何家俊 鄧全富 張 環(huán) 陳 欣

(重慶登康口腔護(hù)理用品股份有限公司，重慶 江北 400025)

一直以來人們對加香產(chǎn)品的品質(zhì)優(yōu)劣等級劃分通常是以香氣、外觀、質(zhì)地、風(fēng)味等多個(gè)維度采用人工感官綜合評價(jià)的方法進(jìn)行的。隨著仿生生物學(xué)領(lǐng)域和人工智能的蓬勃發(fā)展，通過對人類和動(dòng)物體的嗅覺味覺感官的深入研究，人們研發(fā)出了可以模仿生物有機(jī)體嗅覺的人工智能識別系統(tǒng)——電子鼻[1,2]。特別是在風(fēng)味評價(jià)中，電子鼻的應(yīng)用既克服了傳統(tǒng)人工評價(jià)時(shí)所表現(xiàn)出來的受主觀性影響和可重復(fù)性不佳的問題，又解決了使用色譜法進(jìn)行分析檢測時(shí)繁瑣的樣品前處理，且不使用任何有機(jī)溶劑，不會(huì)對分析檢測人員的身體健康有所影響，是一種環(huán)?？煽康目焖俜治鰴z測手段[3,4]?；陔娮颖堑奶攸c(diǎn)和優(yōu)越性能，其在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、藥品工業(yè)、環(huán)境檢測和國家安全等方面。目前，電子鼻還未廣泛應(yīng)用于牙膏行業(yè)，本研究對電子鼻在牙膏風(fēng)味評價(jià)中的應(yīng)用和研究進(jìn)行綜述，為電子鼻技術(shù)在牙膏行業(yè)的發(fā)展提供一定的參考思路。

1 電子鼻的結(jié)構(gòu)及原理

電子鼻又稱氣味掃描儀，在檢測中充分發(fā)揮了其客觀性、可靠性和重現(xiàn)性等方面的優(yōu)點(diǎn)，主要用來識別、分析、檢測一些揮發(fā)性成分。

1.1 電子鼻的結(jié)構(gòu)

電子鼻的整個(gè)系統(tǒng)主要是由氣敏傳感器陣列、信號預(yù)處理單元和模式識別單元三大部分組成。氣敏傳感器陣列是電子鼻的核心部分，主要類型有導(dǎo)電型傳感器、壓電式傳感器、場效應(yīng)傳感器、光纖傳感器等，最常用的氣敏傳感器的材料為金屬氧化物、高分子聚合物材料、壓電材料等[5-7]。由于產(chǎn)品的氣味復(fù)雜，所以電子鼻的氣味感知部分往往采用多個(gè)具有不同選擇性的氣敏傳感器組成陣列，利用其對多種氣體的交叉敏感性，將不同的氣味分子在其表面的作用轉(zhuǎn)化為方便計(jì)算的且與時(shí)間相關(guān)的可測物理信號組，從而實(shí)現(xiàn)對混合氣體的分析。

1.2 電子鼻的原理

電子鼻的檢測過程就是人工模擬嗅覺形成的過程，首先由氣敏傳感器陣列對氣味產(chǎn)生信號，信號經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)行模式識別判斷，最后輸出對氣體組成成分定性和定量的檢測結(jié)果。在功能上氣敏傳感器陣列相當(dāng)于人的嗅覺感受細(xì)胞用來感受氣體并產(chǎn)生嗅覺信號；信號處理系統(tǒng)和模式識別系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦主要是對前面產(chǎn)生的嗅覺信號進(jìn)行判斷分析[8,9]。

2 電子鼻在牙膏風(fēng)味檢測中的應(yīng)用

在牙膏成品中，牙膏的風(fēng)味變化不僅關(guān)系到消費(fèi)者的切身利益，也與產(chǎn)品品質(zhì)的影響有著密切的關(guān)系。而電子鼻可以通過氣味檢測得到不同時(shí)期產(chǎn)品風(fēng)味表現(xiàn)的數(shù)據(jù)信號，從而做到對風(fēng)味變化進(jìn)行判別。

通常會(huì)采用兩種檢測的方式，一種是通過檢測多個(gè)已知樣品，在電子鼻的檢測結(jié)果中比較分析不同樣品之間的區(qū)別和聯(lián)系，從而建立一種關(guān)系或進(jìn)行區(qū)分；第二種是檢測已知樣品，得到結(jié)果后進(jìn)行記錄并確定為標(biāo)準(zhǔn)品。通過檢測未知樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比對，比較未知樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的差異性。本研究采用第一種檢測方式進(jìn)行研究。

2.1 材料與方法

2.1.1 材料與香料

膏體基料(出鍋不超過12小時(shí)) ，配制好的香精(圓熟48小時(shí)以上)。

2.1.2 儀器與設(shè)備

FOX4000電子鼻(法國阿爾法)；自動(dòng)進(jìn)樣器HS100；電子鼻標(biāo)配進(jìn)樣瓶。

表1 主要的技術(shù)參數(shù)

