基于復(fù)阻抗特性和電子鼻的淡水魚新鮮度快速檢測方法的研究.pdf

1、新鮮度是魚類或魚類制品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，對產(chǎn)品最終質(zhì)量十分重要。魚類是一種不耐保藏的食品，極易發(fā)生腐敗變質(zhì)，食用不當(dāng)易發(fā)生食物中毒，因此在衛(wèi)生和食品安全檢驗中，魚肉新鮮度的快速、準(zhǔn)確檢測，將對魚類的保鮮、儲藏和深加工有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。 論文以生物阻抗技術(shù)和電子鼻嗅覺技術(shù)來研究淡水魚新鮮度的快速檢測方法。采用生物阻抗技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，以四電極測量方法和掃頻激勵方式，構(gòu)建了淡水魚魚體復(fù)阻抗測量系統(tǒng)，以鯽魚和鰱魚為研究

2、對象，研究了魚體復(fù)阻抗譜的測量方法和技術(shù)，研究了儲藏過程中魚體復(fù)阻抗特性(阻抗和相位)的變化規(guī)律，確定了最優(yōu)的測量參數(shù)和條件，建立了基于復(fù)阻抗特性的魚體新鮮度評價指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上用BP-ANN(后向反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))建立了淡水魚新鮮度的預(yù)測模型。以仿生嗅覺技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了淡水魚電子鼻測量系統(tǒng)，測量了不同新鮮度的鰱魚魚肉，采用PCA(主成分分析)優(yōu)化了電子鼻試驗參數(shù)，確定了電子鼻的最優(yōu)測量條件，采用PCR(主成分回歸)、PLS(偏最

3、小二乘法)和ANN(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))等方法進(jìn)行了建模分析，確定了最優(yōu)的模型識別方法，并優(yōu)化了電子鼻傳感器陣列。 主要研究結(jié)果如下： 1.采用生物阻抗技術(shù)在100Hz～100kHz內(nèi)測量了儲藏過程中鯽魚和鰱魚的復(fù)阻抗譜，試驗結(jié)果表明，不同儲藏時間的復(fù)阻抗譜呈現(xiàn)cole圓弧特性并區(qū)分明顯，為采用魚體復(fù)阻抗特性評價淡水魚新鮮度提供了理論依據(jù)。 2.首次提出和建立了淡水魚魚體復(fù)阻抗特性的測量方法和測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)包括自行

4、研制的四電極探頭、壓控恒流源電路、信號調(diào)理濾波電路等硬件部分和基于虛擬儀器的信號發(fā)生器、信號采集模塊、信號處理和文件保存模塊等軟件部分。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)智能化程度高，能自動實現(xiàn)掃頻測量和結(jié)果分析，并具有較高的測量精度，在100Hz～100kHz范圍內(nèi)阻抗幅值的最大誤差為0.58％，頻率在50kHz～100kHz相位最大誤差為0.31°，而在頻率小于50kHz的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的相位的最大誤差僅為0.07°；在100Hz～100kHz范圍

5、內(nèi)，每倍頻掃描10點，測量系統(tǒng)可在30～50s內(nèi)獲得被測魚體組織阻抗幅值、相位隨激勵頻率的變化而發(fā)生的變化，為進(jìn)一步研究其它生物組織復(fù)阻抗特性奠定了良好的理論基礎(chǔ)和提供了必備的技術(shù)支撐。 3.針對生物阻抗測量中恒流源性能直接關(guān)系到測量精度，構(gòu)建了基于AD844和AD620兩種方案的壓控恒流源，試驗研究了兩種方案的VCCS恒流源內(nèi)阻和頻率特性。試驗結(jié)果表明，AD844構(gòu)成的恒流源性能更好，其輸出內(nèi)阻為1155kΩ。大于AD620構(gòu)

