基于電學特性的生鮮牛乳蛋白質含量檢測儀研究

郭文川 劉振華 朱新華

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100; 2.農業農村部農業物聯網重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

牛乳是最古老的天然飲品之一，其營養豐富且全面[1]。蛋白質是牛乳的主要營養成分，常被乳品企業和消費者作為評價牛乳品質的重要指標。因此，蛋白質含量不僅決定了牛乳的市場價格，也對消費者的購買欲產生影響[2]。國標規定的牛乳蛋白質含量檢測方法有凱氏定氮法、分光光度法和燃燒法[3]。雖然這幾種方法具有檢測精度高的優點，但操作復雜、費時費力，且無法用于現場檢測[4]。丹麥FOSS分析儀器公司開發的多功能乳品分析儀是目前大型乳品企業廣泛使用的牛乳成分檢測儀，該儀器精度高、檢測迅速，但是其價格非常昂貴，且體積龐大，僅適用于實驗室檢測。開發一款成本低廉、操作簡便、適于現場檢測的牛乳蛋白質含量檢測儀對指導牛乳銷售、加工以及消費具有重要意義。

在電學上，食品和農產品都屬于電介質，可等效于電阻與電容相串聯或相并聯的電路[5]。大量的研究表明，電介質的電特性受物質的成分以及測試信號頻率的影響。對于牛乳，其主要成分水[6]、蛋白質[7]、脂肪[8]、乳糖[9]、鹽[10]等均影響牛乳的介電特性。在對牛乳介電特性的研究方面，文獻[11]研究了蛋白質含量對10～4 500 MHz范圍內牛乳介電參數的影響，指出當頻率小于150 MHz時，相對介電常數隨蛋白質含量的增大而增大，而當頻率大于600 MHz時，又隨蛋白質含量的增大而減小。在整個測試頻率范圍內，介質損耗因數隨蛋白質含量的增大而增大。這些均是基于昂貴的矢量網絡分析儀開展的基礎研究，僅限于實驗室檢測，無法應用于現場檢測[12-13]。

為此，基于牛乳的蛋白質對其介電參數產生影響的原理，本文開發一種便攜式牛乳蛋白質含量檢測儀，并對檢測儀的性能進行測試，為牛乳的現場快速檢測提供方案。

1 檢測儀設計

1.1 檢測原理

當將一平行極板浸沒在牛乳中，且給極板施加一個交流信號時，該信號將選擇對其阻礙最小的通路進行傳導[14-16]。在電路分析中，常將電介質簡化為電阻R與電容C相串聯或相并聯的電路[17]。如圖1所示，若將其用串聯形式等效，則等效電路的阻抗ZS可以表示為

(1)

式中ω——角頻率

圖1 檢測原理示意圖Fig.1 Schematic of detection principle

牛乳樣品中成分的變化會引起ZS的變化。若將ZS作為惠斯登電橋的一個臂，而其他3個臂的電阻相等，如阻值為50 Ω。則當ZS≠50 Ω時，電橋不平衡。由于牛乳中的蛋白質含量會影響其等效阻抗ZS的變化，因此，當給該電橋輸入一個交變信號ui，則會產生一個輸出信號uo(圖1)，該信號的幅值和相位會隨著牛乳中蛋白質含量的變化而變化。定義比值Γ為

(2)

式中Ui——電橋輸入信號ui的幅值，V

Uo——電橋輸出信號uo的幅值，V

Φ——uo與ui的相位差，(°)

而Γ與牛乳等效電路的阻抗ZS存在關系

(3)

式中Z0為50 Ω的特性阻抗。由式(2)、(3)可知，牛乳的等效阻抗ZS決定了Uo及Φ，反之，可根據Ui、Uo和Φ計算ZS。由于Ui、Uo和Φ與牛乳的蛋白質含量及頻率有關，因此，基于此設計一個掃描頻率在1～100 MHz范圍內的牛乳蛋白質含量檢測儀。