2.1.3 樣品制備

先將加調(diào)配好香精樣品分別加入膏體基料中(香精添加量1%)，然后分別在25℃、35℃、45℃、50℃的不同溫度條件進(jìn)行攪拌、脫氣制膏，最后將制得的膏體裝入空白牙膏管中封尾待用。

2.1.4 電子鼻檢測

準(zhǔn)確控制室溫25℃。從牙膏樣中取1g于20ml潔凈的電子鼻進(jìn)樣瓶中，在40℃條件下孵化20分鐘。

電子鼻試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：捕集溫度40℃，26s；進(jìn)樣量2000微升，進(jìn)樣速度125微升/秒。升溫程序：初始溫度50℃，以1℃/s升至80℃，再以3℃/s升至250℃，保留21s。

2.1.5 數(shù)據(jù)處理

將電子鼻得到的數(shù)據(jù)利用電子鼻自帶軟件AlphaSoft9.1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要采用主成分分析(PCA)。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 電子鼻分析雷達(dá)圖比較

采用電子鼻對四個(gè)不同制膏溫度樣品樣品NTA-1(25℃)、NTB-2(35℃)、NTC-3(45℃)、NTD-4(50℃)進(jìn)行揮發(fā)性風(fēng)味的強(qiáng)度分析，圖1為4個(gè)牙膏樣品的揮發(fā)性風(fēng)味強(qiáng)度進(jìn)行重疊比較的相應(yīng)雷達(dá)圖。由圖1可知，4個(gè)牙膏樣品揮重現(xiàn)性非常好，具有一致性，樣品NTA-1(25℃)、NTB-2(35℃)在前期揮發(fā)性風(fēng)味的強(qiáng)度更高，樣品NTC-3(45℃)、NTD-4(50℃)在后期揮發(fā)性風(fēng)味的強(qiáng)度更高。

圖1 四個(gè)牙膏樣品的雷達(dá)圖

2.2.2 主成分分析(PCA)

PCA是將所提取的傳感器多指標(biāo)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維度，并對降維后的特征向量進(jìn)行線性分類，最后通過在PCA分析的散點(diǎn)圖上顯示兩個(gè)主要維度的散點(diǎn)圖[10]。PC1和PC2上包含了在PCA轉(zhuǎn)換中得到的主成分1和主成分2的貢獻(xiàn)率，貢獻(xiàn)率越大，說明主要成分可以較好地反映原來多指標(biāo)的信息。

主成分1貢獻(xiàn)率92.273%，主成分2貢獻(xiàn)率為5.892%

2.3 結(jié)論

雷達(dá)圖風(fēng)味強(qiáng)度分析中可以看出樣品NTA-1(25℃)與NTB-2(35℃)頭香部分風(fēng)味較為豐滿，樣品NTC-3(45℃)與樣品NTD-4(50℃)底香部分風(fēng)味更加突出，說明制膏過程中溫度會(huì)對牙膏風(fēng)味平衡造成一定影響。

PCA分析中，主成分1貢獻(xiàn)率92.273%，主成分2貢獻(xiàn)率5.892%，兩個(gè)主成分區(qū)分貢獻(xiàn)度和為98.165%，只要大于90%就可以表示兩個(gè)主成分已經(jīng)基本代表了樣品主要信息特征。同時(shí)，PCA的區(qū)分度達(dá)到98.165%。由圖2可以看出，樣品NTA-1(25℃)分別與NTB-2(35℃)、NTC-3(45℃)的分布區(qū)域較遠(yuǎn)，差別比較明顯；樣品NTC-3(45℃)與樣品NTD-4(50℃)分布幾乎重疊，差別不明顯。通過PCA分析可以將在特定溫度條件下所制得的膏體風(fēng)味區(qū)分開。

圖2 四個(gè)牙膏樣品PCA分析

3 展望

電子鼻作為集仿生學(xué)、傳感器和計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的新型仿生檢測技術(shù)，提供了一種客觀、具有良好重復(fù)性的辨別方法，可以結(jié)合人工感官方式更好對產(chǎn)品進(jìn)行評價(jià)。電子鼻在各種檢測中，由于其測定快速，還可與色譜儀連用，加大產(chǎn)品鑒別能力，得到有效的利用。將來隨著生物芯片(基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、組織芯片、生物傳感器芯片)和生物信息學(xué)的發(fā)展，隨著傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、模式識別、人工智能、模糊理論、概率統(tǒng)計(jì)等交叉的新興學(xué)科的發(fā)展，其功能必將進(jìn)一步增強(qiáng)。電子鼻作為一個(gè)流行技術(shù)已經(jīng)給眾多行業(yè)帶來較高的實(shí)用性，以其獨(dú)特的功能，在牙膏生產(chǎn)工藝控制、貨架期預(yù)測、品質(zhì)檢測等方面也將有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。