基于電阻抗譜的肉品類別快速鑒別方法研究

馮江濤　張峰　李帆　張揚(yáng)　劉連杰

摘要：隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，不同種類的肉品價(jià)格差別越來越大，不良商販用低價(jià)肉冒充高價(jià)肉進(jìn)行銷售就可以獲得更高的利潤(rùn)。通常一般從肌肉、脂肪、氣味、骨骼和脂肪熔點(diǎn)等方面入手進(jìn)行鑒別。這類鑒別方法雖然簡(jiǎn)單可行，但是對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴性很強(qiáng)，實(shí)踐當(dāng)中也容易發(fā)生誤判的情況。本文擬通過電阻抗譜方法進(jìn)行肉品類別快速檢測(cè)，初步完成了四種肉品的阻抗譜檢測(cè)。對(duì)獲得的阻抗譜進(jìn)行了定量的方差分析，用統(tǒng)計(jì)方法確定了相位參數(shù)可以用于肉品類別的快速鑒別。

關(guān)鍵詞：電阻抗譜；肉品；種類鑒別；快速

中圖分類號(hào)：TS251 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）08-0243-03

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，不同種類的肉品價(jià)格差別越來越大，不良商販用低價(jià)肉冒充高價(jià)肉進(jìn)行銷售就可以獲得更高的利潤(rùn)。常見有用馬肉冒充牛肉、駝肉冒充牛肉等，以賺取差價(jià)。另外，在一些喜好吃狗肉的地區(qū)，因狗肉價(jià)格較高，有用羊肉冒充狗肉的情況；反之，在沒有吃狗肉喜好的地區(qū)，又出現(xiàn)了用狗肉冒充羊肉的情況。通常，畜牧站的專業(yè)人士可能會(huì)從肌肉、脂肪、氣味、骨骼和脂肪熔點(diǎn)等方面人手進(jìn)行肉品種類的鑒別。但對(duì)于普通消費(fèi)者來講，要掌握這些鑒別方法還存在一定的困難。單純地依靠經(jīng)驗(yàn)鑒別，雖然簡(jiǎn)單易行，但也容易發(fā)生誤判。

理論上講，不同種類的肉品具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，例如纖維粗細(xì)程度不同、組織致密程度不同等等，因此當(dāng)電流流過這些組織時(shí)也應(yīng)該具有不同的電阻抗特性。因此，我們擬采用電阻抗測(cè)量的方法進(jìn)行不同種類肉品的科學(xué)鑒別。

1電阻抗譜測(cè)量方案及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

肉品電阻抗譜測(cè)量采用圖1所示的方案，采用美國(guó)AD公司的AD5933芯片完成阻抗測(cè)量，采用LABVIEW開發(fā)上位機(jī)軟件，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)串口通信、接收阻抗數(shù)據(jù)并繪制阻抗譜及保存數(shù)據(jù)文件。AD5933是一款高精度的阻抗測(cè)量專用芯片，片上集成DDS信號(hào)發(fā)生器、A/D轉(zhuǎn)換和離散傅里葉變換模塊。DDS信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦電壓信號(hào)由探頭的中心圓形激勵(lì)電極輸出給待測(cè)肉品，電流響應(yīng)信號(hào)由探頭激勵(lì)電極外圍的環(huán)形電極返回給A/D模塊進(jìn)行采樣，然后由片DSP進(jìn)行離散傅立葉變換處理，DFT算法會(huì)在每個(gè)頻點(diǎn)上返回一個(gè)實(shí)部和一個(gè)虛部值，即可獲得阻抗數(shù)據(jù)。阻抗數(shù)據(jù)由單片通過串口返回給PC機(jī)上的LABVIEW上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件最終完成阻抗譜的繪制。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總共對(duì)豬里脊、豬五花、牛里脊和牛腩四種肉進(jìn)行阻抗譜測(cè)量。每種肉測(cè)量6個(gè)樣本，每個(gè)樣本加工成正方體，邊長(zhǎng)約為3厘米。肉一般都存在纖維走向問題，電流路徑與纖維走向平行時(shí)阻抗低，垂直時(shí)阻抗高。為了保證在實(shí)際應(yīng)用中的可操作性，在每個(gè)樣本的6個(gè)平面中各選擇對(duì)向的一個(gè)平面進(jìn)行測(cè)量。最終，每種肉每次測(cè)量獲得72條阻抗譜，分別是18條阻抗幅值譜、實(shí)部譜、虛部譜和相位譜。2017/11/9-2017/11/11進(jìn)行測(cè)量，在不同時(shí)間總共測(cè)量10次，環(huán)境溫度約20℃，總共測(cè)得四種肉2880條阻抗譜。阻抗譜以3KHz為起點(diǎn)，60KHz為終點(diǎn)，間隔3KHz，總計(jì)20個(gè)頻點(diǎn)。

