基于電學(xué)特性的生鮮牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀研究

郭文川 劉振華 朱新華

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

牛乳是最古老的天然飲品之一，其營(yíng)養(yǎng)豐富且全面[1]。蛋白質(zhì)是牛乳的主要營(yíng)養(yǎng)成分，常被乳品企業(yè)和消費(fèi)者作為評(píng)價(jià)牛乳品質(zhì)的重要指標(biāo)。因此，蛋白質(zhì)含量不僅決定了牛乳的市場(chǎng)價(jià)格，也對(duì)消費(fèi)者的購(gòu)買欲產(chǎn)生影響[2]。國(guó)標(biāo)規(guī)定的牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)方法有凱氏定氮法、分光光度法和燃燒法[3]。雖然這幾種方法具有檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，但操作復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無(wú)法用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[4]。丹麥FOSS分析儀器公司開發(fā)的多功能乳品分析儀是目前大型乳品企業(yè)廣泛使用的牛乳成分檢測(cè)儀，該儀器精度高、檢測(cè)迅速，但是其價(jià)格非常昂貴，且體積龐大，僅適用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。開發(fā)一款成本低廉、操作簡(jiǎn)便、適于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀對(duì)指導(dǎo)牛乳銷售、加工以及消費(fèi)具有重要意義。

在電學(xué)上，食品和農(nóng)產(chǎn)品都屬于電介質(zhì)，可等效于電阻與電容相串聯(lián)或相并聯(lián)的電路[5]。大量的研究表明，電介質(zhì)的電特性受物質(zhì)的成分以及測(cè)試信號(hào)頻率的影響。對(duì)于牛乳，其主要成分水[6]、蛋白質(zhì)[7]、脂肪[8]、乳糖[9]、鹽[10]等均影響牛乳的介電特性。在對(duì)牛乳介電特性的研究方面，文獻(xiàn)[11]研究了蛋白質(zhì)含量對(duì)10～4 500 MHz范圍內(nèi)牛乳介電參數(shù)的影響，指出當(dāng)頻率小于150 MHz時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)隨蛋白質(zhì)含量的增大而增大，而當(dāng)頻率大于600 MHz時(shí)，又隨蛋白質(zhì)含量的增大而減小。在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)，介質(zhì)損耗因數(shù)隨蛋白質(zhì)含量的增大而增大。這些均是基于昂貴的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀開展的基礎(chǔ)研究，僅限于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，無(wú)法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[12-13]。

為此，基于牛乳的蛋白質(zhì)對(duì)其介電參數(shù)產(chǎn)生影響的原理，本文開發(fā)一種便攜式牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀，并對(duì)檢測(cè)儀的性能進(jìn)行測(cè)試，為牛乳的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)提供方案。

1 檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)原理

當(dāng)將一平行極板浸沒(méi)在牛乳中，且給極板施加一個(gè)交流信號(hào)時(shí)，該信號(hào)將選擇對(duì)其阻礙最小的通路進(jìn)行傳導(dǎo)[14-16]。在電路分析中，常將電介質(zhì)簡(jiǎn)化為電阻R與電容C相串聯(lián)或相并聯(lián)的電路[17]。如圖1所示，若將其用串聯(lián)形式等效，則等效電路的阻抗ZS可以表示為

(1)

式中ω——角頻率

圖1 檢測(cè)原理示意圖Fig.1 Schematic of detection principle

牛乳樣品中成分的變化會(huì)引起ZS的變化。若將ZS作為惠斯登電橋的一個(gè)臂，而其他3個(gè)臂的電阻相等，如阻值為50 Ω。則當(dāng)ZS≠50 Ω時(shí)，電橋不平衡。由于牛乳中的蛋白質(zhì)含量會(huì)影響其等效阻抗ZS的變化，因此，當(dāng)給該電橋輸入一個(gè)交變信號(hào)ui，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)uo(圖1)，該信號(hào)的幅值和相位會(huì)隨著牛乳中蛋白質(zhì)含量的變化而變化。定義比值Γ為

