一種基于電子鼻快速預(yù)測(cè)山核桃加工時(shí)間的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電子鼻快速預(yù)測(cè)山核桃加工 時(shí)間的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 山核桃是我國(guó)特有的堅(jiān)果類(lèi)產(chǎn)品，由于含有豐富的油脂和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并 且具有特殊的堅(jiān)果香味和口感，越來(lái)越受到消費(fèi)者的喜愛(ài)。山核桃的特殊香氣和口感是在 烘烤過(guò)程中產(chǎn)生的，不同的烘烤時(shí)間對(duì)山核桃整體品質(zhì)有很大的影響，烘烤時(shí)間不足導(dǎo)致 山核桃無(wú)法產(chǎn)生其特有的香氣成分;烘烤時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致出現(xiàn)焦糊味和澀味，山核桃產(chǎn)品整 體品質(zhì)下降。現(xiàn)在，山核桃加工企業(yè)往往依靠操作者的個(gè)人的感官評(píng)定來(lái)評(píng)判烘烤時(shí)間是 否充足。但是，感官評(píng)定具有主觀性強(qiáng)、重復(fù)性差等缺點(diǎn)，使得判斷結(jié)果缺少準(zhǔn)確性和可靠 性，因此，急需一種能夠快速而準(zhǔn)確地鑒別山核桃加工品質(zhì)和快速預(yù)測(cè)山核桃烘烤時(shí)間的 方法。
[0003] 電子鼻是一種模擬動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)的儀器，包含傳感器陣列和模式識(shí)別兩部分，其 工作原理為:樣品揮發(fā)出的氣味作用于傳感器陣列，產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，這種信號(hào)稱(chēng)為樣品氣味 的模式或"氣味指紋圖譜"，利用多元統(tǒng)計(jì)分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立分類(lèi)和預(yù)測(cè)模型，從 而快速區(qū)分不同烘烤時(shí)間的山核桃樣品和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的烘烤時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于電子鼻快速預(yù)測(cè)山核桃加工時(shí)間的方 法，該方法能夠快速區(qū)分不同烘烤時(shí)間的山核桃樣品同時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)烘烤時(shí)間，具有較高的 實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得廣泛推廣。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種基于電子鼻快速預(yù)測(cè)山 核桃加工時(shí)間的方法，具體包括如下步驟：
[0006] (1)山核桃檢測(cè)樣品加工過(guò)程:選取新鮮山核桃，在沸水中煮3-4小時(shí)去除澀味;取 出煮好的山核桃，在35°C、30 %相對(duì)濕度的恒溫恒濕箱內(nèi)干燥3.5-4.5小時(shí)；將干燥過(guò)的山 核桃置于熱風(fēng)烘箱內(nèi)分成若干批次進(jìn)行烘烤，各批次烘烤時(shí)間不同，從而獲得加工時(shí)間不 同的山核桃檢測(cè)樣品；
[0007] (2)電子鼻檢測(cè)過(guò)程：由步驟（1)中獲得加工時(shí)間不同的山核桃檢測(cè)樣品中，相同 加工時(shí)間的山核桃至少有3組不同檢測(cè)樣品，按照1顆/50ml頂空氣體的比例將各組檢測(cè)樣 品分別放入無(wú)味密閉容器中，所述密閉容器的容積不小于500ml;在室溫中靜置45-75分鐘， 使得山核桃散發(fā)的氣味達(dá)到飽和;每次電子鼻檢測(cè)開(kāi)始前，使用干燥潔凈空氣對(duì)電子鼻系 統(tǒng)進(jìn)行清洗，設(shè)置清洗流速為500ml/min-700ml/min，清洗時(shí)間為60-80秒;清洗完成后，抽 取密閉容器中的頂空氣體，設(shè)置抽取頂空氣體的流速為150ml/min-300ml/min，檢測(cè)時(shí)間為 70-90秒;檢測(cè)記錄傳感器陣列對(duì)不同加工時(shí)間的山核桃檢測(cè)樣品的響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)而得到傳 感器陣列對(duì)不同加工時(shí)間的山核桃檢測(cè)樣品的響應(yīng)曲線；
[0008] (3)特征值提取過(guò)程:采用穩(wěn)定值法提取步驟(2)獲得的傳感器陣列響應(yīng)曲線上的 特征值，所述穩(wěn)定值法具體為:提取傳感器陣列響應(yīng)曲線上穩(wěn)定階段的響應(yīng)信號(hào)；
