一款自帶亞硝酸鹽含量分析儀的分格智能健康泡菜罐

黃熠燾

摘要：在泡菜制作過程中常出現，時間過短亞硝酸鹽超標，過長容易產生霉菌，過咸過淡影響味道，溫度過高影響口感等問題。筆者著力于研究一款智能健康泡菜罐，能夠自帶亞硝酸鹽含量分析儀，罐體安裝減壓電磁閥釋放罐體內產生的發酵氣體，安裝有二氧化碳充氣系統，從而使空氣從位于較高處的減壓閥排出，保證罐內的厭氧狀態，提高泡菜的保鮮度，罐體采用分格裝置，方便不同蔬菜進行分類腌制，有利于制作健康的、美味的、多樣化的泡菜美食。

關鍵詞：泡菜罐;控制變量;智能控溫;亞硝酸鹽分析

一、研究背景

酸菜魚、酸湯肥牛、水煮活魚……這些美食每一道都離不開可口美味的泡菜，每個地區的泡菜口味風格各不相同，但這些泡菜的制作過程中，時間過短亞硝酸鹽超標，過長容易產生霉菌，過咸過淡影響味道，溫度過高影響口感等問題。如何能健康地擁有這款美食，促使我決定研究一款智能健康泡菜罐。

二、項目創新點

（一）泡菜發酵罐自帶亞硝酸鹽含量分析儀

利用蠕動泵吸取0.5ml泡菜液，測定初始泡菜液的可見光吸收率，然后加入4滴亞硝酸分析液，震蕩均勻后再次測定其可見光吸收率，根據可見光吸收的變化，查表（單片機里保存校準后的光強度變化率和亞硝酸鹽濃度的對應表）得出泡菜液內亞硝酸鹽的含量。

（二）罐體安裝減壓電磁閥

減壓電磁閥每隔一定時間工作一次，用于釋放罐體內產生的發酵氣體，防止罐體內氣壓過大。

（三）罐體安裝有二氧化碳充氣系統

二氧化碳充氣系統包括鋼瓶，減壓閥，電磁閥，管路系統。鋼瓶上連接有減壓閥降低鋼瓶的輸出壓力，使管路壓力可以運行在安全狀態下，電磁閥控制二氧化碳的釋放。充氣系統通過管道連接到罐體。當開啟過泡菜壇后，電磁閥將會開啟，向罐內釋放二氧化碳，二氧化碳比空氣重，會下沉積累在底部，從而使空氣從位于較高處的減壓閥排出，保證罐內的厭氧狀態，提高泡菜的保鮮度。

（四）泡菜發酵罐的智能化控溫控時測鹽度設計

通過控制變量法物理實驗獲取最佳口感及咸度的泡菜方案，利用溫度傳感器，鹽度傳感器實現罐體智能化控溫、控時，測量鹽度，以便觀察控制泡制過程。

（五）罐體分格裝置

罐體被分成多個格子，每個格子都能共享泡菜水，但是分格設計方便不同蔬菜進行分類腌制。

三、研究過程

（一）泡菜腌制過程中的亞硝酸鹽含量變化研究

通過測量泡菜制作過程中亞硝酸鹽含量的變化，得到泡菜制作過程中影響亞硝酸鹽含量變化的因素及變化規律，從而為制作智能健康泡菜罐提供依據。

1.泡菜中亞硝酸鹽含量受不同食鹽濃度溶液的影響

通過濃度不同的食鹽溶液對泡菜過程亞硝酸鹽含量影響的實驗數據表明，泡菜過程亞硝酸鹽的含量變化及高峰出現的快慢與泡菜用水的食鹽濃度有關。從實驗中可以發現，食鹽濃度越低，亞硝酸鹽就越快產生，高峰期越快出現;相反，食鹽濃度越高，亞硝酸鹽就生成越慢，高峰期出現越遲。

2.泡菜制作過程中亞硝酸鹽含量與泡菜水酸度的關系

在此次實驗中，連續12天每天檢測泡菜水的酸度，通過繪制不同濃度食鹽水對泡菜水酸度的變化曲線圖可知，泡菜水的酸度越高，亞硝酸鹽的含量就越低。而此次實驗中，6%濃度的食鹽水制作的泡菜水的總酸隨著腌制時間的延長，酸度的增加速度會比10%濃度的要快。因為較大的酸度使得有害微生物無法生長，阻止硝酸還原降低亞硝酸鹽含量，同時酸度也會對亞硝酸鹽起到一定的分解作用。亞硝酸不穩定，容易進一步分解為NO。

3.泡菜中亞硝酸含量受環境溫度的影響

泡菜中亞硝酸含量受溫度影響的實驗數據表明，泡菜在30℃環境下發酵出現的亞硝酸高峰比較早，峰值最低，相反10℃環境下發酵出現的亞硝酸高峰比較遲，且峰值最大。因為乳酸菌比較喜歡溫暖的環境，當乳酸菌迅猛繁殖勢必提高泡菜水的酸度從而就減少了硝酸鹽的還原所以出現的亞硝峰高峰早且小。但是實驗也發現，30℃環境下發酵的泡菜口感較軟，而20℃環境下發酵的泡菜口感最好。

