基于生物阻抗豬肉水分含量測試系統的設計

于亞萍等

摘要：根據生物阻抗檢測原理，設計了一種針狀多電極豬肉水分測試系統，采用自制四鋼針電極，以220 kHz的正弦波交流恒流源為激勵信號，研究了不同水分含量豬肉的生物阻抗特性。結果表明，豬肉生物阻抗隨著其含水量的增加而減小。

關鍵詞：豬肉水分；生物阻抗；針狀電極

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A 文章編號：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、貯藏與食用的一項重要質量指標。肉類的水分不僅是其細胞的必要組成部分，還是維持肉類本身保持色、鮮、味及食用品質所必需的基本條件。肉類中水分含量過高，細菌、霉菌繁殖就會加劇。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，用注水肉充當正常鮮肉在市場上出售。經過注水的肉，不僅風味盡失，而且易滋生病菌。國家執行的畜禽肉水分限量標準：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別，消費者在購買時，很難從感官上做出判斷，因此，開發肉類水分快速檢測系統是非常必要的。利用生物阻抗特性進行食品檢測是近年來的研究熱點之一[1-3]，Damez等[4，5]應用阻抗譜分析方法來測評肉品成熟期的不同階段品質，結果表明與傳統方法檢測的結果具有很強的相關性；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檢測中，重點檢測PSE肉（灰白滲水肉），分析肉品的柔韌性，進行肉品的篩選分類等。

1 測試原理

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

2 測試系統設計

該系統以正弦波交流恒流源為激勵信號，通過電極采集豬肉兩端和無感參考電阻兩端的電壓信號，并經過放大電路傳輸到幅相檢測芯片AD8302中去，然后得出肉樣品兩端電壓信號與參比電阻之間的幅值比和相位比，從而測定樣品的阻抗值與水分含量之間的關系，系統設計圖如圖1所示。

2.1 恒流源

恒流源電路結構圖如圖2所示。正弦信號發生器產生頻率、幅值一定的正弦電壓信號，濾波電路主要濾除主頻以外的信號成分，電壓跟隨電路用于增強電壓信號的驅動能力，電壓電流轉換電路將電壓信號轉換為同頻電流信號。本設計采用FPGA及DDS技術產生正弦波信號，用LTC1560-1構成低通濾波電路，同時，采用Howland電流泵將電壓信號轉換成恒流源信號[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，中間一根電極作為信號源輸入端，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 信號調理電路

由于要將樣品檢測信號進行幅相分離，需要將樣品與100 Ω參比電阻串聯。將肉品兩端測得的信號放大2倍，參比電阻上的電壓也放大2倍傳入幅相檢測電路。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。參比電阻兩端的電壓值放大兩倍后為VinB。

2.4 幅相檢測電路

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

3 測試實際應用

將32個豬肉樣品用測試系統進行了檢測，測定10次求平均值，將測得樣品的幅值比，并與傳統烘干法進行對比分析比對，用保鮮膜覆蓋肉品避免水分蒸發對此試驗的影響，測試結果如圖6所示。由于肉品結構的復雜性，幅值比隨著樣品水分含量的增加總體呈減小的趨勢，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，可以間接地通過測量豬肉的生物阻抗確定其含水量，若需定量檢測，還需大量的數據試驗進行建模。

參考文獻：endprint

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（責任編輯 屠 晶）endprint

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