?；钸\(yùn)輸河蟹品質(zhì)感知生物信號(hào)檢測(cè)與建模

王 想 高乾鐘 肖新清 傅澤田 張小栓

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品質(zhì)量與安全北京實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083；3.廣安市前鋒區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 廣安 638019)

0 引言

河蟹是一種重要的水產(chǎn)品，含有豐富的甲殼質(zhì)，具有降低膽固醇、調(diào)節(jié)腸內(nèi)代謝等優(yōu)點(diǎn)，也是重要的工業(yè)原料來(lái)源[1-5]。在?；钸\(yùn)輸過(guò)程中，振動(dòng)、細(xì)菌、微生物等應(yīng)激源使河蟹產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致品質(zhì)快速下降[6-7]。因此，需要對(duì)河蟹品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)控。

圖1 河蟹檢測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Conceptual diagram of overall design of crab detection device

水產(chǎn)品品質(zhì)是一個(gè)抽象的指標(biāo)，而生物信號(hào)(如感官評(píng)價(jià)、物理化學(xué)信號(hào)、電信號(hào)等)可直觀(guān)反映生物體的生命活動(dòng)狀態(tài)，常被用作品質(zhì)變化的指示指標(biāo)[8-10]。如文獻(xiàn)[11]將感官評(píng)價(jià)、pH值、揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)含量作為縊蟶、文蛤品質(zhì)變化的指示指標(biāo)，文獻(xiàn)[12-13]分別對(duì)海灣扇貝和南極磷蝦進(jìn)行了類(lèi)似的研究。傳統(tǒng)上利用的化學(xué)指標(biāo)(如揮發(fā)性鹽基氮含量、微生物菌落總數(shù)等)和某些物理指標(biāo)(如感官評(píng)價(jià)、硬度等)來(lái)表征品質(zhì)變化的方法已被廣泛接受，并運(yùn)用在實(shí)際生活中。而利用微環(huán)境和生物電信號(hào)反映品質(zhì)變化的理念也逐漸被認(rèn)可，并進(jìn)行了一些嘗試。如文獻(xiàn)[14-16]利用電子鼻系統(tǒng)分析了南美白對(duì)蝦、三疣、中華絨螯蟹的新鮮度；文獻(xiàn)[17]使用電容方法與傳統(tǒng)平板計(jì)數(shù)法進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)蝦中微生物數(shù)量；文獻(xiàn)[18]利用生物阻抗技術(shù)對(duì)豬肉的新鮮度進(jìn)行檢測(cè)。在有關(guān)河蟹品質(zhì)的研究中，以電子鼻[5，16]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)[1-2,19]等無(wú)損檢測(cè)的方式居多，而從?；钸\(yùn)輸中微環(huán)境和生物阻抗角度進(jìn)行河蟹品質(zhì)變化的研究較少。

從無(wú)損檢測(cè)的角度獲取品質(zhì)變化規(guī)律需要建立品質(zhì)耦合模型來(lái)實(shí)現(xiàn)[20-22]，包括基于溫度變化的模型[23-26]、微生物預(yù)測(cè)模型[27-28]、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型[29-30]、智能算法的品質(zhì)預(yù)測(cè)模型[31-32]等。河蟹品質(zhì)耦合模型是通過(guò)選取基于智能算法的預(yù)測(cè)模型，建立無(wú)損檢測(cè)指標(biāo)與傳統(tǒng)化學(xué)指標(biāo)之間的擬合模型，通過(guò)微環(huán)境和電信號(hào)的變化評(píng)估河蟹品質(zhì)的變化，進(jìn)而證明微環(huán)境和生物電信號(hào)指示品質(zhì)變化的可行性和實(shí)用性。

本文基于STM32芯片設(shè)計(jì)河蟹生物信號(hào)的檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)獲取河蟹微環(huán)境中的氣體含量、阻抗信息和河蟹品質(zhì)變化過(guò)程中的揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)含量，分析和探討氣體、阻抗信號(hào)與揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)之間的變化關(guān)系，利用遺傳算法(GA)優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GA-BP)建立氣體、阻抗信息與揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)之間的耦合模型，以期實(shí)現(xiàn)河蟹保活運(yùn)輸中品質(zhì)感知的生物信號(hào)檢測(cè)與建模。

1 總體設(shè)計(jì)

