第六章人工嗅觉与人工味觉检测ppt课件.ppt

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1、食品无损检测,潘磊庆南京农业大学食品科技学院,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,2,第六章 人工嗅觉与人工味觉检测,香、酸、甜、苦、辣、咸人工：鼻和舌主观性化学分析法：色谱法、光谱法、毛细电泳法 复杂、结果单一-模拟动物和人的嗅觉和味觉功能-人工嗅觉系统：电子鼻人工味觉系统：电子舌 简单、快捷、准确、无损,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,3,主要的化学感受：味觉、嗅觉、三叉神经味觉：辨别进入口中的不挥发的化学物质；嗅觉：辨别容易挥发的物质；三叉神经：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种类。,2022年11

2、月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,4,味觉指纹分析仪（电子舌）（Electronic Tongue Analyzer）,气味指纹分析仪（电子鼻）（Electronic Nose Fingerprint Analyzer）,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,5,一 生物嗅觉与生物味觉,（一）生物嗅觉 嗅感：挥发性物质散发的气体分子与鼻腔内嗅觉神经反应所引起的刺激感，是一种生理反应。生理传导过程如下：,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,6,生物嗅觉是由气味物质分子刺激嗅觉感受器引起的。,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,7,

3、人的鼻腔中约有5000万个嗅觉细胞，单个嗅觉细胞生存期约22d，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嗅细胞，嗅球中经和大脑共同作用的结果。 一般来讲，从气味分子被嗅细胞表面吸附到产生嗅觉反应仅需0.2-0.3s. 人的嗅觉能够分辨出的气味约10000种。,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,8,（二）生物味觉,味觉的感受器是味蕾，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。 舌表面约有50万个香蕉型的味觉细胞。 在20-30味觉的灵敏度最高。 如图所示：,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,9,

4、2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,10,味感的形成阶段：,1：舌表面味蕾上的味觉细胞的生物膜感受味觉物质并形成生物电信号；2： 该生物电信号经神经纤维传至大脑；3： 大脑识别。味道：甜、咸、酸、苦、涩、辣、鲜,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,11,各味觉的化学缘由：,酸味：氢离子，盐酸、氨基酸甜味：蔗糖、葡萄糖苦味：奎宁、咖啡因鲜味：谷氨酸单钠、肌苷酸二钠咸味：钠离子味觉细胞膜的主要成分：脂质（酸、咸、苦）、蛋白质（苦，甜、鲜）、无机离子、少量的糖和核酸,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,12,二、人工嗅觉和人工味觉,（一）人

5、工嗅觉简介（1）人工嗅觉系统-电子鼻 Artificial Olfactory System,AOS 基本组成：气敏传感器阵列、信号预处理单元、模式识别单元 气体传感器阵列：有多个相互之间性能有所重叠的气体传感器构成；嗅觉的强度：既可用每个传感器的绝对电压、电阻或电导值表示，也可用相对信号值表示；,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,13,电子鼻的工作原理,x,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,14,识别方法:主要有统计模式识别和人工神经网络模式识别,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,15,2. 人工嗅觉研究进展,已经成熟应用于食

6、品、化妆品、香料、香精等的香气质量评定； 研究重点： （1）研究对微量、痕量气体分子瞬时敏感的检测器、以得到与气体成分相对应的信号。 （2）研究对检测的信号进行识别与分类的数据处理器，以便将有用信号与噪声加以分离。 （3）研究将测量数据转化为感官评定指标的智能解释器，以得到与人的感官相符的结果。,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,16,（二）人工味觉系统,Artificial Taste System,ATS ，电子舌 传统方法： 酸度：pH计 咸度：导电计 甜度：比重计、折光仪 缺陷：1.所测物理化学参数要受到外界非味觉物质的影响；2.所侧参数不能反映味觉物质之间的交互

7、作用产生的效果。故模拟不好实际的生物味觉感官功能。,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,17,电子舌的工作原理,5种主味酸甜苦咸鲜, ,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,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,18,人工味觉系统：多通道类脂膜味觉传感器和模式识别算法组成。原理：根据类脂、高聚物膜对味觉溶液物质产生电势变化。模式识别：神经网络和混沌识别,区分：酸甜苦鲜咸区分：咖啡、啤酒、日本米酒、牛奶酒类检测,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,19,传感器数目：7个

