Electronic-Nose Applications for Fruit Identification, Ripeness and Quality Grading
Abstract: Fruits produce a wide range of volatile organic compounds that impart their characteristically distinct aromas and contribute to unique flavor characteristics. Fruit aroma and flavor characteristics are of key importance in determining consumer acceptance in commercial fruit markets based on individual preference. Fruit producers, suppliers and retailers traditionally utilize and rely on human testers or panels to evaluate fruit quality and aroma characters for assessing fruit salability in fresh markets. We explore the current and potential utilization of electronic-nose devices (with specialized sensor arrays), instruments that are very effective in discriminating complex mixtures of fruit volatiles, as new effective tools for more efficient fruit aroma analyses to replace conventional expensive methods used in fruit aroma assessments. We review the chemical nature of fruit volatiles during all stages of the agro-fruit production process, describe some of the more important applications that electronic nose (e-nose) technologies have provided for fruit aroma characterizations, and summarize recent research providing e-nose data on the effectiveness of these specialized gas-sensing instruments for fruit identifications, cultivar discriminations, ripeness assessments and fruit grading for assuring fruit quality in commercial markets.
Keywords: electronic aroma detection; e-nose; fruit volatiles; volatile organic compounds
1. Introduction
Fruit quality is judged by consumers primarily from their perception of the acceptability of fruits based on characteristics including visual appeal (lack of blemishes, color, size, and texture), ripeness, aroma and flavor. The quality of fruits (as measured by aroma, flavor, color, and textural characteristics) constantly changes during fruit development from pre-harvest through post-harvest stages as fruits grow and ripen, and during maintenance in storage [1]. Personal consumer preferences for different types of fruits are reflected in their particular choices of fruit varieties or cultivars selected for purchase. Fruit varieties vary widely in aroma characteristics due to differences in the composition of aromatic volatiles present in fruit aromas which are ultimately determined by plant genetics [2,3]. Previously, professional human graders and panelists have been used to judge fruit quality based on visual and aroma characteristics for selecting and evaluating fruits for ripeness at harvest and salability in commercial fruit markets [4]. The advent of electronic-nose (e-nose) devices has offered new alternative tools for grading fruits and other perishable foods using more consistent qualitative and quantitative measures of aroma characteristics that avoid the highly variable subjective opinions of human graders [5,6]. These instruments provide new means for characterizing fruit aromas for numerous applications ranging from the development of new fruit varieties by geneticists or fruit breeders to the timing of fruit harvests, transportation, storage operations (handling), and final selection by commercial dealers and retailers in fresh produce markets.
Fruit aroma is often the most valued characteristic determining fruit quality and consumer choice because aroma is usually the best indicator of fruit flavor. Electronic-noses are ideal digital, electronic devices for identifying, characterizing and grading fruit aromas from different fruits and fruit varieties because these instruments are capable of rapidly and consistently evaluating complex volatile gaseous mixtures without having to identify all of the chemical constituents present in the bouquet of fruit aromas [5,7]. E-noses contain a sensor array that evaluates all of the chemical constituents present in an aroma mixture (as a whole sample) and coverts the electronic output signals (via a transducer) from all of the sensors in the array and collectively assembles them to form a distinct digital pattern, sometimes referred to as an Electronic Aroma Signature Pattern (EASP) that is highly unique and specific to the particular gas mixture being analyzed [8,9]. In this way, the instrument output generates an aroma signature or smell-print that can be used to identify the particular type and variety of fruit being analyzed.
Fruits produce and release a wide variety of Volatile Organic Compounds (VOCs) that make up their characteristic aromas with esters, terpenoids, lactones and derivatives of amino acids, fatty-acids and phenolic compounds being the dominant classes of organic volatiles represented in fruit aromas [3]. Even though different fruits share some aromatic characteristics, each fruit has a distinctive aroma that depends upon the specific combination of VOCs present in the aroma mixture [10]. Whereas some specific volatiles are common to different fruit types, other fruit volatiles are specific to only one or only a few related fruits. Production and emission of volatiles from fruits is markedly influenced by numerous factors that interact in complex ways to determine fruit volatile composition. Multiple biochemical pathways are responsible for determining the final composition of volatile compounds released from different fruit types.
