一種檢測牛肉新鮮度的空氣傳感器矩陣電子鼻
Zhe Zhang1，Jin Tong1，Dong-hui Chen1，Yu-bin Lan2
1.地面機(jī)械仿生工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國教育部），吉林大學(xué)，長春大學(xué)130022，P.R 中國
- 航空應(yīng)用技術(shù)，USDA-ARS-SP ARC-APMRU，學(xué)院站，TX 77845, USA
摘要：中國是世界大的肉類生產(chǎn)國。對(duì)食品安全的關(guān)注已經(jīng)轉(zhuǎn)移到肉的質(zhì)量。對(duì)肉品質(zhì)和類型的常規(guī)試驗(yàn)方法的應(yīng)用受到諸多因素的限制，如更長的時(shí)間來準(zhǔn)備樣品和測試。一個(gè)傳感器矩陣的幾個(gè)單獨(dú)的空氣傳感器構(gòu)建和測試，直接進(jìn)行檢測牛肉新鮮度。結(jié)果表明，空氣傳感器：TGS2600，TGS2611，TGS2620和TGS2602由天津費(fèi)加羅電子有限公司提供的，可以用來確定牛肉新鮮程度的，但tgs2442確定牛肉新鮮度是不合適的。本研究為使經(jīng)濟(jì)的牛肉新鮮度檢測和實(shí)用的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞氣敏傳感器陣列牛肉新鮮度電子鼻
1引言
中國是一個(gè)大的肉類生產(chǎn)的國家。2003年中國肉類總產(chǎn)量100百萬噸，占世界生產(chǎn)總量3億噸[1]的三分之一。肉的化學(xué)成分很復(fù)雜。其中大約有10%-30%脂肪，10%-20%的蛋白質(zhì)和1%-5%葡萄糖[2]。肉的腐敗速度很快因?yàn)槲⑸锟梢暂p松的繁殖。自從1990年代已經(jīng)發(fā)生了許多食品安全的重大事故。例如：2001年初在法國肉類食品被Lis-teria感染,和在2006年貝類出口到歐洲，美國和加拿大來自亞洲的產(chǎn)品中被檢測出氯霉素[3]。在發(fā)達(dá)國家每年平均都有多達(dá)8100萬人食物中毒。因此, 食品安全問題在世界范圍內(nèi)的受到了極大的關(guān)注。
根據(jù)目前的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的牛肉,羊肉和兔肉,有兩種方法來評(píng)估質(zhì)量的牛肉：感官評(píng)價(jià)和化學(xué)檢測。感官評(píng)價(jià)是一個(gè)主觀的方法，其結(jié)果取決于商家的銷售技巧，但結(jié)果經(jīng)常是有誤的。還有更多的化學(xué)方法檢測肉品的質(zhì)量。例如揮發(fā)性鹽基氮(TVBN)、PH、Triphenyltetra-zolium chloride (TTC)和測試紙。但是有很多缺點(diǎn)如步驟繁瑣、時(shí)間長、成本高，而且沒有特別精確的檢測方法[5]。氣味測量是肉質(zhì)量評(píng)價(jià)的化學(xué)方法之一。氣味檢測時(shí)，在鼻子的嗅覺細(xì)胞會(huì)被刺激性氣體刺激。氣相色譜法測定常用于測量氣體含量，它可以用于測量許多化學(xué)化合物并與標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)品進(jìn)行比較。因此，客觀，經(jīng)濟(jì)，高效的方法是需要評(píng)估的肉質(zhì)。
食物的氣味是許多化學(xué)物質(zhì)的組成的。氣味使食物有一些獨(dú)特的品質(zhì)和特點(diǎn)?？煽康臋z測和確定佳風(fēng)味和口味的食品在食品發(fā)展行業(yè)中是至關(guān)重要的。一般來說，雖然使用了一些分析技術(shù)，但很難將其與感官信息關(guān)聯(lián)起來。
電子鼻技術(shù)已被作為一種新的物理方法測量氣味。電子鼻是由北大西洋條約Organi-zation（北約）于1989年對(duì)傳感器信號(hào)的處理國際會(huì)議中定義的。電子鼻檢測方法與其他基本的測量方法從客觀，可重復(fù)使用，精度，成本上相比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電子鼻是簡單，快速，而且能實(shí)時(shí)測量。電子鼻的結(jié)構(gòu)是類似的人的嗅覺，從分析，識(shí)別和鑒定氣味的差異，以更高的精度的來分析。電子鼻技術(shù)是基于吸收和吸附的揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)上的傳感器組成的電子矩陣。當(dāng)他們接觸到不同氣味和味道的氣體，傳感器會(huì)產(chǎn)生電阻值變化[7]。電子鼻技術(shù)是專門用于被長時(shí)間存放的食品快速的氣體測量方法可以免除人體直接聞到有毒氣體的風(fēng)險(xiǎn)。目前電子鼻主要用于對(duì)儲(chǔ)量質(zhì)量的分類、分析廢水的處理、監(jiān)測焙燒過程、檢測和診斷肺部感染（例如，墻內(nèi)銅）和通過呼氣測試，測試新鮮的魚和水果，控制奶酪、香腸、啤酒、面包的制做，檢測肉類和蔬菜中的細(xì)菌生成。
