夏文琪

中央儲備糧濰坊直屬庫有限公司 山東青州 262500

1 人工嗅覺系統(tǒng)的設(shè)計原理及構(gòu)成部分

1.1 人的嗅覺特點

人的嗅覺形成是通過分子擴散到鼻腔后與G受體結(jié)合蛋白作用后產(chǎn)生信號，然后通過人體的嗅覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過一系列加工后輸入大腦，由大腦對氣味進行辨別，并在長期的工作中形成記憶，以此感受所吸入的味道。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原理

人工嗅覺系統(tǒng)的設(shè)置原理與人的嗅覺系統(tǒng)相似，在使用過程中氣味分子被系統(tǒng)的傳感器所吸附并產(chǎn)生信號，系統(tǒng)對該信號進行處理及加工并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理及模式識別系統(tǒng)中，然后后做出相應(yīng)判斷。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

人工嗅覺系統(tǒng)由兩部分組成，分別為傳感器及其陳列及數(shù)據(jù)處理及模式識別系統(tǒng)。其中傳感器是該系統(tǒng)的心臟，在系統(tǒng)的運行過程中起著核心的作用，它將接收到的各種氣味分子，通過一系列的操作將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可識別的物理信號，以供后續(xù)工作的完成。在對傳感器的材料進行選擇時，需要選擇通用性強且對氣味的識別沒有特殊要求的材料，確保其可以將所有的不同的氣味在分子水平上相互作用并產(chǎn)生反應(yīng)。在鑒別過程中，因為其并不具備記憶性必須保障電子氣味可以快速的傳遞到識別系統(tǒng)中，從而避免影響下一次的操作效果。傳感器產(chǎn)生信號被電子放大后需要使用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，轉(zhuǎn)換為可以輸入計算機的數(shù)字信號。在進行模式識別時，可以使用電阻或者電壓的變化率表示被測嗅覺的強度，并以此對氣味的性質(zhì)進行比較。電子信號由專用的軟件進行加工及處理后，機器可以將信號與以收集到的信息進行對比、識別，以此來確認檢查樣品的質(zhì)量[1]。

2 人工嗅覺系統(tǒng)在糧食質(zhì)量檢驗中應(yīng)用的作用分析

2.1 提高檢驗人員檢驗的安全性

當前我國糧食質(zhì)量檢驗的檢測方法，基本上都是通過檢驗人員品聞糧食中釋放的不同氣味，來鑒別糧食質(zhì)量的標準并將變質(zhì)糧食進行分類，一般會將糧食分為合格品、發(fā)霉品、質(zhì)量可疑品、腐敗品、蟲蛀品。變霉的谷物會對人體造成傷害，一般會引起檢驗人員的肺部疾病，在長期品聞糧食質(zhì)量過程中會對人體造成巨大的傷害，這在一定程度上會使相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員不足，令國民的身體健康遭到威脅。此外，靠檢驗人員根據(jù)氣味分辨變質(zhì)谷物存在著很大的主觀因素，檢驗人員會受情緒或機體體質(zhì)不同的影響出現(xiàn)判斷失誤的情況，且不利于給不同質(zhì)量標準的糧食進行分類。比如紅籽小麥摻雜在質(zhì)量標準達標的小麥中是很難區(qū)分出來的，人若食用了變質(zhì)小麥，輕者會產(chǎn)生身體不適的現(xiàn)象，當變質(zhì)糧食中含有黃曲霉毒素b1時就會發(fā)生中毒現(xiàn)象，一般中毒幾率會達到5%～15%。人工嗅覺系統(tǒng)利用信息化技術(shù)和生物學技術(shù)能夠很好的克服檢驗過程對檢驗人員身體的傷害和人工品聞主觀性強的困難[2]。