（二）降低亞硝酸鹽的智能健康泡菜罐的設計

綜上實驗，可以得出泡菜在20℃，鹽度6%，發酵時間為7天以上的泡菜最為健康，口感最佳。因此，本項目決定通過調節以上這三個物理量作為智能泡菜罐用來調控泡菜制作過程中亞硝酸鹽產生的條件。并且在泡菜罐上設計亞硝酸鹽含量分析儀。

1.一款低亞硝酸鹽生成的泡菜罐設計原理

這款泡菜罐采用Arduino Pro Micro單片機為主控，安裝有減壓閥，熱電偶，鹽度電極，顯示屏等硬件。

2.一款低亞硝酸鹽生成的泡菜罐硬件介紹

（1）減壓閥。減壓閥采用的是電磁閥，本項目中減壓閥用于釋放泡菜發酵初期需氧雜菌如酵母菌進行有氧呼吸產生的CO2等氣體，及每次開壇后充入的多余的CO2。

（2）顯示屏。顯示屏安裝在頂蓋上，用于指示發酵時間、當前的發酵參數及亞硝酸含量。

（3）制冷裝置。制冷片是一種貼片，一面用于吸熱，一面用于散熱，但自身并不會冷。在實驗過程中，發現在發酵猛烈時泡菜罐內的溫度上升會比較快，要保持20℃溫度可以采用單片機主控控制制冷片用于發酵罐降溫。

鋁散熱片設計放在泡菜壇體靠近單片機附近，用于將泡菜罐在發酵過程中產生的熱量散發到周圍空氣中去。制冷片，鋁散熱片與風扇組成該泡菜罐的制冷裝置。

（4）熱電偶。熱電偶是一種常用的測溫元件，它能將測量的溫度轉成電信號。利用熱電偶用于測量罐內溫度，反饋給單片機主控。

（5）鹽度計。鹽度計（Salinometer）是用于快速測定含鹽（氯化鈉）溶液重量百分比濃度或折射率的一種儀器。本項目用于測量泡菜液的鹽濃度，便于泡菜操作者控制鹽度大小。

（6）亞硝酸鹽含量分析儀。本項目的亞硝酸鹽含量分析儀采用了如下解決方案：

①單片機里保存通過實驗校準后得到的光強度變化率和亞硝酸鹽濃度的對應表，然后通過光傳感器檢測全光譜的光強度。

②利用蠕動泵吸取0.5ml泡菜液，通過光傳感器測定初始泡菜液的可見光吸收率;蠕動泵是通過對泵管進行交替擠壓和釋放來泵送流體的，軟管中的液體隨著擠壓在罐內形成負壓，液體隨之流動。使用LED作為光源，設計電流控制電路穩定LED發光強度。LED發出的紅外光透過測試管，被經過反應后的試樣部分吸收。然后通過濾光片去除各種環境干擾光，照射到光電接收管上換成電信號。

③然后再利用蠕動泵加入4滴亞硝酸分析液，震蕩均勻后再次測定其可見光吸收率，加了分析液以后的泡菜液有部分藍光被反應產物吸收，造成透過的可見光減少，所以此時傳感器測到光強度下降，通過檢測可見光吸收的變化，單片機查表得出泡菜液內亞硝酸鹽的含量。

（7）Arduino單片機。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。它能通過各種各樣的傳感器來感知環境，控制各類傳感器有序工作，本項目利用Arduino單片機來反饋、影響環境，并提供時鐘功能。

整個項目罐體和頂蓋采用全密封結構，防止空氣進入。泡菜初始及制作好夾取泡菜后每次封壇都需要往泡菜罐內添加氮氣，杜絕空氣進入產生霉變。

3.一款低亞硝酸鹽生成的泡菜罐的程序流程

在壇體內設置鹽度刻度配合鹽度計幫助控制壇體內泡菜液的鹽度，熱電偶將所測的溫度反饋給單片機，單片機作為主控控制半導體制冷片工作，亞硝酸鹽含量分析儀將測量到的亞硝酸含量反饋給單片機，單片機將測得的溫度，鹽度，發酵時間及亞硝酸鹽含量顯示在液晶顯示屏上。

四、研究結果

使用制作好的低亞硝酸鹽生成的泡菜罐進行實驗，初步實驗結果顯示利用自帶的亞硝酸鹽分析儀分析得到的亞硝酸鹽含量與人工測試誤差不大，并且實驗結果與人工測試的質量分數6%食鹽溶液在20℃環境下得到的發酵結果相似。并且由于采用減壓閥和隔絕空氣的方法，能有效控制霉菌延長泡菜的保質期。實驗結果初步證明這款低亞硝酸鹽生成的泡菜罐能實現預期功能。

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