气味扫描仪在食品质量检测中的应用

◎ 汪惠珍

（黄山市产品质量检验研究院，安徽 黄山 245000）

在日常生活中，人类的鼻子是一个有用的分析器官，能够在消费前评估食品质量和识别环境中潜在的有害气体。据报道，人类的鼻子有大约400个气味感受器，可以探测到至少1万亿种气味[1]。感官评价作为一种常见的食品质量评价方式，在生活及生产中应用广泛。虽然人类的鼻子可以对气味进行评估，但判断有偏差，且人类的鼻子不能用来感知有毒气体，对不同的气体也有检测极限。这些局限性使得人类的鼻子无法成为所有与嗅觉有关的辨别和分类的通用工具。

由于安全和卫生方面的考虑及食品供应链中的食品掺假问题，对食品产品进行快速、准确的质量检验的需求逐渐增加。有研究表明，香气和产品质量之间有很大的关系，因此开发模拟人类鼻子应用的嗅觉指示器可成为一种有效检测产品质量的方式[2]。气味扫描仪是一种模拟动物嗅觉器官开发的一种高科技产品，由气体传感器、信号预处理和模式识别3个部分组成，用来模仿人类的鼻子[3]。这种传感器阵列通常可以实现快速传感，且与气相色谱-质谱联用仪、激光散射分析仪、高效液相色谱仪等标准分析设备相比，价格偏低，在确定食品质量相关属性方面已经有广泛的应用，如感官属性、微生物属性和加工质量[4]。例如，LI等[5]采用便携式气味扫描仪检测系统，对鱼粉新鲜度的表征指标AV和TVB-N进行了检测，结果表明利用气味扫描仪检测鱼粉的新鲜度是一种很有前途的方法，可以实现新鲜度的定量分析。MOTA等[6]阐述了基于传感器的气味扫描仪系统不仅可以筛选真菌的不同属，还可以识别真菌的伴生种，有望作为一种真菌毒素筛选工具应用于食品工业中。

目前，气味扫描仪在食品质量检测中的应用受到了广泛的关注，具有良好的市场应用前景。本文介绍了气味扫描仪工作原理、基本结构组成及目前气味扫描仪在常见食品质量检测过程的应用，并讨论了气味扫描仪未来的发展趋势、局限性和实现方向，以期为气味扫描仪在食品行业中的应用提供参考。

1 气味扫描仪技术概述

1.1 气味扫描仪工作原理

气味扫描仪技术的基本原理是模拟动物的嗅觉，通过气体传感器阵列来检测和识别复杂的挥发性气体，再通过信号转化器传输给计算机进行数据处理分析，传感器对样品中的不同气体成分会产生不同的响应信号，以此来实现对样品的检测[7]。

挥发性有机化合物的检测在评估食品腐败方面发挥着重要作用，气味扫描仪是传统方法经过改进而得到的，其主要是利用挥发性分子与气体传感器的传感材料发生反应，导致电学相关特性发生不可逆的变化。气味扫描仪能识别香气挥发性化合物的差异，并根据香气模式对食品品种进行分类。

在过去的十年中，气味扫描仪因其具有环境友好和成本低等优点，朝着改善当前发展状况的方向迅速发展。目前的气味扫描仪主要集中在经济、便携、可实时使用的设备开发上，将气味扫描仪的检测应用于某一类符合标准和规范的食品[8]。气味扫描仪的出现为农业和食品产品的无损质量评估提供了一种新的选择，可用于评估与产品物理化学性质相关的气体组成[9]，在监测气味相关食品加工方面有广泛的应用[10]。

1.2 气味扫描仪组成结构

在过去的几十年里，气味扫描仪的革命已经在传感器类型的范围和更复杂的化学传感器阵列上取得了进展。传感器探测器通常由不同类型的材料制成，如金属氧化物或导电聚合物，当暴露于挥发性化合物时，它们会经历电阻和灵敏度的变化。如图1所示，气味扫描仪结构包括3个部分，具体为样品处理系统、检测系统和数据处理系统。气味扫描仪的基本组件包括气体化合物和选定的涂层物质之间的交换，涂层物质控制通过传感器传输的电流，然后由信号处理系统将模拟信号转换为数字信号，最后由计算机对输出结果进行分析和识别。

图1 气味扫描仪结构示意图

气味扫描仪的核心器件是气体传感器。多种气味扫描仪可用于农业产品的分析，由于涉及响应变量和输出数据的配置机制的改变，每种传感器都有自己的优点和缺点。根据传感材料的不同，气体传感器可以分为导电聚合物（CP）、金属氧化物半导体（MOS）、石英晶体微天平（QCM）和表面声波（SAW）传感器，见表1。目标气体与传感材料发生反应会产生可逆的电性能[11]。

