（农业机械化工程专业论文）基于生物阻抗的淡水鱼新鲜度单片机检测系统.pdf

华中农业人学2 0 0 8 硕i ：学位论文：基于生物阻抗的淡水鱼新鲜度单片机榆测系统 摘要 鱼类及其制品不耐保藏，容易发生腐败和变质。新鲜度是评价鱼肉质量的一个 重要指标，对最终产品的质量有极大的影响。现阶段采用的如化学法、感观法、传 感器法等检测方法存在着适应性不足、检测过程繁琐及具有破坏性等诸多问题，需 要开展进一步的研究。生物阻抗是反映生物组织、器官、细胞电学性质的物理量， 随着生物组织病变的发生，其电阻抗特性会发生显著变化。因此，通过对生物基体 电阻抗特性测量，能快速、准确、无损地检测其组织发生的变化情况。 该项研究以淡水鱼新鲜度检测为主要研究内容，分析了目前各种淡水鱼新鲜度 检测方法存在的问题，提出了基于生物阻抗原理的淡水鱼新鲜度检测的新方法；建 立了基于虚拟仪器的淡水鱼电阻抗测量平台；并以鲢鱼为研究对象，研究了鲢鱼电 阻抗特性与其新鲜度之间的关系；确定了激励频率、测量部位、测量方向及环境温 度对鲢鱼电阻抗特性的影响：建立了基于电阻抗特性的鲢鱼新鲜度评价指标；并以 此为理论基础，设计了基于生物阻抗的淡水鱼新鲜度单片机检测系统，并对建立的 单片机检测系统进行试验验证，得出的主要结论有： 1 贮藏于2 5 的鲢鱼，鱼体各部位所测得的电阻抗特性值( 阻抗幅值和相位) 存在 差异，但其值都随贮藏时间的增加而减少：鱼体鳃部平行于侧线方向测得的阻抗与贮藏 时间之间的变化规律性最强，为最佳测量部位；当死亡时间超过9 h ，激励频率为5 7 1 d - i z 时的鳃部阻抗幅值小于6 5 q ，相位差小于3 5 0 ，鱼体内的挥发性盐基氮( 1 、仍n ) 含量 2 0 m g 1 0 0 9 ，表明鱼体腐败。 2 鲢鱼阻抗随着激励频率的增大而减小，在频率大于5 0 k h z 时，不同贮藏时间内 的鱼体阻抗差异较小，因此，5 k i - i z 左右是研究鱼体阻抗随贮藏时间变化较为理想的频 率范围。 3 贮藏于2 5 的鲢鱼，在5 k h z 和5 0 k h z 激励频率下，环境温度对鱼体阻抗测 量值有影响，分别在5 和3 0 环境温度中所测得的阻抗幅值存在差异，但这种差 异随着鱼体腐败的进行而逐渐减小，当鱼体完全腐败时，差异皆小于2 q ，环境温度 对鱼体阻抗幅值影响不显著；而对5 7 k h z 和4 8 9 k h z 激励频率下的阻抗幅值比 z 舭z 观。眦进行方差分析表明，环境温度对其影响不显著。 4 贮藏于2 5 的鲢鱼，在5 t k h z 和4 8 9 k h z 频率下，分别在5 和3 0 环境温 度中所测得的相位差值有差异，但这种差异在贮藏时间超过6 h 后皆小于l o 。在从新 鲜到完全腐败过程中，测量环境温度对相位差的影响不显著，因此，环境温度不会 影响判别结果。 5 当激励频率为5 7 k h z 时的鱼体阻抗值乙珊，： 1 2 7 判定该鲢鱼新鲜。激励频率为5 7 l 【h z 时的阻抗幅值以及阻抗 幅值比z 5 ，胁z 舢舰作为新鲜度评价指标。 6 利用$ 5 1 单片机为主芯片建立淡水鱼新鲜度检测系统，试验结果表明该系统 能够无损、准确检测鲢鱼的新鲜度，正确率为9 0 ，且检测速度快，检测成本低廉。 软件部分采用了c 语言和l a b v i e w 来进行模块化设计，具有简单、直观明了的特点， 可以方便地进行修改和调用。同时，该装置提供了r s 2 3 2 数据传输接口，为后续研 究提供可靠的数据显示和保存方式，为进一步研究开发打下基础。 关键词：淡水鱼；新鲜度；电阻抗特性；阻抗幅值比；单片机 华中农业大学2 0 0 8 硕上学位论文：基十生物阻抗的淡水鱼新鲜度单片机检测系统 a b s t r a c t f i s ha n di t sp r o d u c t sa r ee a s yt oc o r r u p t i o n h e n c e ，i tc a n n o tb ep r e s e r v e df o ral o n g t i m e f r e s h n e s si si m p o r t a n tq u a l i t yp a r a m e t e ro ff i s h , w h i c hh a sah u g ei n f l u e n c eo nt h e q u a l i t yo ff i n a lp r o d u c t s c u r r e n t l y , f r e s h n e s sw a su s u a l l yt e s t e db yc h e m i c a lm e t h o d s ， s e n s o r yo r g a na n ds e l l s o re ta 