(2)

式中Ui——電橋輸入信號(hào)ui的幅值，V

Uo——電橋輸出信號(hào)uo的幅值，V

Φ——uo與ui的相位差，(°)

而Γ與牛乳等效電路的阻抗ZS存在關(guān)系

(3)

式中Z0為50 Ω的特性阻抗。由式(2)、(3)可知，牛乳的等效阻抗ZS決定了Uo及Φ，反之，可根據(jù)Ui、Uo和Φ計(jì)算ZS。由于Ui、Uo和Φ與牛乳的蛋白質(zhì)含量及頻率有關(guān)，因此，基于此設(shè)計(jì)一個(gè)掃描頻率在1～100 MHz范圍內(nèi)的牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀。

圖2 檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of detector’s hardware

1.2 硬件設(shè)計(jì)

圖2是基于電學(xué)特性開發(fā)的牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)圖。該檢測(cè)儀主要由單片機(jī)、掃頻信號(hào)源模塊、檢測(cè)模塊、信號(hào)處理模塊和輸入輸出模塊組成。單片機(jī)用于控制掃頻信號(hào)源模塊，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和上傳；掃頻信號(hào)源用于產(chǎn)生一個(gè)頻率為1～100 MHz的正弦波作為系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)；檢測(cè)模塊包含電橋以及與之相連接的平行極板，該模塊用于將輸入信號(hào)和受牛乳影響而產(chǎn)生的輸出信號(hào)分離開；信號(hào)處理模塊用于提取電橋的輸入和輸出信號(hào)的幅值及其相位差，并將這些信息轉(zhuǎn)換為直流電壓輸送至單片機(jī)的采集端口。輸入輸出模塊用于人機(jī)交互。

1.2.1單片機(jī)

本設(shè)計(jì)采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位的STM32F103C8T6單片機(jī)作為核心控制器。該單片機(jī)有20 KB的SRAM和64 KB的Flash，2個(gè)12位的同步ADC和3個(gè)UART[18]。時(shí)鐘采用8 MHz的石英晶振，串口通信電路采用RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器PL2303實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，復(fù)位電路包括上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種。

1.2.2掃頻信號(hào)源模塊

掃頻信號(hào)源模塊由數(shù)字頻率合成器(Direct digital frequency synthesis，DDS)和低通濾波器組成。數(shù)字頻率合成器采用ADI公司的DDS芯片AD9959，它具有頻率分辨率高、范圍寬、頻率轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點(diǎn)[19-20]。結(jié)合單片機(jī)的控制，可以實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的信號(hào)輸出。AD9959芯片具有4個(gè)同步的DDS通道，在特定寄存器內(nèi)寫入控制字可以設(shè)置每個(gè)通道輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度，本設(shè)計(jì)只使用了一個(gè)通道(CH0-IOUT)。AD9959輸出頻率的上限取決于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)時(shí)鐘采用25 MHz的石英晶振，設(shè)置參考時(shí)鐘倍頻為15倍，可以穩(wěn)定輸出1～100 MHz的正弦波。DDS芯片在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)輸出離散的模擬電壓來(lái)逼近正弦曲線。由于其內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度有限，而且輸出每一個(gè)電壓時(shí)都存在著建立時(shí)間，導(dǎo)致在輸出一個(gè)特定頻率信號(hào)時(shí)會(huì)攜帶高次諧波。為了抑制高次諧波，在信號(hào)的輸出端增加了一個(gè)截止頻率為100 MHz的巴特沃斯低通濾波器，使得通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線比較平坦，從而可有效地濾除高次諧波。圖3是設(shè)計(jì)的掃頻信號(hào)源電路。