圖1是河蟹檢測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)圖。河蟹的生物信號(hào)檢測(cè)裝置用來(lái)對(duì)運(yùn)輸中的河蟹進(jìn)行連續(xù)生物信號(hào)監(jiān)測(cè)。從環(huán)境控制變量、氣體變量和生物電信號(hào)3方面對(duì)河蟹運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，利用STM32單片機(jī)作為核心，搭載不同傳感器實(shí)現(xiàn)氧氣、醛類(lèi)、醇類(lèi)氣體含量測(cè)量，結(jié)合AD5933和生物電極構(gòu)成生物阻抗采集模塊連接在單片機(jī)上，最后單片機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外設(shè)SD卡中。

其中AD5933是ADI公司生產(chǎn)的一款針對(duì)阻抗分析的核心芯片，原理是使用AD5933中的頻率發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的激勵(lì)信號(hào)，利用生物電極的信號(hào)輸出端進(jìn)行輸出，激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)河蟹后，響應(yīng)信號(hào)通過(guò)信號(hào)接收電極進(jìn)行接收，由AD5933中的ADC進(jìn)行采樣，片上DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換,STM32進(jìn)行讀取。本文從微環(huán)境和電信號(hào)兩個(gè)角度獲取河蟹品質(zhì)變化。

1.1 微環(huán)境傳感器選擇

微環(huán)境包括溫濕度和氧氣、醇類(lèi)、醛類(lèi)等氣體含量。傳感器選型如表1所示。

表1 傳感器型號(hào)及部分參數(shù)Tab.1 Sensor model and partial parameters

1.2 生物電極設(shè)計(jì)

在生物電信號(hào)測(cè)量中，使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的電極來(lái)測(cè)量河蟹阻抗。電極的設(shè)計(jì)參照文獻(xiàn)[33-37]，從3個(gè)主要的部分設(shè)計(jì)了河蟹阻抗檢測(cè)電極，包括微針前端、膠黏層以及電極封裝。電極實(shí)物見(jiàn)圖2。

圖2 生物電極實(shí)物圖Fig.2 Bioelectrode physical picture

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 生物檢測(cè)裝置

從蘇州陽(yáng)澄湖挑選質(zhì)量(150±5) g，肥碩、肢體無(wú)殘缺、新鮮及生命力旺盛的河蟹12只作為實(shí)驗(yàn)樣本，捆綁加冰后迅速運(yùn)往蘇州大學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，路程約1 h，保證河蟹的生命體征基本未變。在實(shí)驗(yàn)室中，松開(kāi)河蟹進(jìn)行暫養(yǎng)，打開(kāi)生物信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行預(yù)熱。30 min后，挑選出蟹蓋較寬、生命力強(qiáng)的河蟹9只作為實(shí)驗(yàn)樣本。將河蟹均分為A、B、C 3組，每組用3只河蟹作平行實(shí)驗(yàn)，對(duì)每只河蟹樣本進(jìn)行如下操作：擦拭干凈河蟹表面，不要留有雜質(zhì)和過(guò)多的水分，將生物電極分別貼于河蟹的胸甲和背甲上，胸甲電極做輸出，背甲電極做阻抗信息采集接收端；再次捆綁好之后，將河蟹及電極放入2 000 mL的容量瓶中，傳感器安裝在容器的上半部，并進(jìn)行密封；將A、B、C 3組分別保存在4、15、25℃下，持續(xù)進(jìn)行5 d的數(shù)據(jù)采集，每天進(jìn)行電池的更換。重復(fù)多次該方案測(cè)量后以穩(wěn)定的結(jié)果作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

圖3 河蟹檢測(cè)裝置實(shí)物圖Fig.3 Detection device of crab1.核心板 2.傳感器 3.河蟹 4.生物電極 5.電源

2.2 揮發(fā)性鹽基氮含量檢測(cè)

與2.1節(jié)中河蟹來(lái)源及處理方式一致，在實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)河蟹進(jìn)行如下處理：

(1)挑選生命力強(qiáng)、適應(yīng)性好和無(wú)損傷的45只河蟹作為實(shí)驗(yàn)樣本。

(2)按質(zhì)量將河蟹均分為3組，分別標(biāo)號(hào)為A1、A2、A3，放入自封袋中進(jìn)行封存，減小其與外界的空氣交換，模擬運(yùn)輸?shù)姆忾]環(huán)境。

