CN102590283B

CN102590283B - 利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法

Info

Publication number: CN102590283B
Application number: CN2012100135476A
Authority: CN
Inventors: 惠国华; 王绿野; 磨艳红; 张凌霞
Original assignee: Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Zhejiang Gongshang University
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2032-01-17
Also published as: CN102590283A

Abstract

本发明公开了一种利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法，包括下述步骤：将待检测草鱼样品放入样品容器中，静置30min；常温下将电子鼻的进样针头插入样品容器，同时将装有活性炭的空气滤清器插入样品容器以平衡气压，开启电子鼻将静置的样品所散发出的气体吸入电子鼻气室；电子鼻气室内的气体传感器阵列对样品所散发出的气体进行检测，检测时间为50s；收集气体传感器阵列采集的数据，对采集的数据进行数据处理，根据数据处理结果评定草鱼新鲜度。本发明具有分析过程简单、样品用量小、准确；成本低、易于普及推广的优点。

Description

利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法

技术领域

本发明涉及鱼类新鲜度检测领域，更具体地说，是涉及一种基于气体传感器阵列的利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法。

背景技术

草鱼（Grass carp）是中国淡水养殖的四大家鱼之一。草鱼肉性味甘、温、无毒，有暖胃和中之功效，肉质肥嫩，味道鲜美，具有较高的营养价值。

新鲜度是鱼类或鱼类制品质量的一个重要指标，对产品最终质量十分重要。现已发展了一系列的指标和方法来评价鱼肉鲜度，如感官评价方法、微生物学方法、物理及化学方法等，但以上检测方法较难满足准确、快速检测的要求。普遍存在着检测过程繁琐、成本高、耗时长等缺点。

目前，用于电子鼻的气敏传感器普遍存在基线漂移、重复性差等问题，影响检测结果的准确性，成为电子鼻技术发展的壁垒。此外，传统模式的识别方法主要包括主成分分析法、因子分析、聚类分析、偏最小二乘法、人工神经网络等，但这些方法存在一定局限性。主成分分析法将原始多维数据降维至少数几个变量，通过计算主成分函数得分来评价原始数据的信息贡献影响力。但当主成分的因子负荷的符号有正有负时，评价函数意义就不明确。因子分析重组原始变量信息以寻求影响变量的共同因子，但该方法在计算因子得分时采用最小二乘法可能导致结果失效。聚类分析在样本量较大时获得聚类结果较为困难。偏最小二乘法可有效地克服样本容量低于变量个数时回归建模的问题，但存在影响点就会使回归结果失效。人工神经网络在输入样本较多的情况下会出现训练效率降低、预报精度下降的问题，需反复学习。同时，以上模式识别方法可以定性的区分样品，但基本无法量化样品区分信息。

中国专利授权公告号：CN101382531A ，授权公告日2009年3月11日，公开了一种利用电子鼻检测虾新鲜度的方法，包括下述步骤：将待检测虾样品放入密封容器中，恒温水浴加热；在测试室中通入流速稳定的气体，将加热后的虾样品放入测试室中，使气流携带样品散发出的气味经过由5个不同类型的气体传感器组成的阵列进行检测；收集气体传感器阵列采集的数据，对采集的数据进行数据处理，根据数据处理结果评定虾新鲜度。该发明的不足之处是过程繁琐、成本高、耗时长、传感器基线易漂移。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的过程繁琐、成本高、耗时长、传感器基线漂移等的不足，提供了一种简便、快速、有效的利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法。

