粮油新型检测方法研究综述

罗莫放　刘翠银

摘 要：随着新材料、传感技术、信息采集与数字化处理等新兴学科的迅猛发展，基于计算机的电子眼技术、电子鼻技术、电子舌技术等无损检测技术成了粮油品质检测的研究热点，国内外学者已进行了大量的前期研究工作。该文综合国内外最新的研究成果，对电子眼、电子鼻、电子舌三个新型技术分别进行了阐述，探讨它们在粮油品质检测中发挥的作用以及最新的研究进展，同时也讨论这三个检测技术存在的局限性，最后对粮油检测技术手段发展的前景进行了展望。

关键词：粮油；检测方法；电子眼；电子鼻；电子舌

中图分类号 TS207 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）17-0152-03

Abstract：With the rapid development of new disciplines， new materials，sensor technology， information acquisition and digital processing，and based on the computer's electronic eye technology， electronic nose technology and electronic tongue technology，nondestructive detection technology has become the hot spot in the field of grain and oil quality testing.Scholars who from domestic and foreign have done a large amount of previous studies. The latest research is involving in home and abroad and including electronic eyes， electronic nose and tongue technology.This essay describes and explores those new technology which play a role in the quality detection of cereals and oils，then shares the latest research progress，and discusses limits of these three detection techniques.Finally，future development of grain and oil testing technology are discussed.

Key words：Grain and oil；Detection method；Electronic eye；Electronic nose；Electronic tongue

1 前言

当前粮油品质的研究热点在于生物信息技术的合理运用，其不仅快捷、高效，而且具有非常广阔的应用前景。随着科学技术的不断发展，着眼于传感技术、新材料以及数字化信息采集等混合学科的研究，研发了很多的智能感官粮油检测设备，例如3E设备，包括电子眼（E-eye）、电子鼻（E-nose）、电子舌（E-tongue）。新科学技术的诞生正式以生物学、食品检测学、食品品质控制学等学科为基础，在这之上汲取各科之优势所在，并结合这些技术与传感技术的交汇点发展而来。

粮油是人类赖以生存的必需品，其品质的好坏关系到国计民生，虽然我国一直在致力于提高粮食作物的产量，并且已经取得了举世瞩目的成绩，但是粮油的品质仍难以满足人们日益增长的需求以及市场不断提高的要求。粮油品质的提高离不开检测技术的不断更新，目前的分析技术掺杂了太多的主观因素，如检验员的感官评价，这直接导致了作物生产处理的滞后性；而化学方法因本身具有破坏性，从某种程度上限制了检测技术的发展，其他现有技术或多或少的存在程序复杂等缺陷，不利于推广普及。因此，粮油市场的长远发展需要高效、快捷、适用性好的检测技术。

2 电子眼技术

由于人类的对粮油大米的感官评测存在的不足，如主观性很强且会消耗大量的精力和时间，所以很有必要借助蓬勃发展的计算机技术。到目前为止，以电子信息计算机技术为基础的电子眼技术已经在检测大米粒型、黄米率、垩白以及直链淀粉等指标方面得到了应用。使用电子眼技术研究大米垩白检测算法是借助MATLAB软件来构造，针对不同的大米图像处理，测定大米的垩白度和垩白粒率。为了快速检测稻米品质，设计了一套运用电子眼技术的稻谷品质快速检测装置，该装置对垩白度、垩白粒率、直链淀粉等参数的目标检测得到基本实现，结果表明，该装置对垩白度的测试精度小于1%，对垩白粒率的测试精度小于2%，对直链淀粉的测试精度小于1%。此外，该装置无需替换硬件，只需在软件上进行增加，就可对其他大米品质参数如色泽、异品种粒等实现检测。调整图像分割的阂值和改变扫描条件等方法，实现高效、快捷地检测大米加工精度。万鹏等[1]在大米粒型检测计算机视觉识别试验的基础上，采用阂值分割、平滑处理、灰度变换等图像处理方法得到大米的粒形图像，该方法对整粒米、碎米识别准确率分别为98.67%、92.09%。使用电子眼技术研究大米的粒型，然而本方法因为自身要求的一些局限性所以没有被广泛使用。凌云等[2]利用极坐标的粒型检测算法先求出质心再求出最长轴与最短轴，然后再对稻米外形进行椭圆拟合，但其准确度有待提高。对稻米蛋白质检测是利用数字图像采集方式，结果与蛋白质含量的标定值偏差较小，偏差最大的测定值与标定值的误差也只有0.91g/100g，绝对误差的平均值仅为0.37g/100g，检测结果较为准确。侯彩云等[3]利用微切片3维图像处理系统对稻米品质特性进行研究，结果显示，在三维可视化技术条件下，客观、准确的测定了稻谷的营养品质、外观品质及蒸煮品质等特性。