圖3 掃頻信號(hào)源電路圖Fig.3 Scanning signal source circuit diagram

1.2.3檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊由電橋以及一對(duì)平行極板組成。平行極板在使用時(shí)浸沒(méi)在被測(cè)的牛乳樣本中。平行極板由兩塊面積為25 mm2、間距為6 mm的鉑片組成，鉑片電極可以降低電流密度以及施加電場(chǎng)對(duì)牛乳的極化。測(cè)量時(shí)將平行極板浸沒(méi)在牛乳中。本設(shè)計(jì)采用的電橋型號(hào)為AYT-3，適用的頻率范圍為1～500 MHz，特性阻抗為50 Ω，方向性指數(shù)36 dB以上，最大輸入功率0.2 W。該電橋有3個(gè)端口，其中一個(gè)端口連接ui，即掃頻信號(hào)源的輸入信號(hào)，另一個(gè)端口連接uo，第3個(gè)端口的兩端分別連接平行極板的一個(gè)電極。

1.2.4信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊由兩路幅值檢測(cè)電路和一路相位差檢測(cè)電路組成。幅值檢測(cè)電路采用對(duì)數(shù)檢波芯片AD8318，該芯片能夠在1 MHz～8 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)脈沖包絡(luò)檢波[21]。圖4a為Ui的測(cè)量電路，其輸出電壓VMAG1與Ui近似呈對(duì)數(shù)關(guān)系，因此采集電壓VMAG1便可得到Ui的信息。Uo的測(cè)量電路與圖4a相同，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為VMAG2。相位差Φ的檢測(cè)采用AD8302芯片，該芯片能夠檢測(cè)頻率在1 MHz～2.7 GHz范圍內(nèi)任意兩個(gè)信號(hào)之間的相位差[22-23]。如圖4b所示，將ui和uo作為相位檢測(cè)的輸入信號(hào)，則二者的相位差與輸出電壓的關(guān)系為

VPHS=-VΦ(Φui-Φuo)+VCP

(4)

式中VPHS——相位檢測(cè)電路的輸出電壓，mV

Φui——ui的相位，(°)

Φuo——uo的相位，(°)

VФ——斜率，取10 mV/(°)

VCP——芯片內(nèi)部的偏置電壓，取900 mV

根據(jù)輸出電壓VPHS可計(jì)算出相位差Φ。由于幅值檢測(cè)電路和相位差檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)為模擬電壓，因此將所得的3路模擬信號(hào)VMAG1、VMAG2和VPHS輸入給單片機(jī)的PA0、PA1和PA2口，進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

圖4 幅值和相位差檢測(cè)電路圖Fig.4 Amplitude and phase difference detection circuits

1.2.5輸入輸出模塊

輸入輸出模塊由3個(gè)按鍵和1個(gè)顯示器組成。其中3個(gè)按鍵分別實(shí)現(xiàn)“復(fù)位”、“數(shù)據(jù)發(fā)送”和“檢測(cè)”的功能?！鞍l(fā)送”按鍵用于儀器開發(fā)階段采集數(shù)據(jù)，在按下按鍵之后，會(huì)進(jìn)行掃頻并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至計(jì)算機(jī)?！皺z測(cè)”按鍵的功能是進(jìn)行掃頻并獲取電橋的輸入輸出信號(hào)參數(shù)，調(diào)用預(yù)測(cè)模型，計(jì)算蛋白質(zhì)含量。

顯示器采用有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示屏，其分辨率為128像素×64像素，供電電壓為3.3 V。

1.2.6整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀外殼采用3D打印機(jī)制作，其材料為聚乳酸，尺寸為170 mm×120 mm×120 mm。由一對(duì)平行極板構(gòu)成的檢測(cè)探頭安裝于儀器外殼的側(cè)壁上，外殼上設(shè)置有電源連接口和數(shù)據(jù)連接口，方便數(shù)據(jù)線插拔和供電。圖5為該檢測(cè)儀的樣機(jī)實(shí)物圖。

圖5 牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀樣機(jī)Fig.5 Prototype of protein content detector for milk1.顯示屏 2.按鍵 3.檢測(cè)探頭 4.牛乳樣本

1.3 軟件設(shè)計(jì)