電子鼻也被用來衡量牛肉新鮮度. Teng et al[13] 利用氣敏傳感器矩陣來測量德國產(chǎn)的牛肉的新鮮度，
它利用氣敏傳感器矩陣的德國產(chǎn)的牛肉的新鮮度，其中的傳感器的數(shù)量和類型是固定的。Blixt and Borch使用了一個(gè)含有10個(gè)感官矩陣的金屬氧化物組成的半導(dǎo)體場效應(yīng)管，4個(gè)Tagushi型傳感器和一個(gè)二氧化碳敏感傳感器組成的電子鼻來檢測的真空包裝牛肉的變質(zhì)。雖然至少使用了6個(gè)傳感器，但是這些傳感器不能構(gòu)建成一個(gè)陣列。
有各種各樣的商業(yè)電子鼻。集成型傳感器的矩陣是用在其中的大部分，這表明一個(gè)電子鼻設(shè)計(jì)用于特定的目的。本研究的目的是使用氣體傳感器來構(gòu)造一個(gè)傳感器矩陣，用于確定牛的新鮮度。
2 實(shí)驗(yàn)
2.1 測頭的結(jié)構(gòu)和工作原理
2.1.1 工作原理電子鼻的設(shè)計(jì)包括化學(xué)傳感器矩陣的設(shè)計(jì)，例如，氣體傳感器的設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)模式識(shí)別算法。傳感器矩陣從一個(gè)樣本中提取氣體，并作為一組測量值；然后對(duì)已知的材料測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。氣體傳感器對(duì)許多不同的物質(zhì)有非常廣泛的選擇性。事實(shí)上，這些在大多數(shù)應(yīng)用中都是缺點(diǎn)，但是在電子鼻中是優(yōu)點(diǎn)。在矩陣中的每個(gè)傳感器都會(huì)對(duì)特定的化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)[5]。圖1顯示我們研制的電子鼻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。幾個(gè)傳感器有規(guī)律的排列在一起，構(gòu)成一個(gè)傳感器矩陣。傳感器組成的矩陣檢測到氣味，然后生成電信號(hào)。然后信號(hào)經(jīng)過濾波和放大再由調(diào)整電路板（ACB）和A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。
圖1 電子鼻系統(tǒng)
有許多不同工作原理和特性的氣體傳感器種類。這項(xiàng)研究中用的氣敏傳感器是由天津費(fèi)加羅電子有限公司提供的。這些傳感器有金屬氧化物半導(dǎo)體制成，有成本低，壽命長，靈敏度高，電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。型號(hào)TGS2600、TGS2602、TGS2610、TGS2611、TGS2620、TGS2442被選作來研究，測試它們是否時(shí)候牛肉發(fā)出的各種氣體。傳感器矩陣可以減少在一個(gè)單一的傳感器產(chǎn)生的固有誤差。表1列出了6個(gè)傳感器制造商推薦的用法。
表1 傳感器的推薦用法
型號(hào)用法主要測量對(duì)象特例
TGS 2610 可燃?xì)怏w檢測丙烷、異丁烷液化石油氣泄漏報(bào)警器
TGS 2600 空氣質(zhì)量檢測煙、酒精空氣調(diào)節(jié)器
TGS 2611 可燃?xì)怏w檢測甲烷、天然氣天然氣泄漏報(bào)警器
TGS 2620 有機(jī)溶劑檢測酒精、有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑檢測器TGS 2602 空氣質(zhì)量檢測酒精、氨氣空氣調(diào)節(jié)器
TGS 2442 有毒氣體檢測一氧化碳一氧化碳報(bào)警器
Beijing Kangtuo Industrial Computer Ltd制造的ACB用的是型號(hào)CMB5464D，它可以調(diào)節(jié)8種模擬信號(hào)。信號(hào)被放大，然后被送入二階有源濾波器中進(jìn)行分析。用于測試的A/D轉(zhuǎn)換器型號(hào)IPC5448是由Beijing Kangtuo Industrial Computer Ltd制造的。它將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)換器是12個(gè)bit，具有精密度高，速度快，測量范圍大和強(qiáng)大的抗干擾特性。分析程序和記錄的信號(hào)，可以在計(jì)算機(jī)中的Visual C++進(jìn)行編寫和存儲(chǔ)。
2.1.2 電子鼻的測量頭圖2為研發(fā)的電子鼻測量頭，圖3是它的結(jié)構(gòu)圖。
圖2 圖為研發(fā)的電子鼻測量頭
傳感器安裝在框架底部，不銹鋼的網(wǎng)絡(luò)線固定在中間，避免傳感器接觸牛肉樣本，確保傳感器與牛肉樣品之間合適的距離，因?yàn)閭鞲衅髋c牛肉樣品之間的距離會(huì)影響到測量結(jié)果。測量時(shí)把牛肉樣品放到不銹鋼網(wǎng)格上。
圖3 研發(fā)的電子鼻測量頭的結(jié)構(gòu)圖