6、成的VCCS輸出阻抗500kΩ，確定了基于AD844構(gòu)建的壓控電流源性能最優(yōu)，在此基礎(chǔ)上增加了直流反饋電路，以保證電流源的穩(wěn)定性。針對生物組織復(fù)阻抗特性相位角難以準(zhǔn)確提取的特點，設(shè)計了5種相位差算法，通過對含有白噪聲的信號進(jìn)行試驗分析，試驗結(jié)果表明，數(shù)字解調(diào)法(加標(biāo)準(zhǔn)正余弦方法)的精度最高，相位最大誤差小于0.03°。 4.以鯽魚和鰱魚為研究對象，首次采用生物阻抗技術(shù)系統(tǒng)地研究了魚體儲藏過程中激勵電流、測量電極、激勵頻率、測量方

7、向和測量部位對魚體復(fù)阻抗特性的影響，確定了淡水魚魚體復(fù)阻抗特性的最優(yōu)測量條件是激勵電流為0.3mA，測量電極為混合式電極，激勵頻率范圍為1kHz～5kHz，測量部位為沿鰓部平行側(cè)線方向。試驗結(jié)果表明，不同部位的魚體阻抗幅值大小不同，其大小順序是尾部、腹部以及鰓部，其差異隨儲藏時間的增加而逐漸減??；在同一儲藏時間下，魚體阻抗幅值隨激勵頻率的增加而減小，相位隨激勵頻率的增加而增加，符合生物組織的頻散特性；沿側(cè)線平行方向測量的魚體阻抗幅值比沿

8、側(cè)線方垂直向測量的結(jié)果要大，符合生物組織各向異性的特點，各向異性隨儲藏時間和激勵頻率的增加而逐漸減小，但不影響采用復(fù)阻抗特性評價淡水魚新鮮度的指標(biāo)，當(dāng)沿側(cè)線平行方向測量阻抗幅值與沿側(cè)線垂直方向測量阻抗幅值的比值小于1.05時，均可認(rèn)為鯽魚或鰱魚已經(jīng)腐敗。 5.以TVB-N(揮發(fā)性鹽基氮)作為新鮮度評價對照指標(biāo)，在1kHz激勵頻率下確定了鯽魚和鰱魚新鮮度的復(fù)阻抗特性判定指標(biāo)，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了最優(yōu)預(yù)測模型。當(dāng)鯽魚魚體阻抗幅值

9、達(dá)到129.79Ω或相位達(dá)到5.43°，鰱魚魚體阻抗幅值達(dá)到91.26Ω或相位達(dá)到1.48°，均可判定鯽魚或鰱魚腐敗。以阻抗幅值和相位為輸入，TVB-N為輸出，確定鯽魚最優(yōu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為2-11-1型，預(yù)測TVB-N與實測TVB-N的相關(guān)系數(shù)為0.95621，模型檢驗的準(zhǔn)確率為94.44％：確定鰱魚最優(yōu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為2-10-1型，預(yù)測TVB-N與實測TVB-N的相關(guān)系數(shù)為0.99282，模型檢驗的準(zhǔn)確率為97.44％。 6.首

10、次提出和構(gòu)建了基于仿生嗅覺技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的淡水魚電子鼻測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)包括電子鼻容器、4氣體傳感器陣列(TGS822乙醇類及有機(jī)溶劑氣體型、TGS825硫化氫型、TGS826氨氣及氨類型和TGS832鹵烴型氣體傳感器)、調(diào)理電路等硬件部分與基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集、信號分析和文件保存模塊等軟件部分。試驗結(jié)果表明，電子鼻的響應(yīng)隨魚肉新鮮度的變化而變化。采樣方法將傳統(tǒng)的靜態(tài)頂空生成法改進(jìn)成了自由擴(kuò)散的頂空方法，簡化了取樣設(shè)備，為進(jìn)一步研

