食品无损检测人工嗅觉与人工味觉检测PPT课件

食品无损检测食品无损检测2022年6月6日星期一2第六章第六章 人工嗅觉与人工味觉检测人工嗅觉与人工味觉检测 香、酸、甜、苦、辣、咸香、酸、甜、苦、辣、咸 人工人工：鼻和舌：鼻和舌主观性主观性 化学分析法化学分析法：色谱法、光谱法、毛细电泳法：色谱法、光谱法、毛细电泳法 复杂、结果单一复杂、结果单一 -模拟动物和人的嗅觉和味觉功能模拟动物和人的嗅觉和味觉功能- 人工嗅觉系统人工嗅觉系统：电子鼻：电子鼻 人工味觉系统人工味觉系统：电子舌：电子舌 简单、快捷、准确、无损简单、快捷、准确、无损2022年6月6日星期一3主要的化学感受主要的化学感受：味觉、嗅觉、三叉神经：味觉、嗅觉、三叉神经味觉味觉：辨别进入口中的不挥发的化学物质；：辨别进入口中的不挥发的化学物质；嗅觉嗅觉：辨别容易挥发的物质；：辨别容易挥发的物质；三叉神经三叉神经：感受体分布在黏膜和皮肤上，对挥发和：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不会发的物质均有作用，能区分刺激和化学反应的种类。种类。2022年6月6日星期一4一一 生物嗅觉与生物味觉生物嗅觉与生物味觉（一）生物嗅觉（一）生物嗅觉 嗅感：挥发性物质散发的挥发性物质散发的气体分子气体分子与鼻腔内与鼻腔内嗅觉神经嗅觉神经反反应所引起的应所引起的刺激感刺激感，是一种生理反应。生理传导过程如下：，是一种生理反应。生理传导过程如下：2022年6月6日星期一5生物嗅觉是由气味生物嗅觉是由气味物质分子刺激嗅觉物质分子刺激嗅觉感受器引起的。感受器引起的。2022年6月6日星期一6 人的鼻腔中约有人的鼻腔中约有50005000万万个嗅觉细胞，单个嗅觉细胞生存期个嗅觉细胞，单个嗅觉细胞生存期约约22d22d，灵敏度不高，选择性差。，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，嗅球中经和大脑嗅细胞，嗅球中经和大脑共同作用的结果。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应仅需0.2-0.30.2-0.3s.s. 人的嗅觉能够分辨出的气味约人的嗅觉能够分辨出的气味约1000010000种。种。2022年6月6日星期一7（二）生物味觉（二）生物味觉 味觉的感受器是味觉的感受器是味蕾味蕾，主要分布在舌背部表面和舌缘，口腔和咽部黏膜的，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。表面也有零散的味蕾存在。 舌表面约有舌表面约有5050万个香蕉型万个香蕉型的味觉细胞。的味觉细胞。 在在20-3020-30味觉的灵敏度最高。味觉的灵敏度最高。 如图所示：如图所示：2022年6月6日星期一82022年6月6日星期一9味感的形成阶段：味感的形成阶段： 1 1：舌表面味蕾上的味觉细胞的生物膜感受味觉物质：舌表面味蕾上的味觉细胞的生物膜感受味觉物质并形成并形成生物电信号生物电信号； 2 2： 该生物电信号经神经纤维传至该生物电信号经神经纤维传至大脑大脑； 3 3： 大脑大脑识别识别。 味道味道： 甜、咸、酸、苦、甜、咸、酸、苦、涩、辣、鲜涩、辣、鲜2022年6月6日星期一10各味觉的化学缘由：各味觉的化学缘由： 酸味酸味：氢离子，盐酸、氨基酸：氢离子，盐酸、氨基酸 甜味甜味：蔗糖、葡萄糖：蔗糖、葡萄糖 苦味苦味：奎宁、咖啡因：奎宁、咖啡因 鲜味鲜味：谷氨酸单钠、肌苷酸二钠：谷氨酸单钠、肌苷酸二钠 咸味咸味：钠离子：钠离子 味觉细胞膜的主要成分味觉细胞膜的主要成分：脂质（酸、咸、苦）、蛋白：脂质（酸、咸、苦）、蛋白质（苦，甜、鲜）、无机离子、少量的糖和核酸质（苦，甜、鲜）、无机离子、少量的糖和核酸2022年6月6日星期一11二、人工嗅觉和人工味觉二、人工嗅觉和人工味觉（一）人工嗅觉简介（一）人工嗅觉简介（1 1）人工嗅觉系统）人工嗅觉系统-电子鼻电子鼻 Artificial Olfactory System,AOS Artificial Olfactory System,AOS 基本组成基本组成：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 气体传感器阵列气体传感器阵列：有多个相互之间：有多个相互之间性能有所重叠性能有所重叠的气体传感器构成；的气体传感器构成； 嗅觉的强度嗅觉的强度：既可用每个传感器的绝对：既可用每个传感器的绝对电压、电阻或电导电压、电阻或电导值表示，值表示，也可用相对信号值表示；也可用相对信号值表示； 2022年6月6日星期一12电子鼻的工作原理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x2022年6月6日星期一13 识别方法识别方法: :主要有统计模式识别和人工神经网络模式识别主要有统计模式识别和人工神经网络模式识别2022年6月6日星期一142. 