圖2 檢測儀硬件結構框圖Fig.2 Structure diagram of detector’s hardware

1.2 硬件設計

圖2是基于電學特性開發的牛乳蛋白質含量檢測儀硬件結構圖。該檢測儀主要由單片機、掃頻信號源模塊、檢測模塊、信號處理模塊和輸入輸出模塊組成。單片機用于控制掃頻信號源模塊，并負責數據的采集和上傳；掃頻信號源用于產生一個頻率為1～100 MHz的正弦波作為系統的激勵信號；檢測模塊包含電橋以及與之相連接的平行極板，該模塊用于將輸入信號和受牛乳影響而產生的輸出信號分離開；信號處理模塊用于提取電橋的輸入和輸出信號的幅值及其相位差，并將這些信息轉換為直流電壓輸送至單片機的采集端口。輸入輸出模塊用于人機交互。

1.2.1單片機

本設計采用ARM Cortex-M3內核的32位的STM32F103C8T6單片機作為核心控制器。該單片機有20 KB的SRAM和64 KB的Flash，2個12位的同步ADC和3個UART[18]。時鐘采用8 MHz的石英晶振，串口通信電路采用RS232-USB接口轉換器PL2303實現單片機與計算機的數據通信，復位電路包括上電復位和按鍵復位兩種。

1.2.2掃頻信號源模塊

掃頻信號源模塊由數字頻率合成器(Direct digital frequency synthesis，DDS)和低通濾波器組成。數字頻率合成器采用ADI公司的DDS芯片AD9959，它具有頻率分辨率高、范圍寬、頻率轉換快等優點[19-20]。結合單片機的控制，可以實現高穩定度的信號輸出。AD9959芯片具有4個同步的DDS通道，在特定寄存器內寫入控制字可以設置每個通道輸出信號的頻率、相位和幅度，本設計只使用了一個通道(CH0-IOUT)。AD9959輸出頻率的上限取決于系統時鐘頻率，本設計的系統時鐘采用25 MHz的石英晶振，設置參考時鐘倍頻為15倍，可以穩定輸出1～100 MHz的正弦波。DDS芯片在時鐘信號的驅動下通過輸出離散的模擬電壓來逼近正弦曲線。由于其內部模數轉換器的精度有限，而且輸出每一個電壓時都存在著建立時間，導致在輸出一個特定頻率信號時會攜帶高次諧波。為了抑制高次諧波，在信號的輸出端增加了一個截止頻率為100 MHz的巴特沃斯低通濾波器，使得通頻帶內的頻率響應曲線比較平坦，從而可有效地濾除高次諧波。圖3是設計的掃頻信號源電路。

圖3 掃頻信號源電路圖Fig.3 Scanning signal source circuit diagram

1.2.3檢測模塊

檢測模塊由電橋以及一對平行極板組成。平行極板在使用時浸沒在被測的牛乳樣本中。平行極板由兩塊面積為25 mm2、間距為6 mm的鉑片組成，鉑片電極可以降低電流密度以及施加電場對牛乳的極化。測量時將平行極板浸沒在牛乳中。本設計采用的電橋型號為AYT-3，適用的頻率范圍為1～500 MHz，特性阻抗為50 Ω，方向性指數36 dB以上，最大輸入功率0.2 W。該電橋有3個端口，其中一個端口連接ui，即掃頻信號源的輸入信號，另一個端口連接uo，第3個端口的兩端分別連接平行極板的一個電極。

1.2.4信號處理模塊

信號處理模塊由兩路幅值檢測電路和一路相位差檢測電路組成。幅值檢測電路采用對數檢波芯片AD8318，該芯片能夠在1 MHz～8 GHz內實現脈沖包絡檢波[21]。圖4a為Ui的測量電路，其輸出電壓VMAG1與Ui近似呈對數關系，因此采集電壓VMAG1便可得到Ui的信息。Uo的測量電路與圖4a相同，對應的輸出電壓為VMAG2。相位差Φ的檢測采用AD8302芯片，該芯片能夠檢測頻率在1 MHz～2.7 GHz范圍內任意兩個信號之間的相位差[22-23]。如圖4b所示，將ui和uo作為相位檢測的輸入信號，則二者的相位差與輸出電壓的關系為

VPHS=-VΦ(Φui-Φuo)+VCP

(4)

式中VPHS——相位檢測電路的輸出電壓，mV

Φui——ui的相位，(°)