(3)將標(biāo)號(hào)為A1、A2、A3的河蟹分別保存在4、15、25℃下，每天分別從A1、A2、A3中各取出3只河蟹作為當(dāng)天的實(shí)驗(yàn)樣本，共持續(xù)5 d。

(4)對(duì)每天的實(shí)驗(yàn)對(duì)象取出蟹膏、蟹肉等可食部分，進(jìn)行揮發(fā)性鹽基氮含量的測(cè)量，測(cè)量方法按照國(guó)標(biāo)GB 5009.228—2016中的自動(dòng)凱氏定氮儀法要求進(jìn)行，對(duì)測(cè)量結(jié)果取均值后作為當(dāng)天的揮發(fā)性鹽基氮結(jié)果。

3 品質(zhì)模型構(gòu)建

3.1 模型選擇

本文構(gòu)建的河蟹品質(zhì)模型是對(duì)一定運(yùn)輸環(huán)境中的河蟹，通過(guò)測(cè)量生物信號(hào)來(lái)反映其品質(zhì)變化的方法。在模型構(gòu)建中，作為輸入量的生物信號(hào)包括氣敏傳感器信息和阻抗信息2部分，輸出量則是與河蟹新鮮度密切相關(guān)的揮發(fā)性鹽基氮含量，其可以作為可靠的品質(zhì)指示指標(biāo)。因此本文的河蟹品質(zhì)模型實(shí)質(zhì)上是研究河蟹在新鮮度發(fā)生變化時(shí)的氣體變化規(guī)律、阻抗變化規(guī)律與揮發(fā)性鹽基氮之間的變化關(guān)系。利用氣體信息和阻抗信息來(lái)反映和預(yù)測(cè)揮發(fā)性鹽基氮含量的變化是河蟹品質(zhì)模型需要達(dá)到的目的。

圖4 河蟹品質(zhì)模型構(gòu)建流程圖Fig.4 Flow chart of crab quality model construction

品質(zhì)建模的方法很多，通常水產(chǎn)品品質(zhì)模型根據(jù)不同因素對(duì)品質(zhì)變化的影響進(jìn)行分類(lèi)，在運(yùn)用過(guò)程中，因?yàn)闇囟葴y(cè)量的便利性和可控性，在進(jìn)行品質(zhì)建模時(shí)基于溫度的模型運(yùn)用較多，常用的模型包括化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程、Arrhenius模型；微生物對(duì)水產(chǎn)品品質(zhì)變化有直接的影響，因此基于微生物建立的品質(zhì)預(yù)測(cè)模型可靠性較高，但是微生物的測(cè)量對(duì)實(shí)驗(yàn)人員要求較高，設(shè)備更專(zhuān)業(yè)，成本高，在運(yùn)用中受到一定的限制；而基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的模型主要是數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，常與其他模型結(jié)合來(lái)實(shí)施，且威布爾危害分析的缺陷十分明顯，需依靠可靠的感官評(píng)價(jià)結(jié)果，而感官評(píng)價(jià)主觀(guān)性較強(qiáng)，因此其使用也受限[23-30]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模時(shí)不局限于溫度、微生物等種類(lèi)不同的生物信號(hào)，而是直接對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理和不斷地學(xué)習(xí)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和精度。文獻(xiàn)[38]綜述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈管理中的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)；文獻(xiàn)[39]利用小波變換和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)水稻冠層4種重金屬含量構(gòu)建反演模型，具有良好的效果。因此，本文選用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模方法，研究氣體傳感信息、阻抗信息與品質(zhì)的關(guān)系。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究河蟹阻抗信息對(duì)品質(zhì)的反映情況，建立阻抗和揮發(fā)性鹽基氮含量之間的擬合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)阻抗對(duì)品質(zhì)變化的預(yù)測(cè)。利用Matlab實(shí)現(xiàn)GA-BP的算法仿真，在建立中需要對(duì)算法中的一些主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)不斷調(diào)試獲得預(yù)期結(jié)果。

3.2 模型構(gòu)建流程

河蟹品質(zhì)模型構(gòu)建流程如圖4所示。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以很好地表達(dá)非線(xiàn)性關(guān)系，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型。但是BP模型的關(guān)鍵在于神經(jīng)元閾值的選取，本文利用遺傳算法(GA)進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 模型訓(xùn)練