本发明为达到上述目的所采用的具体技术方案为：

一种利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法，包括下述步骤：

（1）将待检测草鱼样品放入样品容器中，静置30min；

（2）常温下将电子鼻的进样针头插入样品容器，同时将装有活性炭的空气滤清器插入样品容器以平衡气压，开启电子鼻将静置的样品所散发出的气体吸入电子鼻气室；

（3）电子鼻气室内的气体传感器阵列对样品所散发出的气体进行检测，检测时间为50s；

（4）收集气体传感器阵列采集的数据，对采集的数据进行数据处理，根据数据处理结果评定草鱼新鲜度。

电子鼻是模仿人和动物的鼻子，用于分析、识别、检测复杂气味和挥发性成分的新型仪器，与常用的分析仪器（如色谱仪、光谱仪等）相比，电子鼻具有客观、准确、快捷地评价气味，并且重复性好的特点，其应用越来越广泛。它利用气体传感器阵列的响应曲线来识别样品的挥发性气味。近年来，电子鼻检测技术已被国内外学者广泛应用于牛奶、谷物、肉类等食品的新鲜度研究中。

本发明的检测原理为：被测草鱼样品挥发出的气体作用于电子鼻传感器阵列，引起各传感器的电导率发生变化，该变化与各传感器特异性敏感气体的种类、浓度有关，该相互关系可以作为标定被测样品信息的依据。具体来说一种气体呈现在一个传感器面前，传感器把气体输入转换成电信号，多个传感器对一种气体的响应便构成了传感器阵列对该气味的响应谱，每种气体都会有它的特征响应，根据多传感器的特征响应便可区分气体的种类、浓度。

不同新鲜度的草鱼样品其挥发性气体成分也不同，用电子鼻跟踪草鱼样品挥发性气体的变化，以非线性随机共振处理电子鼻检测信号并提取新鲜度特征值，实现草鱼新鲜度检测的目标。

作为优选，所述步骤（3）中气体传感器阵列包括及挥发性硫化物气体传感器、可燃气体传感器、挥发性的氨类或胺类气体传感器、乙醇类传感器、芳香性气体传感器、烷烃类气体传感器和挥发性氮氧化物传感器。传感器类型在选择上必须确保具有交叉特异性敏感，并可适当增加传感器数量以适应传感器阵列优化的需要。

作为优选，通过电子鼻气室的气体流量为800~1200ml/min。

作为优选，步骤（4）中对采集的数据进行处理的过程包括下述步骤：

（4-1）提取气体传感器阵列的响应特征值，响应特征值包括初始值（Vs）、稳定值（Ve）、上升时间（Ti）、上升速率（

Figure 2012100135476100002DEST_PATH_IMAGE002

）。

初始值（Vs）为电子鼻在检测之前经滤清空气清洗所达到的基线值；稳定值（Ve）为草鱼样品电子检测过程中响应值所达到的稳定值；上升时间（Ti）为电子鼻从开始检测到响应达到稳定值所需要的时间；上升速率可由初始值、稳定值和上升之间计算得到：

。

（4-2）将非线性随机共振算法固化于电子鼻内置的数字信号处理器（DSP）内，将电子鼻响应原始特征值输入DSP以计算输出信噪比谱特征值。非线性随即共振算法如下所示：

随机共振系统包含三个因素：双稳态系统，输入信号和外噪声源，通常以一个在双稳态势阱中被周期力驱动的过阻尼布朗运动粒子来描述系统特性：

(1)

为非线性对称势函数，

为高斯白噪声，其自相关函数为：

，

是输入信号强度，

是调制信号频率，

是噪声强度，

是一个实参数，

(2)

因此式（1）可以改写为：

(3)

信噪比是表征随机共振特性常用的参量，我们将信噪比定义为：

(4)