Φuo——uo的相位，(°)

VФ——斜率，取10 mV/(°)

VCP——芯片內部的偏置電壓，取900 mV

根據輸出電壓VPHS可計算出相位差Φ。由于幅值檢測電路和相位差檢測電路輸出的電壓信號為模擬電壓，因此將所得的3路模擬信號VMAG1、VMAG2和VPHS輸入給單片機的PA0、PA1和PA2口，進行模擬量到數字量的轉換。

圖4 幅值和相位差檢測電路圖Fig.4 Amplitude and phase difference detection circuits

1.2.5輸入輸出模塊

輸入輸出模塊由3個按鍵和1個顯示器組成。其中3個按鍵分別實現“復位”、“數據發送”和“檢測”的功能。“發送”按鍵用于儀器開發階段采集數據，在按下按鍵之后，會進行掃頻并將采集到的數據通過串口發送至計算機。“檢測”按鍵的功能是進行掃頻并獲取電橋的輸入輸出信號參數，調用預測模型，計算蛋白質含量。

顯示器采用有機發光二極管(OLED)顯示屏，其分辨率為128像素×64像素，供電電壓為3.3 V。

1.2.6整體結構設計

檢測儀外殼采用3D打印機制作，其材料為聚乳酸，尺寸為170 mm×120 mm×120 mm。由一對平行極板構成的檢測探頭安裝于儀器外殼的側壁上，外殼上設置有電源連接口和數據連接口，方便數據線插拔和供電。圖5為該檢測儀的樣機實物圖。

圖5 牛乳蛋白質含量檢測儀樣機Fig.5 Prototype of protein content detector for milk1.顯示屏 2.按鍵 3.檢測探頭 4.牛乳樣本

1.3 軟件設計

以MDK 5.0為開發環境，用C語言開發檢測儀的軟件。該軟件主要由主函數、初始化子函數、鍵盤掃描子函數、掃頻子函數、數據采集子函數、串口發送子函數、檢測模型子函數和顯示子函數組成。初始化子函數用于設置各模塊所使用到的GPIO口的模式以及各寄存器的配置；鍵盤掃描子函數用于檢測是否有獨立按鍵按下，以便執行相應的功能；掃頻子函數用于控制掃頻信號源輸出一個特定頻率的正弦波作為整個系統的激勵信號；數據采集子函數主要是通過模數轉換來采集模擬電壓值；串口發送子函數用于將數據發送至上位機數據采集軟件；檢測模型子函數實現對電橋信號的計算，得到蛋白質含量的預測值；顯示子函數可以將預測結果顯示在OLED顯示屏上。軟件流程如圖6所示。

圖6 牛乳蛋白質含量檢測儀程序流程圖Fig.6 Program flow chart of developed software for protein content detector

2 試驗材料與方法

2.1 材料

試驗所用的生鮮牛乳樣本來源于陜西省楊凌區的某兩個乳牛場。每天采集4～6個樣本，采集之后在30 min內運回實驗室。共采集來源于不同乳牛的牛乳樣本100個。試驗期間將樣本置于室溫((24±1)℃)下保存，且試驗在10 h內完成，樣品無變質現象發生。測量前，將牛乳樣本放在搖勻儀上振蕩3 min，以保證成分分布均勻。

2.2 試驗方法

2.2.1牛乳蛋白質含量的測量

在室溫下用MilkoScanTM FT1型乳品分析儀(丹麥FOSS公司)測定牛乳樣本的蛋白質含量。試驗前，先將乳品分析儀預熱20～30 min，然后對儀器進行校準。校準通過后，對牛乳樣品進行測量，每個樣本每次測量用樣約40 g。每個樣本重復3次，3次測量的平均值作為該樣本蛋白質含量(質量比)的測量結果。所有樣本蛋白質含量的變化范圍為2.94～4.71 g/(100 g)，標準偏差為0.41 g/(100 g)，說明所采集的樣本有較大的蛋白質含量變化范圍，樣本有代表性。