11、究便攜式淡水魚電子鼻測量系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)和提供了技術(shù)支撐。 7.以鰱魚為研究對象，采用PCA(主成分)分析方法，確定了頂空時間為5min、樣品重量為60g為電子鼻評價鰱魚新鮮度的最優(yōu)測量條件。 8.通過試驗研究，確定了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為電子鼻模型識別的最優(yōu)建模方法，確定了TGS822，TGS826和TGS832為最優(yōu)淡水魚電子鼻傳感器陣列組合。采用PCR(主成分回歸)、PLS(偏最小二乘法)和BP-ANN(后向反饋人工神經(jīng)

12、網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行建模分析，各模型預(yù)測結(jié)果與實測TVB-N的最優(yōu)相關(guān)系數(shù)為分別為0.89778，0.92250和0.97613，試驗結(jié)果表明，采用BP-ANN建模精度最高，其最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為4-11-1型；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用ANN建模方法對傳感器陣列進(jìn)行優(yōu)化，試驗結(jié)果表明采用3傳感器(TGS822，TGS826和TGS832)和原有4傳感器測量結(jié)果的BP-ANN建模預(yù)測結(jié)果與實測TVB-N的相關(guān)系數(shù)均為0.976。 9.最優(yōu)3氣體傳感器

13、陣列所建立的淡水魚新鮮度等級預(yù)測模型中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)為3-11-2時，模型對新鮮、次新鮮、半腐敗以及腐敗的預(yù)測準(zhǔn)確率為97.32％，當(dāng)采用復(fù)阻抗特性對電子鼻誤判結(jié)果進(jìn)行輔助判斷，可將電子鼻的準(zhǔn)確率提高到100％。 論文創(chuàng)新之處在于： 1.論文提出采用醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物阻抗技術(shù)進(jìn)行淡水魚新鮮度的檢測，并驗證了生物阻抗技術(shù)用于檢測淡水魚新鮮的的可行性，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于虛擬儀器的淡水魚復(fù)阻抗測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)在10

14、0Hz～100kHz范圍內(nèi)阻抗幅值的最大誤差為0.58％，在50kHz～100kHz相位最大誤差為0.31°，而在頻率小于50kHz的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的相位的最大誤差僅為0.07°，具有較高的測量精度。 2.采用自行研制的淡水魚魚體復(fù)阻抗測量系統(tǒng)進(jìn)行了大量的試驗研究，確定了激勵電流、測量電極、激勵頻率、測量部位和測量方向?qū)︳~體復(fù)阻抗特性的影響，確定了混合電極電極、魚體鰓部位和0.3mA的激勵電流為最優(yōu)測量條件，建立了評價淡水魚新鮮度

15、的復(fù)阻抗特性指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上采用BP-ANN(后向反饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))建立了預(yù)測模型，對鯽魚和鰱魚新鮮度的預(yù)測準(zhǔn)確率分別是94.44％和97.44％，提高了識別準(zhǔn)確率。該研究建立了用復(fù)阻抗特性評價淡水魚新鮮度的技術(shù)和方法，為評價淡水魚新鮮度提供了一新的快速無損檢測方法。 3.將電子鼻的采樣方法由傳統(tǒng)的頂空法改進(jìn)為自由擴(kuò)散法，簡化了取樣設(shè)備，以虛擬儀器技術(shù)和仿生嗅覺技術(shù)為基礎(chǔ)，首次提出和建立了4氣體傳感器陣列的淡水魚電子鼻測量系統(tǒng)，

16、并試驗驗證了電子鼻測量系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)地試驗研究了影響電子鼻評價魚體新鮮度的測量因素，確定了頂空5min和樣品重量為60g為最優(yōu)測量條件。采用BP-ANN(后向反饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))建立的淡水魚新鮮度等級預(yù)測模型對新鮮、次新鮮、腐敗以及半腐敗的預(yù)測準(zhǔn)確率為97.32％，當(dāng)采用復(fù)阻抗特性進(jìn)行輔助判斷，可將電子鼻的準(zhǔn)確率提高到100％，該項研究建立了用氣體傳感器評價淡水魚新鮮度的技術(shù)和方法，為評價淡水魚新鮮度提供了一新的快速檢測方法。