第二节　电子鼻和电子舌

前节讲到人鼻子和舌头的许多缺点会影响评香结果，近年来随着化学传感器和电子技术的快速发展，有人开始提出能否用“电子鼻”和“电子舌”代替人的鼻子和舌头评香，期望鉴香结果能更“公正”“客观”一些，也更“轻松”一些。本节简单介绍一下这方面近期的进展。

电子鼻又称气味扫描仪（图3-1），是20世纪90年代发展起来的一种快速检测食品的新颖仪器。它以特定的传感器和模式识别系统快速提供被测样品的整体信息，指示样品的隐含特征。电子舌是一种使用类似于生物系统的材料作传感器的敏感膜，当类脂薄膜的一侧与味觉物质接触时，膜电势发生变化，从而产生响应，检测出各类物质之间的相互关系。这种味觉传感器具有高灵敏度、可靠性、重复性。它可以对样品进行量化，同时可以对一些成分含量进行测量。基于电子舌与电子鼻各自的特点与检测中的优越性，它们都已有了各种应用与潜在发展领域。国内外在食品工业、环境检测、医疗卫生、药品工业、安全保障、公安与军事等方面都报道了不少研究成果。

电子鼻与电子舌的构成：电子鼻由气敏传感器、信号处理系统和模式识别系统等功能器件组成。由于食品的气味是多种成分的综合反映，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与时间相关的可测物理信号组，实现混合气体的分析。

在电子鼻系统中，气体传感器阵列是关键部分，目前电子鼻传感器的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。在信号处理系统中的模式识别部分主要采用人工神经网络和统计模式识别等方法。人工神经网络对处理非线性问题有很强的处理能力，并能在一定程度上模拟生物的神经联系，因此在人工嗅觉系统中得到了广泛的应用。

由于在同一个仪器里安装多类不同的传感器阵列后，使检测更能模拟人类嗅觉神经细胞，根据气味标识和利用化学计量统计学软件对不同气味进行快速鉴别。在建立数据库的基础上，对每一样品进行数据计算和识别，可得到样品的“气味指纹图”和“气味标记”。电子鼻采用了人工智能技术，实现了由仪器“嗅觉”对产品进行客观分析。由于这种智能传感器矩阵系统中配有不同类型传感器，使它能更充分模拟复杂的鼻子，也可通过它得到某产品实实在在的身份证明（指纹图），从而辅助专家快速地进行系统化、科学化的气味监测、鉴别、判断和分析。

目前比较著名的电子鼻系统有英国的Neotronicssystem和Aroma Scan system、Bloodhound和法国Alpha MOS系统，还有日本的Frgaro和我国台湾的Smell和Keen Ween等。

电子舌（图3-2）是用类脂膜作为味觉物质换能器的味觉传感器，它能够以类似人的味觉感受方式检测出味觉物质。目前，从机理看，味觉传感器大致有以下几种：多通道类脂膜传感器、基于表面等离子体共振、表面光伏电压技术等。模式识别主要有最初的神经网络模式识别，最新发展的是混沌识别。混沌是一种遵循一定非线性规律的随机运动，对初始条件敏感。混沌识别具有很高的灵敏度，因此也越来越得到应用。目前较典型的电子舌系统有法国的Alpha MOS系统和日本的Kiyoshi Toko电子舌。

在近几年中，应用传感器阵列和根据模式识别的数字信号处理方法，出现了电子鼻与电子舌的集成化。在俄罗斯，研究出电子舌与电子鼻复合成新型分析仪器，其测量探头的顶端是由多种味觉电极组成的电子舌，而在底端则是由多种气味传感器组成的电子鼻，其电子舌中 的传感器阵列是根据预先的方法来选择的，每个传感器单元具有交叉灵敏度。这种将电子鼻与电子舌相结合并把它们的数据进行融合处理来评价食品品质的技术，将具有广阔的发展前景。

电子鼻和电子舌是20世纪90年代发展起来的新的分析、识别和检测复杂香气成分的方法。与常规分析仪器相比，电子鼻得到的不是待测样品中某种或某几种成分的定性或定量分析结果，而是快速地提供样品中挥发成分的整体信息，并指出样品的隐含特征。

在食品新鲜程度检测中的应用：人类主要通过嗅觉与味觉系统来辨别食品的好坏与新鲜程度，因此，电子鼻与电子舌在食品检测中有其自身的应用价值。在原材料方面，已采用电子鼻来检测橄榄油及其他食用油是否变质及鱼、肉、蔬菜、水果等的新鲜度。在电子舌的发展上，味觉传感器也已经能够很容易区分几种饮料，比如咖啡、离子饮料等。