根據(jù)模型構(gòu)建流程設(shè)置模型訓(xùn)練參數(shù)：學(xué)習(xí)速率為0.1，最大訓(xùn)練次數(shù)為100，訓(xùn)練精度為0.000 1，其他保持默認(rèn)設(shè)置，使用train函數(shù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，sim網(wǎng)絡(luò)仿真，交叉概率0.6，變異概率0.3，采用Newff作為訓(xùn)練函數(shù)，MSE作為網(wǎng)絡(luò)的性能函數(shù)。種群規(guī)模、進(jìn)化次數(shù)和隱含層數(shù)在本文不進(jìn)行確定性設(shè)計(jì)，參數(shù)不同對(duì)迭代時(shí)間和迭代結(jié)果影響不同，表2是訓(xùn)練過(guò)程中的部分結(jié)果。初代種群隨機(jī)產(chǎn)生，導(dǎo)致每次獲得的結(jié)果有所差異。在訓(xùn)練時(shí)種群規(guī)模在100～200間調(diào)節(jié)，進(jìn)化次數(shù)在10～13間調(diào)節(jié)，隱含層數(shù)在10～32間調(diào)節(jié)來(lái)獲得結(jié)果。本文為獲取和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合和預(yù)測(cè)能力，針對(duì)不同溫度采用不同的訓(xùn)練和檢驗(yàn)方案：4℃下將河蟹的576組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本進(jìn)行模型的訓(xùn)練，144組數(shù)據(jù)作為模型的檢驗(yàn)樣本；15、25℃下按照品質(zhì)階段性變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)S1、S2、S3進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(yàn)，每個(gè)階段訓(xùn)練和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本均等。15、25℃下S1階段分別是216組和144組數(shù)據(jù)作訓(xùn)練和檢驗(yàn)，S2階段分別是108組和72組數(shù)據(jù)作訓(xùn)練和檢驗(yàn)，S3階段分別是36組和144組數(shù)據(jù)作訓(xùn)練和檢驗(yàn)。

表2 部分訓(xùn)練結(jié)果Tab.2 Partial training results

4 結(jié)果與分析

4.1 不同溫度下河蟹生物信號(hào)和揮發(fā)性鹽基氮含量的變化

河蟹品質(zhì)變化基本過(guò)程如圖5所示。大致可分為新鮮→瀕死(S1)、瀕死→死亡(S2)、死亡→腐敗(S3)3個(gè)階段。新鮮的河蟹生命力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力、新陳代謝快，同時(shí)河蟹帶有自身獨(dú)有的香氣，蟹殼帶有明顯光澤；隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，河蟹未得到能量的補(bǔ)充，且體內(nèi)自身能量物質(zhì)被大量消耗，使河蟹生命力下降，抵抗力減弱，進(jìn)入瀕死階段，在微生物等因素的影響下，河蟹體內(nèi)蛋白質(zhì)分解、脂質(zhì)氧化等反應(yīng)的發(fā)生使河蟹香氣發(fā)生變化，隨著該過(guò)程不斷加劇，河蟹死亡；同時(shí)由于病菌等微生物的作用，河蟹中蛋白水解、組織自溶等現(xiàn)象加劇，自身特有香氣完全消失，產(chǎn)生腐敗類(lèi)刺激性氣體。

圖5 河蟹品質(zhì)變化基本過(guò)程圖Fig.5 Basic process diagram of crab quality change

4.1.1不同溫度下河蟹氣體變化

圖6是醇類(lèi)氣體含量的采集結(jié)果。結(jié)果中醇類(lèi)氣體含量持續(xù)上升，但是其變化速率并不相同。溫度越高，上升速度越快，采集終值越高，可見(jiàn)溫度對(duì)其的影響明顯。對(duì)不同變化區(qū)間進(jìn)行分類(lèi)，粗略將其分為平滑段、突變段和快速上升段。在0～2 000 min內(nèi)，各溫度下醇類(lèi)都未有明顯的變化，在該階段認(rèn)為處于新鮮階段，河蟹氣味變化較??；在2 000～3 500 min內(nèi)，不同溫度下產(chǎn)生不同的變化，醇類(lèi)氣體含量發(fā)生速率突變，其中25℃直接出現(xiàn)了快速上升，并一直持續(xù)，這與感官分析的死亡階段的變化相對(duì)應(yīng)，而15℃和4℃變化較小，但是也開(kāi)始出現(xiàn)了不同速率的變化，溫度作用明顯；在大于3 500 min后，不同溫度下的醇類(lèi)氣體均開(kāi)始上升，上升速度受溫度影響，其中25℃最為明顯，4℃較為平緩。該時(shí)間節(jié)點(diǎn)位于發(fā)生明顯腐敗階段之前，實(shí)際上分析認(rèn)為4℃下的河蟹未進(jìn)入腐敗，甚至死亡階段，其氣體的變化是新鮮到死亡階段的正常變化，相當(dāng)于25℃下的0～3 500 min內(nèi)的變化，從氣體的上升終點(diǎn)也可以看出結(jié)果。15℃下也有類(lèi)似的分析。因此，25℃下的氣體變化3個(gè)階段更接近河蟹新鮮到腐敗的3個(gè)階段，15℃和4℃下分析的品質(zhì)終點(diǎn)與25℃下存在差異。