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
2.2.1 牛肉樣品制備長春皓月集團(tuán)提供了用于測試的牛肉樣品。把牛肉切成直徑約45mm，厚度約4mm的圓片。這些碎片被分為三組，然后在同一個(gè)條件下重復(fù)測量三次。牛肉樣本被放入孵化器中來模擬牛肉存儲(chǔ)在機(jī)房環(huán)境下的變化。牛肉被存儲(chǔ)為0，1,2,3,4,5和6天，分別以20?C的溫度和60％相對(duì)濕度下儲(chǔ)存。
2.2.2 電路設(shè)計(jì)圖4為電子鼻的電路原理，其中VC是該傳感器的工作電壓，RS是傳感器的電阻，RL是負(fù)載電阻，RS和RL串聯(lián)，V Al是傳感器的輸出信號(hào)電壓。由傳感器的規(guī)格，V Al的小值為0.1V，大值為0.9V。傳感器在輸出電壓范圍（0.1V~ 0.9V）。V Al可以通過RL調(diào)節(jié)，該傳感器是用來校準(zhǔn)牛肉的。V Al的小值是儲(chǔ)存了0天時(shí)牛肉樣本的輸出值。V Al的大值為儲(chǔ)存了6天的牛肉樣本的輸出值。
圖4 傳感器的電路原理圖
其中擴(kuò)展ACB零度分別為0調(diào)整和放大調(diào)節(jié)電阻。零位調(diào)整的目的是為了校準(zhǔn)放大器的初始狀態(tài)。擴(kuò)增根據(jù)V Al的變化范圍進(jìn)行調(diào)整. 放大器的輸出應(yīng)在V AL的大值為大，以確保放大器的線性響應(yīng)。A／D轉(zhuǎn)換卡的零點(diǎn)和增益應(yīng)提前前進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方法：調(diào)零位，調(diào)節(jié)放大增益。當(dāng)增益被改變時(shí)，初始狀態(tài)也會(huì)隨著改變。為了調(diào)零，重復(fù)上述步驟，知道A/D轉(zhuǎn)換卡的滿刻度對(duì)應(yīng)到ACB的大輸出信號(hào)。
2.2.3 實(shí)驗(yàn)過程為了更好的模擬自然條件下，牛肉沒有被存儲(chǔ)在任何特殊的氣體，電子鼻和實(shí)驗(yàn)室周圍為同樣的空氣。首先從牛肉樣品的顏色和氣味上來評(píng)價(jià)然后記錄。然后再用傳感器來記錄結(jié)果。傳感器測量的結(jié)果通過感官評(píng)價(jià)因
此被證實(shí)。在實(shí)驗(yàn)條件下測量，沒有任何特殊條件，如在購物中心、餐廳、儲(chǔ)藏室和其他地方完成。根據(jù)傳感器說明書，器件應(yīng)該被預(yù)熱10分鐘，但是這是不夠的，因此，我們使用1.5個(gè)小時(shí)的預(yù)熱時(shí)間，從而產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的初始值。傳感器的輸出電壓由電壓表測出并記錄。在測量時(shí)間為5分鐘至10分鐘時(shí)，牛肉樣品被放入期間內(nèi)，當(dāng)電壓穩(wěn)定時(shí)然后讀出并記錄。下一次測量開始時(shí)初始值是穩(wěn)定的。
3 結(jié)果與討論
圖5顯示出了六個(gè)傳感器對(duì)儲(chǔ)藏的牛肉的測試結(jié)果。除了TGS2442，其他的傳感器的輸出電壓從開始上升，然后下降到穩(wěn)定值。
圖5六個(gè)傳感器通過對(duì)存儲(chǔ)的牛肉的典型響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果。
表2列出的電壓讀數(shù)的平均值是從檢測的六個(gè)傳感器中的值的平均值。每個(gè)數(shù)據(jù)是在相同的條件下，三次測量的平均值。圖6顯示的是對(duì)應(yīng)表2傳感器的輸出曲線。表3列出的是感官評(píng)價(jià)的結(jié)果。
表2 傳感器輸出電壓
氣敏傳感器
儲(chǔ)藏時(shí)間（天）
TGS2610 TGS2600 TGS2611 TGS2620 TGS2602 TGS2442
0 0.183,333 0.246，667 0.256，667 0.306，667 0.116，667 0.036，667
1 0.206，667 0.420，000 0.306，667 0.566，667 0.253，333 0.036，667
2 0.260，000 0.616，667 0.316，667 0.566，667 0.253，33
3 0.036，667
3 0.326，667 0.703，333 0.523，333 0.763，333 0.630，000 0.033，330
4 0.573，333 0.843，333 0.656，667 0.816，667 0.726，667 0.033，333
5 0.826，667 1.003，333 0.956，667 0.946，667 0.936，667 0.040，000
6 0.843，333 1.023，333 1.036，66
7 1.046，667 1.013，333 0.036，667
圖6 傳感器輸出電壓曲線
表3 感官評(píng)價(jià)結(jié)果
