基于TDLAS技術(shù)判定豬肉揮發(fā)性鹽基氮含量

趙廣華, 蘇維均, 謝 濤

(北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院/食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100048)

*蘇維均，男，教授，主要從事智能控制與檢測(cè)技術(shù)方面的研究，通信作者。

豬肉提供了人類所需的蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是人們膳食中的重要組成部分[1]；但由于自身和外界環(huán)境、微生物等的作用，存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)了易變質(zhì)腐爛，營(yíng)養(yǎng)成分分解，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，影響人類健康[2]。豬肉新鮮度常用檢測(cè)方法主要有感官評(píng)價(jià)、理化檢測(cè)和微生物檢測(cè)[3]。感官評(píng)價(jià)判斷比較直接和綜合，但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且會(huì)受到主觀隨意性等因素影響，準(zhǔn)確性較差; 理化指標(biāo)檢測(cè)客觀性精度高、準(zhǔn)確性好，是目前主要的檢測(cè)方式，但檢測(cè)過(guò)程相當(dāng)煩瑣、耗時(shí)較長(zhǎng)，不能達(dá)到快速檢測(cè)目的[4]。在理化檢測(cè)中，揮發(fā)性鹽基氮(total volatile basic nitrogen，TVB-N)為國(guó)家豬肉新鮮度標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)法。在組成肉類的氨基酸中，有一些含有硫氫基的氨基酸，在細(xì)菌產(chǎn)生的脫硫基酶作用下發(fā)生分解能放出硫化氫氣體[5-8]，因此可根據(jù)肉類在不同時(shí)期產(chǎn)生硫化氫的程度，來(lái)探索測(cè)量TVB-N含量的方法。

基于可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)能夠很好地滿足硫化氫氣體的檢測(cè)要求。TDLAS通過(guò)向待測(cè)氣體發(fā)射特定波長(zhǎng)頻率的激光，利用探測(cè)器對(duì)穿過(guò)氣體的激光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，達(dá)到分析氣體組分和濃度的目的。TDLAS技術(shù)以其實(shí)時(shí)性好、精準(zhǔn)性高、可遙測(cè)、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[9]。唐東林等[10]利用TDLAS技術(shù)設(shè)計(jì)了硫化氫氣體傳感器(1 575 nm)，檢測(cè)下限達(dá)到10-6。中科院半導(dǎo)體研究所研制的基于TDLAS的氣體傳感器可以檢測(cè)到10-7級(jí)別氣體濃度。表明TDLAS技術(shù)對(duì)于豬肉變質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的硫化氫氣體檢測(cè)是可行的。

本文采用TDLAS技術(shù)和現(xiàn)行的GB/T 5009.44—2003《肉與肉制品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)分析方法》中的半微量定氮法[11]，分別對(duì)新鮮豬肉變質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的H2S濃度進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻TVB-N進(jìn)行測(cè)定，并采用統(tǒng)計(jì)分析方法，探索H2S濃度與TVB-N含量的數(shù)量關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品為購(gòu)于北京市永輝超市的宰后24 h排酸新鮮豬里脊肉，在冷藏環(huán)境下，將其平均分割為22份，每份大小約5 cm×5 cm×3 cm，約為250 g，并進(jìn)行編號(hào)P1～P22。將P1～P11放置于第一個(gè)CZ-G-27D型恒溫恒濕培養(yǎng)箱(25 ℃，70% RH)中作為H2S檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)樣品部分，用來(lái)加速豬肉樣品的變質(zhì)過(guò)程，并且每6 h記下此時(shí)的H2S濃度值。將P12～P22放置于第二個(gè)CZ-G-27D型恒溫恒濕培養(yǎng)箱(30 ℃，70% RH)中作為豬肉變質(zhì)過(guò)程中TVB-N含量檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)樣品部分，每隔6 h檢測(cè)第一個(gè)培養(yǎng)箱中H2S的同時(shí)，將第二個(gè)培養(yǎng)箱中的一部分取出并利用國(guó)標(biāo)中規(guī)定半微量定氮法測(cè)量豬肉樣品的TVB-N值。

