一种基于气体传感器判别香菇干燥阶段的方法

技术领域

本发明涉及一种基于金属氧化物型气体传感器判别香菇干燥阶段的方法，属于农产品检测技术领域。

背景技术

香菇(Lentinus edodes)是世界第二大类食用菌，富含氨基酸、矿物质、多糖等营养成分。新鲜香菇含水量极高且新陈代谢旺盛，采摘之后短时间内就会软化褐变，失去商品价值。因此香菇采后需要选择合适的保藏方法来延长货架期，脱水干燥是香菇在贮藏加工中重要的工序之一，通过移除水分来抑制微生物生长以及子实体自身代谢活动。热风干燥是目前香菇加工中最常用的的方法，设备操作简单、成本低，且干燥过程有利于香菇的香气散发出来。

干燥不仅会改变香菇的水分含量，还会影响它的风味、营养及适口性。鲜香菇气味清淡，干燥过程中子实体发生酶促及非酶反应产生类似大蒜及臭鸡蛋的气味，干燥后期美拉德反应加强产生炒香味并伴随着淡淡的焦糊味。同时也生成了干香菇特有的挥发性风味物质——含硫杂环化合物，特别是1，2，3，5，6-五硫杂环庚烷(香菇精)，造成干、鲜香菇风味特征的明显差异。

气体传感器阵列是由多个具有交叉灵敏度气体传感器组成的集合，它可以快速、直接地获取香菇样品整体的风味信息。利用传感器对不同挥发性物质会产生不同响应的特性，将气体输入信息转换成电信号，并形成该气体的响应谱，从而区分出不同的特征香气。按照工作原理可将气体传感器分成金属氧化物半导体传感器、化学电容型传感器、质量型气敏传感器、电位型传感器及热电式传感器等，而目前应用最为广泛的是金属氧化物传感器传感器。它们具有体积小、成本低、工作时间长等优点，并且灵敏度极高，检测限较低，可以直接用于食品中挥发性物质的检测。

香菇的风味变化往往与其内部品质息息相关，然而在实际生产中干燥条件较难控制，干燥过程的不稳定性容易产生劣质产品，同时伴随着难闻的气味。对香菇而言，它的特征气味是评价其质量的一个重要指标。因此为保证香菇的终产品质量，利用气体传感器采集不同干燥时间的香菇气味信息，在干燥过程中监测它的香气成分变化是必不可少的。

发明内容

1.发明目的。

本发明的目的是提供一种基于金属氧化物型气体传感器判别香菇干燥阶段的方法，利用气体传感器获得不同干燥时间的香菇气味信息，快速、无损地判断出香菇的干燥阶段，防止干燥不彻底导致香菇品质败坏或过度干燥带来的营养损失与能源浪费。

2.技术方案。

一种基于气体传感器判别香菇干燥阶段的方法(研究技术路线见图1)，利用气体传感器获取香菇干燥不同时间后散发出来的气味信息来确定它的干燥阶段，其特征在于判别方法如下：

(1)样品制备：将400g大小一致(伞盖半径约为2.5cm)的新鲜香菇(湿基含水率约为88％)平铺(一层)于65℃电热恒温鼓风干燥箱(容积为105L)中干燥，8h后达到干燥终点(湿基含水率约为13％)；

(2)采集检测信息：采用如下6个金属氧化物型气体传感器组成的阵列，MQ-136，即S1，对硫化氢敏感，灵敏度为1-200ppm；TGS2602，即S2，对有机挥发性物质敏感，灵敏度为1-30ppm；MQ-138，即S3，对醇、醛、酮等挥发性物质敏感，灵敏度为5-500ppm；TGS2620，即S4，对乙醇等有机溶剂敏感，灵敏度为50-5000ppm；MQ-2，即S5，对液化气、丙烷、氢气等物质敏感，灵敏度为300-10000ppm；TGS2610，即S6，对烷烃类敏感，灵敏度为500-10000ppm；所用气体传感器为自主研发电子鼻系统，样品检测前对系统进行洗气，时间为5min，样品检测时间为60s，样品间隔洗气时间为100s，气体传感器的响应值S是根据传感器接触到样品挥发物后的电阻量G与传感器接触洁净空气后的电阻量G0之比(G/G0)，提取各个传感器第58-60s响应值的平均值作为特征值；

(3)模式识别及判别模型的构建：采用支持向量机模型(SVM-C)对提取的特征值进行建模，然后利用LIBSVM软件包构建四种干燥阶段判别的支持向量机模块：SVM1，SVM2，SVM3，SVM4；将6个金属氧化物型气体传感器的响应值S1-S6依次代入四种干燥阶段判别的支持向量机模块：SVM1，SVM2，SVM3，SVM4，模块按照顺序关系执行四种干燥阶段的判别：新鲜香菇，干燥前期，干燥中期，干燥后期。

3.本发明的优点。

本发明的基于金属氧化物型气体传感器判别香菇干燥阶段的方法，判断过程仅1分钟，准确率可达95％，快速准确；样本预处理简单，对香菇无任何破坏；采用240个香菇样本建立判别模型，模型稳定性、重复性及适用性极高；避免了干燥终点时的称量操作，节省了人力和时间；对干燥过程中产生的品质劣变现象进行监测并及时预警，避免更严重的经济损失。