The purpose of this review is to summarize some of main chemical characteristics of fruit volatile gaseous mixtures which are conducive to characterization and analysis by electronic-nose technologies, to describe the diverse potential applications of e-nose technologies in the agro-fruit production sector of the agricultural production industry, and to provide examples of research that have demonstrated many ways in which e-nose devices have been utilized to distinguish between the fruit volatiles of different plant species and varieties for th
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电子鼻在水果鉴定，成熟度和质量分级中的应用
摘要: 描述了电子鼻（e-nose）技术为水果香气表征提供的一些更重要的应用，并总结了最近提供e-nose的研究这些专用气体传感工具在水果鉴定，品种区分，成熟度评估和水果分级中的有效性的数据，以确保商业市场上的水果质量。
一、绪论
水果产生多种挥发性有机化合物，这些化合物赋予其特征鲜明的香气并有助于辨别独特的风味特征。水果的香气和风味特性对于根据个人喜好确定商业水果市场上的消费者接受度至关重要。传统上，水果生产商、供应商和零售商使用并依靠人工测试人员或专家小组来评估水果质量和香气特性，以评估新鲜市场上的水果可销售性。我们探索电子鼻装置（带有专用传感器阵列）当前的潜在用途。这些装置对于区分水果挥发物的复杂混合物非常有效，可作为更有效的水果香气分析的新有效工具，以代替水果中使用的传统昂贵方法香气评估。我们回顾了农业水果生产过程各个阶段中水果挥发物的化学性质，描述了电子鼻（e-nose）技术为水果香气表征提供的一些更重要的应用，并总结了最近提供e-nose的研究这些专用气体传感工具在水果鉴定，品种区分，成熟度评估和水果分级中的有效性的数据，以确保商业市场上的水果质量。
关键词：电子香气检测 电子鼻 水果挥发物 挥发性有机化合物
二、电子鼻分析气味的原理
消费者主要根据对水果的可接受性的感知来判断水果的品质，这些特性包括视觉吸引力（瑕疵，颜色，大小和质地），成熟度，香气和风味。水果的质量（通过香气，风味，颜色和质地特征来衡量）。在水果发育过程中，从收获前到收获后阶段随着水果的生长和成熟而不断变化，并在保存期间保持不变。个人消费者对不同类型水果的偏好反映在他们对购买的水果品种或栽培品种的特定选择上。水果品种的香气特性差异很大，这是由于水果香气中存在的芳香族挥发性成分的差异所致，而香气挥发性最终由植物遗传学决定。以前，专业的分级员和小组成员已被用来根据视觉和香气特征来判断水果质量，以选择和评估水果在成熟水果市场上的成熟度和可销售性。电子鼻（e-nose）设备的出现提供了新的替代工具，可使用更加一致的定性和定量测量香气特性来对水果和其他易腐烂食品进行分级，从而避免了人类评分者的主观性差异。这些仪器提供了表征水果香气的新方法，可用于多种应用，从遗传学家或水果育种者开发新的水果品种到水果收获的时间，运输，存储操作（处理）以及商业经销商和零售商最终选择新鲜水果生产市场。