（4-3）根据信噪比谱特征值计算草鱼新鲜度值。

作为优选，使用电子鼻实验检测多组不同新鲜度的草鱼样品的信噪比特征值SNR_max；

根据草鱼样品的信噪比特征值拟合得到草鱼新鲜度预测模型：

其中，SNR_max为信噪比特征值。Tstorage为草鱼新鲜度参数；实际检测过程中，不同贮藏温度的草鱼样品的新鲜度预测模型均不同。

作为优选，步骤（4-3）中根据信噪比谱特征值计算草鱼新鲜度值包括以下步骤：

将信噪比特征值SNR_max代入草鱼新鲜度预测模型的公式中计算草鱼新鲜度参数Tstorage。

作为优选，评定草鱼新鲜度的过程，包括如下步骤：

（7-1）根据国家生鲜水产品的卫生标准SC-T 3108-1986中细菌指标，确定不同存放时间草鱼样品的鲜度等级。其中鲜度等级可分为：一级鲜度（菌落总数<1.0×10⁴CFU/g），二级鲜度（1.0×10⁴CFU/g<菌落总数<1.0×10⁶CFU/g），货架期终点（菌落总数>1.0×10⁶CFU/g）；

（7-2）根据GB-4789.2-2010操作测量不同存放时间草鱼样品的菌落总数，并根据步骤（7-1）确定不同等级草鱼样品的时间临界值，一级鲜度时间临界值S1，二级鲜度时间临界值S2，货架期终点时间临界值S3；

（7-3）将电子鼻测得的草鱼新鲜度参数Tstorage与草鱼样品的时间临界值进行关联，以确定一级鲜度临界值T1（对应S1），二级鲜度临界值T2（对应S2），货架期终点临界值T3（对应S3）；

（7-4）若草鱼样品电子鼻测量值Tstorage<T1，则为一级新鲜度；若草鱼样品电子鼻测量值T1≤Tstorage<T2，则为二级鲜度；若草鱼样品电子鼻测量值Tstorage≥T2，则草鱼样品已达到货架期终点。

因此，本发明具有下述有益效果：

（1）本发明的检测方法采用由8类传感器组成的电子鼻对草鱼样品进行检测，检测结果客观、准确、快捷，重复性好，并且只要试验检测草鱼样品的电子鼻响应，并计算得到样品的信噪比特征值就可以实现草鱼样品新鲜度检测的目的，分析过程简单，样品用量小，具有便捷、快速、低廉、准确等优势；

（2）本发明的检测方法无需把草鱼样品制成肉泥，简化了检测操作过程，而且减少了草鱼制成肉泥的处理过程对检测结果的影响；

（3）本发明的检测方法气体直接通过检测的传感器阵列，气体能够充分的与传感器接触，检测时间短；

（4）本发明成本低，易于普及推广。

附图说明

图1是本发明的一种检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例是一种利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法，采用的电子鼻系统主要包括数据采集、调理与传输单元，传感器阵列和气室，以及供气动力装置三大部分，并配有装有活性炭的空气滤清器。数据采集、调理与传输单元核心器件采用嵌入式微控制器，可实现传感器阵列信号采集、传输，泵阀开启控制等功能。供气动力装置包括气体采样泵、清洗泵、电磁阀等部件。电子鼻测试系统进行测试时，气室清洗泵将滤清器产生的纯净空气送入传感器气室，校准传感器。之后在气体采样泵的带动下，以进样针头吸取容器中样品挥发出的气体进入传感器气室，与传感器接触后产生响应信号，最后通过出气口排放。传感器响应信号经过数据采集单元由便携式计算机记录、保存并处理，最终显示该样品的新鲜度等级。

本发明是一种利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法，检测4℃贮藏的草鱼样品。

（1）将待检测草鱼样品25克放入样品容器内静置30min；

（2）在检测样品前，先将常温下由清洗泵将滤清器产生的纯净空气通入传感器气室，对传感器响应进行校准。校准完毕后在常温下用电子鼻的进样针头吸取已静置30min的样品所挥发出的气体，吸取时间为50s，挥发气体信息由电子鼻装置中的气体传感器阵列进行检测。