1 h o w e v e r , t h e s em e t h o d sa l le m b r a c es o m ep r o b l e m ss u c h a si n a d a p t a b i l i t y , c o m p l i c a t e dp r o c e d u r e sa n ds a m p l ed e s t r u c t i o nn e e dt ob es o l v e di nt h e f u t u r e b i o - i m p e d a n c ei s a l le l e c t r i c a lc h a r a c t e rw a sa b l et or e f l e c tt h et i s s u e ，o r g a na n d c e l ls t a t u s i m p e d a n c ec h a r a c t e rw i l lc h a n g ed r a m a t i c a l l yd u r i n gt h ep a t h o l o g i c a lc h a n g e s t h e r e f o r e , t i s s u es t a t u sc a nb et e s t e dq u i c k l y , c o r r e c t l ya n dn o n d e s t r u c t i v e l yt h r o u g h b i o - i m p c d a n c em e a s u r e m e n t f r e s h n e s so ff r e s h w a t e rf i s ht e s t i n gi st h em a i np u r p o s eo ft h i sp r o j e c t e x i s t i n g p r o b l e m so fc u r r e n tf r e s h n e s st e s t i n gm e t h o d sw e r ep o i n to u ta c c o r d i n g t oa n a l y s i sr e s u l t a n e wf i s hf r e s h n e s st e s t i n gm e t h o db a s e d0 nb i o - i m p e d a n c ew a sp r o p o s e d i nt h i ss t u d y , c h u bw a st a k e na sr e s e a r c ho b j e c t ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni t si m p e d a n c ea n df r e s h n e s s w a ss t u d i e do nt h es e l f - m a d ev i r t u a li n s t r u m e n tf i s hi m p e d a n c e - t e s t i n gp l a t f o r m t h e i n f l u e n c e so fd r i v ef l c q u c n c y , t e s t i n gp o s i t i o n , d i r e c t i o na n de n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e w e r ea f f i r m e dt h r o u g he x p e r i m e n t s c h u bf r e s h n e s si n d e x e sb a s e do ni m p e d a n c ew e r es e t u p a c c o r d i n gt ot h e s ei n d e x e s ，af r e s h n e s st e s t i n gs y s t e mc o m p r i s e db y $ 5 1a n ds o m e r e l e v a n tc o m p o n e n t sw a sb u i l du pa n dv a l i d a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t s t h ec o n c l u s i o n s w e r ed r a wa sf o l l o w ： 1 c h u bw e r es t o r