水果香气通常是决定水果质量和消费者选择的最有价值的特征，因为香气通常是水果风味的最佳指示。电子鼻是用于识别表征和分级不同水果和水果品种的水果香气的理想数字电子设备，因为这些仪器能够快速，一致地评估复杂的挥发性气体混合物，而不必识别花束中存在的所有化学成分。电子鼻包含一个传感器阵列，该阵列评估存在于香气混合物中的所有化学成分（作为一个整体样品），并隐蔽阵列中所有传感器的电子输出信号（通过换能器），并共同组装以形成一个独特的数字模式，有时也称为电子香气特征码（EASP），对于正在分析的特定气体混合物而言，它是非常独特且特定的。这样，仪器的输出会生成香气特征或气味印记，可用于识别所分析水果的特定类型和种类。
水果产生并释放出各种各样的挥发性有机化合物（VOC），它们的特征性香气是由酯，萜类化合物，内酯和氨基酸，脂肪酸和酚类化合物的衍生物组成的，是水果香气中主要的有机挥发物类别。即使不同的水果具有某些芳香特性，每种水果也具有独特的香气，这取决于存在于香气混合物中的VOC的特定组合。一些特定的挥发物对于不同类型的水果是共有的，而其他水果挥发物仅对一种或几种相关水果是特定的。水果中挥发性物质的产生和排放受到多种因素的显着影响，这些因素以复杂的方式相互作用来确定水果挥发性成分。多种生化途径负责确定从不同水果类型释放的挥发性化合物的最终组成。
这篇综述的目的是总结水果挥发性气态混合物的一些主要化学特性，这些特性有助于电子鼻技术进行表征和分析，以描述电子鼻技术在印度农用水果生产领域的各种潜在应用。并提供研究实例，这些实例已经证明了许多利用电子鼻装置来区分不同植物物种和品种的水果挥发物的方法，目的是分析和分级水果的质量和香气特性。
三、水果挥发物的化学特性
水果香气由挥发性有机化合物的复杂混合物组成，其成分特定于植物物种和水果品种。尽管不同的水果通常具有许多香气特征，但每种水果都有独特的香气这取决于挥发物的组合，浓度和各个挥发物化合物的感知阈值。最重要的香气化合物包括氨基酸衍生的化合物，脂质衍生的化合物，酚类衍生物以及单萜和倍半萜。尽管水果香气通常是多种化合物的复杂混合物，但挥发性酯通常代表酒渣水果如苹果（Malaus domestica Borkh。）和桃子（Prunus persica L.）中存在的香气挥发物的主要成分。
水果挥发物主要由相对较少化学类别的VOC组成，主要包括脂肪族酯，醇，醛，酮，内酯，萜类化合物（单萜，倍半萜）和类胡萝卜素。但是，由这些化学类别代表的成千上万种挥发性化合物构成了为世界农业市场种植的多种水果类型的复杂香气混合物。脂族酯化学类别中的挥发性化合物是最丰富的类型，在许多水果挥发物中发现的有机化合物；酯和酯是大多数被子植物或种子植物的花朵和果实的甜味最主要的来源。例如，在芳香瓜品种中，挥发性酯在水果香气中占主导地位，还含有醛，短链醇，倍半萜，降冰片异戊二烯和芳香族含硫化合物。非芳香水果品种的总挥发物含量通常低得多，并且缺乏挥发性酯类。酯是草莓果实香气中特别重要的组成部分，占成熟草莓果实挥发物总数的90％。酯也是造成柑橘风味特征的关键挥发物。
除化学类别外，水果挥发物还可以分类为主要化合物（存在于完整的水果组织中）或次要化合物（由于水果组织的组织破坏而产生）。因此，被分析的水果组织的状况（完整或破裂）将影响所得香气特征的特征（化学成分）和输出模式。某些香气化合物可能仅由于物理损坏或对水果的伤害而从细胞破坏中释放出来。其他水果挥发物在水果内部的结合程度更高，这可能是由于较低的挥发性或由于水果组织分隔造成的直接暴露于空气中。
在农艺生产过程的所有阶段，许多因素都会影响水果的挥发性化学成分，包括植物遗传学，收获时间，水果成熟度和农艺环境条件，以及收获后的处理，运输和储存。植物遗传学，植物激素和环境因素强烈影响生物合成途径，这些途径负责随着时间的推移在各种条件下从水果释放挥发性香气化合物。在水果发育过程中，用于产生香气化合物的生物合成途径的主要前体底物的可用性在数量和组成上均受到高度调节。所有这些因素对在果实发育的不同阶段和果实收获后释放的香气挥发物具有不同的影响，此时脱离的果实不再受植物生化过程的影响。