儲(chǔ)藏時(shí)間顏色氣味
0 鮮紅色無異味
1 深紅色無異味
2 暗紅色無異味
3 黑紅色淡淡的異味
4 黑色難聞的氣味
5深黑色 惡臭
6暗黑色 腐爛的惡臭
不同的傳感器可以對(duì)應(yīng)不同的氣體（表1），這表明每個(gè)傳感器對(duì)每種氣體對(duì)應(yīng)不同的輸出電壓。牛肉的氣味來自氣體化合物的混合物。因此每個(gè)傳感器都有對(duì)應(yīng)牛肉有個(gè)不同的輸出電壓。這一結(jié)論的結(jié)果被證實(shí)如表2所示。我們使用不同的傳感器來構(gòu)造一個(gè)傳感器矩陣。氣味是有多個(gè)傳感器同時(shí)測量和數(shù)據(jù)處理得到的?？梢詫?shí)現(xiàn)高測量精度和可重復(fù)性。除了TGS2442，牛肉樣品的存儲(chǔ)時(shí)間會(huì)增加傳感器的輸出電壓。我們從圖六中發(fā)現(xiàn)TGS2442的輸出曲線與存儲(chǔ)的時(shí)間成平行線，表明該傳感器不能用來衡量牛肉新鮮度。由此得，該傳感器不能用在牛肉新鮮度檢測的電子鼻矩陣中，這表明在傳感器矩陣中只有五個(gè)傳感器。TGS2600和TGS2620與存儲(chǔ)時(shí)間有關(guān)的輸出的近似線性函數(shù)可以表示為：
)9752.0(619.01330.02=+=R x y , for.TGS2600
)9856.0(1876.01265.02=+=R x y ,for.TGS2620
其中，y 是輸出電壓，x 是存儲(chǔ)時(shí)間，R2是相關(guān)系數(shù)，從而顯示出良好的線性函數(shù)。TGS2600函數(shù)的斜率大于TGS2620函數(shù)的斜率，這表明傳感器TGS2600對(duì)牛肉的氣味有較高的靈敏度。所以這兩個(gè)傳感器可以用來確定牛肉的存儲(chǔ)時(shí)間。
在前兩天TGS2644的輸出電壓幾乎不變，但存儲(chǔ)時(shí)間到第三天時(shí)，輸出電壓突然上升。TGS2611的輸出電壓比其他的存放時(shí)間超過三天的電壓更大，這表明該傳感器對(duì)新鮮的牛肉沒有反應(yīng)，但對(duì)變質(zhì)的牛肉很敏感。因此，它可以用來確定保質(zhì)期。TGS2610類似于TGS2611，但前者當(dāng)存儲(chǔ)時(shí)間超過三天后相對(duì)后者來說輸出電壓沒有增加。一般來說傳感器TGS2611、TGS2610和TGS2602對(duì)變質(zhì)的牛肉敏感，雖然它們對(duì)新鮮的牛肉不敏感，它們可以用來指示變質(zhì)的牛肉。
有很多公司生產(chǎn)的不同型號(hào)的傳感器。由此，一個(gè)傳感器矩陣是由針對(duì)不同氣體敏感的各種傳感器組成的。目前電子鼻是由傳感器集成的矩陣組成。每個(gè)電子鼻主要是為特定的目的而設(shè)計(jì)的。所以在市場上的電子鼻都是昂貴的和有限的使用空間。在我們研究成果的基礎(chǔ)上，傳感器矩陣可以有不同的傳感器集成，這也是電子鼻的研究和發(fā)展方向。這種方法可以使電子鼻價(jià)格便宜和擴(kuò)展他們的應(yīng)用空間。
4 結(jié)論
單獨(dú)用一個(gè)傳感器來對(duì)傳感器構(gòu)建的矩陣與牛肉質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一些傳感器的輸出電壓與牛肉儲(chǔ)藏時(shí)間沒有線性關(guān)系，不能清晰的檢測到牛肉的變質(zhì)程度，所以不能用來檢測牛肉質(zhì)量。一些傳感器對(duì)新鮮牛肉沒有反應(yīng)，但對(duì)腐爛的牛肉有強(qiáng)烈的反應(yīng)，所以傳感器矩陣可以根據(jù)各個(gè)傳感器反應(yīng)的不同進(jìn)行組合，這樣可以提高檢測牛肉新鮮度的可靠性和靈敏度。
致謝
這項(xiàng)工作得到了吉林省科技基金（批準(zhǔn)號(hào)：20060217）和“985工程”吉林大學(xué)的支持。還要感謝生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林大學(xué)張守勤教授和他對(duì)該項(xiàng)工作的有意的言論。
參考文獻(xiàn)
[1] National Bureau of Statistics of China, Review Report of the Social Economy
Development of China during the “Tenth Five-Year Plan” Period, [2007-06], http://www.doczj.com/doc/3068806e2af90242a895e5af.html /jrzg/2006-03/06/ content_219753_3.htm.(in Chinese)
[2] Lin X Y, He C Y, Gao Y Y, Lin X M, Liu Y H, Ruan R S. Nutritional and health
of meat. Meat Industry , 2005, 1, 42–45. (in Chinese)
[3] Wang L X, Li Q W, Liu J F, Yang X K. Application of risk analysis in
