電子鼻數據的多變量分析應用趨勢評析

姚念周 首席顧問

電子鼻(Electronic-nose)是利用多組氣體感測器對氣體分子如產品(或食品)的氣味氣體、有毒氣體、人體呼出的氣體等,進行特定分子的監控、分析、判斷,進行多變量分析,以模擬人類分辨氣體的鼻子,因此有電子鼻這個名稱,目前市面上已有多種電子鼻產品,常見的應用包括安全監控用途的工業毒氣監測、食品相關產業的品質管理監測,甚至較前瞻的應用於醫療的疾病診斷。

電子鼻分辨氣體的方法,主要是利用電子感測器,替代人體的嗅覺細胞,做為氣體感測的基本單元,利用氣體分子接觸感測晶片後的化學光電反應來識別,其設計的基本概念,在於感測器陣列中的每個感測器,對於同一樣品具有不同的靈敏度,這樣的設計可以使不同氣體在感應器陣列的偵測下,產生不同的反應程度,進而辨別確認不同的氣體,或是對特定反應程度的氣體做出警訊。工研院專家曾解析其原理如下:

  1. 由各種不同靈敏度的感測器組成陣列
  2. 感測器陣列接觸氣體後產生光電信號
  3. 光電信號經放大後轉化為數位信號
  4. 數位信號轉換為特徵值
  5. 使電子鼻與氣體多次反應、校正建立特徵值資料庫
  6. 將待測氣體資訊輸入模式鑑別系統
  7. 經鑑別系統比對資料庫,分析待測氣體資訊

多變量分析就是串連上述數據,建立模式的工具。工研院專家並認為電子鼻在偵測靈敏度的提升及儀器結構的微型化上的技術還有進步空間。筆者認同在工業安全(有毒氣體偵測)及醫療診斷(疾病偵測)的應用上,這個論點是對的,也是電子鼻可以繼續研發的方向,但在食品相關產業的應用上,其實電子鼻的應用瓶頸並非在敏感度與微型化技術上。

  目前在食品相關產業方面,電子鼻扮演生產及存放時的品質管控角色,如魚肉類新鮮度檢測酒類生產品質控管酒類年份品質鑑定煙草品質鑑定水果成熟度鑑定奶類製品生產品管等等的應用,不過這裡有一個很明顯的現象-都沒有提到研發上的應用,這是為什麼呢?

  人類嗅覺的產生,是當揮發性分子傳遞至鼻腔並附著於鼻腔黏膜後,經擴散至上皮層中的嗅覺細胞受體,再進一步啟動嗅覺細胞的酵素連鎖反應,促使細胞膜的電位改變而產生神經傳遞訊號(電流),訊號傳送到大腦做出辨別與反應,若該分子具氣味活性,則啟動大腦嗅覺區細胞進行辨識(也會與記憶區比對),但若不具有氣味活性,該訊號就會被大腦忽略。此外,其中嗅覺纖毛細胞上的受體,約有10億以上,能產生千種組合形式,用以鑑別各種氣味,而各人因為生活經驗不同,記憶區的[資料庫]不同,引發的反應也會不一樣,由此可見人類嗅覺體系其複雜程度。


在上述描述中,我們已經可以看出一個關鍵點-[氣味活性],也就是說並非所有的揮發性分子(或所謂的氣體),我們人類的鼻子(或嗅覺系統)都會有反應,科學家以氣味活性定義之,那麼目前任何一個電子鼻的感測晶片有辦法辨識[氣味活性]嗎?目前能有的晶片是靠人類已知的部分去建立資料庫,但我們實務上常發現,不管是電子鼻原廠(通常是國際廠商)可提供的資料庫還是已採用廠商(或學術單位)自建的資料庫,總是不夠用,必須常常訓練[電子鼻]去認識新樣品(使用者往往會抱怨這是同一類型產品不是新樣品ㄚ),而且還有國際廠商建立的資料庫可能還會水土不服,因為人種、文化、環境等因素不同,對氣味感受的結果也會因此不同。

  因此從品管的角度,如果我們把目標樣品(品管比對標的)輸入電子鼻系統,事後各種需要品管確認的樣品採樣後輸入比對,就可以得到與標的比對後的差異圖,只要確認差異多大後會被客戶感受到,就可確認品管上下限,能在日常品管工作中進行允收或淘汰的決定。不過聰明的讀者可能注意到了,這裡也顯示一個重要關鍵點-[差異多大會被感受到],也許有人說,沒關係,電子鼻敏感度高,只要有差異就可淘汰,不用擔心。但是從使用廠商的角度而言,如果針對客戶或消費者(人類)感受不到的差異去淘汰產品,不是損失成本嗎?那到底多大會被感受到就是關鍵資訊了,這還是必須靠[人]確認這個關鍵資訊。

  若從研發的角度來看,電子鼻就更難用了,因為遠永資料庫不夠,電子鼻無法辨識競爭者的氣味剖析,它也許可以辨識有一個不認識的氣味化合物存在,但不知那是[什麼氣味?],無法提供研發人員線索,除非該研發單位要花相當時間深入建立單一產品的資料庫,但這在企業組織的競爭現實中,很難會投入這樣的成本。

  可見如果要用儀器代表感官分析的結果,必須蒐集足夠的人的感官的數據,建立資料庫,才有可能用儀器來代表人的感受,且仍有很多限制。很明顯的,至目前為止,還沒有一項儀器可以完全取代人類感官的反應,許多物化指標無法直接代表感官特性,而且儀器無法提供不同感官特性產生的交互作用或整體感受等影響人類對食品評價的眾多指標。

  因此,感官分析才是最能解決企業組織多項功能的科學化工具,有人會誤解感官分析是以人為工具,不靠譜!其實感官分析早已是國際認可(包括有ISO國際標準)的客觀性工具,面對全球化競爭,並非鎖國就可以解決的,何況國內市場規模有限,食品業者面對內需市場或國際市場,接軌國際勢在必行,而且是唯一途徑。讓我們看一下兩者的比對,從下表我們可以看出,感官分析從各種實務面的指標來看,除了無法24小時工作的限制性外,沒有一個指標會輸給電子鼻工具,那麼,從企業組織的立場,您認為您該選擇什麼呢?不要再認為感官分析系統是人人試吃,所以不需花成本的工具,卻反而思考花費上百萬採購電子鼻是一種投資,投資錯誤是主管/老闆的責任,不是員工的!


感官分析系統與電子鼻/舌的比較
指標 感官分析系統 電子鼻/電子舌
客觀性
穩定性 中高
敏感性 有高有低

有高有低

*無氣味活性(或味覺)化合物
敏感度高無意義

氣味活性 完全分辨 無法分辨
投入成本 中高
解決問題

*只能針對氣味或味覺

適用範圍 研發/品保/行銷

品保

*研發應用需自建資料庫

國際標準
實務應用效益

*僅品保應用具效益

維護成本

受限於零件與技師可獲得性

限制性 無法24小時工作 只有在固定實驗室可進行