脂肪酸是大多数水果类型中许多香气挥发物的主要主要前体底物。脂肪醇，醛，酮，有机酸，酯和内酯的范围从C1到C20，都是通过三个关键的生物合成过程从脂肪酸前体衍生而来的：alpha;-氧化，beta;-氧化和脂氧合酶途径。衍生自脂肪酸前体的挥发物是重要的影响字符的香气化合物，可导致高浓度的新鲜水果香精。萜类化合物是最大的植物次生代谢产物类别（已鉴定出约20,000种），它们来自通用的C5前体异戊烯基二磷酸二甲酯（IPP）及其烯丙基异构体二甲基烯丙基二磷酸酯（DMAPP），它们来自两个独立途径，即甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓醇磷酸（MEP）生化途径，其中许多挥发性产物代表[36,37]。根据5碳分子（异戊二烯）的重复单元（分子中所有萜类化合物的结构单元）的数量，萜烯可分为单萜，二萜和倍半萜。半萜烯（C5），单萜烯（C10），倍半萜烯（C15），高萜烯（C11和C16）和某些二萜（C20）是挥发性很强的VOC，因为它们具有较高的蒸气压，因此可以迅速释放到大气中。
电子鼻仪器可检测到从各种水果类型（植物种类）释放的挥发性有机化合物的复杂气体混合物，取决于遗传和环境因素确定的不同代谢途径在水果挥发物生成中占主导地位的程度。由于控制水果组织中主要和次要代谢产物的代谢途径的独特结合，某些类型的VOC与特定水果相关的频率更高。
（Malus domestica Borkr）至少含有300种挥发性化合物。苹果成熟时释放的VOC的总数和浓度是特定品种的。苹果的表皮组织（果皮）比内部肉质（果皮）组织产生更多的挥发性化合物。果皮组织产生香气的较高能力是由于果皮中脂肪酸底物的丰富或代谢活性较高。桃果实（Prunus persica（L.）Batsch）的香气包含约100种挥发性化合物，其中C6醛和醇类提供绿色香气，而内酯和酯类则具有水果香气。包括乙酸己酯和（Z）-3-己烯基乙酸酯在内的酯类是影响桃果实风味特征的关键香气。这些挥发物的变化发生在果实发育和采后成熟期间。醛在发育过程中倾向于下降，而水果中的酯类则增加。收获后的处理，低温和可控的气氛会影响桃子香气质量的变化。在梨果实（Pyrus pyrifolia Nak。）中已鉴定出300多种VOC。癸二烯酸甲酯和己酯是欧洲梨的主要特征化合物。杏（Prunus armeniaca L.）的水果香气具有200多种不同的挥发性化合物。按浓度计算，最丰富的挥发性化合物是醛，主要是己醛和（E）-2-己醛，它们在成熟期间的浓度降低了。香蕉（Musa spp。）的水果香气大约有250 VOCs，尽管香蕉特有的水果香气来自挥发性酯，例如乙酸异戊酯和乙酸异丁酯，它们在成熟过程中的浓度往往会增加。柑橘类水果中的挥发性化合物积聚在flavedo的油腺和汁囊的油体中，从中可鉴定出100种VOC，但挥发性成分的差异主要是定量的，只有少数化合物是特定品种的。
大约42种挥发性物质与南部高灌木蓝莓（越橘属）品种的果实香气有关。某些品种包含大量的酯和C6醛，而其他品种生产的萜类化合物却较少。甜瓜（黄瓜和瓜类）的水果香气在不同品种中鉴定出超过240种VOC。甜瓜果实释放出许多化合物，尤其是C9脂族化合物，这是消费者认为是水果质量的主要决定因素。这些化合物强烈依赖于水果的品种和特定的生理特性。例如，比起更年期的甜瓜（蜜瓜），更年期的甜瓜（哈密瓜）具有更高的香气强度和更短的保存期限。来自氨基酸的挥发物是芳香和非芳香瓜品种的香气的主要贡献者。
