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伏安型电子舌的研发及其在食品检测中的应用

韦真博  
【摘要】:电子舌检测技术是近十年来发展起来的一项新技术,由于电子舌通过检测能够快速得到样品的整体信息(即样品的“指纹信息”)进行定性和定量分析,所以电子舌技术研究成为了目前食品检测领域中热点课题之一。目前,国外有多个实验室开展了该技术的研究,并出现了商用电子舌,但是由于其价格昂贵,推广起来比较困难。电子舌技术研究在我国尚处于起步阶段,研究操作简单、检测快速、价格便宜和灵敏度高的电子舌系统,十分必要。本文结合食品成分复杂的特点,开发了一种能够检测食品品质的伏安型电子舌。全文围绕伏安型电子舌系统的研发及其在食品检测过程中的适用性展开研究。论文研制了一套伏安型电子舌系统,并在对蜂蜜溯源、黄酒酒龄、水果成熟度和抗生素残留等检测中进行了适用性研究,取得了较好的检测区分效果。主要结论如下: (1)研制了一套伏安型电子舌系统。该系统由电极阵列、信号采集系统、自动进样系统(机械结构)组成。结合虚拟仪器的概念,采用LABVIEW开发软件开发了伏安型电子舌系统应用软件。电极阵列由六根金属工作电极、1根铂柱辅助电极和1根参比电极组成,应用时可通过软件中的电极优化模块,可以灵活有效的选择工作电极;只要更换一个或几个工作电极既可组成新的电极阵列,即可方便的应用于不同的检测对象。 (2)通过所研制的伏安型电子舌对不同植物源的蜂蜜进行了溯源研究,并在伏安型电子舌对蜂蜜样品响应信号的特征值提取上,提出了比以往不同的特征值提取方案。通过和以往方法的主成分分析(PCA)和聚类分析(CA)结果的比较,得出新的特征值提取方案在节省时间的同时,完全能够达到和以往方法相同的结果。同时应用流变仪检测了蜂蜜的流变特性,比较了不同植物源蜂蜜流变特性之间的差异,并成功的应用伏安型电子舌对蜂蜜的响应信号预测了不同植物源蜂蜜的流变特性。在该节中同样应用法国的Astree电势型电子舌系统检测区分了不同植物源蜂蜜,并将区分结果和本论文研发的伏安型电子舌分析结果进行了比较,结果表明本论文研制的伏安型电子舌系统对蜂蜜植物源的检测区分能力能够达到Astree电子舌系统的检测效果。 (3)应用所研制的伏安型电子舌检测分析了不同酒龄的黄酒。运用PCA和CA成功的区分了不同酒龄的黄酒,同时测定了黄酒的理化指标,并利用这些理化指标解释了不同酒龄的黄酒样品在PCA分析结果图和CA树状图上的位置分布。最后通过偏最小二乘回归(PLSR)和人工神经网络(BP-ANN)预测了黄酒的酒龄,结果表明以伏安型电子舌传电极对黄酒的响应信号为自变量建立模式识别方法预测黄酒酒龄是可行的。 (4)应用所研制的伏安型电子舌结合Magness-Taylor(M-T)方法研究了不同品种梨的坚实度和糖度含量的非齐次性和各向异性。采用电子舌检测信号结合PLSR和支持向量机(LS-SVM)预测模型预测不同品种的梨的坚实度和糖度,结果显示应用该电子舌系统预测不同品种的梨的坚实度和糖度效果很好。 (5)应用所研制的伏安型电子舌检测了不同浓度、不同种类的抗生素牛奶溶液。通过PCA和线性判别分析(DFA)分别区分了每种抗生素不同的牛奶溶液浓度。DFA的区分效果要好于PCA,并且能够清楚地将每种抗生素的不同的牛奶溶液浓度区分开。抗生素的牛奶溶液浓度的预测结果显示主成分回归分析(PCR)、PLSR和LS-SVM的预测精度都很高,而LS-SVM模型的稳定性最好。


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