2. 人工嗅觉研究进展人工嗅觉研究进展 已经成熟应用于食品、化妆品、香料、香精等的香气质量评定；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：研究重点： （1 1）研究对）研究对微量、痕量微量、痕量气体分子气体分子瞬时敏感瞬时敏感的检测器、以得到与的检测器、以得到与气体成气体成分相对应的信号。分相对应的信号。 （2 2）研究对检测的信号进行识别与分类的）研究对检测的信号进行识别与分类的数据处理数据处理器，以便将器，以便将有用信有用信号与噪声加以分离。号与噪声加以分离。 （3 3）研究将测量数据转化为感官评定指标的）研究将测量数据转化为感官评定指标的智能解释器智能解释器，以得，以得到与人到与人的感官相符的结果。的感官相符的结果。2022年6月6日星期一15（二）人工味觉系统（二）人工味觉系统 Artificial Taste System,ATS Artificial Taste System,ATS ，电子舌，电子舌 传统方法传统方法： 酸度酸度：pHpH计计 咸度咸度：导电计：导电计 甜度甜度：比重计、折光仪：比重计、折光仪 缺陷缺陷： 1.1.所测物理化学参数要受到外界所测物理化学参数要受到外界非味觉物质非味觉物质的影响；的影响； 2.2.所侧参数不能反映味觉物质之间的所侧参数不能反映味觉物质之间的交互作用产生的交互作用产生的效果效果。故模拟不好实际的生物味觉感官功能。故模拟不好实际的生物味觉感官功能。2022年6月6日星期一16电子舌的工作原理5种主味种主味酸酸甜甜苦苦咸咸鲜鲜 结论味道滑润纯正滑润纯正 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Salty tasteSalty taste2022年6月6日星期一17 人工味觉系统人工味觉系统：多通道：多通道类脂膜味觉传感器类脂膜味觉传感器和和模式识别模式识别算法组成。算法组成。 原理原理：根据类脂、高聚物膜对味觉溶液物质产生根据类脂、高聚物膜对味觉溶液物质产生电势变化电势变化。 模式识别模式识别：神经网络和混沌识别：神经网络和混沌识别区分区分：酸甜：酸甜苦鲜咸苦鲜咸区分区分：咖啡、：咖啡、啤酒、日本啤酒、日本米酒、牛奶米酒、牛奶酒类检测酒类检测2022年6月6日星期一18第二节第二节 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：人工嗅觉和人工味觉的仿生过程：2022年6月6日星期一19一、人工嗅觉和人工味觉传感器及传感器阵列一、人工嗅觉和人工味觉传感器及传感器阵列嗅觉传感器嗅觉传感器：由气敏元件、电路和其它部件一起组成的：由气敏元件、电路和其它部件一起组成的 传感装置。传感装置。气敏元件气敏元件：指：指能感知环境中某种气体能感知环境中某种气体（如（如CO,COCO,CO2 2, O, O2 2, , Cl Cl2 2等）及其浓度的一种元件。等）及其浓度的一种元件。气体传感器应满足：气体传感器应满足： 1. 1. 具有较高的具有较高的灵敏度灵敏度和宽的和宽的动态响应动态响应范围；范围； 2. 2. 性能性能稳定稳定，传感器的响应不随温度、湿度的变化，传感器的响应不随温度、湿度的变化 而发生变化；而发生变化； 3. 3. 响应响应速度快速度快，重复性好重复性好； 4. 4. 保养简单、价格便宜。保养简单、价格便宜。2022年6月6日星期一20分类分类原理原理优点优点缺点缺点金属氧化金属氧化物型半导物型半导体体传感器传感器及其阵列及其阵列 吸附气味分子后会引起吸附气味分子后会引起电阻下电阻下降降产生负的电信号。产生负的电信号。 活性材料活性材料: SnO2ZnO2TiO3 : SnO2ZnO2TiO3 等等 衬底材料衬底材料: :采用硅、玻璃和塑料。采用硅、玻璃和塑料。选择性高、稳选择性高、稳定性好、能耗定性好、能耗小、寿命长、小、寿命长、耐腐蚀性强等耐腐蚀性强等宽的适用范围宽的适用范围较低的成本较低的成本 工作温度较高工作温度较高 , ,长时间长时间工作后响应基准值易发工作后响应基准值易发生漂移生漂移对气体混合物中的硫化对气体混合物中的硫化物呈物呈“中毒中毒 ” ”反应反应, ,受受水汽影响大等缺点。水汽影响大等缺点。导电高分导电高分子子传感器传感器及其阵列及其阵列 (CP)(CP)活性材料活性材料: :噻吩、吲哚、呋喃等成噻吩、吲哚、呋喃等成分构成的导电聚合物。