智能仿生在食品發酵中的應用及研究進展

代良超，烏日娜，陶冬冰，張 良，臧 健，武俊瑞,

（1.沈陽農業大學食品學院，沈陽市微生物發酵技術創新重點實驗室，遼寧省食品發酵技術工程研究中心，遼寧沈陽 110866；2.沈陽農業大學生物科學技術學院，遼寧沈陽 110866；3.沈陽農業大學分析測試中心，遼寧沈陽 110866）

人工感官評價是一種主觀評價方法，主觀性較強，重復性差，會受到評價員的身體狀況、情緒及外部環境等多方面因素的影響，如地域性、風俗習慣、性別年齡差異等，可能導致評價結果難以復現。同時，感官評價員對大量樣品的評價會因其感官疲勞使得評價準確性降低。而利用智能仿生在一定程度上代替人工感官評價，其出發點是仿人的智能識別和應對各種復雜不確定的問題，可以對食品品質的色、香、味、形等進行客觀反映，能為食品品質的優劣及品質變化過程提供科學依據。

智能仿生技術是指研究生物系統結構、功能并以此來改造產品的系統科學，它強調對人類和其他生物智能行為的模仿并研究其中有益的原理和規律。智能仿生技術集生物學、計算機科學、材料科學、機械工程及電子技術等多學科的相互滲透，在農業、醫學及人工智能等方面應用廣泛。利用智能仿生部分或全部代替人類活動，能有效提高工作效率，減少人工成本，加速工業化進程。發酵食品的種類繁多，發酵過程較復雜，且通常含有多樣化的中間產物，與產品品質變化直接相關。同時，發酵產品品質主要受到工藝條件和人文差異的影響，使得產品感官質量參差不齊，包括產品顏色、質構、風味、滋味等。因此，進行更加標準化的對發酵食品顏色、風味、滋味及基本理化指標的檢測或監測是發酵過程控制和產品品質精確評價的關鍵?，F代的智能感官評定的優勢已逐步上升到了分子水平，不僅包括對樣品的定性定量區分，能極大程度地有效替代傳統控制。此外，智能仿生技術可以為發酵食品的某些在線控制過程、摻假制假物質的鑒定、同一類產品的區別及分類等食品感官控制方面的各種復雜性和不確定因素提供合適的解決途徑。本文以嗅覺仿生、視覺仿生、味覺仿生、觸覺仿生等智能仿生技術在食品發酵和檢測中的研究進展及未來發展趨勢進行綜述，闡述了智能仿生在發酵制品質量控制、快速檢測等方面的積極應用前景。

1 嗅覺仿生在發酵食品中的應用

1.1 電子鼻技術在發酵食品中的應用

電子鼻又稱仿生嗅覺。上世紀60 年代，Wilkens及Hatman 提出了電子模擬嗅覺的相關報道。而在1994 年，Cardner 等提出了電子鼻的觀點。在早期，電子鼻的傳感裝置為偏振微電極，具備一定程度的嗅覺仿生功能。從2010～2020 年，具有先進功效的新型傳感器已經用創新的納米粒子材料開發出來，這些納米粒子材料具有更優靈敏度和選擇性。原理上，電子鼻通過將所研究基質的現有揮發物轉換成來自傳感器陣列的電子信號來工作，所得的數字輸出然后經過數據處理單元以提取相應的結果。因此，傳感器是電子鼻的核心部分，主要包含金屬氧化物半導體傳感器、金屬氧化物半導體場效應晶體管傳感器、質量敏感傳感器、導電有機聚合物、固體電解質傳感器和光纖傳感器的傳感器。