圖6 醇類(lèi)氣體采集結(jié)果Fig.6 Alcohols acquisition result

圖7是CH2O的采集結(jié)果。類(lèi)似醇類(lèi)氣體的分析過(guò)程，也可將其分為3個(gè)變化階段，但時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別變?yōu)? 000 min和4 000 min。在突變段CH2O的變化更為明顯，明顯看出了不同溫度的差異。4℃的上升速度高于15℃的速度，25℃的CH2O在突變段的后部分快速上升，分析認(rèn)為是氣體擴(kuò)散速度、傳感器自身和河蟹個(gè)體差異帶來(lái)的影響。

圖7 CH2O采集結(jié)果Fig.7 CH2O acquisition result

圖8是O2的采集結(jié)果。O2的變化與CH2O、醇類(lèi)氣體的變化結(jié)果相反，也將其對(duì)應(yīng)分為3個(gè)階段(快速下降段、區(qū)分段和平滑段)進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為2 500、5 000 min，低于2 500 min的時(shí)間里，河蟹處于新鮮階段，代謝旺盛，對(duì)O2需求量大，溫度越高，河蟹的活動(dòng)越劇烈，O2消耗也越嚴(yán)重；在2 500～5 000 min內(nèi)，河蟹對(duì)環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)或缺少能量降低其生命活動(dòng)，O2消耗減弱，結(jié)合圖5的分析，河蟹將經(jīng)過(guò)瀕死階段，發(fā)生死亡，進(jìn)入腐敗階段；在5 000 min后，河蟹開(kāi)始腐敗，氧氣的消耗主要用于微生物的腐敗反應(yīng)。4℃下的河蟹O2下降速度較為恒定，認(rèn)為是河蟹未完全進(jìn)入瀕死和腐敗階段。

圖8 O2采集結(jié)果Fig.8 O2 acquisition results

綜上分析，河蟹品質(zhì)變化的3個(gè)階段可粗略對(duì)應(yīng)氣體變化的3個(gè)階段，該結(jié)果在25℃表現(xiàn)最為明顯。新鮮階段的氣體變化較穩(wěn)定，主要是自身香氣的影響；新鮮階段到瀕死階段的變化是氣體變化的主要分界區(qū)間，該過(guò)程河蟹自身香氣逐漸消失，異味氣體開(kāi)始產(chǎn)生；死亡到腐敗階段，臭味氣體產(chǎn)生速度加快。O2作為一種消耗氣體，參與河蟹的有氧呼吸作用和腐敗的生化反應(yīng)，隨河蟹生命力的變化而變化。溫度作為一個(gè)重要環(huán)境變量對(duì)河蟹品質(zhì)變化的速度有重要影響。