以MDK 5.0為開發(fā)環(huán)境，用C語(yǔ)言開發(fā)檢測(cè)儀的軟件。該軟件主要由主函數(shù)、初始化子函數(shù)、鍵盤掃描子函數(shù)、掃頻子函數(shù)、數(shù)據(jù)采集子函數(shù)、串口發(fā)送子函數(shù)、檢測(cè)模型子函數(shù)和顯示子函數(shù)組成。初始化子函數(shù)用于設(shè)置各模塊所使用到的GPIO口的模式以及各寄存器的配置；鍵盤掃描子函數(shù)用于檢測(cè)是否有獨(dú)立按鍵按下，以便執(zhí)行相應(yīng)的功能；掃頻子函數(shù)用于控制掃頻信號(hào)源輸出一個(gè)特定頻率的正弦波作為整個(gè)系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)；數(shù)據(jù)采集子函數(shù)主要是通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)采集模擬電壓值；串口發(fā)送子函數(shù)用于將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件；檢測(cè)模型子函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電橋信號(hào)的計(jì)算，得到蛋白質(zhì)含量的預(yù)測(cè)值；顯示子函數(shù)可以將預(yù)測(cè)結(jié)果顯示在OLED顯示屏上。軟件流程如圖6所示。

圖6 牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀程序流程圖Fig.6 Program flow chart of developed software for protein content detector

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 材料

試驗(yàn)所用的生鮮牛乳樣本來(lái)源于陜西省楊凌區(qū)的某兩個(gè)乳牛場(chǎng)。每天采集4～6個(gè)樣本，采集之后在30 min內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。共采集來(lái)源于不同乳牛的牛乳樣本100個(gè)。試驗(yàn)期間將樣本置于室溫((24±1)℃)下保存，且試驗(yàn)在10 h內(nèi)完成，樣品無(wú)變質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生。測(cè)量前，將牛乳樣本放在搖勻儀上振蕩3 min，以保證成分分布均勻。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1牛乳蛋白質(zhì)含量的測(cè)量

在室溫下用MilkoScanTM FT1型乳品分析儀(丹麥FOSS公司)測(cè)定牛乳樣本的蛋白質(zhì)含量。試驗(yàn)前，先將乳品分析儀預(yù)熱20～30 min，然后對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)通過(guò)后，對(duì)牛乳樣品進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣本每次測(cè)量用樣約40 g。每個(gè)樣本重復(fù)3次，3次測(cè)量的平均值作為該樣本蛋白質(zhì)含量(質(zhì)量比)的測(cè)量結(jié)果。所有樣本蛋白質(zhì)含量的變化范圍為2.94～4.71 g/(100 g)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.41 g/(100 g)，說(shuō)明所采集的樣本有較大的蛋白質(zhì)含量變化范圍，樣本有代表性。

2.2.2檢測(cè)儀輸出信號(hào)的采集

打開牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀的開關(guān)，先預(yù)熱2 min。數(shù)據(jù)采集時(shí)，將平行極板浸沒(méi)于牛乳中,然后點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)發(fā)送”按鍵，檢測(cè)儀將采集1～100 MHz間間隔頻率為0.5 MHz的199個(gè)采樣點(diǎn)下的電壓信號(hào)VMAG1、VMAG2和VPHS，并發(fā)送至上位機(jī)(計(jì)算機(jī))。因此，對(duì)于每個(gè)樣品，所采集的數(shù)據(jù)有597個(gè)。圖7為采集的牛乳樣品的VMAG1、VMAG2和VPHS的變化曲率。由圖7可以看出，在1～100 MHz內(nèi)，VMAG1和VPHS基本穩(wěn)定，而VMAG2隨頻率的增大而增大，這是由于在1～100 MHz內(nèi)DDS輸出信號(hào)的幅值基本不變，而牛乳的交流阻抗隨著頻率的增加而減小。圖8是所采集的100個(gè)牛乳樣本的VMAG2。由圖8可以看出，對(duì)于所有樣本，該電壓的變化規(guī)律相同，但大小有所差異，該種現(xiàn)象也發(fā)現(xiàn)于其他兩個(gè)被檢測(cè)的信號(hào)中。輸出電壓的差異在于牛乳樣本間成分的差異，因此，可以基于輸出信號(hào)電壓的差異預(yù)測(cè)牛乳的蛋白質(zhì)含量。

