基于电学特性的生鲜牛乳蛋白质含量检测仪研究

2020-04-27郭文川刘振华朱新华

农业机械学报 2020年4期

郭文川刘振华朱新华

(1.西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100; 2.农业农村部农业物联网重点实验室，陕西杨凌 712100)

0 引言

牛乳是最古老的天然饮品之一，其营养丰富且全面[1]。蛋白质是牛乳的主要营养成分，常被乳品企业和消费者作为评价牛乳品质的重要指标。因此，蛋白质含量不仅决定了牛乳的市场价格，也对消费者的购买欲产生影响[2]。国标规定的牛乳蛋白质含量检测方法有凯氏定氮法、分光光度法和燃烧法[3]。虽然这几种方法具有检测精度高的优点，但操作复杂、费时费力，且无法用于现场检测[4]。丹麦FOSS分析仪器公司开发的多功能乳品分析仪是目前大型乳品企业广泛使用的牛乳成分检测仪，该仪器精度高、检测迅速，但是其价格非常昂贵，且体积庞大，仅适用于实验室检测。开发一款成本低廉、操作简便、适于现场检测的牛乳蛋白质含量检测仪对指导牛乳销售、加工以及消费具有重要意义。

在电学上，食品和农产品都属于电介质，可等效于电阻与电容相串联或相并联的电路[5]。大量的研究表明，电介质的电特性受物质的成分以及测试信号频率的影响。对于牛乳，其主要成分水[6]、蛋白质[7]、脂肪[8]、乳糖[9]、盐[10]等均影响牛乳的介电特性。在对牛乳介电特性的研究方面，文献[11]研究了蛋白质含量对10～4 500 MHz范围内牛乳介电参数的影响，指出当频率小于150 MHz时，相对介电常数随蛋白质含量的增大而增大，而当频率大于600 MHz时，又随蛋白质含量的增大而减小。在整个测试频率范围内，介质损耗因数随蛋白质含量的增大而增大。这些均是基于昂贵的矢量网络分析仪开展的基础研究，仅限于实验室检测，无法应用于现场检测[12-13]。

为此，基于牛乳的蛋白质对其介电参数产生影响的原理，本文开发一种便携式牛乳蛋白质含量检测仪，并对检测仪的性能进行测试，为牛乳的现场快速检测提供方案。

1 检测仪设计

1.1 检测原理

当将一平行极板浸没在牛乳中，且给极板施加一个交流信号时，该信号将选择对其阻碍最小的通路进行传导[14-16]。在电路分析中，常将电介质简化为电阻R与电容C相串联或相并联的电路[17]。如图1所示，若将其用串联形式等效，则等效电路的阻抗ZS可以表示为

(1)

式中ω——角频率

图1 检测原理示意图Fig.1 Schematic of detection principle

牛乳样品中成分的变化会引起ZS的变化。若将ZS作为惠斯登电桥的一个臂，而其他3个臂的电阻相等，如阻值为50 Ω。则当ZS≠50 Ω时，电桥不平衡。由于牛乳中的蛋白质含量会影响其等效阻抗ZS的变化，因此，当给该电桥输入一个交变信号ui，则会产生一个输出信号uo(图1)，该信号的幅值和相位会随着牛乳中蛋白质含量的变化而变化。定义比值Γ为

(2)

式中Ui——电桥输入信号ui的幅值，V

Uo——电桥输出信号uo的幅值，V

Φ——uo与ui的相位差，(°)

而Γ与牛乳等效电路的阻抗ZS存在关系

(3)

式中Z0为50 Ω的特性阻抗。由式(2)、(3)可知，牛乳的等效阻抗ZS决定了Uo及Φ，反之，可根据Ui、Uo和Φ计算ZS。由于Ui、Uo和Φ与牛乳的蛋白质含量及频率有关，因此，基于此设计一个扫描频率在1～100 MHz范围内的牛乳蛋白质含量检测仪。

图2 检测仪硬件结构框图Fig.2 Structure diagram of detector’s hardware

1.2 硬件设计

图2是基于电学特性开发的牛乳蛋白质含量检测仪硬件结构图。该检测仪主要由单片机、扫频信号源模块、检测模块、信号处理模块和输入输出模块组成。单片机用于控制扫频信号源模块，并负责数据的采集和上传；扫频信号源用于产生一个频率为1～100 MHz的正弦波作为系统的激励信号；检测模块包含电桥以及与之相连接的平行极板，该模块用于将输入信号和受牛乳影响而产生的输出信号分离开；信号处理模块用于提取电桥的输入和输出信号的幅值及其相位差，并将这些信息转换为直流电压输送至单片机的采集端口。输入输出模块用于人机交互。

1.2.1单片机

本设计采用ARM Cortex-M3内核的32位的STM32F103C8T6单片机作为核心控制器。该单片机有20 KB的SRAM和64 KB的Flash，2个12位的同步ADC和3个UART[18]。时钟采用8 MHz的石英晶振，串口通信电路采用RS232-USB接口转换器PL2303实现单片机与计算机的数据通信，复位电路包括上电复位和按键复位两种。