1.2 H2S揮發(fā)濃度的測(cè)量

1.2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1，利用以TDLAS氣體檢測(cè)技術(shù)為原理搭建的實(shí)驗(yàn)裝置遙測(cè)恒溫恒濕箱中豬肉揮發(fā)H2S濃度。通過(guò)在第一個(gè)培養(yǎng)箱中安裝角反射器并調(diào)整光路來(lái)實(shí)現(xiàn)豬肉變質(zhì)過(guò)程中揮發(fā)H2S的精準(zhǔn)遙測(cè)。本系統(tǒng)由激光器、溫控模塊、菲涅爾透鏡、角反射器、光探測(cè)器、鎖相放大器、A/D模塊、無(wú)線模塊組成。系統(tǒng)可分為3個(gè)單元：激光調(diào)制發(fā)射部分、激光接收鎖相部分、信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換及傳輸部分。通過(guò)C#語(yǔ)言編寫上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)含有氣體濃度信息的二次諧波信號(hào)的提取和轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄揮發(fā)H2S濃度，每6 h記下此時(shí)的H2S濃度值。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好，精度高可測(cè)下限1.0×10-7，可進(jìn)行不接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 TDLAS系統(tǒng)示意Fig.1 System structure diagram of TDLAS

1.2.2硬件設(shè)計(jì)及波形調(diào)制

1.2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)查詢2012 HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)[12]，得到H2S的本征吸收譜在波長(zhǎng)為1 574.5、1 579、1 590 nm處[13]。H2S在近紅外光譜中1 579 nm和1 590 nm 附近有較強(qiáng)的吸收帶。考慮到需要避開CO和CO2的干擾，選定1 590 nm 附近的吸收帶，如圖2。

圖2 H2S吸收峰的選擇Fig.2 Selection of absorption peaks of hydrogen sulfide gas

激光器選用德國(guó)nanoplus公司1 590 nm的DFB激光器，其 25 ℃時(shí)的最大光功率為12 mW，閾值電流為30 mA。在這個(gè)波段可以避免CO和CO2的干擾，是目前檢測(cè)H2S使用最多的波段。分析儀采用Port City Instrument公司的PCI-FPGA-1A模塊，該模塊可以提供驅(qū)動(dòng)激光器的指定頻率鋸齒電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧，設(shè)計(jì)中掃描頻率為2 Hz。激光器的掃描范圍為1 589.5～1 590.5 nm，最大功率為12 mW。同時(shí)該模塊提供最大為31.4 kHz的調(diào)制信號(hào)，設(shè)計(jì)中采用調(diào)制頻率為31.4 kHz，調(diào)制幅度為18 mA。

激光器的溫度控制模塊采用Wavelength公司的WTC3243溫度控制板。該模塊的工作電壓為直流5～30 V，能夠提供最高±2 A的電流輸出，正常工作的溫度-40～85 ℃，穩(wěn)定性為0.008 ℃?？刂茰囟染葹?.2%。

5.應(yīng)激。懷孕和分娩后的母豬對(duì)環(huán)境變化非常敏感，無(wú)論氣溫驟變、運(yùn)動(dòng)、擁擠、滑跌、跑跳等都是不良的刺激因素。病豬主要表現(xiàn)為呼吸急促，采食減少，喜歡飲水及滾糞尿等。

本系統(tǒng)的鎖相放大器采用Port City Instrument公司的PCI-FPGA-1A模塊，該模塊是本系統(tǒng)的核心部分，集成了兼容InGaAs和InAs探測(cè)器的前置放大器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含有氣體濃度信息的二次諧波信號(hào)的提取及一次諧波的檢測(cè)。二次諧波信號(hào)提取的數(shù)字模式消除了被動(dòng)元件隨時(shí)間和溫度導(dǎo)致的信號(hào)鏈漂移問(wèn)題，使得二次諧波的增益有高度的穩(wěn)定性，非常適合于現(xiàn)場(chǎng)使用。

1.2.2.2 波形調(diào)制

激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)見式(1)[14]：

U(t)=Usin(t)+Uramp(t)。

(1)

31.4 kHz的調(diào)制信號(hào)見式(2):

Usin(t)=asin(ωsin(t)+φ)。

(2)

2 Hz的鋸齒波掃描信號(hào)見式(3):

(3)