8、交叉选择性液体传感器+1个Ag/AgCl参比 电极.,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,20,第二节 人工嗅觉与人工味觉的传感器阵列及模式识别,人工嗅觉和人工味觉的仿生过程：,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,21,一、人工嗅觉和人工味觉传感器及传感器阵列,嗅觉传感器：由气敏元件、电路和其它部件一起组成的 传感装置。气敏元件：指能感知环境中某种气体（如CO,CO2, O2, Cl2等）及其浓度的一种元件。气体传感器应满足： 1. 具有较高的灵敏度和宽的动态响应范围； 2. 性能稳定，传感器的响应不随温度、湿度的变化 而发生变化； 3. 响应速度快，重

9、复性好； 4. 保养简单、价格便宜。,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,22,气敏传感器类型,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,23,注意：严格控制温度和湿度的影响,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,24,金属氧化物型半导体传感器MOS,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,25,石英晶体微天平传感器 (QCM ),2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,26,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,27,（二）味觉传感器阵列,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学

10、院,28,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,29,传感器阵列的模拟信号转换数字信号输入计算机中,被测嗅觉的强度可用每个传感器的输出的绝对电压、电阻或电导来表示。电子鼻数据中提出有效特征值：某点值、斜率、最大值、相对最大值、平均值、积分值等,使维数降低 。,二、人工嗅觉与人工味觉的模式识别,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,30,模式识别处理,多元数据统计分析方法（主要有主成分分析法PCA、偏最小二乘法PLS、聚类分析法CA、线性判别法LDA）等; 神经网络方法（反向神经网络BP、径向基结合径向基神经网络RBF); 模糊方法. 将多维响应信号转换为感官

11、评定指标值或组成成分的浓度值，得到被测气味定性分析结果的智能解释器。,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,31,第三节 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 应用领域：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。 国外已有了商品化的人工嗅觉系统，如表所示： 国内还停留在试验阶段。,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,32,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,33,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,34,MOS：金属氧化物传感

12、器CP：导电聚合物传感器；QCM：石英晶体谐振传感器；SAW：声表面波传感器IR：红外线光电传感器MOSEET：金属氧化硅场效应管传感器,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,35,电子鼻优点,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.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)和质量管理(QC)指标，从而使产品质量得到保.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

13、溶剂，是一项“绿色”检测技术。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.测试结果都基本上代表样品的整体性。气相色谱法(GC)、色谱-质谱联用技术(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11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,36,改进,改变阵列中各传感器的工作状态 (温度等）,使传感器阵列对不同的气味具有相异的选择性 ,进而实现以较少的气敏传感器对多种成分的混合气体的识别。需要提高降维方法的精度和改进模式识别方法，这样电子鼻的应用就会更方便与可靠，也将进

14、一步深入到现代科学技术的各个领域。研究将测量数据转换为感官评定指标的智能解释器,以得到与人的感官感受相符的结果。,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,37,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11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,38,浙江大学-王俊,2007.7龙井茶叶品质的电子鼻检测方法运用线性判别LDA对龙井

15、茶叶品质分级，BP神经网络30-12-4分析训练，总测试回判率90%。农业机械学报2007.8电子鼻判别小麦陈化年限的检测方法研究主成分分析PCA，神经网络30-12-4，训练样本正确率100%，测试样本正确率82.5%。 传感技术学报2005.7 番茄硬度的电子鼻评价与预测的研究园艺学报2007.5基于电子鼻雪青梨贮藏期检测的实验研究线性判别式分析法 ( LDA) 科技通报 2006.6不同储藏时间柑橘电子鼻检测研究 浙江农业学报,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,39,江苏大学-邹小波,2002.5电子鼻在饮料识别中的应用研究农业工程学报2004.5电子鼻技术在苹果质

16、量评定中的应用农机化研究2004.7电子鼻快速检测谷物霉变的研究农业工程学报2005.12 电子鼻在香精识别中的应用研究食品工业科技算法改进气体传感器阵列中特征参数的提取与优化遗传算法优化BP及RBF神经网络用于苹果气味分类遗传算法在电子鼻中的应用研究,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,40,二、人工味觉在食品检测中的应用,（一）人工味觉的应用概况 用于：咖啡、啤酒、离子饮料、饮用水等的品质检测 污染物的检测（Fe3+,Cu2+等）（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：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，从传感