1.2.2扫频信号源模块

扫频信号源模块由数字频率合成器(Direct digital frequency synthesis，DDS)和低通滤波器组成。数字频率合成器采用ADI公司的DDS芯片AD9959，它具有频率分辨率高、范围宽、频率转换快等优点[19-20]。结合单片机的控制，可以实现高稳定度的信号输出。AD9959芯片具有4个同步的DDS通道，在特定寄存器内写入控制字可以设置每个通道输出信号的频率、相位和幅度，本设计只使用了一个通道(CH0-IOUT)。AD9959输出频率的上限取决于系统时钟频率，本设计的系统时钟采用25 MHz的石英晶振，设置参考时钟倍频为15倍，可以稳定输出1～100 MHz的正弦波。DDS芯片在时钟信号的驱动下通过输出离散的模拟电压来逼近正弦曲线。由于其内部模数转换器的精度有限，而且输出每一个电压时都存在着建立时间，导致在输出一个特定频率信号时会携带高次谐波。为了抑制高次谐波，在信号的输出端增加了一个截止频率为100 MHz的巴特沃斯低通滤波器，使得通频带内的频率响应曲线比较平坦，从而可有效地滤除高次谐波。图3是设计的扫频信号源电路。

图3 扫频信号源电路图Fig.3 Scanning signal source circuit diagram

1.2.3检测模块

检测模块由电桥以及一对平行极板组成。平行极板在使用时浸没在被测的牛乳样本中。平行极板由两块面积为25 mm2、间距为6 mm的铂片组成，铂片电极可以降低电流密度以及施加电场对牛乳的极化。测量时将平行极板浸没在牛乳中。本设计采用的电桥型号为AYT-3，适用的频率范围为1～500 MHz，特性阻抗为50 Ω，方向性指数36 dB以上，最大输入功率0.2 W。该电桥有3个端口，其中一个端口连接ui，即扫频信号源的输入信号，另一个端口连接uo，第3个端口的两端分别连接平行极板的一个电极。

1.2.4信号处理模块

信号处理模块由两路幅值检测电路和一路相位差检测电路组成。幅值检测电路采用对数检波芯片AD8318，该芯片能够在1 MHz～8 GHz内实现脉冲包络检波[21]。图4a为Ui的测量电路，其输出电压VMAG1与Ui近似呈对数关系，因此采集电压VMAG1便可得到Ui的信息。Uo的测量电路与图4a相同，对应的输出电压为VMAG2。相位差Φ的检测采用AD8302芯片，该芯片能够检测频率在1 MHz～2.7 GHz范围内任意两个信号之间的相位差[22-23]。如图4b所示，将ui和uo作为相位检测的输入信号，则二者的相位差与输出电压的关系为

VPHS=-VΦ(Φui-Φuo)+VCP

(4)

式中VPHS——相位检测电路的输出电压，mV

Φui——ui的相位，(°)

Φuo——uo的相位，(°)

VФ——斜率，取10 mV/(°)

VCP——芯片内部的偏置电压，取900 mV

根据输出电压VPHS可计算出相位差Φ。由于幅值检测电路和相位差检测电路输出的电压信号为模拟电压，因此将所得的3路模拟信号VMAG1、VMAG2和VPHS输入给单片机的PA0、PA1和PA2口，进行模拟量到数字量的转换。

图4 幅值和相位差检测电路图Fig.4 Amplitude and phase difference detection circuits

1.2.5输入输出模块

输入输出模块由3个按键和1个显示器组成。其中3个按键分别实现“复位”、“数据发送”和“检测”的功能。“发送”按键用于仪器开发阶段采集数据，在按下按键之后，会进行扫频并将采集到的数据通过串口发送至计算机。“检测”按键的功能是进行扫频并获取电桥的输入输出信号参数，调用预测模型，计算蛋白质含量。

显示器采用有机发光二极管(OLED)显示屏，其分辨率为128像素×64像素，供电电压为3.3 V。

1.2.6整体结构设计

检测仪外壳采用3D打印机制作，其材料为聚乳酸，尺寸为170 mm×120 mm×120 mm。由一对平行极板构成的检测探头安装于仪器外壳的侧壁上，外壳上设置有电源连接口和数据连接口，方便数据线插拔和供电。图5为该检测仪的样机实物图。

图5 牛乳蛋白质含量检测仪样机Fig.5 Prototype of protein content detector for milk1.显示屏 2.按键 3.检测探头 4.牛乳样本

1.3 软件设计

以MDK 5.0为开发环境，用C语言开发检测仪的软件。该软件主要由主函数、初始化子函数、键盘扫描子函数、扫频子函数、数据采集子函数、串口发送子函数、检测模型子函数和显示子函数组成。初始化子函数用于设置各模块所使用到的GPIO口的模式以及各寄存器的配置；键盘扫描子函数用于检测是否有独立按键按下，以便执行相应的功能；扫频子函数用于控制扫频信号源输出一个特定频率的正弦波作为整个系统的激励信号；数据采集子函数主要是通过模数转换来采集模拟电压值；串口发送子函数用于将数据发送至上位机数据采集软件；检测模型子函数实现对电桥信号的计算，得到蛋白质含量的预测值；显示子函数可以将预测结果显示在OLED显示屏上。软件流程如图6所示。