2.2.2檢測儀輸出信號的采集

打開牛乳蛋白質含量檢測儀的開關，先預熱2 min。數據采集時，將平行極板浸沒于牛乳中,然后點擊“數據發送”按鍵，檢測儀將采集1～100 MHz間間隔頻率為0.5 MHz的199個采樣點下的電壓信號VMAG1、VMAG2和VPHS，并發送至上位機(計算機)。因此，對于每個樣品，所采集的數據有597個。圖7為采集的牛乳樣品的VMAG1、VMAG2和VPHS的變化曲率。由圖7可以看出，在1～100 MHz內，VMAG1和VPHS基本穩定，而VMAG2隨頻率的增大而增大，這是由于在1～100 MHz內DDS輸出信號的幅值基本不變，而牛乳的交流阻抗隨著頻率的增加而減小。圖8是所采集的100個牛乳樣本的VMAG2。由圖8可以看出，對于所有樣本，該電壓的變化規律相同，但大小有所差異，該種現象也發現于其他兩個被檢測的信號中。輸出電壓的差異在于牛乳樣本間成分的差異，因此，可以基于輸出信號電壓的差異預測牛乳的蛋白質含量。

圖7 牛乳樣本在1～100 MHz范圍采集信號的電壓Fig.7 Voltage values of collected signals of milk sample in range of 1～100 MHz

圖8 1～100 MHz間100個牛乳樣本VMAG2的變化曲線Fig.8 Collected VMAG2 of 100 milk samples over range of 1～100 MHz

2.3 預測模型建立

為了減小儀器本身存在的隨機噪聲對輸出信號的影響，對所得的電壓信號進行窗口寬度為5的平滑預處理[24]。以平滑處理后的信號作為輸入(即輸入值有597個)，以乳品分析儀測量得到的蛋白質含量作為輸出，采用偏最小二乘法(Partial least squares, PLS)建立預測蛋白質含量的模型。PLS集成了多元線性回歸、主成分分析和相關性分析的優點，在定量研究中得到了廣泛的應用[25]。所構建的PLS模型為

P=KXT+b(R2=0.835)

(5)

其中K=[k1k2…k597]

X=[x1x2…x597]

式中P——蛋白質含量，g/(100g)

K——預測模型的系數

X——199個頻率點下VMAG1、VMAG2和VPHS

b——常數

基于所建立的預測模型修改軟件，使該檢測儀能夠直接輸出基于電橋輸入輸出信號參數，得到牛乳蛋白質含量。

3 儀器性能測試

圖9 乳品分析儀與自制儀器測量值的比較Fig.9 Comparison of measured values between MilkoScanTM FT1 and self-made detector

為了對牛乳蛋白質含量檢測儀的性能進行驗證，另取20份生鮮牛乳樣本分別用MilkoScanTM FT1型乳品分析儀和本儀器測量其蛋白質含量，測量結果如圖9所示。圖9表明，測量結果較為緊密地分布在45°線的附近，20份牛乳蛋白質含量在3.04～4.11 g/(100 g)之間，本儀器絕對誤差范圍為-0.11～0.12 g/(100 g)，平均絕對誤差為0.01 g/(100 g)。可見本儀器對于牛乳中蛋白質含量的檢測具有較好的檢測精度。此外，對儀器的響應時間進行了測試，結果顯示，從按下“測量”按鍵到給出測量結果所用的時間小于2 min。與楊彪等[26]基于考馬斯亮藍染色法而開發的牛乳蛋白質含量檢測儀相比，本檢測儀無需對樣本進行任何前期處理，使用更方便。

4 結論

(1)設計了由單片機、掃頻信號源模塊、檢測模塊、信號處理模塊和輸入輸出模塊組成的牛乳蛋白質含量檢測儀硬件系統，并開發了儀器的軟件。

(2)基于1～100 MHz范圍內199點下獲得電壓信號，建立了預測生鮮牛乳蛋白質含量的偏最小二乘模型，該模型的決定系數為0.835。

(3)對所開發儀器的性能進行了測試，結果表明，本儀器蛋白質含量絕對測量誤差范圍為-0.11～0.12 g/(100 g)，平均絕對測量誤差為0.01 g/(100 g)，檢測時間小于2 min，可以實現生鮮牛乳中蛋白質含量快速和較精確的檢測。