17、器得到的电子信号通过A/D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。,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,41,多通道电子味觉装置,8个,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,42,人工味觉响应示意图,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,43,应用实例：,图1-15为区分: 2种酸（醋酸、柠檬酸）; 3种鲜味化合物（谷氨酸钠、肌苷酸二钠、鸟苷酸二钠） 结果：变化趋势相似，但响应强度不同。,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,44,阿尔法.莫斯电子鼻及电子舌技术及其在世界食品行业的应用,智能电子化

18、感官分析系统,智能电子化感官分析系统,公司简介什么是电子鼻和电子舌?为什么用智能电子感官技术?电子鼻和电子舌在世界食品行业的应用.世界食品行业用户对阿尔法.莫斯技术的推荐,阿尔法.莫斯公司简介,总部坐落在风景优雅的法国城市图卢兹世界最领先,唯一成熟的电子鼻和电子舌技术,被誉为“感官分析电子化的专家”.其技术已广泛应用于食品,烟酒,饮料,环保,香料和医药等行业的研发及质控电子鼻,电子舌95%的世界市场占有率.,食品应用代表用户,Bull Dog,Oil Market,Other Users in the Food Market,化妆品家用品代表用户,医药应用代表用户,IFBM (France,法

19、国IFBM葡萄酒厂), Anheuser Busch (USA,美国著名葡萄酒产家)Brown Forman (USA,美国著名啤酒产家)Coors Brewing (USA,康胜啤酒)Baccardi Corp (USA,美国葡萄酒产家)Scottish Courage (Scotland,苏格兰威士忌产家)Mastroberardino (Italy,意大利著名葡萄酒产家)Asahi Breweries (Japan 日本)Hakutsuru (Japan 日本)National Institute of Brewing (Japan 日本)Institute of Industrial

20、Research (Japan 日本 ) ,阿尔法.莫斯电子鼻, 电子舌世界酿酒行业的一些代表用户,法国ALTADIS, Phillips Morris(美国.菲利普莫里斯,瑞士.菲利普莫里斯), ITC(India, 印度烟草), Tobacco Research Institute (Taiwan, - 台湾.烟草研究院),Tobacco Research Institute (Korea, 韩国.烟草研究院), R J Reynolds (USA, 美国.雷诺烟草), Swedish Match (USA,美国.Swedish Match), Japan Tobacco (Japan,日

21、本烟草), BAT (Germany,德国.英美烟草), American Tobacco(USA,美国烟草) ChangDe Tobacco(中国常德卷烟厂),阿尔法.莫斯电子鼻, 电子舌世界烟草行业的一些代表用户,阿尔法.莫斯电子鼻, 电子舌世界奶业的一些代表用户,REFERENCE CUSTOMERS,FONTERRA (新西兰方塔拉乳业,NZ,) , Milk Institute (苏黎士牛奶研究所) MEIJI Milk (日本明治乳業式會社, Japan) Morinaga Milk (日本森永乳業式會社, Japan), DANONE (法国达能,France)Nestle (雀

22、巢,美国)KYODO Milk ( 日本KYODO乳業式會社)CJ Milk (南韩CJ乳业)Seoul Dairy (南韩汉城乳业)Unipresident (Taiwan, 统一奶业) .,什么是电子感官技术-电子鼻及电子舌?,电子感官技术-电子鼻及电子舌是应用电子化的化学检测方法,模拟人的感官感受, 如嗅觉，味觉等。真正的电子感官技术应具备以下条件：灵敏的检测手段检测信号可接收性电子感官模拟软件可解析检测信号，与人的感官感受相对应。电子感官技术的优点：灵敏度高，检测速度快具有客观性不疲劳，连续工作电子化，数据保留，结果可靠而稳定。,为什么要应用电子感官技术?,传统的感官分析由人的鼻,舌等