图6 牛乳蛋白质含量检测仪程序流程图Fig.6 Program flow chart of developed software for protein content detector

2 试验材料与方法

2.1 材料

试验所用的生鲜牛乳样本来源于陕西省杨凌区的某两个乳牛场。每天采集4～6个样本，采集之后在30 min内运回实验室。共采集来源于不同乳牛的牛乳样本100个。试验期间将样本置于室温((24±1)℃)下保存，且试验在10 h内完成，样品无变质现象发生。测量前，将牛乳样本放在摇匀仪上振荡3 min，以保证成分分布均匀。

2.2 试验方法

2.2.1牛乳蛋白质含量的测量

在室温下用MilkoScanTM FT1型乳品分析仪(丹麦FOSS公司)测定牛乳样本的蛋白质含量。试验前，先将乳品分析仪预热20～30 min，然后对仪器进行校准。校准通过后，对牛乳样品进行测量，每个样本每次测量用样约40 g。每个样本重复3次，3次测量的平均值作为该样本蛋白质含量(质量比)的测量结果。所有样本蛋白质含量的变化范围为2.94～4.71 g/(100 g)，标准偏差为0.41 g/(100 g)，说明所采集的样本有较大的蛋白质含量变化范围，样本有代表性。

2.2.2检测仪输出信号的采集

打开牛乳蛋白质含量检测仪的开关，先预热2 min。数据采集时，将平行极板浸没于牛乳中,然后点击“数据发送”按键，检测仪将采集1～100 MHz间间隔频率为0.5 MHz的199个采样点下的电压信号VMAG1、VMAG2和VPHS，并发送至上位机(计算机)。因此，对于每个样品，所采集的数据有597个。图7为采集的牛乳样品的VMAG1、VMAG2和VPHS的变化曲率。由图7可以看出，在1～100 MHz内，VMAG1和VPHS基本稳定，而VMAG2随频率的增大而增大，这是由于在1～100 MHz内DDS输出信号的幅值基本不变，而牛乳的交流阻抗随着频率的增加而减小。图8是所采集的100个牛乳样本的VMAG2。由图8可以看出，对于所有样本，该电压的变化规律相同，但大小有所差异，该种现象也发现于其他两个被检测的信号中。输出电压的差异在于牛乳样本间成分的差异，因此，可以基于输出信号电压的差异预测牛乳的蛋白质含量。

图7 牛乳样本在1～100 MHz范围采集信号的电压Fig.7 Voltage values of collected signals of milk sample in range of 1～100 MHz

图8 1～100 MHz间100个牛乳样本VMAG2的变化曲线Fig.8 Collected VMAG2 of 100 milk samples over range of 1～100 MHz

2.3 预测模型建立

为了减小仪器本身存在的随机噪声对输出信号的影响，对所得的电压信号进行窗口宽度为5的平滑预处理[24]。以平滑处理后的信号作为输入(即输入值有597个)，以乳品分析仪测量得到的蛋白质含量作为输出，采用偏最小二乘法(Partial least squares, PLS)建立预测蛋白质含量的模型。PLS集成了多元线性回归、主成分分析和相关性分析的优点，在定量研究中得到了广泛的应用[25]。所构建的PLS模型为

P=KXT+b(R2=0.835)

(5)

其中K=[k1k2…k597]

X=[x1x2…x597]

式中P——蛋白质含量，g/(100g)

K——预测模型的系数

X——199个频率点下VMAG1、VMAG2和VPHS

b——常数

基于所建立的预测模型修改软件，使该检测仪能够直接输出基于电桥输入输出信号参数，得到牛乳蛋白质含量。

3 仪器性能测试

图9 乳品分析仪与自制仪器测量值的比较Fig.9 Comparison of measured values between MilkoScanTM FT1 and self-made detector

为了对牛乳蛋白质含量检测仪的性能进行验证，另取20份生鲜牛乳样本分别用MilkoScanTM FT1型乳品分析仪和本仪器测量其蛋白质含量，测量结果如图9所示。图9表明，测量结果较为紧密地分布在45°线的附近，20份牛乳蛋白质含量在3.04～4.11 g/(100 g)之间，本仪器绝对误差范围为-0.11～0.12 g/(100 g)，平均绝对误差为0.01 g/(100 g)。可见本仪器对于牛乳中蛋白质含量的检测具有较好的检测精度。此外，对仪器的响应时间进行了测试，结果显示，从按下“测量”按键到给出测量结果所用的时间小于2 min。与杨彪等[26]基于考马斯亮蓝染色法而开发的牛乳蛋白质含量检测仪相比，本检测仪无需对样本进行任何前期处理，使用更方便。