基于TRIZ理论的油炸薯片中丙烯酰胺含量的测定

何 鹏 王成琳 王福刚

（齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，齐齐哈尔 161006）

油炸薯片这种风靡全球的休闲食品中含有损害人体神经、造成生殖毒性的人类潜在致癌物质丙烯酰胺［1］。丙烯酰胺含量的测定方法已被列为我国“十五”国家重大科技专项“食品安全关键技术”和“十一五”国家科技支撑计划重大项目“食品加工关键技术研究与产业化开发”的研究课题，并取得了较多成果。同时，我国于2005年发布了食品中丙烯酰胺含量测定方法的国家标准，以标准的化学方法测定食品中有毒有害物质丙烯酰胺的含量［2－5］。

但是，以上化学检测法存在需要对被检测食品取样，存在检测设备昂贵、检测方法复杂等问题［6］。本研究根据TRIZ创新理论，研制开发了一套基于计算机视觉技术的油炸薯片中丙烯酰胺含量的测定系统，以完成无损坏、快速地测定薯片中丙烯酰胺含量的任务。

1　TRIZ理论主要内容

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）是发明问题解决理论的简称，源于1946年以G S Ahshuller为首的原苏联科研人员开始有关TRIZ理论和实践的研究。他们对数百万件发明专利进行分析，综合多学科领域的原理和法则，形成了TRIZ的基本理论体系［7］。TRIZ理论提供的大部分发明原理是为了解决技术系统存在的物理矛盾和技术矛盾，而解决矛盾的目的是为了提高技术系统的理想度。

TRIZ的主要内容包括：40个发明原理，如分割原理、分离原理、局部质量原理、不对称原理等。描述技术冲突的39个通用工程参数，如运动物体质量、静止物体质量、运动物体长度、静止物体长度等。以及矛盾冲突解决矩阵、物质—场分析理论和发明问题解决算法（ARIZ）等。

2　系统设计

应用TRIZ的技术系统八大进化法则中的向微观级进化法则，设计了一种由图像获取装置和计算机处理分析系统两部分组成的简单轻便的测定薯片中丙烯酰胺含量的系统装置，取代了传统笨重复杂的化学检测仪器。如图1所示，图像获取装置为一个由桶壁、1个主桶盖、2个副桶盖构成的20 cm高、10 cm宽的可随身携带、自由移动的圆柱体小桶。主桶盖内侧固定1块DSP板，板上外扩了图像压缩模块、图像存储模块、无线传输、无线接收模块、1个CCD摄像机及安插在摄像机两侧的高灵敏光源，整体由主桶盖底部外侧的开关控制。获取图像时，薯片平放在副桶盖内，处于桶壁下方并拧紧，主桶盖放在桶壁上方并拧紧，按开关，高灵敏光源亮，CCD摄像机抓拍薯片一面图像；取下主桶盖，拧上另一个副桶盖，将整个装置倒转180度，取下之前的副桶盖，再将主桶盖拧在桶壁上方，抓拍薯片另一面图像。获取的图像经压缩后统一存储在DSP板的存储模块内。应用TRIZ理论40个发明原理中的分割原理，将提出的系统装置设计成两个看似独立的子系统，彼此之间通过无线传输进行通信。获取的图像经DSP板的无线传输模块，通过具有传输距离远、传输速度快的GPRS网络与计算机处理分析系统进行通信。计算机处理分析系统为 CPU［Pentium（R）Dual－Core］2.50 GHz、RAM 2 GB、操作系统为windows XP的PC机，在接收到图像获取装置无线传送来的图像后，以Matlab软件为平台，对图像进行处理分析，得到的数据利用SPSS软件进行分析，将计算出的油炸薯片中丙烯酰胺含量值再通过GPRS网络传回给图像获取装置的无线接收模块内，最终显示在主桶盖外侧的液晶显示屏上。这样，随身携带图像获取装置即可完成随时随地检测薯片安全的任务。