在發酵工業中，1993 年，Pearce 等開創了烘焙啤酒鑒別。此后，電子鼻技術開始應用到酒類識別鑒定中。Aleixandre 等利用電子鼻和人體面板鑒定4 種紅葡萄和2 種白葡萄酒的二元混合物，結果顯示：這兩種技術都能夠量化測試的混合物，但重要的是，電子鼻技術比人體面板更快、更簡單、更客觀。隨著電子鼻傳感陣列的材料先進化和多樣化，電子鼻在發酵工業中應用趨向成熟。近幾年，電子鼻技術在發酵的過程控制中有了更多成熟的應用，如發酵過程中乳制品的成熟度的預測，揮發性香氣成分的實時檢測。同時，由于分析方法的先進性，多方法結合的融合分析在數據分析中不斷成功應用。此外，電子鼻監測系統開始向便捷式、小體積、低成本等方面發展。管彬彬等利用可視化嗅覺對56 個不同發酵床的種子乙醇脫氫酶的活性及不揮發性酸和總酸進行檢測，結合誤差反向傳播人工神經網絡進行數據分析，結果表明：將二者進行結合可對醋酸發酵過程進行有效的在線檢測和過程預測。武斌等利用電子鼻對多個品種的食醋進行檢測，結合因子分析和線性判別分析進行品質分類。Kovacs 等對不同發酵時間點（0、4、11 d）的益生菌、適度益生菌和非益生菌進行了區分，建立了不同菌群和時間點的分類模型，并監測了發酵過程中芳香族化合物的生成。吳慧琳等對四種發酵酸肉進行風味評價，利用灰色關聯分析了不同熱加工條件下電子鼻響應值的關聯系數，建立了電子鼻關聯系數與感官評價間的回歸模型，構建了酸肉的風味評價構建的有效方法。朱錦研發了一套低成本、小體積及高效率的電子鼻系統，可以對白酒種類進行定性檢測，但尚且無法對白酒的揮發性風味物質進行定量，同時不能進行同一品種不同檔次白酒的區分。

電子鼻技術主要應用于揮發性風味物質的研究與開發，在檢測、識別、分類等中，識別模型的建立上已應用廣泛。電子鼻技術可用于同類發酵中的檢測、分類，例如不同品種紅酒鑒品及分類、食醋揮發性物質的識別及真偽鑒別等；乳制品成熟度的預測和在線控制等。電子鼻技術也存在不足和局限，常用的電子鼻系統大多體積龐大，主要受到傳感器數量的限制，而小型的電子鼻則難以滿足對廣泛的應用要求且精確度不足。此外，電子鼻系統中不同的傳感器會對揮發性物質的識別存在差異，從而造成計算誤差。在數據分析上主要采用主成分分析、判別分析、聚類分析、多元線性回歸、神經網絡等方式。電子鼻成本昂貴，檢測精度有待提高，成為現在需要克服的問題。同時，有待探索一些數據處理方式，如深度信念網絡（Deep belief networks，DBNs）、卷積神經網絡（Convolutional neural network，CNN）。

1.2 電子鼻-GC-MS 聯用在發酵食品中的應用

電子鼻從氣味特征的整體風味進行分析，具有一定的局限性。GC-MS 為氣-質聯用，綜合了氣相色譜對樣品的分離性強，質譜的鑒別性強等特性。電子鼻與GC-MS 兩種分析技術的配合能夠從宏觀和微觀上研究食品風味，是目前食品檢測的主要手段。對于同一種物質，電子鼻技術可用于食品風味檢測，多品種的區分以及真偽鑒定等。GC-MS 鑒定出樣品中的具體物質并進行分類，可在電子鼻檢測結果的基礎上進一步明確該樣品的的定性和定量結果，實現具有到物質分子程度的可視化研究結果。近年來，葛東穎等以秈糯米、大米和粳糯米為單一變量，探究釀造黃酒的最佳原料，結果顯示：傳感器W1C 和W3C對粳糯米為主要原料時的成品敏感程度最高，利用GC-MS 得出粳糯米為主要原料產品的乙酸乙酯和己酸乙酯最高，可以得出黃酒釀造主要原料以粳糯米為最佳。Gao 等利用氣相色譜-質譜聯用（GCMS）結合頂空-固相微萃取和電子鼻（E-nose）對多種不同生產工藝的醬油的揮發性物質的相關特征進行鑒別，并進行了半定量比較，得出了總揮發物的分布；GC-MS 定量識別出對醬油風味影響較大的關鍵揮發性化合物。

電子鼻用于鑒別出揮發性物質的總體特征并在不同樣品中具有相互區別的作用，而GC-MS 能夠對揮發性風味物質的組成進行分析和比較，其應用更加廣泛。首先，GC-MS 可對揮發性風味成分進行分析，峰面積歸一化后可得各物質的相對含量，再對嗅覺閾值進行對照可計算得出氣味活度值，進一步確定樣品中的關鍵香味化合物。其次，GC-MS 可對單一物質或特定的一類物質進行檢測，能彌補人類嗅覺無法對單一類物質識別的缺點，同時，能夠對可能有害有毒物質進行檢測，如氨基甲酸乙酯。最后，在發酵食品中，其能用于不同種類或者品種間的相互比較，品質評價以及摻假制假的檢測?？傮w而言，電子鼻-GC-MS 聯用主要用于酒類和醬油等液體的酒精度、品牌、香型、產地等分類。在數據分析中常用的是主成分、聚類、判別等方式。

