of alcoholic drink quality has been closely watched.Electronic nose and electronic tongue are intelligent instrumentations，which simulate the olfactory and taste of mammal.They combine with pattern recognition algorithm to detect alcohol quality.The article reviewed on the application of electronic nose and electronic tongue in alcoholic drink quality detection of，in addition，the future research was prospected.

electronic nose；electronic tongue；alcoholic drink；quality

TS261.7

A

0254-5071（2015）11-0020-03

10.11882/j.issn.0254-5071.2015.11.005

2015-09-21

淮安市科技項(xiàng)目（No.HAG2014001）

丁興林（1991-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)。

張宇林（1970-），男，教授，博士，研究方向?yàn)橹悄芸刂?、?shù)據(jù)融合。