分构成的导电聚合物。发生发生聚合聚合反应引起反应引起电阻电阻增加增加 , ,产产生正的信号。生正的信号。体积小、能耗体积小、能耗小、常温下工小、常温下工作而无需加热作而无需加热 有利于向便携有利于向便携方向发展方向发展活性材料电聚合过程较活性材料电聚合过程较为困难和费时为困难和费时接触响应也存在随时间接触响应也存在随时间发生漂移的现象。发生漂移的现象。对湿度过于敏感对湿度过于敏感 , ,严重严重时会干扰常响应时会干扰常响应质量传感质量传感器器及其阵及其阵列列一类是石英晶体微天平传感器一类是石英晶体微天平传感器 (QCM )(QCM )一类是声表面波传感器一类是声表面波传感器(SAW)(SAW)灵敏度高、信灵敏度高、信号易于微机处号易于微机处理及抗传输干理及抗传输干扰等优点扰等优点气敏传感器类型气敏传感器类型2022年6月6日星期一21注意：注意：严格控制严格控制温度和湿度温度和湿度的影响的影响2022年6月6日星期一22金属氧化物型半导体传感器金属氧化物型半导体传感器MOSMOS2022年6月6日星期一232022年6月6日星期一24（二）味觉传感器阵列（二）味觉传感器阵列2022年6月6日星期一252022年6月6日星期一26 传感器阵列的模拟信号转换传感器阵列的模拟信号转换数字信号数字信号输入计算机中输入计算机中, ,被测嗅觉的强度可被测嗅觉的强度可用每个传感器的输出的用每个传感器的输出的绝对电压、电阻或电导绝对电压、电阻或电导来表示。来表示。 电子鼻数据中提出电子鼻数据中提出有效特征值有效特征值：某点值、斜率、最大值、相对最大值、某点值、斜率、最大值、相对最大值、平均值、积分值平均值、积分值等等, ,使维数降低使维数降低 。二、人工嗅觉与人工味觉的模式识别二、人工嗅觉与人工味觉的模式识别2022年6月6日星期一27模式识别处理模式识别处理 多元数据统计分析方法多元数据统计分析方法（主要有主成分分析法（主要有主成分分析法PCAPCA、偏最小二乘法、偏最小二乘法PLSPLS、聚聚类分析法类分析法CACA、线性判别法、线性判别法LDALDA）等）等; ; 神经网络方法神经网络方法（反向神经网络（反向神经网络BPBP、径向基结合径向基神经网络、径向基结合径向基神经网络RBF);RBF); 模糊方法模糊方法. . 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，得到被测气测气味定性分析结果的智能解释器。味定性分析结果的智能解释器。2022年6月6日星期一28第三节第三节 人工嗅觉与人工味觉技术在食品检测中的应用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一）人工嗅觉技术应用简介 应用领域应用领域：酒类、茶叶、鱼类、肉类等食品挥发气味。：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。质量分级和新鲜度判别。 国外国外已有了已有了商品化商品化的人工嗅觉系统，如表所示：的人工嗅觉系统，如表所示： 国内国内还停留在还停留在试验试验阶段。阶段。2022年6月6日星期一292022年6月6日星期一302022年6月6日星期一31 MOSMOS：金属氧化物传感器：金属氧化物传感器 CPCP：导电聚合物传感器；：导电聚合物传感器； QCMQCM：石英晶体谐振传感器；：石英晶体谐振传感器； SAWSAW：声表面波传感器：声表面波传感器 IRIR：红外线光电传感器：红外线光电传感器 MOSEETMOSEET：金属氧化硅场效应管传感器：金属氧化硅场效应管传感器2022年6月6日星期一32电子鼻优点电子鼻优点1.1.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。2.2.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)(QA)和质量管理(QC)(QC)指标，从而使产品质量得到保. .3.3.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。4.4.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。5.5.测试结果都基本上代表样品的整体性。气相色谱法(GC)(GC)、色谱- -质谱联用技术(GC-MS)(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。