图1　测定薯片中丙烯酰胺含量的计算机视觉系统图

3　材料与方法

为了研究薯片在油炸过程中表面颜色变化情况与其丙烯酰胺含量之间的关系，试验设计如下。

3.1　材料与设备

马铃薯（大西洋品种）块茎10个、花生油（金龙鱼）5 L。

正己烷（重蒸馏）和乙酸乙酯（色谱纯）：上海圣宇化工有限公司；丙烯酰胺标准品（纯度≥99%）：天津市龙胜化工有限公司。

丙烯酰胺标准溶液：准确称取适量的丙烯酰胺标准样品，精确至0.1 mg，用甲醇定容，制备成100 μg／mL标准储备溶液，存放于零下20℃冰箱中。

DF－81型可控温电炸锅、ZX－300型马铃薯切片机：晨曦盛世商贸有限责任公司；TRACE MASS 2000型气相色谱－质谱联用仪：美国菲尼根质谱公司。

3.2　试验方法

3.2.1 油炸薯片的制作

将马铃薯洗净，放在切片机内去皮，切成2 mm厚、直径为5 cm的薯片，准备20片。将5 L花生油全部倒在电炸锅内，保证油和薯片的比例最大，从而达到油恒温、薯片均匀炸的效果。由于工业上的薯片最佳油炸温度是170℃，所以将电炸锅的温度调至170℃，待温度达到170℃时，将准备的20片薯片全部倒入锅内炸，并计时，规定此时为计时时间0 s。之后每隔60 s捞出一片薯片，直至捞出最后一片炸至焦糊的薯片为止。

3.2.2 丙烯酰胺含量的测定

采用国标GB／T 5009.204—2005，即食品中丙烯酰胺含量的测定方法气相色谱－质谱（GC－MS）法，测定固定时间内捞出的油炸薯片中丙烯酰胺含量值。

提取：准确称取已粉碎均匀的油炸薯片4份，各10 g（精确至1 mg），分别置于250 mL具塞三角瓶中，各加入丙烯酰胺标准使用液（10μg／mL）：0.0、0.5、1.0、2.0 mL和水共计 50 mL，振荡 30 min，过滤，取滤液25 mL。

净化：将滤液置于聚四氟活塞分液漏斗中，加20 mL正己烷，室温下振荡萃取，静置分层，取下层水相。将水相进行高速冷冻离心（转速5 000～10 000 r／min，时间30 min，温度0～40℃），上清液用玻璃棉过滤。将过滤液直接进行溴化衍生。在过滤液出现浑浊时，应过石墨化碳黑固相萃取柱（柱使用前依次用5 mL甲醇和5 mL水活化），再用20 mL水淋洗，收集过柱和淋洗后的溶液用于衍生化。

衍生化：净化后的溶液中加溴化钾7.5 g、氢溴酸0.4 mL、饱和溴水8 mL衍生，在0～40℃下放置15 h（避光）。逐滴加入硫代硫酸钠溶液至衍生液褪色，加乙酸乙酯25 mL，振荡20 min，静置分层，收集乙酸乙酯层，加10 g左右无水硫酸钠脱水。可根据需要浓缩定容备用。进样前将待测液过0.45μm有机系过滤膜。

仪器条件：色谱柱：DB－5石英毛细管柱，30 m×0.25 mm×0.25μm；色谱柱温度（程序升温）：初始温度65℃（保温1 min），以15℃／min升温至280℃（保温15min）；进样口温度：280℃；离子源温度：230℃；色谱－质谱接口温度；260℃；电离方式：EI源；电离能量：70 eV；测定方式：选择离子监测（SIM），选择监测离子（m／z）：106、108、150、152；载气：高纯氦气（纯度99.999%）；流速1.0 mL／min；进样方式：恒流，不分流进样；进样量：1μL。

3.3　丙烯酰胺含量的计算机视觉测定

利用图像获取装置对刚切好的薯片和每隔60 s从电炸锅内捞出的薯片，分别获取双面表面图像，统一传送给计算机处理分析系统，计算机处理分析系统以Matlab软件为平台，通过图像预处理、彩色图像分割、颜色测量3部分算法记录薯片在油炸过程中的表面颜色变化值。