葡萄（Vitis vinifera L.）的水果香气包含许多VOC，包括单萜，C13降肾上腺皮质激素，醇，酯和羰基化合物。葡萄品种可分为芳香族和非芳香族两类。萜类化合物是红葡萄和白葡萄中的主要挥发物。在veraison，萜烯的产量（雷司令和赤霞珠两个品种中）通常都较低，但是雷司令葡萄在veraison后产生一些萜烯（香叶醇和alpha;-茂醇）。
猕猴桃（猕猴桃属）的水果香气由80多种化合物组成，主要挥发性成分为丁酸甲酯和丁酸乙酯，（Z）-和（E）-2-己烯醛，己醛，（Z）-和（E）-3- 己烯醇和苯甲酸甲酯。 水果香气挥发物的一些重要变化。
已经发现，不同奇异果品种的不同归因于存在或不存在多种含硫VOC。
芒果（Mangifera indica L.）的水果香气在不同的芒果品种中含有270多种VOC。单萜类是导致芒果风味的最重要的化合物[75]。通常，萜烯是新大陆和哥伦比亚芒果中的主要化合物类别，而醇，酮和酯则主要是旧大陆芒果的特征香气。菠萝（Ananas comosus L. Merr。）的水果香气中至少发现了280种VOC。发现酯和碳氢化合物是水果香气的主要成分，而辛酸，甲酯，己酸，辛酸和乙酯是次要的芳香成分。菠萝发育过程中菠萝香气中不同挥发物的相对含量差异显着。覆盆子（Rubus idaeus x ursinus）水果香气由至少200种挥发性化合物组成，这些化合物的浓度因不同品种而异。许多醇，醛和酮（包括覆盆子酮，alpha;-紫罗兰酮，beta;-紫罗兰酮，芳樟醇，（Z）-3-己烯醇，香叶醇，神经醇，alpha;-松油醇，呋喃醇，己醛，beta;-烯菊酯，1-辛醇，beta;树莓香气中已鉴定出pine烯，beta;-大马烯酮，2-甲基丙酸乙酯，（E）-2-己烯醛，庚醛和苯甲醛，其中包括alpha;-紫罗兰酮，beta;-紫罗兰酮，香叶醇，神经醇，芳樟醇。 ，而覆盆子酮可能是最主要的红树莓香气。草莓（Fragaria x ananassa Duch。）的复杂水果香气包含约350种挥发性化合物。呋喃酮化合物（呋喃醇），2,5-二甲基-4-羟基-3（2H）-呋喃酮及其甲基衍生物（甲基呋喃）被认为是促成典型焦糖样，甜，花香和果香的主要化合物。醛和醇类（如己醛，反式-2-己烯醛和顺式-3-己烯-1-醇）对未成熟的草莓香气有贡献，其中这些成分的浓度取决于品种和成熟度。
从关键挥发物（主要成分）的比较中注意到，在不同水果类型之间进行区分，注意特定化学类别的水果挥发物的某些变化通常对于区分水果香气最有用。例如，苹果和菠萝品种的主要区别在于香气酯组成的差异，即水果香气中存在的酯挥发物的变化，而葡萄和芒果品种的主要区别在于在香气中检测到的萜烯挥发物。相比之下，香蕉品种主要以醛和脂肪醇挥发物为特征，但酮，呋喃醇和醇对于区分黑莓和覆盆子品种更为重要。蓝莓品种之间的区别主要取决于水果香气中酯，醛和萜类化合物的存在。
尽管已经在各种新鲜水果类型中检测到大量的VOC，但根据定量丰度和定量分析，仅这些化合物中的一小部分就被确定对水果香气的影响成分（前，中调）有重大贡献。人的嗅觉阈值。人的嗅觉阈值（针对特定的香气）定义为存在于香气中的最低浓度的芳香化合物，在香气中，人类受试者（通常为人类面板的50％）可以闻到香气的存在。基于存在的VOC的类型和在香气混合物中发现的单个挥发物的相对浓度，不同水果品种的香气特性差异归因于其化学特性的变化。 在特定水果的香气中发现的主要挥发性有机化合物
传感器可用于区分不同的水果品种。不同水果品种中香气成分和水果挥发物相对丰度的这些差异是电子鼻装置能够识别水果香气差异并基于其不同品种的香气特征模式（由e-变化引起的）区分水果香气的手段。对不同水果香气的鼻子响应（传感器阵列输出）。 因此，电子鼻对水果香气的辨别力既取决于所存在的挥发物，又取决于每种香气（气体混合物）中发现的单个成分
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