综述：电子鼻和电子舌技术在农业和食品检测中的应用：综述

《Computers and Electronics in Agriculture》：Applications of electronic nose and electronic tongue technologies in agricultural and food inspection: A review

　　

• 一项遵循 PRISMA 框架的综述综合分析了 148 篇参考文献，并对 75 项研究进行了评价。
• 电子鼻和电子舌能够实现快速的分级、鉴伪和安全筛查。
• 多源数据融合整合了气味、味觉、视觉、光谱和触觉数据。
• 先进的化学计量学方法支持分类与定量预测。
• 传感器创新与可解释人工智能增强了智能农食检测能力。

引言

现代农食供应链具有大规模生产、长距离运输和产品日益多样化的特点，这产生了对客观、高效且可重复的质量控制体系的需求。农产品和食品含有复杂的化学基质，并在加工和储存过程中发生动态变化，使标准化评估变得复杂（Lawless 和 Heymann，2010）。

然而，食品质量评估在很大程度上仍依赖训练有素的感官评定小组和靶向分析方法，这两者都难以适应快速、标准化的在线决策需求（Lawless 和 Heymann，2010；Peris 和 Escuder-Gilabert，2009）。传统感官评定小组可能受到评定者个体差异以及有限可重复性的影响，尤其是在培训和实验控制不足的情况下（Lawless 和 Heymann，2010）。尽管严格的培训和标准化方案可以缓解这些局限，但感官评价在工业日常应用中仍然成本高昂且耗时。气相色谱-质谱联用（GC-MS）和高效液相色谱（HPLC）能够提供精确的化合物水平信息，但其仪器、样品前处理和检测要求可能限制实时或在线监测（Peris 和 Escuder-Gilabert，2009）。

为了支持农食质量控制中更加标准化的决策，电子鼻和电子舌系统作为互补的生物模拟传感平台得以发展。电子鼻被正式定义为交叉响应传感器阵列与模式识别程序的结合（Gardner 和 Bartlett，1994）；而电子舌则对液体样品来自多个通道的电化学响应，采用了类似的整体现策略（Tahara 和 Toko，2013）。这两种系统都不直接定量单个化合物，而是生成多元响应指纹，可通过化学计量学建模与样品身份或质量相关联。

在过去三十多年中，生物模拟传感经历了重叠但可追溯的发展阶段。其概念基础由交叉响应的嗅觉传感器阵列和电子鼻的正式定义奠定（Gardner 和 Bartlett，1994；Persaud 和 Dodd，1982）。与此同时，多通道味觉传感和非特异性电位阵列建立了早期的电子舌概念（Hayashi 等，1990；Legin 等，1997；Vlasov 和 Legin，1998），随后在有关电子舌原理与应用的权威综述中得到了整合（Ciosek 和 Wróblewski，2011；Tahara 和 Toko，2013）。在 2000 年代和 2010 年代，传感材料、微制造、化学计量学、漂移校正、校准传递和数据融合方面的进展，将分析工作流程从指纹可视化扩展到了分类与定量预测（Artursson 等，2000；Borràs 等，2015；Di Rosa 等，2017；Scott 等，2006；Yan 和 Zhang，2016）。自 2020 年以来，越来越多的关注转向低功耗和微机电系统（MEMS）集成器件、纳米材料基接口、域自适应漂移补偿、跨设备模型迁移、多模态融合以及可解释建模（Fukui 等，2025；Heng 等，2025；Jiang 等，2024；Kim 等，2024；Kong 等，2025；Lin 和 Zhan，2026；Liu 等，2024；Pannone 等，2024；Yang 等，2020）。这些进展扩展而非取代了原始的交叉响应指纹原理。然而，其工业价值仍须通过长期、多批次、多设备以及现场验证来证明。

更新综述的需求源于四项发展趋势的交汇：电子鼻与电子舌的集成度不断提高、多源与跨模态数据融合的扩展、从探索性分类向经验证的定量预测的转变，以及对工业转化的日益关注。不同于聚焦单一传感平台或单一应用领域的综述，本综述共同评估了电子鼻/电子舌的集成、融合层次、验证质量以及在分级、鉴伪和安全任务中的部署成熟度。先前的综述探讨了电子鼻与人类感官评价的关系以及更广泛的食品感官特征测量技术工具（Cho 和 Moazzem，2022；Martinez-Velasco 等，2023）、电子鼻在食品质量评估中的应用（Loutfi 等，2015）以及污染物筛查（Haq 等，2025）。然而，现有文献仍分散于传感机理、特定应用研究、化学计量学建模与工程开发等不同领域。因此，需要一种综合评估，将电子鼻与电子舌的集成与完整的分析工作流程（包括预处理、定性分类、定量预测、验证与工业转化）联系起来。同时也需特别注意区分实验室模型性能与在生产批次、设备、场地和工作环境范围内获得的证据。