4.1.2不同溫度下河蟹阻抗響應(yīng)結(jié)果

圖9是4、15、25℃下河蟹阻抗隨時(shí)間變化結(jié)果。阻抗變化中，未出現(xiàn)氣體變化時(shí)的3個(gè)明顯的階段，4℃的阻抗變化較小，15、25℃測(cè)量的阻抗變化各出現(xiàn)了一個(gè)變化節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)2 000 min和4 000 min，節(jié)點(diǎn)之前阻抗變化較小，節(jié)點(diǎn)之后的阻抗出現(xiàn)了快速下降。結(jié)合感官評(píng)價(jià)分析時(shí)間節(jié)點(diǎn)，25℃的2 000 min和15℃的4 000 min都發(fā)生在河蟹瀕死階段，下降階段出現(xiàn)在死亡之后過(guò)程，結(jié)合4.1.1節(jié)的分析結(jié)果，4℃的河蟹未明顯進(jìn)入死亡階段，因此阻抗未出現(xiàn)明顯的下降。該結(jié)果說(shuō)明該阻抗測(cè)量方法對(duì)河蟹死亡及以后的阻抗變化測(cè)量效果較好，對(duì)新鮮的河蟹阻抗測(cè)量效果較差。而生物阻抗產(chǎn)生是由于細(xì)胞內(nèi)外的濃度差異導(dǎo)致，生物體可以看作是一個(gè)巨大的細(xì)胞模型，因此隨著河蟹的品質(zhì)下降會(huì)導(dǎo)致其組織發(fā)生腐敗、溶解，導(dǎo)致細(xì)胞之間的濃度差減小，使得測(cè)量的阻抗減小，利于測(cè)量。而未發(fā)生組織變化時(shí)，對(duì)河蟹個(gè)體的測(cè)量受到蟹殼和環(huán)境因素的影響，效果較差。

圖9 4、15、25℃下河蟹阻抗變化結(jié)果Fig.9 Resistance changes of crabs at 4℃, 15℃ and 25℃

綜上，在阻抗結(jié)果的分析中，認(rèn)為溫度對(duì)河蟹品質(zhì)變化有重要的影響；在正常生理情況下，河蟹的阻抗基本保持不變，從新鮮到死亡阻抗出現(xiàn)緩慢下降，直至出現(xiàn)明顯腐敗過(guò)程時(shí)會(huì)產(chǎn)生快速下降階段。阻抗結(jié)果中沒(méi)有明顯體現(xiàn)出河蟹品質(zhì)變化的3個(gè)階段，對(duì)死亡及以后的河蟹有較強(qiáng)的指示作用，可以與氣敏傳感器獲取的信息相互補(bǔ)充。

4.1.3不同溫度下河蟹揮發(fā)性鹽基氮含量變化

圖10 4、15、25℃下?lián)]發(fā)性鹽基氮含量變化結(jié)果Fig.10 Results of volatile base nitrogen changes at 4℃, 15℃ and 25℃

圖10是揮發(fā)性鹽基氮含量變化結(jié)果。國(guó)標(biāo)上認(rèn)定蟹肉的揮發(fā)性鹽基氮含量的標(biāo)準(zhǔn)為低于20 mg/(100 g)。從結(jié)果看，25℃遠(yuǎn)超上限，臨界點(diǎn)A出現(xiàn)在約1.75 d的位置，該節(jié)點(diǎn)河蟹處于新鮮到瀕死階段(S1)，即將進(jìn)入瀕死到死亡階段(S2)，在該溫度，河蟹品質(zhì)變化較快，對(duì)品質(zhì)指示不十分明顯。從河蟹在不同溫度下?lián)]發(fā)性鹽基氮分析結(jié)果中，15、4℃中品質(zhì)變化較穩(wěn)定，對(duì)死亡前的河蟹品質(zhì)變化具有更明顯的指示作用；對(duì)15、4℃的結(jié)果進(jìn)行分析，4℃下河蟹揮發(fā)性鹽基氮含量在5 d內(nèi)未超標(biāo)，但在第5天已十分接近，該情況下，從感官分析上河蟹生命力減弱，無(wú)明顯香氣，該階段河蟹已不再適合食用；而15℃下河蟹在第5天揮發(fā)性鹽基氮含量超標(biāo)，根據(jù)品質(zhì)分階段分析，河蟹進(jìn)入瀕死到死亡階段，品質(zhì)下降加速,揮發(fā)性鹽基氮也加速產(chǎn)生。分析認(rèn)為河蟹雖然未進(jìn)入瀕死到死亡階段，但是在新鮮到瀕死的后期,河蟹也不能食用。從擬合效果看，25、15、4℃下?lián)]發(fā)性鹽基氮線(xiàn)性相關(guān)結(jié)果分別是0.978 7、0.899 4、0.968 5，對(duì)河蟹品質(zhì)有明顯的指示作用。

4.2 耦合模型結(jié)果與分析

4.2.1基于GA-BP的阻抗信息與品質(zhì)耦合結(jié)果

圖11a是4℃下的模型檢驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出最大相對(duì)誤差是3.07%，平均相對(duì)誤差是1.007%，最低預(yù)測(cè)精度是96.93%，從第106個(gè)采集點(diǎn)后誤差值超過(guò)平均誤差，并快速增加，在短期預(yù)測(cè)內(nèi)效果明顯，可以滿(mǎn)足預(yù)測(cè)的需要。