3.3.1 图像预处理

图像在无线传输时会受到外界的干扰，容易产生椒盐噪声、加性噪声，如图2a和图2b所示。椒盐噪声是由图像传感器，传输信道，解码处理等产生的黑白相间的亮暗点噪声。将待处理的薯片彩色图像，在RGB颜色空间中，分别对R、G、B单通道灰度图像进行滤波。把每个单通道灰度数字图像考虑为二维平面直角坐标系中的点阵，将某点（x，y）为中心的小窗口内的所有像素的灰度值按从小到大的顺序排列，若窗口中的像素为奇数个，则将中间值作为（x，y）处的灰度值。若窗口中的像素为偶数个，则取两个中间值的平均值作为（x，y）处的灰度值。滤波后的R、G、B3个单通道灰度图像重新组合成彩色图像，完成对薯片彩色图像中椒盐噪声的去除，如图2c所示。采用Matlab软件中自带的维纳滤波去噪函数deconvwnr对人为噪声、自然噪声、系统装置内部噪声等加性噪声滤波去噪，可有效地还原图像，如图2d所示。

3.3.2 图像分割

本试验对预处理后的薯片彩色图像进行分割，目的是提取图像中的目标薯片，为之后测量整体薯片表面颜色做准备。

选择合适的颜色空间是成功进行彩色图像分割的首要环节。如图2所示，计算机处理分析系统接收到的由图像获取装置传送来的彩色图像是在RGB颜色空间中表示的，但是由于该空间将色调、亮度、饱和度3个量放在一起，并且R、G、B3个分量有高度的相关性，使得在细节方面难以进行数字化的调整，因此图像分割和分析不适合采用该模型。Lab颜色空间将亮度和色彩分开，取坐标L、a、b，其中L代表亮度，取值为0～100（纯黑 －纯白）；a、b分量取值都在－128～＋127之间，a的正数代表红色，负端代表绿色；b的正数代表黄色，负端代表蓝色，使得在处理数字图像时保留尽量宽阔的色域和丰富的色彩。

将经预处理后的薯片彩色图像从RGB颜色空间转换到Lab颜色空间。提取a、b颜色分量，计算两个颜色分量的维数，分别以a颜色分量和b颜色分量的维数作为由a、b颜色信息构成的二维矩阵的行数和列数。从该矩阵中随机选取2个元素作为初始聚类中心，然后计算各个元素到聚类中心的欧式距离，把该矩阵中的元素归到离它最近的那个聚类中心所在的类之中。重新计算新形成的每一个类的元素颜色平均值来得到新的聚类中心，如果相邻两次的聚类中心没有任何变化，说明调整结束，如果不同，重新计算直至两次聚类中心相同为止。在对该矩阵中的元素聚类完成之后，对两类的元素加以标记，将薯片彩色图像的背景颜色设置为黑色，将目标薯片颜色重新定义到新的数组中，即可完成薯片与背景的分离，达到提取目标薯片的目的，如图2e和图2f所示。

根据已经提取的目标薯的大小维数，对L、a、b3个分量重新组合，分别定义到3个不同的向量中，计算每一个一维数组的和，进而求得每个分量的平均值。重复图像分割环节，计算目标薯片另一面的颜色平均值。