a g e du n d e r2 5 t h e r ew a sad i f f e r e n c eb e t w c e l li m p e d a n c et e s t e d 0 1 1d i f f e r e n tp o s i t i o n sa tt h es a m ep o s t m o r t e mh o u r s , a n dt h ei m p 髑l a n c ea m p l i t u d et e s t e do n d i f f e r e n tp o s i t i o n sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs t o r a g eh o u r s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s t o r a g eh o u r sa n di m p e d a n c e , w h i c ht e s t e do nt h ep a r to fc h e e kp a r a n dd i r e c t i o n , h a sa s i g n i f i c a n tr e g u l a t i o n h e n c e ，c h e e ki st h eb e s tt e s t i n gp o s i t i o n w h e ns t o r a g eh o u r sw a sm o d g t h a n9h o u r s ，t h e5 7 k h zf r e q u e n c yi m p e c h n c ew a sl e e st h a n6 5 9p h a s ea n g l ew a sb e l o w 3 5 0 ，t h ec o n t e n to f t v b nw a sm o r et h a n2 0 m g lo o g , i ti n d i c a t e dt h a tt h ef i s hs p o i l e da l r e a d y 2 c h u bi m p e d a n c ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fd r i v ef r e q u e n c y w h e nf r e q u e n c i e s w e r ea b o v e5 0 眦t h ei m p e d a n c ej u s th a das m a l ld i f f e r e n c eh 舰嘲ld i f f e r e n ts t o r a g e h o u r s a p p r o x i m a t e5 她w a sp e r f e c tf r e q u e n c yt or e s e a r c ht h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r 3 t h ei m p e d a n c e so fc h u bb o d yh a das i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e nt e s t e du n d o 5 士2 a n d3 0 a ：2 cd u r i n gt h ep r o c e s so fs p o i l a g e e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r eh a di n f l u e n c e o ni m p e d a n c ea m p l i t u d e w h e nt h ef i s hb o d ys p o i l e dc o m p l e t e l y , t h ed i f f e r e n c ew a s i n s i g n i f i c a n t h o w e v e r , v a r i a n c ea n a l y s i sr e s u l to ft h e5 7k h z a n d4 8 9k h zf r e q u e n c y i m p e d a n c er a t i oz 脓z 帆9 k n zi n d i c a t e dt h a tt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo n i m p e d a n c ew a si n s i g n