在酒类识别中的应用：电子鼻与电子舌在酒类方面的应用，尤其在品牌的鉴定、异味检测、新产品的研发、原料检验、蒸馏酒品质鉴定、制酒过程管理的监控等方面大有用武之地。

在粮食储存与加工中的应用：为了减少由微生物引起的谷物品质的改变，在欧洲对谷物的处理和品质控制是按照一定标准执行的。谷物品质是由专家进行评价，他们用谷物的香气分级体系来决定所评价的谷物是适合于人食用，还是只适于动物食用，或者是应该被拒绝食用。

蒋健等利用电子鼻对9种不同的香精样品进行了测试，采用主成分分析以及判别因子分析、多元统计方法对所获得的数据进行了分析，结果表明，电子鼻可以分辨不同香型及有一定相似性的香精香料。

顾永波等利用电子舌检测了6个烤烟型和3个混合型卷烟样品主流烟气水处理液的味觉特征。结果表明，电子舌能区分不同香型卷烟的味觉特征，有望成为一种辅助的卷烟感官质量评价设备。

Rudnitskaya等使用电子舌检测啤酒的味觉属性，并报道了电子舌多传感器系统作为一种分析工具快速评估风味啤酒的特点。

电子鼻与电子舌的集成化应用：电子鼻与电子舌是从不同角度分析同一种物质。电子鼻是由一组气体传感器组成，具有不同选择模式、信号处理、模式识别等功能；电子舌是基于膜电势的变化对液体进行分析。尽管电子鼻与电子舌可以分别区分物质，但它们结合起来则可大大提高识别能力。F.Winquist对橘子、苹果、菠萝这三种水果进行了检测，每一种水果又分成4组，每一组测量3次。首先用电子鼻获得数据信号，再用电子舌进行检测。完成所有的测量后，用主成分分析法进行模式识别，结果表明，若仅用电子鼻来分析，橘子可以明显地从苹果、菠萝中区分开来，但苹果与菠萝不能很好地区分。若用电子舌来检测分析，则橘子与菠萝不能很好地区分，但若电子鼻与电子舌结合一起来分析检测，则可以大大提高其检测率。用最小二乘法对这一结论进行预测验证，表明将电子鼻与电子舌相结合后将大大提高水果检测的准确率。

另外，如在牛奶检测中，由于用电子鼻检测与电子舌检测是两个不同的系统，所以在数据融合过程中，有些特征数据会在独立传感器系统中丢失。实验表明，用电子舌在辨别超高温与灭菌牛奶时有明显的区别，而在辨别新鲜牛奶与变质牛奶时却不很明显，若利用电子鼻检测却刚好相反，所以利用电子鼻与电子舌集成化检测，不仅能很好地区分超高温牛奶与灭菌牛奶，也能判别牛奶的新鲜度。

通过特定的传感器阵列、信号处理和模式识别系统组成的电子鼻和电子舌，能快速提供被测样品的整体信息。各种各样的电子鼻和电子舌，除在食品工业中应用外，还有许多潜在的应用领域，如环境检测、医疗卫生、药品工业、安全保障、公安与军事等。

然而电子鼻和电子舌也存在许多问题和需研究的课题。首先，由于传感器具有选择性和限制性，电子鼻和电子舌往往有一定的适应性，不可能适应所有检测对象，即没有通用的电子鼻和电子舌。大力研究、制作有针对性专用的，如烟草专用电子鼻、肉用电子鼻、鱼用电子鼻和酒用电子舌、饮料用电子舌等，能提高检测精度和使用寿命，这也意味着需要加强研制并发展合适的传感器结构和传感器材料。其次，在模式识别系统上亦应多样化。采用某一种模式识别方式可能不能识别或不很理想，或许用另外一种模式识别方式或改进模式识别方法后，则可能获得理想的结果。

至今电子鼻和电子舌的实际应用还不多，还有诸多问题需要解决。随着现代科学技术和科学理念的不断发展，电子鼻和电子舌技术作为一个新兴技术，必将给众多领域带来一次技术革命，也将逐步走向实用。

从以上介绍的国内外情况看来，电子鼻和电子舌作为评香工具已具雏形。当然，不管是电子鼻或电子舌用来作为评香的工具，都只能是机械模仿一个或一群人的工作，永远不可能全部代替人的鼻子，“电脑调香”和“电脑评香”都是如此。

电子鼻与电子舌技术再发展下去将成为“仪器分析”的组成部分，但在目前只是作为感官分析的辅助手段，所以把它们放在本章里讨论。