因此，本综述并非将电子鼻和电子舌视为独立技术，也并非仅仅罗列应用案例，而是考察它们在农业与食品检测中的互补使用，尤其关注数据级、特征级和决策级融合。它还评估了与机器视觉、光谱、色谱和触觉传感的跨模态组合，同时区分真正的预测性融合与并行表征和互补验证。此外，本综述通过热调制气体传感器、摩擦电味觉传感器、基于石墨烯的化学传感器以及 MEMS 集成阵列，反映了微型化、低功耗传感器件的最新发展（Kim 等，2024；Kong 等，2025；Liu 等，2024；Pannone 等，2024）。与此同时，针对时间和设备相关的分布漂移而开发的漂移补偿与模型迁移方法也已提出（Jiang 等，2024；Lin 和 Zhan，2026；Yang 等，2020）；可解释与联网传感系统仍然是食品分析中的新兴方向（Fukui 等，2025；Goyal 等，2024）。其工业价值最终将取决于对基质干扰、传感器老化、环境变化和器件间差异的稳健性。通过连接分析性能与验证质量和部署成熟度，本综述旨在识别这些技术已证明的能力以及工业可靠转化仍存的要求。本综述面向传感器与化学计量学研究人员、食品科学家、质量控制专家、仪器开发者和工业从业人员，他们致力于设计、评估或部署可靠的电子传感工作流程。

综述片段

综述方法学

本综述采用结构化的叙述方法，对电子鼻与电子舌技术的理论、方法和应用证据进行综合分析。文献检索和证据选择过程的组织和报告参考了 PRISMA 2020 和 PRISMA-S 的相关要素（Page 等，2021；Rethlefsen 等，2021）。图 1 总结了在数据库/登记库中的参考文献级识别、筛选、检索、合格性评估与纳入过程。

电子鼻系统

如图 2 所示，电子鼻系统集成了受控采样、交叉响应传感器阵列、信号调理和化学计量学建模。由于其可靠性取决于完整的测量链条，因此本节围绕采样、信号转换、特征生成和模型验证来组织。图 3。

人类嗅觉系统与电子鼻系统的组成与功能在图 2 中进行了总结。

电子鼻由受控的采样装置、交叉响应传感器阵列、信号调理电路和化学计量学建模模块组成。

电子舌系统

电子舌将交叉响应的电化学传感器阵列与多元数据分析相结合，以表征液体样品，如图 5 所示。其分析工作流程包括样品-传感器相互作用、电化学转换、信号采集、指纹生成以及经验证的分类或回归。与化合物特异性的分析方法不同，电子舌解读的是多个传感通道的集体响应。

从根本上说，如图……

质量分级与标准化

在农业和食品工业中，产品定价和分级依赖于质量分级。传统上，这一过程主要依赖由专业训练有素专家组成的感官评定小组。然而，手工感官评定不仅主观，而且成本高昂，还更容易受到各种环境因素的影响。

电子鼻和电子舌系统可以通过将多元的挥发性及非挥发性传感响应与质量属性关联起来，支持更加客观和标准化的质量分级。

化学计量学方法与数据融合策略

化学计量学分析为电子鼻与电子舌系统中多维传感器响应与可解释结论之间提供了方法学桥梁。化学计量学并非仅指某一种模式识别算法，而是涵盖了一个完整的分析工作流程，包括信号预处理、特征提取、探索性数据分析、有监督分类、定量回归、模型验证以及传感器-样品关系的解释。

证据等级与当前部署状态

为便于本综述，工业转化证据按部署成熟度分为三个等级。1 级代表使用受控样品、预定储存条件或内部分区数据集在实验室完成的原理性研究。2 级代表在实际加工、储存、运输或零售环境中的中试或现场验证，但缺乏长期常规运行的证据。3 级代表工业……

结论

本综述综合分析了电子鼻与电子舌技术的传感原理、化学计量学方法以及在农业和食品中的应用。现有证据表明，这些系统能够为包括质量分级、原产地与真伪鉴定、掺伪检测、新鲜度评估以及选定理化指标预测在内的任务，提供快速且客观的指纹信息。当定性分类与定量预测、多模态融合以及跨批次/跨设备验证相结合时，其分析价值尤为突出。……

CRediT 作者贡献声明

Jiawei Jiang：撰写—原稿、可视化、项目管理、方法学、正式分析、数据整理。Shoushou Zhang：撰写—审阅与编辑。

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的、可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何专门资助。

Jiawei Jiang | Shoushou Zhang