i f i c a n t 4 b o t h5 7k h za n d4 8 9k h zf r e q u e n c yp h a s ea n g l e sa l s oh a v es m a l ld i f f e r e n c e b e t w e e nt e s t e du n d e r5 a n d3 0 t e m p e r a t u r e s b u tt h ed i f f e r e n c ew e r el e s st h a n1 0a f t e r 6h o u r sw h e ns t o r a g eu n d e r2 5 ( 2e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e v a r i a n c ea n a l y s i ss h o w st h e d i f f e r e n c e so fp h a s ea n g l ew e r ei n s i g n f i c a n td u r i n gt h ew h o l ep r o c e s so fs p o i l a g e b e t w e e nt e s t e du n d e r5 + 2 ca n d3 0 - a ：2 c s ot e s t i n gr e s u l tw a sa l s ov a l i d 5 w h e ni m p e d a n c eo ff i s hb o d yw a sb e l o w6 5 q0 1 r a t i oo fi m p e d a n c e a m p l i t u d ez 5 7 如z 鸽9 地l e s st h a n1 16t h a tm e a nf i s hb o d ys p o i l e d w h e ni m p e d a n c eo f f i s hb o d yw a sm o r et h a n8 5 qo rr a t i oo fi m p e d a n c ea m p l i t u d ez 5 7 地z 4 8 9 肫w a s a b o v e l 2 7 ，i tm e a n sf i s hw a sf r e s h t h e5 7k h zf r x l u e n c yi m p e d a n c ea n di m p e d a n c e s r a t i oz s l 盹 z 慵9 魄w e r ea b l et ob et a k e na sf r e s h n e s si n d e x e s 6 af i s hf r e s h n e s st e s t i n gs y s t e mb a s e do ns 51m c uw a sb u i l du p e x p e r i m e n t s r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt l l a tf i s hf r e s h n e s sc a l lb et e s t e dc o r r e c t l ya n dn o n d e s t r u c t i v e l yb y t h i ss y s t e m t h ea c c u r a c yw a s9 0p e r c e n t i na d d i t i o n , t h et e s t i n gp r o c e d u r ew a ss w i f ta n d l o wc o s t s o f f w a r e sw e r ep r o g r a m m e db yca n dl a b v i e w t h e yw e r ec h a r a c t e r i z e db y s i m p l ea n du n d e r s t a n d a b l e ，c 蛆 b em o d i f i e da n dc a l l e d e a s i l ya n dc o n v e n i e n t l y f u r t h e r m o r e ，t h i sd e v i c ep r o v i d e dar s 2 3 2d a t at r a n s p o r t a t i o np o r t i to f f e r sar e l i a b l e s o l u t i o nf o rd a t ae x h i b i t i o na n dp r e s e r v a