圖11 基于阻抗信息的4、15、25℃下河蟹品質(zhì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.11 Prediction results of crab quality model at 4℃, 15℃ and 25℃ based on impedance information

圖11b是15℃下的模型檢驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出模型對(duì)S1的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大值為13.68%，預(yù)測(cè)精度最低為86.32%；S2預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為12.96%，預(yù)測(cè)精度最低為87.04%；S3預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為7.72%，預(yù)測(cè)精度最低為92.28%。對(duì)S1、S2和S3階段的預(yù)測(cè)精度逐漸提升，與阻抗變化基本一致。

圖11c是25℃下的模型檢驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出模型對(duì)S1的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大值為11.14%，預(yù)測(cè)精度最低為88.86%；S2預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為13.68%，預(yù)測(cè)精度最低為86.32%；S3預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為10.19%，預(yù)測(cè)精度最低為89.81%。從效果上看，對(duì)S1段預(yù)測(cè)波動(dòng)較小，S3段波動(dòng)較大，這與阻抗和河蟹品質(zhì)的變化規(guī)律相關(guān)，當(dāng)河蟹腐敗后，個(gè)體差異等因素對(duì)結(jié)果影響較大，未知因素較多，預(yù)測(cè)結(jié)果波動(dòng)較大。

綜上，基于阻抗信息的模型對(duì)4、15、25℃下的揮發(fā)性鹽基氮含量預(yù)測(cè)結(jié)果基本滿(mǎn)足需要，說(shuō)明阻抗對(duì)品質(zhì)具有較好的指示作用。

4.2.2基于GA-BP的氣體信息與品質(zhì)耦合結(jié)果

將河蟹氣敏傳感信息作為輸入變量，揮發(fā)性鹽基氮含量作為輸出變量，對(duì)模型參數(shù)設(shè)置和訓(xùn)練方法如3.3節(jié)中所述。圖12a是4℃下的模型檢驗(yàn)結(jié)果。計(jì)算出最大相對(duì)誤差是13.68%，平均相對(duì)誤差是1.811%，最低預(yù)測(cè)精度是86.32%，低于阻抗的預(yù)測(cè)效果，但是從相對(duì)誤差變化值看，在前100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)預(yù)測(cè)效果理想，預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)越多對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求越高，且氣體需要分析的變量數(shù)多于阻抗。

圖12b是15℃下的模型檢驗(yàn)結(jié)果，模型對(duì)S1的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大值為8.77%，預(yù)測(cè)精度最低為86.32%；S2預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為11.14%，預(yù)測(cè)精度最低為88.86%；S3預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為3.80%，預(yù)測(cè)精度最低為96.20%。對(duì)S1、S2和S3階段的預(yù)測(cè)精度逐漸提升，與阻抗預(yù)測(cè)結(jié)果變化一致。

圖12c是25℃下的模型檢驗(yàn)結(jié)果。模型對(duì)S1的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大值為12.96%，預(yù)測(cè)精度最低為87.04%；S2預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為12.28%，預(yù)測(cè)精度最低為87.72%；S3預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為10.65%，預(yù)測(cè)精度最低為89.35%。對(duì)S1、S2和S3階段的預(yù)測(cè)精度逐漸提升。

圖12 基于氣體傳感信息的河蟹品質(zhì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.12 Prediction results of crab quality model based on gas sensing information

綜上，對(duì)S1、S2和S3階段的預(yù)測(cè)精度逐漸提升，說(shuō)明氣體的3個(gè)變化階段與河蟹的3個(gè)品質(zhì)變化階段對(duì)應(yīng)效果明顯，對(duì)品質(zhì)具有較好的指示作用。

4.2.3基于GA-BP的阻抗結(jié)合氣體信息與品質(zhì)耦合結(jié)果

將阻抗和氣敏傳感器采集的數(shù)據(jù)作為輸入變量，揮發(fā)性鹽基氮含量作為輸出。對(duì)模型參數(shù)設(shè)置和訓(xùn)練方法如3.3節(jié)中所述。圖13a是4℃下的模型檢驗(yàn)結(jié)果。計(jì)算出最大相對(duì)誤差是1.23%，平均相對(duì)誤差是0.28%，最低預(yù)測(cè)精度是98.77%，高于只使用阻抗或單獨(dú)使用氣敏信息進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)的預(yù)測(cè)精度，說(shuō)明阻抗和氣體在對(duì)品質(zhì)變化的反映上實(shí)現(xiàn)了相互補(bǔ)充，與上述分析結(jié)果一致。

