第二節　電子鼻和電子舌

前節講到人鼻子和舌頭的許多缺點會影響評香結果，近年來隨著化學傳感器和電子技術的快速發展，有人開始提出能否用“電子鼻”和“電子舌”代替人的鼻子和舌頭評香，期望鑒香結果能更“公正”“客觀”一些，也更“輕松”一些。本節簡單介紹一下這方面近期的進展。

電子鼻又稱氣味掃描儀（圖3-1），是20世紀90年代發展起來的一種快速檢測食品的新穎儀器。它以特定的傳感器和模式識別系統快速提供被測樣品的整體信息，指示樣品的隱含特征。電子舌是一種使用類似于生物系統的材料作傳感器的敏感膜，當類脂薄膜的一側與味覺物質接觸時，膜電勢發生變化，從而產生響應，檢測出各類物質之間的相互關系。這種味覺傳感器具有高靈敏度、可靠性、重復性。它可以對樣品進行量化，同時可以對一些成分含量進行測量。基于電子舌與電子鼻各自的特點與檢測中的優越性，它們都已有了各種應用與潛在發展領域。國內外在食品工業、環境檢測、醫療衛生、藥品工業、安全保障、公安與軍事等方面都報道了不少研究成果。

電子鼻與電子舌的構成：電子鼻由氣敏傳感器、信號處理系統和模式識別系統等功能器件組成。由于食品的氣味是多種成分的綜合反映，所以電子鼻的氣味感知部分往往采用多個具有不同選擇性的氣敏傳感器組成陣列，利用其對多種氣體的交叉敏感性，將不同的氣味分子在其表面的作用轉化為方便計算的與時間相關的可測物理信號組，實現混合氣體的分析。

在電子鼻系統中，氣體傳感器陣列是關鍵部分，目前電子鼻傳感器的主要類型有導電型傳感器、壓電式傳感器、場效應傳感器、光纖傳感器等，最常用的氣敏傳感器的材料為金屬氧化物、高分子聚合物材料、壓電材料等。在信號處理系統中的模式識別部分主要采用人工神經網絡和統計模式識別等方法。人工神經網絡對處理非線性問題有很強的處理能力，并能在一定程度上模擬生物的神經聯系，因此在人工嗅覺系統中得到了廣泛的應用。

由于在同一個儀器里安裝多類不同的傳感器陣列后，使檢測更能模擬人類嗅覺神經細胞，根據氣味標識和利用化學計量統計學軟件對不同氣味進行快速鑒別。在建立數據庫的基礎上，對每一樣品進行數據計算和識別，可得到樣品的“氣味指紋圖”和“氣味標記”。電子鼻采用了人工智能技術，實現了由儀器“嗅覺”對產品進行客觀分析。由于這種智能傳感器矩陣系統中配有不同類型傳感器，使它能更充分模擬復雜的鼻子，也可通過它得到某產品實實在在的身份證明（指紋圖），從而輔助專家快速地進行系統化、科學化的氣味監測、鑒別、判斷和分析。

目前比較著名的電子鼻系統有英國的Neotronicssystem和Aroma Scan system、Bloodhound和法國Alpha MOS系統，還有日本的Frgaro和我國臺灣的Smell和Keen Ween等。

電子舌（圖3-2）是用類脂膜作為味覺物質換能器的味覺傳感器，它能夠以類似人的味覺感受方式檢測出味覺物質。目前，從機理看，味覺傳感器大致有以下幾種：多通道類脂膜傳感器、基于表面等離子體共振、表面光伏電壓技術等。模式識別主要有最初的神經網絡模式識別，最新發展的是混沌識別。混沌是一種遵循一定非線性規律的隨機運動，對初始條件敏感。混沌識別具有很高的靈敏度，因此也越來越得到應用。目前較典型的電子舌系統有法國的Alpha MOS系統和日本的Kiyoshi Toko電子舌。

在近幾年中，應用傳感器陣列和根據模式識別的數字信號處理方法，出現了電子鼻與電子舌的集成化。在俄羅斯，研究出電子舌與電子鼻復合成新型分析儀器，其測量探頭的頂端是由多種味覺電極組成的電子舌，而在底端則是由多種氣味傳感器組成的電子鼻，其電子舌中 的傳感器陣列是根據預先的方法來選擇的，每個傳感器單元具有交叉靈敏度。這種將電子鼻與電子舌相結合并把它們的數據進行融合處理來評價食品品質的技術，將具有廣闊的發展前景。

電子鼻和電子舌是20世紀90年代發展起來的新的分析、識別和檢測復雜香氣成分的方法。與常規分析儀器相比，電子鼻得到的不是待測樣品中某種或某幾種成分的定性或定量分析結果，而是快速地提供樣品中揮發成分的整體信息，并指出樣品的隱含特征。

