[发明专利]基于可视化融合技术表征腐乳风味的方法及装置

权利要求书

1.一种基于可视化融合技术的腐乳风味表征方法，其特征在于按照下述步骤进行：

步骤1：样品的选取及预处理

样品选择市场上有代表性的红方腐乳作为研究对象；在反应前，腐乳样品用研钵研磨至均匀且无明显粗颗粒；

步骤2：采用GC-MS检测腐乳样品中的挥发性风味物质，根据各物质的含量和阈值，确定腐乳的主体特征挥发性风味物质；根据行业标准SB/T 10170-2007采用化学分析方法测定代表腐乳滋味的理化指标的含量；

步骤3：根据特征性气味物质和滋味物质进行可视化色敏材料的筛选、可视化色敏传感器的制备；

步骤4：利用自制的可视化装置和传感器阵列分别对不同品牌腐乳的挥发性气体成分和滋味物质进行检测，并利用相机获取色敏传感器阵列与样品反应前后的图像；

步骤5：对采集到的嗅觉传感信息和味觉传感信息，采用图像处理方法进行数据预处理和特征变量的提取，共同形成代表腐乳风味的特征矩阵，进一步采用多种模式识别算法对数据层融合后的特征矩阵进行数据处理，从而构建腐乳风味的表征模型，实现对不同品牌腐乳进行判别和相应理化指标的定量预测；

其中步骤1中，气味成分检测的样本为1g研磨均匀的腐乳；滋味成分的检测是称取3g样品用去离子水定容至100mL，并用滤纸过滤后待测；

其中步骤2中，利用GC-MS技术确定腐乳的特征性挥发性风味物质，具体实施步骤如下进行：

称取3g研磨均匀的样品，加入3mL去离子水，加入3μL邻二氯苯作为内标，放入15mL萃取瓶中，于60℃恒温水浴中平衡10分钟；通过固相微萃取(solid-phase microextraction，SPME)的方式萃取挥发性成分；将萃取头从瓶盖的橡胶垫插入样品的顶空部分，推出纤维头距液面1.5cm左右，顶空吸附40min，搅拌转速250rpm，完成萃取操作；抽出纤维头，将萃取头插入GC-MS仪器的进样口，推出纤维头，于250℃下解吸5min后取下萃取头，完成样品的进样；

步骤2中，使用Agilent 6890-5973质谱联用仪，相关实验条件设定，色谱条件：DB-WAX型色谱柱60m*0.25mm*0.25μm，载气流量为1.0mL/min，不分流，进样口温度为250℃，柱温：初始温度为40℃，保持5min，再以4℃/min的速度升温至130℃，保持1min，最后以10℃/min的速度升温至220℃，保持5min；质谱条件：离子源温度230℃，接口温度是250℃；电离方式：电轰击电离(EI)；电子能量70eV；质谱扫描范围为m/z 40-350，通过电化学工作站采集并处理数据；将GC-MS所得结果与谱图库进行比对，结合相关文献对腐乳中的挥发性气味物质谱图进行解析来确定腐乳的特征气味物质；

步骤2中，确定的挥发性物质包括酯类和醇类物质，具体包括乙醇、乙酸乙酯、己酸乙酯、辛酸乙酯、十六酸乙酯、苯甲醛、苯乙醛和苯乙醇；

步骤2中，代表腐乳滋味的理化指标包括：酸表征酸味、氨基酸态氮表征鲜味、食盐表征咸味、还原糖表征甜味；

其中步骤3中，根据步骤2确定出的腐乳挥发性特征物质，筛选出对这些气体敏感的色敏材料，包括卟啉类化合物、pH指示剂共16种色敏材料；具体为：8种卟啉类化合物，四苯基卟啉、四苯基卟啉铁、四苯基卟啉钴、四甲氧基苯基卟啉钴、3-甲基苯基卟啉、四苯基卟啉铜、5,10,15,20-四(五氟苯基)卟啉氯化铁、四苯基卟啉锌；以及8种pH指示剂，甲基红、溴甲酚紫、溴甲酚绿、溴邻苯三酚红、中性红、溴酚蓝、四溴酚蓝、甲酚红；

