电子鼻在牙膏风味评价中的应用探讨

何家俊 邓全富 张 环 陈 欣

(重庆登康口腔护理用品股份有限公司，重庆 江北 400025)

一直以来人们对加香产品的品质优劣等级划分通常是以香气、外观、质地、风味等多个维度采用人工感官综合评价的方法进行的。随着仿生生物学领域和人工智能的蓬勃发展，通过对人类和动物体的嗅觉味觉感官的深入研究，人们研发出了可以模仿生物有机体嗅觉的人工智能识别系统——电子鼻[1,2]。特别是在风味评价中，电子鼻的应用既克服了传统人工评价时所表现出来的受主观性影响和可重复性不佳的问题，又解决了使用色谱法进行分析检测时繁琐的样品前处理，且不使用任何有机溶剂，不会对分析检测人员的身体健康有所影响，是一种环保可靠的快速分析检测手段[3,4]。基于电子鼻的特点和优越性能，其在国内外已广泛应用于食品工业、药品工业、环境检测和国家安全等方面。目前，电子鼻还未广泛应用于牙膏行业，本研究对电子鼻在牙膏风味评价中的应用和研究进行综述，为电子鼻技术在牙膏行业的发展提供一定的参考思路。

1 电子鼻的结构及原理

电子鼻又称气味扫描仪，在检测中充分发挥了其客观性、可靠性和重现性等方面的优点，主要用来识别、分析、检测一些挥发性成分。

1.1 电子鼻的结构

电子鼻的整个系统主要是由气敏传感器阵列、信号预处理单元和模式识别单元三大部分组成。气敏传感器阵列是电子鼻的核心部分，主要类型有导电型传感器、压电式传感器、场效应传感器、光纤传感器等，最常用的气敏传感器的材料为金属氧化物、高分子聚合物材料、压电材料等[5-7]。由于产品的气味复杂，所以电子鼻的气味感知部分往往采用多个具有不同选择性的气敏传感器组成阵列，利用其对多种气体的交叉敏感性，将不同的气味分子在其表面的作用转化为方便计算的且与时间相关的可测物理信号组，从而实现对混合气体的分析。

1.2 电子鼻的原理

电子鼻的检测过程就是人工模拟嗅觉形成的过程，首先由气敏传感器阵列对气味产生信号，信号经预处理后进行模式识别判断，最后输出对气体组成成分定性和定量的检测结果。在功能上气敏传感器阵列相当于人的嗅觉感受细胞用来感受气体并产生嗅觉信号；信号处理系统和模式识别系统相当于人的大脑主要是对前面产生的嗅觉信号进行判断分析[8,9]。

2 电子鼻在牙膏风味检测中的应用

在牙膏成品中，牙膏的风味变化不仅关系到消费者的切身利益，也与产品品质的影响有着密切的关系。而电子鼻可以通过气味检测得到不同时期产品风味表现的数据信号，从而做到对风味变化进行判别。

通常会采用两种检测的方式，一种是通过检测多个已知样品，在电子鼻的检测结果中比较分析不同样品之间的区别和联系，从而建立一种关系或进行区分；第二种是检测已知样品，得到结果后进行记录并确定为标准品。通过检测未知样品与标准样品进行比对，比较未知样品和标准样品的差异性。本研究采用第一种检测方式进行研究。

2.1 材料与方法

2.1.1 材料与香料

膏体基料(出锅不超过12小时) ，配制好的香精(圆熟48小时以上)。

2.1.2 仪器与设备

FOX4000电子鼻(法国阿尔法)；自动进样器HS100；电子鼻标配进样瓶。

表1 主要的技术参数

2.1.3 样品制备

先将加调配好香精样品分别加入膏体基料中(香精添加量1%)，然后分别在25℃、35℃、45℃、50℃的不同温度条件进行搅拌、脱气制膏，最后将制得的膏体装入空白牙膏管中封尾待用。

2.1.4 电子鼻检测

准确控制室温25℃。从牙膏样中取1g于20ml洁净的电子鼻进样瓶中，在40℃条件下孵化20分钟。

电子鼻试验参数设置：捕集温度40℃，26s；进样量2000微升，进样速度125微升/秒。升温程序：初始温度50℃，以1℃/s升至80℃，再以3℃/s升至250℃，保留21s。

2.1.5 数据处理

将电子鼻得到的数据利用电子鼻自带软件AlphaSoft9.1进行统计分析，主要采用主成分分析(PCA)。

2.2 结果与分析

2.2.1 电子鼻分析雷达图比较

采用电子鼻对四个不同制膏温度样品样品NTA-1(25℃)、NTB-2(35℃)、NTC-3(45℃)、NTD-4(50℃)进行挥发性风味的强度分析，图1为4个牙膏样品的挥发性风味强度进行重叠比较的相应雷达图。由图1可知，4个牙膏样品挥重现性非常好，具有一致性，样品NTA-1(25℃)、NTB-2(35℃)在前期挥发性风味的强度更高，样品NTC-3(45℃)、NTD-4(50℃)在后期挥发性风味的强度更高。

图1 四个牙膏样品的雷达图

2.2.2 主成分分析(PCA)

PCA是将所提取的传感器多指标的信息进行数据转换和降维度，并对降维后的特征向量进行线性分类，最后通过在PCA分析的散点图上显示两个主要维度的散点图[10]。PC1和PC2上包含了在PCA转换中得到的主成分1和主成分2的贡献率，贡献率越大，说明主要成分可以较好地反映原来多指标的信息。

主成分1贡献率92.273%，主成分2贡献率为5.892%

2.3 结论

雷达图风味强度分析中可以看出样品NTA-1(25℃)与NTB-2(35℃)头香部分风味较为丰满，样品NTC-3(45℃)与样品NTD-4(50℃)底香部分风味更加突出，说明制膏过程中温度会对牙膏风味平衡造成一定影响。

PCA分析中，主成分1贡献率92.273%，主成分2贡献率5.892%，两个主成分区分贡献度和为98.165%，只要大于90%就可以表示两个主成分已经基本代表了样品主要信息特征。同时，PCA的区分度达到98.165%。由图2可以看出，样品NTA-1(25℃)分别与NTB-2(35℃)、NTC-3(45℃)的分布区域较远，差别比较明显；样品NTC-3(45℃)与样品NTD-4(50℃)分布几乎重叠，差别不明显。通过PCA分析可以将在特定温度条件下所制得的膏体风味区分开。

图2 四个牙膏样品PCA分析

3 展望

电子鼻作为集仿生学、传感器和计算机科学为一体的新型仿生检测技术，提供了一种客观、具有良好重复性的辨别方法，可以结合人工感官方式更好对产品进行评价。电子鼻在各种检测中，由于其测定快速，还可与色谱仪连用，加大产品鉴别能力，得到有效的利用。将来随着生物芯片(基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片、生物传感器芯片)和生物信息学的发展，随着传感器数据融合技术、模式识别、人工智能、模糊理论、概率统计等交叉的新兴学科的发展，其功能必将进一步增强。电子鼻作为一个流行技术已经给众多行业带来较高的实用性，以其独特的功能，在牙膏生产工艺控制、货架期预测、品质检测等方面也将有不错的应用前景。