[0009] (4)預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程:將步驟(3)中提取出的特征值作為自變量，加工時(shí)間已知 的檢測(cè)樣本的加工時(shí)間作為因變量，建立加工時(shí)間預(yù)測(cè)模型，選擇其中確定系數(shù)大而均方 根誤差小的預(yù)測(cè)模型作為最終的加工時(shí)間預(yù)測(cè)模型；
[0010] (5)加工時(shí)間預(yù)測(cè)過(guò)程:通過(guò)步驟(2)和步驟(3)獲得加工時(shí)間未知的檢測(cè)樣品響 應(yīng)曲線的特征值，將獲得的特征值導(dǎo)入步驟(4)中所建立的加工時(shí)間預(yù)測(cè)模型，從而獲得加 工時(shí)間未知的山核桃的加工時(shí)間。
[0011] 進(jìn)一步的，所述步驟（1)中熱風(fēng)烘箱的烘烤溫度為150°C，各批次烘烤時(shí)間均不得 超過(guò)35分鐘，各批次烘烤時(shí)間差不得小于1分鐘。
[0012] 進(jìn)一步的，所述的步驟(4)中的確定系數(shù)和均方根誤差的計(jì)算公式如下： (Σ?Χ,-Χ^-Υ))2
[0013] -v- X(z,.-xrX(K-Fr /=1 j=1
[0014] ?-Ιχ(Χ-Γ)-
[0015] 其中，R2為確定系數(shù);RMSE為均方根誤差;N為預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程中使用的加工時(shí) 間已知的樣本個(gè)數(shù);Xi為預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程中第i個(gè)樣本加工時(shí)間的實(shí)際值;！為預(yù)測(cè)模型 建立過(guò)程中所有樣本加工時(shí)間的實(shí)際值的平均值;Yi為預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程中第i個(gè)樣本加 工時(shí)間的預(yù)測(cè)值;？為預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程中所有樣本加工時(shí)間預(yù)測(cè)值的平均值。
[0016] 進(jìn)一步的，所述的步驟(4)中加工時(shí)間預(yù)測(cè)模型建立方法是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法或 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。
[0017] 本發(fā)明的有益結(jié)果是，通過(guò)采用電子鼻直接對(duì)山核桃產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，操作簡(jiǎn)單、不 需要復(fù)雜的前樣品處理和昂貴的儀器;方法中采用確定系數(shù)和均方根誤差評(píng)估所構(gòu)建的山 核桃加工時(shí)間預(yù)測(cè)模型的性能，選擇其中確定系數(shù)大而均方根誤差小的模型作為最終的預(yù) 測(cè)模型;所構(gòu)建的加工時(shí)間預(yù)測(cè)模型能夠快速預(yù)測(cè)山核桃準(zhǔn)確的加工時(shí)間，從而精確控制 山核桃在加工過(guò)程中的品質(zhì)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得廣泛推廣。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中電子鼻響應(yīng)信號(hào)；
[0019] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中不同烘烤時(shí)間山核桃樣品的LDA分類(lèi)效果圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中基于偏最小二乘法預(yù)測(cè)模型的性能效果圖；
[0021 ]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)模型；
[0022]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的性能效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0024] -種基于電子鼻快速預(yù)測(cè)山核桃加工時(shí)間的方法，其步驟如下：
[0025] (1)山核桃檢測(cè)樣品加工過(guò)程:選取新鮮山核桃，在沸水中煮3-4小時(shí)去除澀味;取 出煮好的山核桃，在35°C、30 %相對(duì)濕度的恒溫恒濕箱內(nèi)干燥3.5-4.5小時(shí)；將干燥過(guò)的山 核桃置于150°C的熱風(fēng)烘箱內(nèi)分成五批次進(jìn)行烘烤，各批次烘烤時(shí)間不同，分別為18分鐘， 22分鐘，25分鐘，28分鐘和32分鐘，從而獲得不同加工時(shí)間的山核桃檢測(cè)樣品；