其中步骤3中，根据步骤2代表腐乳滋味的相应指标，结合查阅的相关文献，筛选出对滋味物质敏感的色敏材料，包括卟啉类化合物，几乎不溶于水的pH指示剂共16种色敏材料，具体为：四苯基卟啉、四苯基卟啉铁、四苯基卟啉钴、四甲氧基苯基卟啉钴、3-甲基苯基卟啉、四苯基卟啉铜、氯化5，10,15,20-四苯基卟啉锰、5,10,15,20-四(五氟苯基)卟啉氯化铁、四苯基卟啉锌、甲基红、溴甲酚绿、溴甲酚紫、中性红、溴酚蓝、四溴酚蓝、甲酚红；将所筛选的色敏材料溶于二氯甲烷或氯仿有机溶剂中，配置成2mg/mL的溶液；

可视化色敏传感器阵列的制备，按照下述步骤进行：配制好的色敏材料放于黑暗环境中进行保存，使用时，采用微量毛细管将2μL的色敏材料固定到4cm×4cm的反相硅胶板或聚偏二氟乙烯膜PVDF上，制成气味色敏传感器；味觉传感器则采用混合纤维素酯作为基板材料；等色敏材料在基底材料上挥发至稳定后，将色敏传感器阵列保存于密封袋中进行保存，以备后续实验使用；

其中步骤4中，腐乳样品的挥发性气体和滋味物质的检测，反应前后图像获取，按照下述步骤进行：反应前利用相机采集传感器反应前的图像，然后将腐乳样品放置在样品室的样品烧杯中，通过真空泵将腐乳挥发性气味物质传输进反应室，气味色敏传感器与腐乳样品进行充分反应后，采集传感器反应后的图像；检测腐乳的滋味物质时，先将味觉传感器与去离子水反应，采集反应前后图像变化，作为空白对照；然后，通过液体泵将经过处理的腐乳滋味物质提取液与味觉色敏传感器经过充分反应，采集反应后的图像；

其中所述步骤5中，传感器阵列的图像特征提取，按照下述步骤进行：相机采集到的反应前后的每幅图像为RGB三通道彩色图像，利用计算机将图像分别分解为三幅单通道灰度图像，分别对应原始图像的R通道、G通道以及B通道；利用图像处理算法定位敏感单元的位置，将传感器阵列反应前后各敏感单元的灰度均值作差，得到灰度均值的差值，这些差值即为敏感单元的特征值，即，△R＝R_a-R_b，△G＝G_a-G_b,△B＝B_a-B_b；其中，下标为a表示反应后的值，下标为b表示反应前的值；根据步骤3的筛选方法，嗅觉传感器由p个色敏材料组成，味觉可视化传感器由q个色敏材料组成，嗅觉传感器获得了3p个特征变量，嗅觉传感器获得了3q个特征变量；所有敏感单元的特征值组合后即得到特征矩阵；

其中所述步骤5中，可视化数据的融合按照下述步骤进行：

多传感器信息融合技术具有数据层、特征层和决策层三种不同的层次；在这三个层次中，传感器融合过程在原始数据层面融合效果较好；由于采用度量相同的传感器，因此选择先在原始数据层融合后，再通过各种模式识别算法进行判别；

经过图像特征提取后，每个样品得到了气味和滋味两方面的信息，嗅觉可视化传感器阵列数据提取之后，得到样品的气味信息特征矩阵S；味觉可视化传感器阵列数据提取之后，得到样品的滋味信息矩阵T，将嗅觉和味觉信息进行数据层融合，得到同时含有腐乳气味和滋味信息的特征矩阵F；

其中所述步骤5中，可视化数据的融合算法为：首先，将气味信息特征矩阵S和滋味信息特征矩阵T通过数据层融合形成了同时包含气味信息和滋味信息的融合矩阵F；假设S和T是m×n矩阵，其中，m代表样品数，n代表特征变量数，其数值根据步骤3中，嗅觉和味觉传感器选择的色敏材料数目来确定，气味信息矩阵中n＝3p，滋味信息矩阵中n＝3q；融合矩阵F是由矩阵S和T组成的m×r矩阵，其中r＝3p+3q，r代表嗅觉和味觉融合后的特征变量数、p代表嗅觉传感器的色敏单元个数、q代表味觉传感器的色敏单元个数；然后，特征矩阵F利用主成分分析(PCA)进行数据降维后，可以得到含有腐乳气味和滋味特征信息的特征矩阵E；最后，采用K-最近邻法(KNN)、支持向量机(SVM)模式识别算法实现对不同品牌腐乳的定性判别；利用偏最小二乘法(PLS)实现对理化指标的定量预测。