图2　薯片图像处理结果

4　结果分析与系统测试

4.1　结果分析

由气相色谱－质谱（GC－MS）法测得的薯片在油炸过程中的丙烯酰胺含量值及变化情况如图3a所示，可以清晰的看到，薯片在刚炸时，其丙烯酰胺含量不断升高，大约在8 min时达到最大值1 865.57 μg／kg，之后迅速减少，这与文献［4］的报道相吻合，不同的是本试验将薯片油炸时间延长，发现其丙烯酰胺含量值最终趋于稳定。由于薯片在油炸过程中正反两面的受热情况不能精确的保持相同，以至于经油炸后其各自的颜色不能保持一致，如图3b～图3g所示，反应了薯片在油炸过程中正反两面颜色值及变化情况。从图3可以看到，薯片正反两面的L、b平均值均呈减少下降的趋势，而正反两面的a平均值表现出先增加后减少的趋势，与丙烯酰胺含量的变化趋势大致相同，这就说明：薯片两个表面a平均值的变化情况并不相同，任意选择其中一面a平均值去反应丙烯酰胺含量的变化，必然导致颜色信息的丢失，增大误差；对薯片炸至焦糊后，单面a平均值呈现出先增加后减少的趋势，利用前半部分增加的变化趋势与丙烯酰胺含量的变化进行拟合，也必然导致误差的增大。试验对正反两面的a平均值再求一次平均值，用a－表示，如图3h所示，a－的变化趋势与薯片中丙烯酰胺含量的变化趋势几乎相同，利用SPSS软件对a－值和丙烯酰胺含量数据进行分析，发现两组数据存在很强的线性相关性，相关系数R2＝0.971，从而建立a－值和丙烯酰胺含量之间的线性回归方程，如图3i所示。从而以计算薯片表面颜色a－值代替薯片中丙烯酰胺含量的测定。

图3　薯片数据图

4.2　系统测试

随身携带本试验研制的图像获取装置，走访不同地点的超市，对出售的共计10个品牌的薯片，各随机选取一片，获取双面图像，通过GPRS网络无线传送给远端计算机处理分析系统，并记时，当计算机处理分析系统传回待检测薯片中丙烯酰胺含量数值，并显示在图像获取装置的液晶显示屏上时，记时结束，最长时间仅为52.3 s；利用标准化学方法对随机选取的薯片测定其丙烯酰胺含量值，如表1所示，与本方法相比，两者间最大相对误差仅为4.94%。由此，说明本试验提出的测定薯片中丙烯酰胺含量的系统稳定，方法可行、准确。

表1　本方法和标准化学方法对不同品牌薯片的测定结果

5　结论

根据TRIZ创新理论，研制了一套结构简单、成本低廉的基于计算机视觉技术的油炸薯片中丙烯酰胺含量的测定系统，可以快速、无损坏的完成薯片中有毒有害物质丙烯酰胺含量的测定工作。图像获取装置获取薯片的双面图像，最大限度的采集薯片表面颜色信息，并且与计算机处理分析系统无线通信，达到随时随地检测薯片安全的效果。采用标准的化学方法气相色谱－质谱（GC－MS）法测定薯片中的丙烯酰胺含量值，以此作为参考的标准。提出了基于数字图像处理的图像分割、颜色测量算法，记录了整体目标薯片在油炸过程中的颜色变化情况。

分析了得到的薯片表面颜色数据和丙烯酰胺含量值，发现薯片双面a平均值的平均值与其丙烯酰胺含量值有很强的相关性，相关系数R2＝0.971，建立了两者之间的线性回归方程y＝76．586x＋84．61。分别利用本研究提出的方法和标准化学方法进行测定市场上出售的薯片中丙烯酰胺含量值，两者间的最大相对误差仅为4.94%，说明了本研究提出的方法是可行、准确的。

［1］张玉萍，欧仕益，袁霖.3种添加剂对油炸薯片丙烯酰胺产生和质构的影响［J］.中国粮油学报，2007，22（3）：131－139

［2］仲维科，陈冬东，雍炜，等.气相色谱－质谱法测定油炸淀粉类食品中的丙烯酰胺［J］.色谱，2005，23（3）：312－314

［3］周宇，朱圣陶，刘仁平.气相色谱法测定食品中丙烯酰胺［J］.食品科学，2006，27（3）：194－196

［4］张丽梅.烘煎食品中丙烯酰胺生成和分布规律及其速测方法的研究［D］.厦门：厦门大学，2008

［5］GB／T 5009.204—2005，食品中丙烯酰胺含量的测定方法气相色谱－质谱（GC－MS）法［S］

［6］袁媛，刘野，陈芳，等.食品中丙烯酰胺分析方法研究进展［J］.食品与发酵工业，2005，31（10）：115－119

［7］Darrell Mann.An Introduction to TRIZ：The Theory of Inventive Problem Solving［J］.Creativity and Innovation Management，2001，10（2）：123－125.