圖2是牛里脊肉的阻抗譜，共分為4組譜線，每組中的每一條譜線為牛里脊的18條阻抗幅值譜、實(shí)部譜、虛部譜和相位譜的平均曲線。牛里脊肉的阻抗譜線特點(diǎn)是，整體比較平滑。

2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

為了找出可以鑒別肉品種類的最靈敏的阻抗參數(shù)，我們引入單因素方差分析法ANOVA分析四種阻抗參數(shù)用于區(qū)分四種肉品是否具有統(tǒng)計(jì)上的顯著意義。對(duì)每一個(gè)頻點(diǎn)、每一種類肉，一次測(cè)量可獲得18個(gè)數(shù)據(jù)，這18個(gè)數(shù)據(jù)為組內(nèi)數(shù)據(jù)。組內(nèi)數(shù)據(jù)之間的差異反映了測(cè)量中的誤差，這個(gè)誤差既包括測(cè)量電路的誤差，也包括不同樣品之間的差異。四種肉品測(cè)量數(shù)據(jù)之間也同樣存在差異，這個(gè)差異主要體現(xiàn)了肉品自身結(jié)構(gòu)不同而帶來的阻抗特性的差異，這個(gè)差異稱為組間差異。同時(shí)，肉種類鑒別時(shí)，為了消除不同種類的肉放置的時(shí)間不同所帶來的差異或變化，我們還對(duì)10個(gè)時(shí)間點(diǎn)所獲得的四種肉的阻抗參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。為了選擇出最佳的鑒別參數(shù)，我們進(jìn)行了4個(gè)參數(shù)、20個(gè)頻點(diǎn)、10次測(cè)量總計(jì)800組ANOVA分析。以其中一組方差分析為例，表1為獲得四種肉的新鮮樣本之后第一時(shí)間（第一次測(cè)量）測(cè)量四種肉在3K Hz頻點(diǎn)的72個(gè)幅值數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分4組、每組測(cè)量18個(gè)，統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著意義取P=0.01進(jìn)行分析。表2為統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，F(xiàn)_0.01（3，68）=4.13，可見使用3KHz下的阻抗幅值用于區(qū)分新鮮的四種肉品是具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著意義的。

圖3-圖6分別是阻抗幅值、實(shí)部、虛部和相位用于肉品種類鑒別的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。對(duì)于沒有明顯變質(zhì)的肉品，例如常溫下放置10個(gè)小時(shí)以內(nèi)的肉品，鑒別參數(shù)應(yīng)該對(duì)于四種肉具有明顯的統(tǒng)計(jì)意義上的差別，即高出圖中的虛線。由圖3可以看出，幅值的靈敏度不高，統(tǒng)計(jì)F值最大不超過10，并且對(duì)于常溫下放置5個(gè)小時(shí)以上的肉品，幅值已經(jīng)很難用于種類鑒別。由圖4可見，電阻的靈敏度雖然高于幅值，但是對(duì)于放置在5個(gè)小時(shí)以上的肉品，鑒別能力依然達(dá)不到統(tǒng)計(jì)上的顯著意義。由圖5可見，在47K Hz以上測(cè)量獲得的電抗參數(shù)具有種類鑒別能力，但對(duì)于放置時(shí)間為9.5小時(shí)的肉缺乏種類鑒別能力。由圖6可見，在3K Hz測(cè)量獲得的相位參數(shù)對(duì)于常溫放置10個(gè)小時(shí)以內(nèi)的肉品具有良好的種類鑒別能力。

3分析及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，肉品越是新鮮，不同種類肉之間的阻抗譜差異越大。相反，隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)，肉品新鮮度退化，不同種類肉之間的阻抗譜差異越來越小。但是肉品進(jìn)人明顯腐敗以后，不同種類肉之間的阻抗譜差異又變得明顯起來。例如圖4和圖6中，肉品放置34小時(shí)，不同種類的肉的阻抗參數(shù)在各個(gè)頻點(diǎn)都具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上極為顯著的差別。這種現(xiàn)象在相關(guān)的研究中也出現(xiàn)過，其認(rèn)為肉品達(dá)到腐敗后，細(xì)胞完全破碎，內(nèi)部細(xì)胞液完全滲漏到整個(gè)肉組織中，導(dǎo)致阻抗不穩(wěn)定。不過從實(shí)踐的角度來講，這一現(xiàn)象并不會(huì)妨礙相位參數(shù)用于肉品種類鑒別。因?yàn)椋?dāng)肉品發(fā)生明顯腐敗時(shí)，一般也無需進(jìn)行種類鑒別。因此，對(duì)于相對(duì)新鮮的不同種類的肉品，3KHz頻點(diǎn)下的相位參數(shù)是具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上極為顯著的差別的。下一步，我們將對(duì)不同種類的肉品，使用相位參數(shù)進(jìn)行分類判決，以進(jìn)一步驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。