2 視覺仿生在發酵食品中的應用

仿生學的研究開始于上世紀中期。1970 年以來，Robinson 等以猴子視覺神經為對象開創了先河。1996 年，Berthouze 等設計了攝像機收集物體成像的特點，基本實現了人眼模糊的特征。視覺仿生是指模仿人眼成像的特點對外物進行測量和分析。視覺仿生研究利用成像部件和數據處理器來模仿人眼及大腦的功能對分析對象進行信息提取，從而進行信息加工和理解后應用于現實測量?，F在，視覺仿生傳感器通過對監測對象的位置信息、輪廓大小、明暗程度、色度、運動軌跡準確捕獲，從而實現具備人眼睛的功能和特征：定位和引導、測量、識別和檢測。其不僅可以用于靜態物質的檢測，也能在一個連續化過程進行控制，實現每一個步驟的可視化精準把控。同時，具備工作效率高，能在惡劣環境下工作，不污染樣品且可對已包裝好的樣品進行快速檢測的功能。周博文設計了一款視覺仿生機器人，應用保健酒檢測。該款機器人以多傳感及光學成像信息融合為核心，可對保健酒中的氣泡、雜質、外觀的缺失進行智能鑒別，并將劣質產品從優質產品中進行分離。在發酵食品中，高清攝像、近紅外光譜技術是視覺仿生中常用的成像技術，以此為例進行簡要闡述。

2.1 高清攝像技術在發酵食品中的應用

高清攝像技術起源于上世紀60 年代，起初主要應用到影視中，后逐漸應用到金融銀行、大型商超，到目前的自動駕駛、虛擬現實等方面。在發酵食品方面的應用成為目前的研究熱點。高清攝像技術以高清數字攝像機為主要圖形采集系統，能獲取多幀連續圖像，且清晰度高，克服了傳統工藝視覺中獲取單幀圖像的缺陷。邵志敏等為了檢測白酒是否含有雜質，利用高清攝像機將瓶裝白酒的視頻分割成小序列，判斷出可能存在的小氣泡和雜質形態從而對白酒的外觀品質進行分類。為確保對白酒發酵過程中的每一個步驟都能進行及時把控，因此需要對每一個因素都進行監控。目前，高清攝像的方式可對均勻的樣品進行雜質檢測和外觀破損檢查，主要在白酒中進行應用，在其它發酵食品中應用較少。高清攝像技術因其靈敏的圖像捕捉可對于發酵食品的狀態變化具有優良的判別，但是其對檢測方式的要求較高，如背景光源、照明方式等，后端顯示設備的成本昂貴。

2.2 近紅外光譜技術在發酵食品中的應用

Davies 等在1800 年發現了近紅外能量，這標志著一個新的實驗時代的開始。近紅外光譜是一種介于可見光和輻射光間的輻射波，具備“光”的性質，近紅外光譜儀一般包括光源、檢測器、光源分析軟件及漫反射附件等。在常用的分析技術上把近紅外光譜分為透射和漫反射兩種形式。透射檢測適用于穩定且均質的真液體或者固體樣的測定，分析光的投射具有一定的確定性，可用于白酒、酸奶等的檢測。在測量時，把樣品放到光源和光檢測器之間，檢測器采集到的分析光裝載了樣品的基本信息。而漫反射檢測是光源進入樣品后一部分光被樣品分子吸收，另一部分經過不斷的反射、衍射及折射等復雜的過程后返回樣品表面，因此漫反射的光線包含了樣品中有關物質信息。近紅外光譜的漫反射的應用比透射更廣，可以測量糊狀、纖維等非均質的樣品。

目前，設備小型化和先進的數據傳輸技術相結合，使在過程分析中更加快捷方便。近紅外光譜是一種介于可見光和輻射光間的輻射波，具有檢測速度快，不污染樣品等優點。在發酵食品的檢驗中，傳統的檢測包括理化、衛生、人工感官檢測三個基本指標，每一個檢測步驟都費時費力。在發酵過程中，可以利用紅外光譜進行快速在線監測，如酸度鑒定，發酵過程中原料狀態的變化。蔡偉源等利用近紅外光譜對多種不同來源的食醋進行探究，能夠對理化指標進行快速檢測，但在檢測以前需要先建立合適的光譜預測模型。Oscar 等使用光纖傳感器的近紅外光反向散射被用于監測酸奶的培養。其研究結果強調了光譜變化和樣品酸堿度之間的相關性（＞0.99），表明在酸奶培養過程中，近紅外可在線監測酸性的變化。包春芳利用近紅外光譜技術對黃酒、醬油及紅酒的主要指標進行無損質量檢測，利用偏最小二乘法進行結果分析，解決液體發酵食品組成復雜、分析繁雜的弊端，同時，還可以有效降低噪聲，對相關的檢測指標進行定量預測?？傮w而言，該方法主要有兩種應用方式，一是離線檢測，即在實驗室利用該方式對樣品進行投射；二是在線檢測，即投入到工業中在線使用。近紅外光譜技術對產品的檢測頻率快，效率高，但是同樣存在亟待解決的不足，例如產品狀態非均質的條件下，不同的液體可能會對紅外光譜產生不同的吸收，產生檢測誤差，這就需要對產品質量進行預評估。同時，其檢測光譜較寬，特征性吸收峰的識別需要進一步提高。目前，主要利用不同的化學計量方式（如主成分分析及偏最小二乘法）進行分析可以有效降低實驗誤差。