圖3 波形調(diào)制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)Fig.3 Waves of modulation signal and drive signal

式(1)～式(3)中，t為時(shí)間，s；Tramp為驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期，s。調(diào)制信號(hào)及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形圖如圖3。

首先通過(guò)溫控粗調(diào)激光器，使得輸出波長(zhǎng)粗略調(diào)整到1590 nm附近，再通過(guò)PCI控制板搭載的電流控制器精細(xì)調(diào)節(jié)激光器的波長(zhǎng)，直到波長(zhǎng)調(diào)整到1 590 nm。將激光探測(cè)器放置在透鏡的焦點(diǎn)位置，盡量使所有反射光聚集到探測(cè)器；探測(cè)器與PCI控制板連接，信號(hào)在PCI中實(shí)現(xiàn)二次諧波的提??；將PCI輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)WIFI模塊傳送至上位機(jī)，在上位機(jī)上通過(guò)算法處理得到氣體濃度。實(shí)驗(yàn)所得不同時(shí)間點(diǎn)二次諧波幅值與H2S濃度標(biāo)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 二次諧波幅值與對(duì)應(yīng)H2S濃度值

1.3 TVB-N含量的測(cè)定

按照國(guó)標(biāo)方法《肉與肉制品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)分析方法》中的半微量定氮法進(jìn)行測(cè)定TVB-N含量。該測(cè)定方法的原理是肉類在酶和細(xì)菌的雙重作用下 ,使得蛋白質(zhì)分解而產(chǎn)生氨及胺類等堿性含氮物質(zhì)，該類物質(zhì)具有比較強(qiáng)的揮發(fā)性,經(jīng)過(guò)在堿性溶液中蒸發(fā)后, 采用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定的方法來(lái)計(jì)算其含量 .根據(jù)滴定用去的酸液量, 計(jì)算總TVB-N的最終含量。

1.3.1樣品的前期處理

首先將樣品除去多余的脂肪、骨及腱后絞碎，并攪拌均勻，然后準(zhǔn)確稱取(10.00±0.01 )g，處理后的豬肉樣品置于錐形瓶中，加入100 mL的蒸餾水，并按時(shí)振搖，浸泡30 min后過(guò)濾，將其置于冰箱冷藏室備用。

1.3.2蒸餾滴定

首先制作吸收液。將裝有10.0 mL 2%的硼酸溶液與5～6滴甲基紅- 乙醇指示劑(2 g/L)、次甲基藍(lán)指示劑(1 g/L)混合液按照1∶1的比例混合，現(xiàn)用現(xiàn)配。然后將吸收液置于冷凝管下端，插入錐形瓶?jī)?nèi)吸收液面下，然后吸取5.0 mL冰箱內(nèi)濾液置于蒸餾器反應(yīng)室內(nèi)，放入5 mL的10 g/L的氧化鎂混懸液，為防止漏氣需要迅速蓋上并加水，通入蒸汽進(jìn)行蒸餾。從冷凝管出現(xiàn)第一滴冷凝水的時(shí)候開始計(jì)時(shí)，5 min后停止蒸餾。實(shí)驗(yàn)用0.010 mol/L的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定吸收液，直到該溶液滴定為藍(lán)紫色。為了做對(duì)比，需要同時(shí)做試劑空白實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，對(duì)于每個(gè)樣品采取兩個(gè)平行樣進(jìn)行測(cè)定處理，用其算術(shù)平均值作為結(jié)果。

1.3.3數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)樣品中的TVB-N含量ω計(jì)算公式如式(4)。

(4)

式(4)中:ω為樣品中TVB-N的含量，mg/100g；V2為用樣液消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;V1為空白消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；C為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；m為試樣的質(zhì)量，g。

1.3.4統(tǒng)計(jì)分析

利用專業(yè)的統(tǒng)計(jì)分析軟件IBM SPSS Statistics 22對(duì)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和回歸分析[15]。實(shí)驗(yàn)探究得到豬肉變質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的H2S濃度與豬肉新鮮度重要理化指標(biāo)TVB-N含量的定性定量關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 豬肉樣品變質(zhì)過(guò)程中TVB-N含量變化規(guī)律