在食品新鮮程度檢測中的應用：人類主要通過嗅覺與味覺系統來辨別食品的好壞與新鮮程度，因此，電子鼻與電子舌在食品檢測中有其自身的應用價值。在原材料方面，已采用電子鼻來檢測橄欖油及其他食用油是否變質及魚、肉、蔬菜、水果等的新鮮度。在電子舌的發展上，味覺傳感器也已經能夠很容易區分幾種飲料，比如咖啡、離子飲料等。

在酒類識別中的應用：電子鼻與電子舌在酒類方面的應用，尤其在品牌的鑒定、異味檢測、新產品的研發、原料檢驗、蒸餾酒品質鑒定、制酒過程管理的監控等方面大有用武之地。

在糧食儲存與加工中的應用：為了減少由微生物引起的谷物品質的改變，在歐洲對谷物的處理和品質控制是按照一定標準執行的。谷物品質是由專家進行評價，他們用谷物的香氣分級體系來決定所評價的谷物是適合于人食用，還是只適于動物食用，或者是應該被拒絕食用。

蔣健等利用電子鼻對9種不同的香精樣品進行了測試，采用主成分分析以及判別因子分析、多元統計方法對所獲得的數據進行了分析，結果表明，電子鼻可以分辨不同香型及有一定相似性的香精香料。

顧永波等利用電子舌檢測了6個烤煙型和3個混合型卷煙樣品主流煙氣水處理液的味覺特征。結果表明，電子舌能區分不同香型卷煙的味覺特征，有望成為一種輔助的卷煙感官質量評價設備。

Rudnitskaya等使用電子舌檢測啤酒的味覺屬性，并報道了電子舌多傳感器系統作為一種分析工具快速評估風味啤酒的特點。

電子鼻與電子舌的集成化應用：電子鼻與電子舌是從不同角度分析同一種物質。電子鼻是由一組氣體傳感器組成，具有不同選擇模式、信號處理、模式識別等功能；電子舌是基于膜電勢的變化對液體進行分析。盡管電子鼻與電子舌可以分別區分物質，但它們結合起來則可大大提高識別能力。F.Winquist對橘子、蘋果、菠蘿這三種水果進行了檢測，每一種水果又分成4組，每一組測量3次。首先用電子鼻獲得數據信號，再用電子舌進行檢測。完成所有的測量后，用主成分分析法進行模式識別，結果表明，若僅用電子鼻來分析，橘子可以明顯地從蘋果、菠蘿中區分開來，但蘋果與菠蘿不能很好地區分。若用電子舌來檢測分析，則橘子與菠蘿不能很好地區分，但若電子鼻與電子舌結合一起來分析檢測，則可以大大提高其檢測率。用最小二乘法對這一結論進行預測驗證，表明將電子鼻與電子舌相結合后將大大提高水果檢測的準確率。

另外，如在牛奶檢測中，由于用電子鼻檢測與電子舌檢測是兩個不同的系統，所以在數據融合過程中，有些特征數據會在獨立傳感器系統中丟失。實驗表明，用電子舌在辨別超高溫與滅菌牛奶時有明顯的區別，而在辨別新鮮牛奶與變質牛奶時卻不很明顯，若利用電子鼻檢測卻剛好相反，所以利用電子鼻與電子舌集成化檢測，不僅能很好地區分超高溫牛奶與滅菌牛奶，也能判別牛奶的新鮮度。

通過特定的傳感器陣列、信號處理和模式識別系統組成的電子鼻和電子舌，能快速提供被測樣品的整體信息。各種各樣的電子鼻和電子舌，除在食品工業中應用外，還有許多潛在的應用領域，如環境檢測、醫療衛生、藥品工業、安全保障、公安與軍事等。

然而電子鼻和電子舌也存在許多問題和需研究的課題。首先，由于傳感器具有選擇性和限制性，電子鼻和電子舌往往有一定的適應性，不可能適應所有檢測對象，即沒有通用的電子鼻和電子舌。大力研究、制作有針對性專用的，如煙草專用電子鼻、肉用電子鼻、魚用電子鼻和酒用電子舌、飲料用電子舌等，能提高檢測精度和使用壽命，這也意味著需要加強研制并發展合適的傳感器結構和傳感器材料。其次，在模式識別系統上亦應多樣化。采用某一種模式識別方式可能不能識別或不很理想，或許用另外一種模式識別方式或改進模式識別方法后，則可能獲得理想的結果。

至今電子鼻和電子舌的實際應用還不多，還有諸多問題需要解決。隨著現代科學技術和科學理念的不斷發展，電子鼻和電子舌技術作為一個新興技術，必將給眾多領域帶來一次技術革命，也將逐步走向實用。

從以上介紹的國內外情況看來，電子鼻和電子舌作為評香工具已具雛形。當然，不管是電子鼻或電子舌用來作為評香的工具，都只能是機械模仿一個或一群人的工作，永遠不可能全部代替人的鼻子，“電腦調香”和“電腦評香”都是如此。

電子鼻與電子舌技術再發展下去將成為“儀器分析”的組成部分，但在目前只是作為感官分析的輔助手段，所以把它們放在本章里討論。