基于生物阻抗豬肉水分含量測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

于亞萍等

摘要：根據(jù)生物阻抗檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了一種針狀多電極豬肉水分測(cè)試系統(tǒng)，采用自制四鋼針電極，以220 kHz的正弦波交流恒流源為激勵(lì)信號(hào)，研究了不同水分含量豬肉的生物阻抗特性。結(jié)果表明，豬肉生物阻抗隨著其含水量的增加而減小。

關(guān)鍵詞：豬肉水分；生物阻抗；針狀電極

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

肉類水分含量是直接影響肉類加工、貯藏與食用的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo)。肉類的水分不僅是其細(xì)胞的必要組成部分，還是維持肉類本身保持色、鮮、味及食用品質(zhì)所必需的基本條件。肉類中水分含量過高，細(xì)菌、霉菌繁殖就會(huì)加劇。近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，鮮肉的食用量越來越大，某些不法商販為謀取暴利，用注水肉充當(dāng)正常鮮肉在市場(chǎng)上出售。經(jīng)過注水的肉，不僅風(fēng)味盡失，而且易滋生病菌。國(guó)家執(zhí)行的畜禽肉水分限量標(biāo)準(zhǔn)：豬肉、牛肉、雞肉中水分含量不超過77%，羊肉水分含量不超過78%，但注水肉在外觀上和正常鮮肉無明顯區(qū)別，消費(fèi)者在購(gòu)買時(shí)，很難從感官上做出判斷，因此，開發(fā)肉類水分快速檢測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。利用生物阻抗特性進(jìn)行食品檢測(cè)是近年來的研究熱點(diǎn)之一[1-3]，Damez等[4，5]應(yīng)用阻抗譜分析方法來測(cè)評(píng)肉品成熟期的不同階段品質(zhì)，結(jié)果表明與傳統(tǒng)方法檢測(cè)的結(jié)果具有很強(qiáng)的相關(guān)性；Guerreroa等[6]提出了將阻抗譜分析法用于西班牙干腌火腿的品質(zhì)檢測(cè)中，重點(diǎn)檢測(cè)PSE肉（灰白滲水肉），分析肉品的柔韌性，進(jìn)行肉品的篩選分類等。

1 測(cè)試原理

生物組織中含有大量不同形狀的細(xì)胞，這些細(xì)胞之間的液體可視為電解質(zhì)。當(dāng)直流或低頻電流施加于肉品組織時(shí)，大部分電流將繞過細(xì)胞，主要流經(jīng)細(xì)胞外液；當(dāng)施加于肉品組織電流頻率增加時(shí)，細(xì)胞膜電容的容抗減小，一部分電流將穿過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)液。在低頻條件下，肉品組織的阻抗值主要是組織細(xì)胞外物質(zhì)的表現(xiàn)，而電流頻率在200 kHz以上時(shí)，阻抗值是細(xì)胞內(nèi)外全部物質(zhì)共同作用的結(jié)果。當(dāng)肉品水分改變或發(fā)生腐敗導(dǎo)致細(xì)胞破壞致使品質(zhì)變化時(shí)，阻抗變化顯著[7]。大量試驗(yàn)表明，在肉品中施加220 kHz頻率的電流信號(hào)時(shí)，肉品阻抗隨水分變化最靈敏[8]。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以正弦波交流恒流源為激勵(lì)信號(hào)，通過電極采集豬肉兩端和無感參考電阻兩端的電壓信號(hào)，并經(jīng)過放大電路傳輸?shù)椒鄼z測(cè)芯片AD8302中去，然后得出肉樣品兩端電壓信號(hào)與參比電阻之間的幅值比和相位比，從而測(cè)定樣品的阻抗值與水分含量之間的關(guān)系，系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2.1 恒流源

恒流源電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率、幅值一定的正弦電壓信號(hào)，濾波電路主要濾除主頻以外的信號(hào)成分，電壓跟隨電路用于增強(qiáng)電壓信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，電壓電流轉(zhuǎn)換電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻電流信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用FPGA及DDS技術(shù)產(chǎn)生正弦波信號(hào)，用LTC1560-1構(gòu)成低通濾波電路，同時(shí)，采用Howland電流泵將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成恒流源信號(hào)[9]，交流恒流源的頻率為220 kHz，幅值為5 mA。

2.2 電極

電極采用不銹鋼制成的四電極，電極直徑為（0.12±0.01） cm，長(zhǎng)度為3 cm，電極分布在半徑為1 cm的圓上，外圍3根電極并聯(lián)，中間一根電極作為信號(hào)源輸入端，自制四鋼針電極與采用四鋼針電極流過肉品組織示意圖如圖3所示。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

由于要將樣品檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行幅相分離，需要將樣品與100 Ω參比電阻串聯(lián)。將肉品兩端測(cè)得的信號(hào)放大2倍，參比電阻上的電壓也放大2倍傳入幅相檢測(cè)電路。圖4為差分放大電路圖，其中Vin1為肉品和參比電阻兩端的電壓值，Vin2為參比電阻兩端的電壓。VinA為放大2倍后的肉品阻抗上的電壓信號(hào)。參比電阻兩端的電壓值放大兩倍后為VinB。

2.4 幅相檢測(cè)電路

AD8302把兩輸入信號(hào)的幅度比和相位差轉(zhuǎn)換為電壓輸出[10]，其范圍為0～1.8 V，分別表示兩輸入信號(hào)的增益范圍為-30 dB～+30 dB，相位差為-180o～ +180o。幅相檢測(cè)電路圖如圖5所示。

3 測(cè)試實(shí)際應(yīng)用

將32個(gè)豬肉樣品用測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)定10次求平均值，將測(cè)得樣品的幅值比，并與傳統(tǒng)烘干法進(jìn)行對(duì)比分析比對(duì)，用保鮮膜覆蓋肉品避免水分蒸發(fā)對(duì)此試驗(yàn)的影響，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由于肉品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，幅值比隨著樣品水分含量的增加總體呈減小的趨勢(shì)，而此處的幅值比反映的是肉品組織的阻抗值。豬肉生物阻抗值隨著其含水量的增加而減小，可以間接地通過測(cè)量豬肉的生物阻抗確定其含水量，若需定量檢測(cè)，還需大量的數(shù)據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行建模。

參考文獻(xiàn)：endprint

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（責(zé)任編輯 屠 晶）endprint

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