表1 不同类型气体传感器表

2 在食品质量评价中的应用

2.1 食品成熟度分级

在不同的生长阶段，果蔬等农作物的化学成分含量、气味等均会出现不同程度的差异。果实的成熟度、贮藏条件和腐烂程度等因素都会影响果实气味。GÓMEZ等[12]提出了使用气味扫描仪来区分番茄的成熟度水平。挥发性化合物数据的线性判别分析表明，该技术可以成功地在各个成熟度级别上区分出几乎100%正确的分类样品。可以得出结论，气味扫描仪在判断化合物挥发性分布中有很好的效果，这可以用于进一步的研究，以确定传感器的灵敏度。ASIKIN等[13]在文献中报道了气味扫描仪用于监测狗果和臭豆果实挥发性化合物的成熟变化。挥发性物质的组成特征表明，成熟程度对挥发性物质有一定的影响，主要是醇类和硫类物质。因此，气味扫描仪不仅可以提供基于离子质量的分类，还可以用于不同成熟阶段的快速气味监测。

2.2 食品新鲜度检测

食品或食品原材料腐败变质时会产生大量挥发性气体，气味扫描仪可通过气体传感器实现对食品新鲜度检测。闫子茹等[14]利用气味扫描仪研究香梨腐烂程度，研究表明贮藏期间，香梨中挥发性物质如氮氧化合物、甲烷、硫化物和萜烯类、醇类和部分芳香族化合物释放量逐渐增加，这主要是因为果实腐烂使硫化物和萜烯类、甲烷、氮氧化合物挥发性物质进一步积累释放。SEMEANO等[15]开发了一种与凝胶材料相结合的气味扫描仪来监测罗非鱼的腐败情况。由于鱼类易受微生物污染，因此将气味扫描仪的光信号与细菌生长情况相关联，可以评估鱼类的新鲜度。VAJDI等[16]利用冷库下的气味扫描仪识别了鱼类挥发物，通过采用总活菌数和总挥发性碱氮评价方法对3种鱼类样品（新鲜、半新鲜和变质的鱼）进行了品质评价。结果表明，采用多层感知器神经网络对鱼类病害进行建模，分类准确率达97%，因此气味扫描仪可成功用于鱼类病害的诊断。MAHDI等[17]利用气味扫描仪对肉类和鱼类产品进行了大量的腐败检测工作，发现腐败肉类挥发性化合物产生的化学反应与气体传感器结果间具有重要关联，这种测量原理是肉制品腐败检测的基础。

2.3 食品掺假检测

气味扫描仪已广泛应用于油脂的质量分析。WEI等[18]利用气味扫描仪检测牡丹籽油掺假情况，结果表明牡丹籽油中含有高含量的a-亚麻酸可用于区分纯牡丹籽油和掺假牡丹籽油。殷志康等[19]利用气味扫描仪对掺入不同比例餐厨废弃油脂的花生油进行检测，建立气味扫描仪的响应值与餐厨废弃油脂掺入比例之间的数学模型，利用主成分分析和线性判别分析对纯花生油与掺入餐厨废弃油脂的花生油实进行鉴别。研究表明，利用气味扫描仪能够有效判断花生油中餐厨废弃油脂掺假情况。MAMAT等[20]开发了混合仪器（包括一个气味扫描仪和机器视觉系统）以分类4种类型的牛奶（原始鲜奶、巧克力鲜奶、豆奶和培养牛奶），结果发现采用支持向量机识别工具对不同类型的牛奶进行识别，其分类准确率达96.6%。

2.4 病原微生物污染检测

气味扫描仪在食品质量鉴定和检测食品和农产品中的食源性病原体方面有重要的作用。食物致病菌会造成重大经济损失，利用气味扫描仪技术妥善处理食品可以提高食品安全和质量。

MAKARICHIAN等[21]开发了一种用于检测谷物中霉菌毒素污染的气味扫描仪系统。根据赭曲霉毒素A和脱氧雪腐镰刀菌烯醇的含量，对正常气味和异味大麦样品进行了评价。结果表明，赭曲霉毒素A水平低于5 μg·kg-1的样品中醇和醛的浓度更高，脱氧雪腐镰刀菌烯醇水平与戊烷、甲基吡嗪、3-戊酮、3-辛烯-2-醇和异辛酯呈显著正相关。因此，气味扫描仪可以用于预测谷物真菌毒素。ALIREZA[22]研究了利用气味扫描仪对大蒜综合感染的真菌进行了早期无损、快速检测，采用统计分析对气味扫描仪获得的香气特征进行评价。结果表明，在有感染的情况下降解发生得更快。由于每种侵染的破坏效果不同，各传感器对不同侵染处理香气的响应变化也不相同。因此，气味扫描仪在早期检测大蒜的真菌感染中可以作为一种实用和有益的工具。

3 结语

气味扫描仪作为一种新型绿色的工业设备，被用于食品工业领域以确保食品安全。气味扫描仪是一种比较简单的传感设备，可用于识别、低成本生产和便携式工作。在气味扫描仪的基础上，对不同香气挥发性化合物进行数据细化，可获得更好的识别性能和数据聚类。随着传感器阵列的性能和模式识别算法的进步，气味扫描仪已经成为各种食品和农产品质量评价的有效气体传感工具。然而，气味扫描仪仍然存在无法识别气体气味中的单个化学物质以及与感官刺激相关的湿度和温度的不利影响的问题，因此急需研究者们解决。尽管气味扫描仪可能不会完全取代传统的分析设备，但其为食品行业发展提供了快速实时的检测技术，在食品质量检测中具有良好的发展前景。