一般情况下，大米色泽是由重铬酸钾法和罗维朋比色法进行测定，但是由于试验方法受主观因素的影响常常导致了不准确的结果。为了解决大米色泽检测的问题，大量国内外学者进行了研究。在罗维朋比色法的基础上设计研发基于电子技术的图像处理方法，实现了良好的试验重现性。利用电子眼技术把椰子油分为4个等级，分别是不成熟的、半成熟的、成熟的、过成熟的，结果表明，运用这种方法，分级正确率可以达到95%以上，当然这样的分析需要大量的样品，从目前来看，检测的错误率要比人工分级少很多。用计算机图像处理技术探究罗维朋标准色片与油脂颜色的关系，结果得到特征参数A（R-G）和B（R/G），验证结果表明，不同油脂测定罗维朋红值与计算结果的相关系数大于0.98，平均误差小于0.40。

3 电子鼻技术

21世纪初，出现了一种可以用来快速检测食品气味的电子鼻气味扫描仪。检测的依据是模电位的改变与气味强弱呈现相关关系，从而可以进行判别，而引起这种变化的原因在于气味分子与生物膜接触或者氧化反应所导致。这种方法的特点是利用具有高灵敏度、可靠性、可重复性强的识别系统外加特定的传感器，可以做出高效快捷地判断，不失为一种合适的检测手段。电子鼻技术正逐渐得到了广泛应用，无论是在化学化工还是环境监测以及岩茶行业甚至于医学领域都得到了越来越广泛而有推广效应的研究，这其中也包括粮油谷物果蔬等食品方面的研究和检测应用，包括模块化识别技术以及传感器的应用技术。谷物是很容易发生霉变的，但过往由于技术的缺乏，依靠人力往往很难检测出霉变，如今已经出现依托电子鼻技术识谷物霉变的仪器设备，不仅检测速度快，而且准确率相当高。有研究基于电子鼻对4种不同大米样品的区分检测，对电子鼻的参数优化以及气敏传感器的选择进行了初步的研究，并指出以Cyranose-320为例的电子鼻对大米的芳香化学成分的检测还需进一步的研究，从而改进其作为一种检测评价大米品质质量的检测方法。此外，还有采用金属氧化物传感器阵列为主要分析法对6个霉变程度的稻谷成功进行了检测，很多的研究实例都证明电子鼻技术具有极高的推广价值。

利用电子鼻在其他谷物的研究上，通过参考电子鼻在酒类、香水、烟草等方面的应用，提出了电子鼻用于谷物品质的检测。电子鼻依靠人工神经网络（ANN）这一模式成功识别了包括大麦、燕麦等几类粮食样品，运用到不同的气敏传感器进一步识别小麦样品，这一样品受到了真菌、细菌的污染，甚至部分有麦角固醇的混入。在实验的基础上验证了电子鼻依据气味信息鉴别谷物的可行性，为未来电子鼻的广发应用提供有价值的参考。以真菌的挥发性代谢物作为指标，通过气相色谱质谱联用仪（GC-MS）和电子鼻来分析各种正常和一些变质程度的谷物样品，结果表明，其挥发性物质与储曲霉毒素相关性不大，但通过电子鼻检测均能预测脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）的污染程度电子鼻的作用不仅可以对谷类感染真菌进行定性判断，而且随着技术的不断成熟未来可以进行相应的定量检测。在脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）的检测当中，研究表明，不同的有机物与DNO的剂量浓度呈现不同的线性关系，例如十五烷、1-壬醇、1-辛醇、乙基乙醇等与DON呈现负相关，而戊烷、3-戊酮、醋酸异辛酷则呈现正相关，后续的验证评价试验对这种建立在电子鼻上的技术进行了误差评估，分别为25μg/kg（负相关）和16μg/kg（正相关）。