2.2 糧食質(zhì)量評定

當前商品市場上的糧食谷物多種多樣，相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)地、品種、生長環(huán)境、加工條件等都會對糧食的氣味造成影響，人工嗅覺系統(tǒng)中的傳感器能夠?qū)Σ煌N類的氣味做出不同程度的響應(yīng)，是評定糧食質(zhì)量的重要工具。隨著大眾對食品加工多樣性的追求度越來越高，糧食加工方式和加工程度越來越多元化，使得糧食質(zhì)量評定的標準越來越難以界定，糧食評定的工作難度也隨之增高，人工嗅覺系統(tǒng)需要從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、化學手段或物理手段等多種方面進行糧食氣味的數(shù)據(jù)分析。一般可以用氣相色譜法和GC-MS測量得到糧食中各物質(zhì)的組成成分，同時利用分離技術(shù)，作出對糧食中揮發(fā)性風味物質(zhì)進行全色譜分析。當前常用的分離技術(shù)有直接熱解法、固相提取法、快速溶劑提取法等，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在糧食質(zhì)量檢驗行業(yè)中得到了普遍的推廣與應(yīng)用。

當前相關(guān)研究已經(jīng)在人工嗅覺系統(tǒng)中加入了SIMCA（近紅外光譜）技術(shù)，該技術(shù)的透射光譜波長一般可達到700nm～1100nm，是集現(xiàn)代電子技術(shù)、化學計量技術(shù)、計算機技術(shù)為一體的現(xiàn)代光譜分析技術(shù)，能夠有效辨別出糧食中的帶殼與去殼糧食。這一技術(shù)突破，使得人工嗅覺系統(tǒng)在糧食質(zhì)量檢驗中的應(yīng)用性能進一步提高，促使人工嗅覺的智能化程度越來越高，優(yōu)化了糧食質(zhì)量檢驗的流程，使系統(tǒng)在操作過程中更加便捷，提升了糧食質(zhì)量檢驗工作的效率，為我國糧倉建設(shè)與糧食的流通提供了有效的檢驗工具[3]。

2.3 辨別糧食中變霉的谷物

糧食釋放出的氣味比較多元，不是由單一的成分組成的，而是由多種氣味綜合反映而來的。在利用人工嗅覺系統(tǒng)進行糧食質(zhì)量評定時，我們并不需要測量出所有氣味來評定糧食的質(zhì)量，甚至即使測量出全部氣味中的化學組合成分，我們也無法建立出具有科學代表性的數(shù)學邏輯表達式來，我們只需要利用人工嗅覺系統(tǒng)中n個氣敏傳感器所組成的陣列，對糧食樣本進行一次測量，即可的得到一個n維向量，若測量m個樣本，就能夠得到m組關(guān)于質(zhì)量的數(shù)學對應(yīng)關(guān)系。一般將糧食中的氣味通過傳感器時所產(chǎn)生的響應(yīng)曲線族作為一組數(shù)據(jù)，然后采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行質(zhì)量模式的識別，即可完成對糧食質(zhì)量好壞做出精準的評定。

主成分分析法是構(gòu)建人工嗅覺系統(tǒng)最為關(guān)鍵的技術(shù)模式，利用此技術(shù)能夠?qū)⒓Z食質(zhì)量分析過程中的低維空間清晰的表現(xiàn)出來，當氣味傳導到m個傳感器上時，組成的陣列所響應(yīng)出的矢量矩陣就會構(gòu)成一個多維空間X={x1，x2，…，xm}，此時就會計算出影響糧食質(zhì)量的多個主成分，繼而分辨出糧食質(zhì)量的分類。

3 結(jié)語

綜上所述，目前我國的人工嗅覺系統(tǒng)仍處于實驗階段，對其應(yīng)用相對較少，但其當前已經(jīng)具備了替代人工鑒別糧食質(zhì)量的功能，相信在未來的糧食質(zhì)量檢驗中會得到廣泛的應(yīng)用。通過人工嗅覺系統(tǒng)延伸人們的嗅覺能力，提高糧食質(zhì)量檢驗的水平，幫助糧食加工廠商有效控制糧食在生產(chǎn)及存儲過程中的質(zhì)量。