圖13b是15℃下的模型檢驗(yàn)結(jié)果，模型對(duì)S1的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大值為12.96%，預(yù)測(cè)精度最低為87.04%；S2預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為10.19%，預(yù)測(cè)精度最低為89.81%；S3預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為6.21%，預(yù)測(cè)精度最低為93.79%。對(duì)S1、S2和S3階段的預(yù)測(cè)精度逐漸提升，與4.2.1、4.2.2節(jié)的預(yù)測(cè)結(jié)果變化一致。

圖13c是25℃下的模型檢驗(yàn)結(jié)果，模型對(duì)S1的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大值為8.77%，預(yù)測(cè)精度最低為91.23%；S2預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為6.21%，預(yù)測(cè)精度最低為93.79%；S3預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大為13.68%，預(yù)測(cè)精度最低為86.32%。對(duì)S1、S2的預(yù)測(cè)精度逐步升高，而S3的預(yù)測(cè)精度較低，原因可能與基于阻抗信息建立的預(yù)測(cè)模型相同，S3階段過(guò)多的輸入變量反而會(huì)增加對(duì)揮發(fā)性鹽基氮含量變化規(guī)律的分析難度，使模型產(chǎn)生過(guò)度學(xué)習(xí)或?qū)W習(xí)不夠的問(wèn)題，從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度下降。

圖13 基于阻抗與氣體傳感信息的河蟹品質(zhì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.13 Prediction result of crab quality model based on impedance and gas sensing information

綜上，阻抗和氣體結(jié)合后對(duì)揮發(fā)性鹽基氮含量的預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)有一定程度的提升，說(shuō)明氣體和阻抗信息可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。通過(guò)對(duì)3種情形下的模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，說(shuō)明氣體信息和阻抗信息能有效反映河蟹品質(zhì)的變化，對(duì)品質(zhì)具有明顯的指示作用，所構(gòu)建的模型能用于河蟹品質(zhì)變化的預(yù)測(cè)。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)河蟹保活運(yùn)輸過(guò)程存在的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套河蟹生物信號(hào)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)河蟹貯藏環(huán)境中的氣體含量和河蟹阻抗信息進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取。利用GA-BP方法將揮發(fā)性鹽基氮含量作為主要品質(zhì)指示指標(biāo)，分別建立了氣體含量、生物電信號(hào)與河蟹品質(zhì)之間的耦合模型。

(2)獲取了4、15、25℃下的河蟹阻抗和環(huán)境氣體信息，結(jié)果分析表明：溫度對(duì)采集結(jié)果有明顯的影響；河蟹氣體變化存在與品質(zhì)變化相關(guān)的3個(gè)階段，即平滑段、突變段和快速上升段；阻抗對(duì)河蟹死亡及之后的品質(zhì)有較強(qiáng)的指示作用，與氣體信息可以相互補(bǔ)充。

(3)利用遺傳算法(GA)對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，分別建立了阻抗-揮發(fā)性鹽基氮含量、氣體-揮發(fā)性鹽基氮含量、阻抗-氣體-揮發(fā)性鹽基氮含量的耦合模型，并檢驗(yàn)了模型的預(yù)測(cè)精度。結(jié)果表明，4℃下預(yù)測(cè)精度分別為96.93%、86.32%、98.77%；15℃下S1的預(yù)測(cè)精度分別為86.32%、86.32%、87.04%，S2的預(yù)測(cè)精度為87.04%、88.86%、89.81%，S3的預(yù)測(cè)精度最低為92.28%、96.20%、93.79%；25℃下S1的預(yù)測(cè)精度最低為88.86%、87.04%、91.23%，S2的預(yù)測(cè)精度最低為86.32%、87.72%、93.79%，S3的預(yù)測(cè)精度最低為89.81%、89.35%、86.32%。說(shuō)明該模型基本滿(mǎn)足基于生物阻抗和氣體信息對(duì)品質(zhì)預(yù)測(cè)的需求，阻抗、氣體信息對(duì)品質(zhì)都有較強(qiáng)的指示作用，結(jié)合后其預(yù)測(cè)精度都有所提高。