附图说明

图1：技术路线图

图2：气体传感器对不同干燥阶段香菇的检测响应图，其中(a)新鲜香菇的检测响应图，(b)干燥前期香菇的检测响应图，(c)干燥中期香菇的检测响应图，(d)干燥后期香菇的检测响应图

图3：不同干燥阶段香菇响应值的PCA分析图

图4：基于SVM-C判别方式的香菇干燥阶段建模结果

具体实施方式

一种基于气体传感器判别香菇干燥阶段的方法，具体实施方式如下：

1.试验材料

挑选大小一致(伞盖半径约2.5cm)、子实体完整的新鲜香菇，统一修剪菇柄至长度约为1.0cm后清洗并擦干表面水分。将400g香菇样品平铺(一层)于65℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥，直至达到干燥终点(湿基含水率＜13％)，经测定8h后到达干燥终点。

2.试验仪器

所用电热恒温鼓风干燥箱型号为DGG-9123A，上海森信实验仪器有限公司；所用电子鼻为自主研发，包括6个金属氧化物型传感器，分别为MQ-136，即S1，对硫化氢敏感，灵敏度为1-200ppm；TGS2602，即S2，对有机挥发性物质敏感，灵敏度为1-30ppm；MQ-138，即S3，对醇、醛、酮等挥发性物质敏感，灵敏度为5-500ppm；TGS2620，即S4，对乙醇等有机溶剂敏感，灵敏度为50-5000ppm；MQ-2，即S5，对液化气、丙烷、氢气等物质敏感，灵敏度为300-10000ppm；TGS2610，即S6，对烷烃类敏感，灵敏度为500-10000ppm。

3.干燥阶段的分类

按湿基含水率将香菇干燥过程分为四个阶段，分别为新鲜香菇(湿基含水率88％)、干燥前期(湿基含水率75％～88％)、干燥中期(湿基含水率50％～75％)以及干燥后期(湿基含水率13％～50％)。

4.采集检测信号

将不同干燥阶段的单个香菇样品置于250ml烧杯中，杯口覆上锡箔纸置于室温(25℃)顶空密闭7min，确保香菇的气味充分散发出来并达到平衡之后开始检测。每个干燥阶段取60个香菇样本。样品检测时间为60s，样品间隔洗气时间为100s。气体传感器的响应值S是根据传感器接触到样品挥发物后的电阻量G与传感器接触洁净空气后的电阻量G

5.模式识别及判别模型的构建

选用支持向量机判别算法(SVM-C)建立干燥阶段的模型。全体香菇样本按3：1随机分为建模集与验证集，其中建模集样本180个，验证集样本60个。各传感器的特征稳定值作为输入变量，对应的干燥阶段标签作为输出变量，通过模型的准确率对其性能进行评价。采用LIBSVM软件包构建四种干燥阶段判别的支持向量机模块：SVM1，SVM2，SVM3，SVM4；将6个金属氧化物型气体传感器的响应值S1-S6依次代入四种干燥阶段判别的支持向量机模块：SVM1，SVM2，SVM3，SVM4，模块按照顺序关系执行四种干燥阶段的判别：新鲜香菇，干燥前期，干燥中期，干燥后期。

6.气体传感器对不同干燥阶段香菇气味的响应分析

如图2所示为不同干燥阶段香菇的气体传感器检测响应图，横坐标为检测时间，纵坐标为各个传感器的响应值，其值越偏离基线值1代表传感器检测到的气体浓度越大。图2a为新鲜香菇的响应信号图，各传感器的响应值均较低，说明新鲜香菇的气味十分轻淡。图2b为香菇干燥前期的响应信号图，其中S1、S3和S2为响应值最高的三个传感器，达到1.5左右，其次为S6、S4和S5，响应值也达到1.25左右。说明经过干燥的香菇气味已发生明显改变。图2c为香菇干燥中期的响应信号图，各个传感器的响应值均有不同幅度的提高，其中S2响应值最高，达到2.7左右；S3和S1的响应值略低于S2，达到2.3左右；S4、S5和S6三个传感器的响应值依然比较接近，约1.5左右。此时为香菇响应值最高的阶段，说明干燥中期的香菇气味最浓郁。图2d为香菇干燥后期的响应信号图，S2的响应值回落到约1.5左右；其他5个传感器的响应值相比干燥中期及干燥前期均有所下降，且S1、S6和S5三个传感器响应值较接近。

7.气体传感器检测信号的主成分分析

如图3所示为不同干燥阶段香菇响应值的PCA分析图，第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的贡献率分别为83.49％和9.55％，总贡献率为93.04％，可解释原始数据的绝大部分信息。从图3中可以看出不同干燥阶段的数据点沿第一主成分和第二主成分分散，各个不同干燥阶段的香菇样品可被成功的区分开来。

8.香菇干燥阶段判别模型的效果

如图4所示为基于SVM-C建立的香菇干燥阶段判别模型的结果，建模集与预测集的准确率分别达到95.56％和93.33％，总体准确率高达95％，具有较好的区分效果。应用时取任意干燥阶段的香菇样品经过步骤4信号采集之后，模型会在1分钟内给出识别结果。