t i o n a l lt h ew o r k sl a yaf o u n d a t i o nf o rf u r t h e r s t u d y k e y w o r d ：f r e s h w a t e rf i s h ；f r e s h n e s s ；i m p e d a n c ec h a r a c t e r ；r a t i oo fi m p e d a n c e ； m i c r o c o m p u t e ru n i t 华中农业人学2 0 0 8 硕l ：学位论文：基于生物阻抗的淡水鱼新鲜度单片机榆测系统 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图表目录 三元件模型6 阻抗圆图7 技术路线1 4 淡水鱼阻抗测量示意图16 电极外形一17 测量前面板1 7 阻抗幅值与激励频率间关系1 8 激励频率与相位差之间的关系1 9 阻抗、相位测量时间的关系2 3 激励频率为5 k 和5 0 k i z 阻抗变化曲线2 4 激励频率为5 k 和5 0 k 相位变化曲线2 5 鲢鱼鳃部平行侧线方向阻抗与时间的关系一2 7 i c l 8 0 3 8 管脚排列3 2 i c l 8 0 3 8 内部结构3 2 i c l 8 0 3 8 电路接线图3 2 i c l 8 0 3 8 应用电路3 3 a d 8 4 4 管脚功能图3 4 a d 8 4 4 构建v c c s 等效原理图3 4 带直流反馈的v c c s 3 5 o p a 6 0 2 管脚排列3 6 t l 0 8 2 管脚示意图3 6 t l 0 8 2 内部结构3 6 电极结构3 8 a d 6 2 0 等效电路3 8 a d 6 2 0 接线图3 9 滤波电路3 9 o p 0 7 管脚功能图4 0 a d 5 3 6 管脚功能图4 1 标准有效值转换电路4 l a d 5 3 6 应用电路4 3 t l c l5 4 3 管脚功能图4 4 图表目录 图3 2 0t l c l 5 4 3 时序图4 5 图3 2 1t l c l 5 4 3 $ 5 1 连接电路4 5 图3 2 2a t 8 9 s 51 管脚功能。4 8 图3 2 3系统时钟电路5 0 图3 2 4 复位电路5 0 图3 2 5 单工、半双工和全双工通信5 l 图3 2 6 异步通信数据格式。5 2 图3 2 7串行通信电路5 3 图3 2 8 单片机系统工作流程5 4 图3 2 9 上位机工作流程图5 7 图3 3 0v i s a 结构层次5 8 图3 3lv i s a 仪器控制流程5 9 图3 3 2串口读写程序5 9 图3 3 3数据显示前面板6 0 图3 3 4串口数据处理程序6 0 图3 3 5 a s c i i s t r i n g 转换程序6 1 图3 3 6 数据保存模块6 l 图3 3 7 单片机鲜度检测系统工作流程6 2 表2 1阻抗方差分析结果2 4 表2 2 相位方差分析结果。2 5 表2 3 鲢鱼样本参数2 6 表2 4 鲢鱼t v b n 对应其死亡时间的测定值( m g 1 0 0 9 ) 2 6 表2 5不同死亡时刻阻抗幅值比z 5 舭z 4 8 9 k h z 2 8 表2 6 阻抗幅值比z 5 7 地z 8 9 触评价指标验证。2 9 表2 7 阻抗幅值磊舭评价指标的验证2 9 表2 8 鲢鱼t v b n 对应其死亡时间的测定值( m g 1 0 0 9 ) 2 9 表3 1四电极尺寸参数3 7 表3 2 系统检测精度验证6 3 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名： 卸吻 时间：沙扩年么月争日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电子版， 并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全 部或部分内容，并授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力 注：保密学位论文( 印涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论 文) 在解密后适用于本授权书 学位论文储始唧鸣 孙鲐参羔 签名日期：) 川年多月年日签名日期：沙谚年多月j - 日 华中农业人学2 0 0 8 硕：i ：学位论文：基于生物阻抗的淡水鱼新鲜度单片机检测系统 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 我国水域面积宽广，各种水产品资源极为丰富。