2022年6月6日星期一33改进改进 改变改变阵列中各传感器的阵列中各传感器的工作状态工作状态 ( (温度等）温度等）, ,使传感器阵列对不使传感器阵列对不同的气味具有同的气味具有相异的选择性相异的选择性 , ,进而实现以进而实现以较少较少的气敏传感器对的气敏传感器对多多种成分种成分的混合气体的识别。的混合气体的识别。 需要提高降维方法的需要提高降维方法的精度精度和改进和改进模式识别方法模式识别方法，这样电子鼻的应，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。域。 研究将测量数据转换为感官评定指标的研究将测量数据转换为感官评定指标的智能解释器智能解释器, ,以得到与人以得到与人的感官感受相符的结果。的感官感受相符的结果。2022年6月6日星期一34 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。2022年6月6日星期一35二、人工味觉在食品检测中的应用二、人工味觉在食品检测中的应用（一）人工味觉的应用概况（一）人工味觉的应用概况 用于用于：咖啡、啤酒、离子饮料、饮用水等的品质检测咖啡、啤酒、离子饮料、饮用水等的品质检测 污染物的检测（污染物的检测（FeFe3+3+,Cu,Cu2+2+等）等）（二）多通道人工味觉系统在食品味道检测中的应用（二）多通道人工味觉系统在食品味道检测中的应用 装置及原理装置及原理：用类脂膜构成的多通道电极制成，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感器得到的电子信号通过A/DA/D转化为数字信号，然后进入转化为数字信号，然后进入计算机进行模式识别处理，得出相应的味道。计算机进行模式识别处理，得出相应的味道。2022年6月6日星期一36多通道电子味觉装置8个个2022年6月6日星期一37人工味觉响应示意图2022年6月6日星期一38应用实例：应用实例： 图图1-151-15为为区分区分: : 2 2种种酸酸（醋酸、柠檬酸）（醋酸、柠檬酸）; ; 3 3种种鲜味化合物鲜味化合物（谷氨酸钠、肌苷酸二钠、鸟苷酸二钠）（谷氨酸钠、肌苷酸二钠、鸟苷酸二钠） 结果结果：变化趋势相似，但响应强度不同。：变化趋势相似，但响应强度不同。2022年6月6日星期一392022年6月6日星期一40第六章第六章 人工嗅觉与人工味觉检测人工嗅觉与人工味觉检测 香、酸、甜、苦、辣、咸香、酸、甜、苦、辣、咸 人工人工：鼻和舌：鼻和舌主观性主观性 化学分析法化学分析法：色谱法、光谱法、毛细电泳法：色谱法、光谱法、毛细电泳法 复杂、结果单一复杂、结果单一 -模拟动物和人的嗅觉和味觉功能模拟动物和人的嗅觉和味觉功能- 人工嗅觉系统人工嗅觉系统：电子鼻：电子鼻 人工味觉系统人工味觉系统：电子舌：电子舌 简单、快捷、准确、无损简单、快捷、准确、无损2022年6月6日星期一41各味觉的化学缘由：各味觉的化学缘由： 酸味酸味：氢离子，盐酸、氨基酸：氢离子，盐酸、氨基酸 甜味甜味：蔗糖、葡萄糖：蔗糖、葡萄糖 苦味苦味：奎宁、咖啡因：奎宁、咖啡因 鲜味鲜味：谷氨酸单钠、肌苷酸二钠：谷氨酸单钠、肌苷酸二钠 咸味咸味：钠离子：钠离子 味觉细胞膜的主要成分味觉细胞膜的主要成分：脂质（酸、咸、苦）、蛋白：脂质（酸、咸、苦）、蛋白质（苦，甜、鲜）、无机离子、少量的糖和核酸质（苦，甜、鲜）、无机离子、少量的糖和核酸2022年6月6日星期一42二、人工嗅觉和人工味觉二、人工嗅觉和人工味觉（一）人工嗅觉简介（一）人工嗅觉简介（1 1）人工嗅觉系统）人工嗅觉系统-电子鼻电子鼻 Artificial Olfactory System,AOS Artificial Olfactory System,AOS 基本组成基本组成：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 气体传感器阵列气体传感器阵列：有多个相互之间：有多个相互之间性能有所重叠性能有所重叠的气体传感器构成；的气体传感器构成； 嗅觉的强度嗅觉的强度：既可用每个传感器的绝对：既可用每个传感器的绝对电压、电阻或电导电压、电阻或电导值表示，值表示，也可用相对信号值表示；也可用相对信号值表示； 2022年6月6日星期一43电子鼻的工作原理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x2022年6月6日星期一44（二）味觉传感器阵列（二）味觉传感器阵列2022年6月6日星期一45应用实例：应用实例： 图图1-151-15为为区分区分: : 2 2种种酸酸（醋酸、柠檬酸）（醋酸、柠檬酸）; ; 3 3种种鲜味化合物鲜味化合物（谷氨酸钠、肌苷酸二钠、鸟苷酸二钠）（谷氨酸钠、肌苷酸二钠、鸟苷酸二钠） 结果结果：变化趋势相似，但响应强度不同。：变化趋势相似，但响应强度不同。