23、承当,灵敏度高,结果直观.传统的感官分析的局限易受人为状况影响-主观性不能定量不能数字化,系统化人员需经常培训工作时间短传统的仪器分析(如HPLC/UV, GC/FID)的局限数据难与感官反应产生关联只有人和先进的仪器技术相结合,才能产生最大的作用.,新产品研发和质量监控,- 香精香料,食品调料-食油-牛奶和乳制品-烟草酒业 食品包装,Food industry,阿尔法.莫斯电子鼻和电子舌在世界食品行业的应用,I. 香精香料,食品,调料,The Specialist in Smart sensing Systems,区分原料的原产地,Data source: Courtesy of Mc Co

24、rmick (1999),Cinnamon(肉桂),格林纳达,牙买加,瓜地马拉,咖啡香,柠檬,桔香,杏仁,香草,肉豆蔻,不同香精香料的PCA区分(FOX),Exploration and discrimination Allows user to present the useful information out of complex data setsPCA: Principal Component Analysis,米及谷物产地和新鲜度的区分,阿尔法.莫斯电子鼻和电子舌在世界食品行业的应用,泰米,美国长米,斯里南米,巴斯马蒂米,原材料:啤酒花,麦芽,酵母,谷物,木塞,橡木桶质量控制,烤焙

25、时间,气味调和,品牌定位,质量控制,新品开发,储存条件对气味/味道的影响,口味调和,品牌定位,新品开发,阿尔法.莫斯检测技术,阿尔法.莫斯电子鼻和电子舌酿酒行业的应用,流程质量控制:葡萄汁质量,发酵时间,威士忌,清酒,白酒的勾兑,电子品酒师工作之一:,区分不同气味的葡萄酒,威士异或白兰地芬芳馥郁型,或清新型,香料味型,刺痒型干红,半干红,干白葡萄酒中使人不愉快的气味，如醋酸乙酯、氧化、 霉味、苯乙烯等气味的检测.有助于酿酒工艺的改进,研发新酒把品酒师的经验数据化,系统化.辅助,校正品酒师工作.区分不同年限的葡萄酒,威士异或白兰地储存年限对酒的醇和度的影响威士异或白兰地的勾兑葡萄酒,威士异或白兰

26、地质量监控不同批次,季节,年度酒差异性缩小打击假冒伪劣产品,Finished Products,Filters,阿尔法.莫斯电子鼻在世界酿酒行业的应用例子,阿尔法.莫斯电子鼻在世界酿酒行业的应用例子(Kronos),葡萄酒中不纯气味的检测.,气味与化学物质的关系:,阿尔法.莫斯电子鼻在世界酿酒行业的应用例子(Kronos),葡萄酒中不纯气味的检测.,纯酒与受微量污染的不纯酒的分析:,原料质量控制:过滤嘴, 烟叶, 纸品等.,烟用添加剂:香料、香精、保润剂、助燃剂、防霉剂的质量控制,产品开发,包装材料质量控制:是否有异味?,储存条件对气味/味道稳定性的影响,品牌香烟的定位,烟雾味道分析,阿尔法.

27、莫斯检测技术,阿尔法.莫斯电子鼻和电子舌烟草行业的应用,阿尔法.莫斯电子舌技术及其在世界食品行业的应用,智能电子化感官分析系统,电子舌-ASTREE,专利产品味觉电化学传感器: 7个传感器组成 传感器束 1 个标准电极,电子舌信号接收处理系统,对用户最友好的多变量分析软件包 控制全自动进样机 定性味道分析 定量味道分析,全自动进样机(16 或48个样品),电子舌的灵敏度,味道味觉的基本 检测低限 (M)物质 人舌电子舌甜Sucrose10-21 x 10-6苦Caffeine0.7 x 10-31.5 x 10-6酸HCl9 x 10-41.9 x 10-6,电子舌:新产品开发及比较,食品,饮料,电子舌:食品饮料,怎样配方口味更好?是否有污染?产品稳定性怎样?与其它品牌相比我的产品口味如何?,SodaFruit juicesCoffeeTeaMineral waterWine, CognacBeerVinegarTobacco,电子舌:医药,安慰剂配方是否和真药味道相近? (clinical study),配方是否有效地掩饰药的苦味,药在口中融化的模拟,预测新药(API)的苦度,包衣是否有效?,如何最快达到最佳配方?,2022年11月13日星期日,南京农业大学食品科技学院,73,本章结束！Thank you!,