自8 0 年代以来，中国渔业发展 迅速，草鱼和鲤鱼是世界主要高产鱼种，鲢和鳙的产量更是位居世界鱼种年渔获量 的前列( 邓德文，2 0 0 1 ) 。但鱼类不耐保藏，极易发生腐败变质。新鲜度是鱼类或鱼类 制品质量的一个重要指标，对最终产品质量有极重要的影响。在鱼死亡后，随着新 鲜度的下降，其食用价值和风味也随之而降低。国内外现在已发展了感官评价方法、 微生物学方法、物理和化学方法等方法测定鱼的新鲜度( 宋华兵，1 9 9 3 ) 。感官评 价法能及时提供淡水鱼品质的信息，但受人员生理和心理状态的影响，具有主观性 ( 徐宝梁，李兵，1 9 9 7 ；刘国艳等，2 0 0 6 ) ；化学方法虽然准确，但是操作复杂耗 时，成本较高，且属于破坏性检测( 宋华兵，1 9 9 3 ；徐宝梁，李兵，1 9 9 7 ) ；运用 气相色谱( g c ) 和气质( g c m s ) 联用技术能够得到精确的数据，但检测系统复杂、 设备昂贵( 崔海英，曾名勇，2 0 0 4 ：刘国艳等，2 0 0 6 ) ；微生物方法是利用微生物 数量来说明淡水鱼腐败程度，但现有的活细胞计数方法复杂费时，在灵敏度方面还 有待提高( 徐宝梁，李兵，1 9 9 7 ) ；利用酶生物传感器可以测定基体与酶产生的化 学反应来推算出基体中次黄嘌呤h x 和黄嘌呤x 的含量来作为新鲜度指标，但生物 传感器法属于有损测量，且需要对测试样本做前处理，原料制备繁琐，测试条件苛 刻( 宋华宾，1 9 9 3 ；施宁，2 0 0 3 ) ；气体传感器( 即电子鼻) 作为一种新技术很大 的发展潜力，然而其对气味分子的敏感性和选择性不够理想，易受温度和湿度等的 影响( l ix i u e l l e na n do l a f s d o t t i rg u e r u n ，2 0 0 2 ；崔海英和曾名勇，2 0 0 4 ) ；物理检 测快速方便，但由于精度问题目前尚未在实践当中得到广泛应用( 徐宝梁和李兵， 1 9 9 7 ：a y d i ny a p a ra n dh a s a ny e t i m ，1 9 9 8 ；董彩文，2 0 0 4 ) 。由于以上所述的各种 方法都存在着测量精度不高、对环境的适应性不强、检测过程复杂以及会对被测物 造成一定破坏性等一系列问题，需要进一步研究和改进。因此，研究一种能够快速、 准确、无损检测淡水鱼新鲜度的仪器对鱼类的销售、储藏和深加工有着重要的科学 意义和实用价值。生物阻抗是一种能反映生物组织、器官、细胞或整个生物机体电 学特性的物理量，当机体组织状态发生变化时，其导电性能也随之改变( 郭兴明等， 1 9 9 5 ) 。该研究根据生物阻抗原理建立淡水鱼新鲜度与生物阻抗之问的关系，利用 淡水鱼的电阻抗特性来评价其新鲜度，并采用单片机和虚拟仪器等技术设计一种便 携式仪器对淡水鱼新鲜度进行快速、无损测量。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 鱼肉新鲜度评价法 鱼类死亡后，在酶作用下使蛋白质自溶分解，淡水鱼发生一系列的物理和化学 变化。国内外现在已发展了感官评价方法、物理和化学方法、微生物学方法以及各 类传感器评价法等方法测定鱼的新鲜度( 宋华宾，1 9 9 3 ) 。 感官评价法是通过观测鱼的外表、眼睛、肌肉、鳃、腹部、肛门等部位指标并 对进行综合评分。它能及时提供淡水鱼品质的信息，但受人员生理和心理状态的影 响，具有主观性，并且在腐败初期由于产生的化合物的浓度较低而很难被感觉到( 徐 宝梁和李兵，1 9 9 7 ：刘国艳等，2 0 0 6 ) 。 理化方法是通过测定鱼体一系列理化指标来得到鱼的新鲜度信息，主要包括物 理检查法、化学检查法和传感器测量法等。 物理检查是根据蛋白质分解，低分子物质增多、粘度、保水量的变化来衡量肉 的品质。目前，检测鱼肉新鲜度的物理方法主要通过测定鱼体硬度、压榨液浓度、 折射率队等指标进行判断( 刘国艳等，2 0 0 6 ) 。僵硬是鱼死后肌肉僵直的一种现象，是 一项重要的新鲜度指标，随着鱼僵硬指数的变化，鱼肉的新鲜度也发生变化，因此， 鱼的僵硬指数可以作为鱼新鲜度的一项评判标准。对海水鱼死后僵硬情况的研究在 日本有大量的报道，而对淡水鱼的僵硬研究主要集中于鲤鱼、鲢、鳙、草鱼( 邓德文， 2 0 0 1 ) 。9 0 年代后，张利民、刘承初等对中国有巨大产量的鱼进行了一系列的研究， 取得一定成果( 张利民等，1 9 9 4 ) ，但鱼种及保藏温度的不同，使僵硬指数r 的变化 规律有很大差异，因此，采用僵硬指数来作为新鲜度评价指标存在着适应性方面的 问题( 杨宏旭等，1 9 9 5 ) 。化学检测法是用定性或定量的方法测量蛋白质分解物，如 氨、胺类、挥发性盐基氮( ，r 、偈n ) 、三甲胺( t m a ) 、k 值等，从而衡量肉的腐败程 度( 刘国艳等，2 0 0 6 ) 。