3 味覺仿生在發酵食品中的應用

味覺仿生系統以味覺感知為核心，可以對物質的基本味覺進行感知分辨。目前，味覺仿生的應用領域已遠不僅在食品中，同時，其靈敏感知程度已經超過了人類本身。在發酵制品中，應用最廣泛的屬電子舌。Norris 等在1985 年首次提出在陣列中應用液體傳感器來分析不同的液體樣品。幾年后，Hayashi 等在1990 年提出了味覺傳感器的開創性概念。根據定義，電子舌是一種“分析儀器”，包括對不同溶液成分具有部分特異性的非選擇性化學傳感器陣列和適當的模式識別儀器。近幾年，電子舌集人工智能開始向便捷式發展。在電子舌使用時，傳感器的陣列已根據目標樣本，通過遵循不同的操作模式進行定制。其中，最突出的是基于電化學、酶、光學和質量而相互作用的，如伏安電子舌、阻抗電子舌、質量電子舌等，在發酵食品中，常用的是伏安電子舌。

電子舌對酸甜苦辣咸鮮等進行有效識別，具有檢測速度快、檢測閾值低、效率高等優點。在現代的味覺仿生研究中，開始進一步向專一化、精確化方向發展。以發酵食品為例：應用最為成熟和廣泛的是對基本味的判別。馬佳佳等利用主成分、聚類、冗余分析等方法對獼猴桃果酒發酵過程中的滋味指標變化進行判別，結果顯示：可將發酵階段劃分為三個階段，最佳的發酵時間不宜高于16 d。電子舌也普遍用于白酒的檢測，但傳統的感應傳感陣列極易被乙醇所干擾，具有一定的缺陷。王洪彬利用指示劑和卟啉為感應源構建了新型的味覺仿生傳感器，可以有效避免乙醇帶來的干擾，同時，通過實驗驗證，實現了對4 種濃香型白酒的鑒定，且效果良好。Wei 等研究了通過利用伏安電子舌在發酵、成熟和儲存期間監測酸奶樣品質量屬性的能力，結果表明，電子舌能對酸奶的成熟狀態跟蹤和樣品酸度、粘度、發酵時間進行預測。

電子舌具有快速測定溶解非揮發性食物成分及通過直接測量步驟和最少樣品制備進行精確測量分類等優點。發酵食品中，電子舌在樣品分類、摻假制假、品質評價以及發酵過程進行在線控制研究廣泛，但是對于樣品處理方式需要根據實際情況進行選擇使用。同時，樣品溫度及其波動和某些成分的吸附作用會對結果產生嚴重的干擾。目前，多機器學習技術被廣泛研究、開發并集成到特征物質提取、建模和傳感器漂移補償中，可以有效減少外界因素的噪聲影響同時保持原始信號中模式信息的魯棒性。除此之外，電子舌無法區分具有相似結構的化學物質，因為它的感知機制是基于化學相互作用的，更好的方式是依靠液相色譜質譜儀。

4 觸覺仿生在發酵食品中的應用

觸覺仿生裝置，是皮膚“仿生”的一種電子系統或元件，能夠感知外界的溫度、壓力等刺激。早在1974 年，仿生觸覺傳感器首次公開亮相，并對食品質構的客觀評價代替人工評價展開嘗試。觸覺仿生的原理是仿人的觸感，根據不同的感觸接收點劃分一系列不同的力學傳感探頭，再將力學感受元傳送到計算機顯示屏上而得出一系列的圖形。使用仿生傳感技術對食品的觸覺品質進行評價具有重要意義，可以得到更立體、更接近人類感受的觸感，并得以表征更多傳統方法無法測定的食品質構特征。仿生觸覺發展迅速，研究出了包括仿生皮膚、仿生手、仿生神經等，主要應用于在機器人感知、人類假肢、特殊領域的仿生觸覺傳感器，如生物醫學工程、汗液傳感等領域。目前，在發酵食品的應用研究主要是質構儀。傳感探頭可劃分為錐形、柱形、針形、球形、盤形、咀嚼性探頭等，質構特性包括硬度、咀嚼性、粘附性、粘度及稠度等。不同物質需要根據實際情況選擇獲取不同的質構特性，因此需要選擇多樣的測試模式，如穿刺實驗、擠壓實驗、剪切實驗等。