[0026] (2)電子鼻檢測(cè)過(guò)程:將步驟（1)中獲得不同加工時(shí)間的山核桃檢測(cè)樣品中，相同 加工時(shí)間的山核桃至少有3組不同檢測(cè)樣品，按照1顆/50ml頂空氣體的比例將各檢測(cè)樣品 分別放入無(wú)味密閉容器中，所述密閉容器的容積不小于500ml;放入山核桃后，使用無(wú)味保 鮮膜進(jìn)行密封，并在室溫中靜置45-75分鐘，山核桃散發(fā)的氣味充滿(mǎn)整個(gè)密閉容器并達(dá)到飽 和，從而獲得頂空氣體;每次電子鼻檢測(cè)開(kāi)始前，使用干燥潔凈空氣對(duì)電子鼻系統(tǒng)進(jìn)行清 洗，設(shè)置清洗流速為500ml/min-700ml/min，清洗時(shí)間為60-80秒;清洗完成后，電子鼻抽取 密閉容器中的頂空氣體，設(shè)置抽取頂空氣體的流速為150ml/min-300ml/min，檢測(cè)時(shí)間為 70-90秒;檢測(cè)過(guò)程中按照1次/秒的速率記錄傳感器響應(yīng)信號(hào)，響應(yīng)信號(hào)為傳感器陣列檢測(cè) 樣品氣體時(shí)的電導(dǎo)率G與檢測(cè)潔凈空氣時(shí)的電導(dǎo)率G0的比值，從而得到傳感器陣列對(duì)不同 加工時(shí)間山核桃檢測(cè)樣品的響應(yīng)曲線；
[0027] (3)特征提取過(guò)程:氣敏傳感器穩(wěn)定階段的響應(yīng)值最能代表被檢測(cè)樣品的氣味特 征，因此采用穩(wěn)定值法提取步驟(2)獲得的傳感器陣列響應(yīng)曲線上的特征值，其中穩(wěn)定值法 具體為:提取傳感器陣列響應(yīng)曲線上穩(wěn)定階段的響應(yīng)信號(hào)；
[0028] (4)預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程:將步驟(3)中提取出的特征值作為自變量，加工時(shí)間已知 的檢測(cè)樣本的加工時(shí)間作為因變量，建立加工時(shí)間預(yù)測(cè)模型，選擇其中確定系數(shù)大而均方 根誤差小的預(yù)測(cè)模型作為最終的加工時(shí)間預(yù)測(cè)模型；
[0029] (5)加工時(shí)間預(yù)測(cè)過(guò)程:通過(guò)步驟(2)和步驟(3)獲得加工時(shí)間未知的檢測(cè)樣品響 應(yīng)曲線的特征值，將獲得的特征值導(dǎo)入步驟(4)中所建立的加工時(shí)間預(yù)測(cè)模型，從而獲得加 工時(shí)間未知的檢測(cè)樣品的加工時(shí)間；根據(jù)預(yù)測(cè)的加工時(shí)間未知的檢測(cè)樣品的加工時(shí)間，可 以知道檢測(cè)樣品的加工品質(zhì)。具體實(shí)施過(guò)程中，定義烘烤時(shí)間在23-27分鐘內(nèi)的山核桃產(chǎn)品 為品質(zhì)優(yōu)，烘烤時(shí)間在19-23分鐘或27-31分鐘內(nèi)的山核桃產(chǎn)品為品質(zhì)良，大于31分鐘或小 于19分鐘的山核桃產(chǎn)品為品質(zhì)差;通過(guò)加工品質(zhì)的鑒別正確率(W)來(lái)輔助說(shuō)明預(yù)測(cè)模型的 預(yù)測(cè)性能；
[0030] 進(jìn)一步地，所述的步驟(4)中的確定系數(shù)和均方根誤差及步驟(5)中的鑒別正確率 的計(jì)算公式如下： (￡(x,-x)(f-F))2
[0031] R2 ^ ~---~-- Σ(^-^)2Σ(?：-/)2 ;·=1 I
[0032] 縣頌(羌-?2
[0033] W = #正確 Ν
[0034] 其中，R2為確定系數(shù);RMSE為均方根誤差;W為鑒別正確率;Ν為預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程 中使用的加工時(shí)間已知的樣本個(gè)數(shù);Xi為預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程中第i個(gè)樣本加工時(shí)間的實(shí)際 值;X為預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程中所有樣本加工時(shí)間的實(shí)際值的平均值;Yi為預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程 中第i個(gè)樣本加工時(shí)間的預(yù)測(cè)值；？為預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程中所有樣本加工時(shí)間預(yù)測(cè)值的平 均值;Nias為分類(lèi)正確的樣本個(gè)數(shù)。
[0035] 實(shí)施例：
[0036]本實(shí)施例中，選用浙江省臨安市山核桃作為檢測(cè)對(duì)象;挑選大小一致、外標(biāo)無(wú)損傷 的新鮮山核桃，在沸水中煮4小時(shí)，去除澀味;將煮好的山核桃放于35°C，30 %相對(duì)濕度的恒 溫恒濕箱內(nèi)干燥4小時(shí)，去除山核桃內(nèi)多余水分;最后將干燥過(guò)的山核桃置于150°C的熱風(fēng) 烘箱內(nèi)分成五批次進(jìn)行烘烤，各批次烘烤時(shí)間不同，烘烤時(shí)間分別為18分鐘，22分鐘，25分 鐘，28分鐘和32分鐘；烘烤完畢后，山核桃在室溫下放置1小時(shí)，使其冷卻到室溫，然后進(jìn)行 電子鼻檢測(cè)。
[0037]本實(shí)施例中，采用德國(guó)Ai