management of agro-product quality safety. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2006, 22, 85–87. (in Chinese)
[4] Natio nal Standard of the People’s Republic of China. Hy-gienic Standard for
Beef, Mutton and Rabbit Meat, GB 2708-94. (in Chinese)
[5] Hu Q F. Testing technology of beef freshness degree. Meat Hygiene, 2005, 2,
17–24. (in Chinese)
[6] Gao D Q, Wu S Y. Prospects for application of artificial olfactory systems to
evaluation of internal quality of ciga-rettes. Journal of Jiangsu University of Science and Tech-nology , 1997, 18, 1–7. (in Chinese)
[7] Wu S Y, Zou X B. Progress in the application research of electronic nose for
foods. Journal of Jiangsu University of Science and Technology ( Natural Science), 2000, 21, 13–17. (in Chinese)
[8] Pan Y F, Zhao J W, Zou X B, Liu M H. Using electronic nose qualifying apples
based on ga-rbf network. Journal of Ag-ricultural Mechanization Research, 2004, (3), 179–182. (in Chinese)
[9] Dutta R, Hines E L, Gardner J W, Kashwan K R, Bhuyan M. Tea quality
prediction using a tin oxide-based electronic nose: An artificial intelligence approach. Sensors and Ac-tuators B : Chemical ,2003, 94, 228–237.
[10] Pan T H, Chen S, Zhao D A. Application of electronic nose technology in
moldy foodstuff recognition. Instrument Technique and Sensor , 2005, (3), 51–52.
(in Chinese)
[11] Brezmes J, Llobet E, Vilanova X, Saiz G, Correig X. Fruitripeness monitoring
using an electronic nose. Sensors and Actuators B : Chemical, 2000, 69, 223–229.
[12] Di Natale C, Macagnano A, Martinelli E, Paolesse R, D'Arcangelo G,
Roscioni C, Finazzi-AgròA, D'Amico A. Lung cancer identification by the analysis of breath by means of an array of non-selective gas sensors.
Biosensorsand Bioelectronics , 2003, 18, 1209–1218.
[13] Teng J H, Yuan Z H, Wang L. Study degree of beef freshness with
identification method based on gas sensitive. Sensors Array Measurement and Control Technology , 2002, 21, 1–7. (in Chinese)
[14] Blixt Y, Borch E. Using an electronic nose for determining the spoilage of
vacuum-packaged beef. International Jour-nal of Food Microbiology, 1999, 46, 123–134.
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處：傳感器應(yīng)用_儀表儀器應(yīng)用_電子元器件產(chǎn)品 – 工采資訊 http://www.negome.com/21275.html