食品的食用品質與質構特性密切相關。系統化的質構特性主要依靠質構進行，人工評價無法對物體質構進行深入測試，只能停留在物體表面，且沒有統一的判斷標準。馮月玲等利用質構儀對發酵青菜進行硬度穿刺測試，分別對下、中、上不同部位進行測試，以探究不用發酵條件下泡菜質地的變化趨勢。質構儀在液體（如酒類）質構特性的研究較為少見，常見的研究方式是對發酵原料及發酵過程的中間產物進行質構檢測，從而將發酵過程的物質質構特性變化與酒類釀造的品質進行關聯性分析。李素萍等對紅谷、圓糯米、黍米等六種黃酒原料浸泡過后質構特性的動態變化進行檢測，同時比較米漿中的氨基酸及有機酸成分，結果表明紅谷最適宜發酵醪的下階段微生物發酵。Qi 等為分析淀粉結構對兩種米酒（普通米酒（NRW）和糯米酒（WRW））質地的影響，對酒糟（發酵米粒）的質構特性進行檢測，結果表明酒糟的粘性和咀嚼性與淀粉的結晶度呈正相關，與其顆粒直徑呈負相關，較高的酒糟質構特性使得WRW 的質地高于NRW。

在發酵食品中，質構儀一般用于對對象的彈性、咀嚼性、粘附性、回復力等質構特性進行定性定量分析，精確度高、操作簡便且可選擇范圍廣，是品質評價的重要指標之一。目前，對產品客觀的質構特性與感官評價仍然具有一定差距，主要原因是質構測試的選擇模式較多樣，缺乏統一的執行標準數據且難以進行多維度的綜合測定，需要進一步規范同類產品的感官和質構物理指標的評價標準。同時，結合統計學方法探究感官的生理和物理特性與質構分析的關系，尋求儀器測試和主觀評價的相關性測試方法。

5 結論與展望

近年來，仿生傳感技術發展迅速，但應用特征均有所不同，見表1。隨著工業化生產的需要，感官指標測試、實時監控、數據分析等越來越向專一化、特性方向發展，且不斷與智能計算機和現代分析儀器結合，呈現出儀器智能化、評價應用多元化的態勢。發酵食品屬于食品中的一個重要分支，不同種類發酵食品具有其獨特的感官性質，不同地域也會呈現出不同的風格特點，同時，發酵是一個復雜過程，需要對其進行穩定控制。雖然智能仿生在發酵食品的控制或者監測中也應用廣泛，但仍存在不足。

表1 智能仿生在發酵食品應用中的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of intelligent bionics in fermented food application

設備成本問題亟待解決。在視覺仿生中近紅外光譜、高清攝像等發展成熟，已經實現低成本化。但是對于嗅覺仿生的電子鼻、GC-MS 及味覺仿生的電子舌等成本依然昂貴，其傳感器適應性不強，而現代不斷更新的傳感陣列價格普遍偏高。數據處理技術還需進步和完善。仿生傳感智能感官檢測技術離不開現代先進的數據處理方法。目前，雖已有主成分、聚類、偏最小二乘法、人工神經網、遺傳算法、證據理論等相對成熟的數據處理方法，但從檢測精度、檢測速度和效率來綜合分析，這些算法并不一定是最好的，因此還有待開發新的數據處理方法。設備聯用還尚待進一步完善。仿生傳感技術是集味覺、嗅覺、視覺、聽覺等一系列的融合信息處理。目前，對于仿生傳感融合技術應用廣泛，如電子舌-電子鼻聯用、電子鼻與GC-MS 聯用等，但尚未多感官間聯用的研究。

發酵食品種類繁多，經過發酵以后風味、色澤、質地等均會發生極大的改變，用單一的感官評價方式難以進行全面的品質評價，需要多種現代感官融合對其進行全面表征，以多元數據融合技術進行分析，如化學計量學方法。隨著電子傳感技術的發展，各類智能仿生將能展現其良好的應用價值。