按照1.3的方法測(cè)定TVB-N的含量，每隔6 h測(cè)量并記錄一次，第一次取第二個(gè)培養(yǎng)箱中的P12，再隔6 h取P13以此類推，測(cè)定其TVB-N含量，其含量的變化如圖4。隨著保存時(shí)間的增加，TVB-N含量不斷增加。通過(guò)對(duì)各個(gè)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)的含量進(jìn)行方差分析，從表1可以看出，TVB-N在前11 h內(nèi)(p>0.06)變化穩(wěn)定，在11 h以后變化波動(dòng)大(p<0.06)。

圖4 TVB-N含量隨時(shí)間變化情況Fig.4 Changes of TVB-N contents at different times

2.2 豬肉樣品變質(zhì)過(guò)程中H2S濃度變化規(guī)律

按照1.2.3節(jié)中TDLAS測(cè)氣體濃度的方法進(jìn)行測(cè)定，每隔6 h記錄一次第一個(gè)培養(yǎng)箱的H2S濃度值。隨著保存時(shí)間的增加，揮發(fā)出的H2S濃度逐漸增大，通過(guò)對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)H2S濃度的方差分析,可知豬肉揮發(fā)H2S濃度在存儲(chǔ)過(guò)程中前11 h內(nèi)變化不明顯(p>0.05)，變化平穩(wěn)。在11 h以后H2S濃度變化明顯增大(p<0.05)。

2.3 H2S濃度值與TVB-N含量的回歸分析

將每個(gè)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)的揮發(fā)性H2S含量與TVB-N進(jìn)行回歸分析，以TVB-N含量y為因變量，H2S濃度x為自變量(如圖5)，得到擬合公式(5)。

y=30.644x-87.69。

(5)

圖5 H2S濃度與TVB-N含量關(guān)系Fig.5 Correlation chart between concentrations of hydrogen sulfide and TVB-N

由圖5可以看出豬肉變質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的H2S濃度值與TVB-N含量相關(guān)性極大(p<0.02)，與最初設(shè)想探測(cè)結(jié)果一致，所建回歸方程很有意義，H2S濃度值與TVB-N含量近似為一次線性關(guān)系，R2=0.976 8。由擬合方程可以看出，隨著豬肉變質(zhì)過(guò)程中揮發(fā)出H2S濃度增加，TVB-N的含量呈現(xiàn)線性增加。即通過(guò)TDLAS系統(tǒng)測(cè)量揮發(fā)出H2S的濃度就可以間接計(jì)算出豬肉新鮮度重要指標(biāo)TVB-N含量，克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的破壞性和流程復(fù)雜、檢測(cè)精度低的缺點(diǎn)。豬肉新鮮度與TVB-N的關(guān)系參見表2。

表2 豬肉新鮮度與TVB-N值間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)GB 2707—2005 鮮(凍)畜肉衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，新鮮豬肉的TVB-N質(zhì)量比應(yīng)不高于15 mg/100 g，帶入擬合公式(5)，可以求出此時(shí)的H2S體積分?jǐn)?shù)為3.4×10-6，此時(shí)為實(shí)驗(yàn)測(cè)試的第11小時(shí)。換言之，為了保證豬肉的新鮮以及健康食用，最好在購(gòu)買后11 h內(nèi)食用,這與陳麗麗等[16]得出的結(jié)論基本一致。

3 結(jié) 論

采用GB/T 5009.44—2003《肉與肉制品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)分析方法》中的半微量定氮法和TDLAS技術(shù)，分別對(duì)新鮮豬肉變質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的TVB-N含量和對(duì)應(yīng)時(shí)刻揮發(fā)出的H2S濃度進(jìn)行測(cè)量，采用統(tǒng)計(jì)分析方法得到新鮮豬肉變質(zhì)過(guò)程中TVB-N含量與H2S濃度的關(guān)系近似為一次線性關(guān)系(p<0.02)，數(shù)量關(guān)系為y=30.644x-87.69，相關(guān)系數(shù)為R2=0.976 8。認(rèn)為可以通過(guò)TDLAS技術(shù)檢測(cè)H2S濃度的方式，間接實(shí)現(xiàn)無(wú)損、快速、精準(zhǔn)測(cè)定TVB-N的含量。

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