实验室经常采用的化学方法有挥发性盐基氮( t v b n ) 法、三 甲胺( t m a ) 法、p h 值法和k 值法等。挥发性盐基氮( t v b n ) 是国际上普遍采用 的指标，可以通过“半微量定氮法”和“微量扩散法”等方法进行测定。三甲胺( t m a ) 是在水产动物体内存在的氧化三甲胺经兼性厌氧菌的还原作用而产生的，其含量随 着鱼体新鲜度的下降而逐渐增加，日本许多学者把它作为海产鱼新鲜度的鉴定指标。 国内外都有大量的用它作为新鲜度检测指标的报道( 施宁，2 0 0 3 ) 。鱼肉的酸碱度 对鱼肉品质有一定影响，而p h 值可以很好地反映鱼肉的酸碱度。鱼类死后，肌糖元 分解成乳酸，导致p h 值下降，以后随着自溶和腐败，p h 值逐渐升高，但鱼类p h 值 一般变化都比较小，适合作贝类等含糖分多的品种的新鲜度指标。1 9 5 9 年斋藤博士 发表的文章提出用新的指标k 值作为新鲜度指标。鱼在氧气供应中断后，在三磷酸 腺苷酶的作用下，不断分解三磷酸腺苷( a t p ) ，使三磷酸腺苷( a t p ) 不断减少， 2 华中农业火学2 0 0 8 硕：学位论文：基于生物阻抗的淡水鱼新鲜度单片机检测系统 渐次分解为二磷酸腺苷( a d p ) 、磷酸腺苷( a m p ) 、肌苷酸( i m p ) ，最后分解成次 黄嘌呤核苷( h x r ) 和次黄嘌呤( h x ) 。分解过程如下： a t p 寸a d p a m p 专i m p l - i x r ，故斋藤博士提出把h x 和h x r 积存数量的多 少作为新鲜度的指标： 尺： 燮竺 1 0 0 彳7 t 尸+ a d p + a m p + 觥+ h x 国外早在六十年代就开始进行与新鲜度变化有关的鱼体生化变化过程的基础理 论研究，提出以k 值等能够正确反映鱼体死后生化变化的概念值，作为水产加工原 料的新鲜度指标，从而为水产品新鲜度指标的判断提供较为确切的依据( 吴成业等， 1 9 9 4 ) 。国内从9 0 年代开始，万建荣、吴成业、李燕、关志苗、叶盛权等先后在将k 值作为淡水鱼新鲜度检测指标方面做过相关研究，研究结果皆与感官评价一致( 施 宁，2 0 0 3 ) 。k 值可采用高压液相色谱仪( h p l c ) 、柱层析、薄层层性等方法进行测 量，但是其样品的制备需要进行化学处理，操作复杂，且k 值测量法依赖于一系列 的变量，并仅仅适应于僵硬期，其应用存在一定局限性。 采用化学方法测量鱼肉新鲜度，虽然准确，但是操作复杂耗时，仪器不易清洗， 操作要求高，测量时间长，成本较高，并属于破坏性的。运用气相色谱( g c ) 和气一质 ( g c m s ) 联用技术能够得到精确的数据，然而检测系统比较复杂、设备昂贵，一般 只用在实验室中，不适合现代水产食品工业中的及时应用( 崔海英等，2 0 0 4 ；刘国艳等， 2 0 0 6 ) 。 传感器测定法主要是依靠各种类型传感器鱼肉样品或鱼体所挥发出来的化合 物，从而获取其在鱼体内的含量来作为新鲜度评价指标。根据鱼在腐败过程中可产 生不同的化学物质和微生物，正在研究用于鱼肉新鲜度检测的酶传感器、胺传感器， 细菌传感器，次黄嘌呤酸传感器和测定k 值的传感器等( 徐宝梁等，2 0 0 4 ) ，其中主 要有： 1 气体传感器( 即电子鼻) 气味是评价鱼类新鲜度的最重要参数之一由于鱼在贮藏过程中，不同贮藏阶 段会产生各种如三甲胺( n 雌) 等挥发性化合物，从而呈现出不同的气味，对于特 征性挥发物质的测量可以用来掌握鱼的新鲜度和腐败阶段。电子鼻就是利用各种气 体传感器将收集到的化合物提取特征参数，并根据之前的训练从而识别不同新鲜度 的鱼。最常用气体传感器的主要有金属氧化物半导体传感器( m o s ) 、金属氧化物场 效应管( m o s f e t ) 、声表面波传感器( s a w ) 、石英微平衡传感器( q m b ) 、导电聚 合传感器( c p ) 以及电化学传感器等。在国外，m k e n t 等使用9 个f e 和6 个m o s 传感器进行鳕鱼新鲜度的测量，通过使用主成分分析方法判定鱼肉新鲜度( k e n t ， 2 0 0 4 ) ；d i n a t a l e 等采用带有金属卡啉涂层的石英平衡传感器检测了传感器响应与鲟 3 第一章绪论 鱼片贮藏时间的关系( l ix i u c h e na n do u e r u n ，2 0 0 2 ) ；在国内，滕炯华、海铮等 采用m o s 阵列传感器，使用神经网络算法进行牛肉新鲜度识别( 海铮，2 0 0 6 ) ；孙 钟雷等利用t g s 气敏传感器和遗传组合网络算法检测猪肉新鲜度( 孙钟雷，2 0 0 6 ) 。 