基于生物阻抗猪肉水分含量测试系统的设计

于亚萍等

摘要：根据生物阻抗检测原理，设计了一种针状多电极猪肉水分测试系统，采用自制四钢针电极，以220 kHz的正弦波交流恒流源为激励信号，研究了不同水分含量猪肉的生物阻抗特性。结果表明，猪肉生物阻抗随着其含水量的增加而减小。

关键词：猪肉水分；生物阻抗；针状电极

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）16-3924-03

Abstract： Based on the principles of bio-impedance detection， a measure system of multi-electrode pork moisture was designed. Impedance characteristics of different pork water content was studied using four needle electrodes and 220 kHz sine wave AC current source as the excitation signal. The results showed that a pork bioelectrical impedance decreased as the increase of moisture content.

Key words： pork moisture content； bio-impedance； needle electrodes

肉类水分含量是直接影响肉类加工、贮藏与食用的一项重要质量指标。肉类的水分不仅是其细胞的必要组成部分，还是维持肉类本身保持色、鲜、味及食用品质所必需的基本条件。肉类中水分含量过高，细菌、霉菌繁殖就会加剧。近年来，随着人们生活水平的不断提高，鲜肉的食用量越来越大，某些不法商贩为谋取暴利，用注水肉充当正常鲜肉在市场上出售。经过注水的肉，不仅风味尽失，而且易滋生病菌。国家执行的畜禽肉水分限量标准：猪肉、牛肉、鸡肉中水分含量不超过77%，羊肉水分含量不超过78%，但注水肉在外观上和正常鲜肉无明显区别，消费者在购买时，很难从感官上做出判断，因此，开发肉类水分快速检测系统是非常必要的。利用生物阻抗特性进行食品检测是近年来的研究热点之一[1-3]，Damez等[4，5]应用阻抗谱分析方法来测评肉品成熟期的不同阶段品质，结果表明与传统方法检测的结果具有很强的相关性；Guerreroa等[6]提出了将阻抗谱分析法用于西班牙干腌火腿的品质检测中，重点检测PSE肉（灰白渗水肉），分析肉品的柔韧性，进行肉品的筛选分类等。

1 测试原理

生物组织中含有大量不同形状的细胞，这些细胞之间的液体可视为电解质。当直流或低频电流施加于肉品组织时，大部分电流将绕过细胞，主要流经细胞外液；当施加于肉品组织电流频率增加时，细胞膜电容的容抗减小，一部分电流将穿过细胞膜流经细胞内液。在低频条件下，肉品组织的阻抗值主要是组织细胞外物质的表现，而电流频率在200 kHz以上时，阻抗值是细胞内外全部物质共同作用的结果。当肉品水分改变或发生腐败导致细胞破坏致使品质变化时，阻抗变化显著[7]。大量试验表明，在肉品中施加220 kHz频率的电流信号时，肉品阻抗随水分变化最灵敏[8]。

2 测试系统设计

该系统以正弦波交流恒流源为激励信号，通过电极采集猪肉两端和无感参考电阻两端的电压信号，并经过放大电路传输到幅相检测芯片AD8302中去，然后得出肉样品两端电压信号与参比电阻之间的幅值比和相位比，从而测定样品的阻抗值与水分含量之间的关系，系统设计图如图1所示。

2.1 恒流源

恒流源电路结构图如图2所示。正弦信号发生器产生频率、幅值一定的正弦电压信号，滤波电路主要滤除主频以外的信号成分，电压跟随电路用于增强电压信号的驱动能力，电压电流转换电路将电压信号转换为同频电流信号。本设计采用FPGA及DDS技术产生正弦波信号，用LTC1560-1构成低通滤波电路，同时，采用Howland电流泵将电压信号转换成恒流源信号[9]，交流恒流源的频率为220 kHz，幅值为5 mA。

2.2 电极

电极采用不锈钢制成的四电极，电极直径为（0.12±0.01） cm，长度为3 cm，电极分布在半径为1 cm的圆上，外围3根电极并联，中间一根电极作为信号源输入端，自制四钢针电极与采用四钢针电极流过肉品组织示意图如图3所示。

2.3 信号调理电路

由于要将样品检测信号进行幅相分离，需要将样品与100 Ω参比电阻串联。将肉品两端测得的信号放大2倍，参比电阻上的电压也放大2倍传入幅相检测电路。图4为差分放大电路图，其中Vin1为肉品和参比电阻两端的电压值，Vin2为参比电阻两端的电压。VinA为放大2倍后的肉品阻抗上的电压信号。参比电阻两端的电压值放大两倍后为VinB。

2.4 幅相检测电路

AD8302把两输入信号的幅度比和相位差转换为电压输出[10]，其范围为0～1.8 V，分别表示两输入信号的增益范围为-30 dB～+30 dB，相位差为-180o～ +180o。幅相检测电路图如图5所示。

3 测试实际应用

将32个猪肉样品用测试系统进行了检测，测定10次求平均值，将测得样品的幅值比，并与传统烘干法进行对比分析比对，用保鲜膜覆盖肉品避免水分蒸发对此试验的影响，测试结果如图6所示。由于肉品结构的复杂性，幅值比随着样品水分含量的增加总体呈减小的趋势，而此处的幅值比反映的是肉品组织的阻抗值。猪肉生物阻抗值随着其含水量的增加而减小，可以间接地通过测量猪肉的生物阻抗确定其含水量，若需定量检测，还需大量的数据试验进行建模。

参考文献：endprint

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（责任编辑 屠 晶）endprint

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（责任编辑 屠 晶）endprint