低成本气体传感器实现马铃薯腐败实时无创检测 助力减少采后损失

研究背景

据联合国粮农组织数据，全球约 14% 粮食在采后至零售前环节损失，果蔬因易腐特性损耗尤为严重，中低收入国家受冷链不足、运输条件差等因素影响，损失更为显著。马铃薯作为全球第四大粮食作物，营养丰富但极易因化学氧化、物理损伤及微生物污染发生腐败，大肠杆菌、大肠菌群、霉菌与酵母菌等微生物大量繁殖，会产生二氧化碳、甲烷及乙醇等挥发性有机化合物（VOCs），不仅降低品质，还带来安全隐患。

传统腐败检测依赖感官判断与微生物培养，耗时久、成本高且无法实现实时监控。电子鼻技术虽可模拟嗅觉检测腐败气体，但多数研究未针对马铃薯腐败微生物开展系统验证，低成本传感器在马铃薯仓储场景的实用性仍需验证。在此背景下，研究团队致力于开发适配马铃薯仓储、低成本且高可靠的实时腐败检测技术，衔接传感器响应与微生物指标，提升采后安全管理水平。

研究内容

研究团队搭建基于 Arduino 控制的 MOS 气体传感器阵列检测平台，选用MQ-3、MQ-4、MQ-5、MQ-8、MQ-9、M-135 六款商用传感器，以MQ-3酒精/VOC传感器为核心，对比不同传感器对马铃薯腐败气体的响应差异。

实验将马铃薯切成 1cm³ 均匀小块，置于密封装置，设置常温对照、高湿度（约 80%）、紫外线预处理（30 分钟）三种仓储条件，连续 15 天监测传感器电阻变化。同步在第 0、1、3、5、8 天取样，检测总需氧菌数、大肠杆菌、大肠菌群、酵母菌与霉菌数量，建立传感器信号与微生物负荷的定量关联，明确不同环境对腐败进程及传感器响应的影响，筛选最优检测传感器与判定阈值。

图 1. 使用基于 Arduino 的气体传感器阵列和微生物学验证进行腐败检测的实验装置示意图。

图2. a) Arduino UNO 与 MQ-3 传感器的示意连接图；b) 储存土豆腐败过程中传感器电阻的变化；c) 微生物分析显示大肠菌群（Coli）、大肠杆菌（E. coli）、需氧菌落形成单位（ACP）以及霉菌/酵母随时间的存在和生长趋势；d) 时间流逝图像显示储存盒中切片土豆样品从第0天到第12天的外观变化。

图3. a) 三个储存组（未处理、高湿度（约80%）、紫外线处理（30分钟））在15天内传感器电阻的时间依赖变化。b–d) 储存期结束时的微生物学分析显示总大肠杆菌群（Coli）、大肠杆菌、好氧中温细菌（ACP）和真菌水平。误差线表示标准偏差。每组颜色编码如下：对照组（橙色）、组1（绿色）、组2（紫色）。不同字母表示均值之间存在显著差异，使用ANOVA分析后进行Tukey HSD检验（P < 0.05）。

研究结果

1.信号与微生物高度相关：MQ-3 传感器电阻变化与微生物生长显著关联。腐败初期（0-3 天）电阻稳定在 5.5kΩ 左右，微生物数量低；随腐败加剧，电阻持续下降，对应乙醇等 VOCs 浓度上升，总需氧菌、大肠菌群、霉菌与酵母菌数量快速增长，且信号变化早于 11‑12 天出现的变软、变色、长霉等肉眼变质现象。

2.环境适应性验证有效：高湿度加速微生物繁殖与 VOCs 释放，传感器电阻下降更快；紫外线预处理可抑制微生物活性，延缓 VOCs 产生，传感器电阻长期保持高位，信号与微生物检测结果一致。

3.传感器性能筛选明确：六款传感器中，仅 MQ-3 与 MQ-135 可实现早期腐败检测。MQ-3 在第 2 天即出现灵敏电阻骤降，响应最快；MQ‑135 呈平稳持续下降；MQ-4、MQ-5 响应迟缓，MQ-8 对氢气敏感、与腐败无关，MQ‑9 早期响应弱，均不适合早期检测。

图4. MQ传感器监测土豆腐烂：a) 基线空气监测，b) 腐烂期间的检测。

技术优势

1.无创实时：无需破坏样品，连续采集气体信号，实时反映腐败进程，解决传统方法滞后、有损的痛点。

2.成本低廉：采用商用 MQ 系列传感器与 Arduino 开源硬件，部署成本远低于实验室检测设备，适配农户与仓储企业规模化应用。

3.精准预警：比肉眼观察提前数天识别腐败，结合微生物指标校准，避免误判，提升质量管控可靠性。

4.环境兼容：可区分常温、高湿、紫外线处理等场景的腐败差异，适配多样仓储环境。

结论与展望

本研究证实，以 MQ‑3 为核心的 MOS 气体传感器阵列可通过检测 VOCs 实现马铃薯腐败实时无创监测，传感器响应与微生物指标高度吻合，能在肉眼可见变质前精准预警。对比六款传感器，MQ‑3 灵敏度与时效性最优，与 MQ‑135 同为马铃薯早期腐败检测理想器件，紫外线预处理可有效抑制腐败，为仓储保鲜提供参考。

该技术为果蔬采后质量监控提供低成本新路径，有助于减少粮食损失、保障食品安全。未来团队将研发高性能 MOS 敏感材料，提升传感器选择性、灵敏度与长期稳定性，拓展至水果、蔬菜等更多农产品，构建覆盖全供应链的实时品质监测体系。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.lwt.2025.118926