作为一种新技术，电子鼻有很大的发展潜力，然而在其实际应用中也遇到诸多问题， 如易受环境温度和湿度等变化的影响等( 柴春祥，2 0 0 2 ：崔海英，2 0 0 4 ) 。 2 酶传感器 鱼死后，其组织中的腺苷三磷酸( a t p ) 很快分解为次黄嘌核苷酸( i m p ) 、次黄嘌 呤( h i ) 、黄嘌呤( x ) 和尿酸( u a ) 等。其中，i m p 为鲜昧之主要成分，而h 。、x 则导致异昧。一般情况下，h 。r 分解为h x ，进而分解为x 是降解速度的决定步骤。 因此，h 。和x 和积累可作为鱼类新鲜度指标，采用酶生物传感器可以测定酶反应中 氧气的消耗量或过氧化氢的产生量，从而推算出它们的含量。国内的沈清莲、彭图 治等采用的固定化的黄嘌呤氧化酶生物传感器可以测量鱼肉新鲜度，但其样品制备 繁琐，需要研磨粉碎鱼肉、溶解、过滤等操作，并需要在p h 7 6 和2 5 条件下测量， 制备手续非常繁琐耗时，且电极使用后需放置在1 8 保存，但三周后其灵敏度仍会 下降到初始值的一半( 彭图治等，1 9 9 6 ) 。 3 胺类传感器 胺是肉类新鲜度最主要的一种指示物。胺类传感器，主要通过测量鱼死后蛋白 质降解产生的胺类化合物，主要是腐胺和尸胺来得到鱼的新鲜度信息。国内吴英才、 裴素华、张忠孝等试验研究了三甲胺传感器，初步验证了传感器元件的使用和开发 价值( 余锐萍，2 0 0 0 ) 。 4 生物传感器 生物传感器是用固定化的生物材料识别元件( 包括酶、抗体、微生物等生物活性 物质) 与适应的换能器件( 如氧电极和场效应管等) 密切接触而构成的分析工具或系 统。换能器件可将生化信号转换成可定量的电或光信号，从而实现对特定生物的快速 检测。测定鱼新鲜度的微生物传感器由溶氧电极和微生物膜组成，将酵母或腐败细菌 固定在膜拜上，贴在溶氧电极表面的透气膜上。当传感器浸入含有有机物的样品液中 时，渗到膜上的有机物被酵母或腐败细菌细胞同化吸收。在肉类的腐败过程中，由于 肉类中的内源性蛋白酶或微生物产生的蛋白酶的水解作用，有机物( 氨基酸和胺等) 逐渐增多。因此，根据肉表面或聚合物中的有机物的量随时间的变化测定肉的新鲜度。 根据检测手段的不同，现已经出现的生物传感器主要有胺类传感器、细菌传感器、测 定七，值的传感器、i m p 传感器和h x 传感器等。生物传感器的测定一般还属于有损测 量，需要在测量前作前处理，即制备用于测量的鱼肉取液，一般适合对样品进行抽检 而不适合一般用户的使用( 徐宝梁，1 9 9 7 ；施宁，2 0 0 3 ；董彩文，2 0 0 4 ) 。 由于目前已经使用的化学、物理及酶、胺、生物传感器等方法均存在诸多局限 4 华中农业人学2 0 0 8 硕i ：学位论文g 基于生物阻抗的淡水鱼新鲜度单片机检测系统 性，还需要进一步研究和分析，因此，研究一种能够快速、准确的鱼类新鲜度的无 损检测仪器有着重要的科学意义和实用价值。生物阻抗是反映生物组织、器官、细 胞或整个生物机体电学特性的一种物理量，其导电性能能的变化能准确地反映机体 组织的变化。该课题根据生物阻抗原理，通过一系列的试验研究建立淡水鱼新鲜度 与其电阻抗特性之间的关系，并用虚拟仪器和单片机技术构建测量系统，用于淡水 鱼新鲜度的快速、无损检测。 1 2 2 生物阻抗技术的现状和发展 生物阻抗是反映整个生物机体或构成部分，即活体生物组织、器官、细胞或细 胞器电学性质的物理量。它一般借助体表电极是将低于兴奋值的微弱交变直流或电 压施加于生物组织，通过测量其上的电位差的变化情况来获取相关的生理和病理信 息。生物阻抗技术是一种无损检测技术，因此具有重要的实用价值。 1 生物阻抗理论的研究 阻抗指对电流的阻碍特性。1 8 2 7 年，科学家欧姆创建了欧姆定律：卢啪。最初 这一定律被用来描述金属物体中输入电流和其上产生电压之间的关系，但很快人们 发现这一定律也能被应用到生物组织阻抗测量中( b o o n ee ta 1 ，1 9 9 7 ) 。最早开始研 究生物组织阻抗的是德国科学家r e l e r r n a n n ，r e l e r m a n n 于1 8 7 1 年成功地测量了骨骼 肌的电阻。在此之后，许多研究人员开展了生物组织阻抗测量的研究并发现：生物 组织的阻抗随测量频率的增加有下降的趋势。随着研究的深入，研究者发现将生物 组织的电特性用纯电阻的方法来描述不够合理，生物组织中除了电阻效应之外，还 有部分电容效应。十九世纪末，b e m s t e i n 提出了“细胞膜理论”，该理论认为：细胞 膜应该是造成动物组织电阻抗随频率增加而减小的主要因素。1 9 1 0 年，h o b e e r d 在 实验中发现，将红细胞的细胞膜破坏之后，血液样本的电阻大大减小。这一研究结 果有力支持了“细胞膜理论”。1 9 2 7 年，p h i l i p p s o n 经研究发现：