在食用油的品质及贮藏性和橄榄油（食用油）的掺假检测方面，国外也有一些报道。相比而言，在国内已经出现利用线性判别式的方法辅助电子鼻可以进行芝麻油和山茶油的鉴伪，用这样的方法不仅可以区分不同种类的油脂，甚至可以进一步将芝麻油中的山茶花油鉴别出来，借助多层次的前馈网络系统神经能够对于芝麻油和大豆油的均匀混合比进行大致的估计，也就是说从现在掌握的技术来看，这种技术还无法进行精确检测。

4 电子舌技术

电子舌技术是20世纪末发展起来的一种用以识别不同液体味道的新型技术，主要有味觉传感器与计算机分析系统连接组成。由于所有植物油中都含如维生素E、多酚化合物、类胡萝卜素等具有氧化还原活性的物质，相关研究正是从这些物质的易敏感的特点入手，开发应用于检测不同植物油中的特殊类化学物质，从而达到定量检测的目的，但油品的导电率很低、劲度大、溶解度低。为了解决以上问题，提出一种区分植物油的不同来源和品质的方法，原理是将植物油作为涂层涂在改进的碳层电极上，然后放在不同的电解水溶液中产生电化学反应。电极浸在不同的电解质溶液中时获得电势信号，电势受到电极所浸放的溶液的电解溶液产生的离子的强烈影响。设计试验可以利用输入变量的主成分来分析不同品种的油所产生的特征信号，从而鉴别不同的植物油。分析6种油其中包括橄榄油、籽油、花生油和3种不同压榨程度的橄榄油，结果表明，这种方法可以用于区分不同的植物油。

5 结论和展望

从电子鼻对稻米和稻谷检测的研究来看，目前的电子鼻技术基本还处于可检出若干成分或应用开发的阶段，又因为应用在电子鼻中的传感器大多对工作温度比较敏感，从而要求其工作环境必须能有较好的可控性；另外因为金属氧化物型传感器工作所需的温度比较高，所以测试前需额外对传感器进行预热，且较长的工作时间容易使基准值发生漂移。而模式识别的方法还不够成熟，人工神经网络相对于传统识别方法来说，其优势在于拥有较好的的特定位点识别，从而得以完成较繁杂的非线性运算映射，即便如此，由于这种方法是建立在大量的测试样品之上的，使得取样较为麻烦。因此，电子舌头可以在涉及到油料以及特殊物质的研究检测上有很大的应用前景，而模式识别技术以及传感技术的结合发展则离不开电子鼻技术的广泛应用。

综合性的评价是指到粮食生产前再到生产进行最后到成品后这一系列过程中所涉及到的检测与评价技术。虽然现在很多研究表明，电子眼技术可以基本满足稻米粒型等品质的检测需要，但是要考虑到整精米率等品质易受到光源、米型等的影响而产生变差的现实问题。此外，需要注意的是仪器的稳定性，方法的可行性（因为在初期试验阶段，样品的取样没有严格的科学论证，数量少，品种单一等问题导致不能证明仪器方法的通用性）以及评价验证方案都需要去不断地完善补充。

未来应用依托计算机的视觉技术、电子鼻技术、电子舌技术对稻米及其他粮油制品进行快速、无损检测区分的方法将会越来越成熟，因为目前传感器模块识别技术已经和电子计算机技术结合的十分紧密并且还在迅速地完善。总之，3E（电子眼技术、电子鼻技术、电子舌技术）技术将会成为今后的热门研究领域，粮油的检测技术将会迎来飞速的发展。

参考文献

[1]万鹏，孙瑜，孙永海.基于计算机视觉的大米粒形识别方法[J].吉林大学学报：工学版，2008，38（2）：489-492.

[2]凌云.基于机器视觉的谷物外观品质检测技术研究[D].北京：中国农业大学，2004.

[3]侯彩云，Seiichi O，Yasuhisa S，等.三维图像处理系统在稻米品质检测中的应用研究[J].农业工程学报，2001，17（3）：93-95.

（责编：张宏民）