（3）收集气体传感器阵列中第一传感器即硫化物传感器TGS-825、第二传感器即氢气传感器TGS-821、第三传感器即氨气传感器TGS-826、第四传感器即酒精、甲苯、二甲苯等传感器TGS-822、第五传感器即碳氢组分气体（C1～C8）传感器TGS-842、第六传感器即甲烷、丙烷、丁烷传感器TGS-813、第七传感器即丙烷、丁烷传感器TGS-2610、第八传感器即氮氧化物传感器TGS-2210采集的数据。传感器阵列输出信号与采集时间的关系表如表1所示。

从所得数据中提取电子鼻响应数据的初始值（Vs）、稳定值（Ve）、上升时间（Ti）、上升速率（

）4个原始特征值，输入到电子鼻系统内固化有非线性随机共振程序的DSP芯片，计算输出草鱼样品的信噪比特征值SNR_max=-69.34612。

（4）根据步骤（3）得到的各新鲜度草鱼样品的信噪比特征值经拟合得到草鱼新鲜度预测模型：

（1）

将SNR_max=-69.34612代入公式，计算得到草鱼新鲜度参数值为Tstorage=4.87。

（5）T1=1，T2=7；因为3＜Tstorage<7，因此被测草鱼样品新鲜度为二级鲜度，尚未达到货架期终点。

Claims

1.一种利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）将待检测草鱼样品放入样品容器中，静置30min；

（4）收集气体传感器阵列采集的数据，对采集的数据进行数据处理，根据数据处理结果评定草鱼新鲜度：

（4-1）提取气体传感器阵列的响应特征值，响应特征值包括初始值Vs、稳定值Ve、上升时间Ti、上升速率；

（4-2）将非线性随机共振算法固化于电子鼻内置的数字信号处理器DSP内，将电子鼻响应原始特征值输入DSP以计算输出信噪比谱特征值；

使用电子鼻实验检测多组不同新鲜度的草鱼样品的信噪比特征值SNR_max；

其中，SNR_max为信噪比特征值，Tstorage为草鱼新鲜度参数；

（4-3）将信噪比特征值SNR_max代入草鱼新鲜度预测模型的公式中计算草鱼新鲜度参数Tstorage。

2.根据权利要求1所述的利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法，其特征在于，所述步骤（3）中气体传感器阵列包括挥发性硫化物气体传感器、可燃气体传感器、挥发性的氨类或胺类气体传感器、乙醇类传感器、芳香性气体传感器、烷烃类气体传感器和挥发性氮氧化物传感器。

3.根据权利1所述的利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法，其特征在于，通过电子鼻气室的气体流量为800~1200ml/min。

4.根据权利要求1或2或3所述的利用电子鼻检测草鱼新鲜度的方法，其特征在于，评定草鱼新鲜度的过程，包括如下步骤：

步骤一、根据国家生鲜水产品的卫生标准SC-T 3108-1986中细菌指标，确定不同存放时间草鱼样品的鲜度等级；

其中鲜度等级分为：一级鲜度、二级鲜度和货架期终点；一级鲜度的菌落总数<1.0×10⁴CFU/g，1.0×10⁴CFU/g<二级鲜度的菌落总数<1.0×10⁶CFU/g，货架期终点的菌落总数>1.0×10⁶CFU/g；

步骤二、根据GB-4789.2-2010操作测量不同存放时间草鱼样品的菌落总数，并根据步骤一确定不同等级草鱼样品的时间临界值，一级鲜度时间临界值S1，二级鲜度时间临界值S2，货架期终点时间临界值S3；

步骤三、将电子鼻测得的草鱼新鲜度参数Tstorage与草鱼样品的时间临界值进行关联，以确定对应S1的一级鲜度临界值T1，对应S2的二级鲜度临界值T2，对应S3的货架期终点临界值T3；

步骤四、若草鱼样品电子鼻测量值Tstorage<T1，则为一级新鲜度；若草鱼样品电子鼻测量值T1≤Tstorage<T2，则二级鲜度；若草鱼样品电子鼻测量值Tstorage≥T2，则草鱼样品已达到货架期终点。