圖7 牛乳樣本在1～100 MHz范圍采集信號(hào)的電壓Fig.7 Voltage values of collected signals of milk sample in range of 1～100 MHz

圖8 1～100 MHz間100個(gè)牛乳樣本VMAG2的變化曲線Fig.8 Collected VMAG2 of 100 milk samples over range of 1～100 MHz

2.3 預(yù)測(cè)模型建立

為了減小儀器本身存在的隨機(jī)噪聲對(duì)輸出信號(hào)的影響，對(duì)所得的電壓信號(hào)進(jìn)行窗口寬度為5的平滑預(yù)處理[24]。以平滑處理后的信號(hào)作為輸入(即輸入值有597個(gè))，以乳品分析儀測(cè)量得到的蛋白質(zhì)含量作為輸出，采用偏最小二乘法(Partial least squares, PLS)建立預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)含量的模型。PLS集成了多元線性回歸、主成分分析和相關(guān)性分析的優(yōu)點(diǎn)，在定量研究中得到了廣泛的應(yīng)用[25]。所構(gòu)建的PLS模型為

P=KXT+b(R2=0.835)

(5)

其中K=[k1k2…k597]

X=[x1x2…x597]

式中P——蛋白質(zhì)含量，g/(100g)

K——預(yù)測(cè)模型的系數(shù)

X——199個(gè)頻率點(diǎn)下VMAG1、VMAG2和VPHS

b——常數(shù)

基于所建立的預(yù)測(cè)模型修改軟件，使該檢測(cè)儀能夠直接輸出基于電橋輸入輸出信號(hào)參數(shù)，得到牛乳蛋白質(zhì)含量。

3 儀器性能測(cè)試

圖9 乳品分析儀與自制儀器測(cè)量值的比較Fig.9 Comparison of measured values between MilkoScanTM FT1 and self-made detector

為了對(duì)牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀的性能進(jìn)行驗(yàn)證，另取20份生鮮牛乳樣本分別用MilkoScanTM FT1型乳品分析儀和本儀器測(cè)量其蛋白質(zhì)含量，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。圖9表明，測(cè)量結(jié)果較為緊密地分布在45°線的附近，20份牛乳蛋白質(zhì)含量在3.04～4.11 g/(100 g)之間，本儀器絕對(duì)誤差范圍為-0.11～0.12 g/(100 g)，平均絕對(duì)誤差為0.01 g/(100 g)?？梢?jiàn)本儀器對(duì)于牛乳中蛋白質(zhì)含量的檢測(cè)具有較好的檢測(cè)精度。此外，對(duì)儀器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，從按下“測(cè)量”按鍵到給出測(cè)量結(jié)果所用的時(shí)間小于2 min。與楊彪等[26]基于考馬斯亮藍(lán)染色法而開發(fā)的牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀相比，本檢測(cè)儀無(wú)需對(duì)樣本進(jìn)行任何前期處理，使用更方便。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了由單片機(jī)、掃頻信號(hào)源模塊、檢測(cè)模塊、信號(hào)處理模塊和輸入輸出模塊組成的牛乳蛋白質(zhì)含量檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)，并開發(fā)了儀器的軟件。

(2)基于1～100 MHz范圍內(nèi)199點(diǎn)下獲得電壓信號(hào)，建立了預(yù)測(cè)生鮮牛乳蛋白質(zhì)含量的偏最小二乘模型，該模型的決定系數(shù)為0.835。

(3)對(duì)所開發(fā)儀器的性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，本儀器蛋白質(zhì)含量絕對(duì)測(cè)量誤差范圍為-0.11～0.12 g/(100 g)，平均絕對(duì)測(cè)量誤差為0.01 g/(100 g)，檢測(cè)時(shí)間小于2 min，可以實(shí)現(xiàn)生鮮牛乳中蛋白質(zhì)含量快速和較精確的檢測(cè)。