樊向超文献综述 单面打印

1、 1.前言影响牛肉品质的指标包括牛肉的嫩度、风味、性和色泽等1。其中嫩度是主导牛肉质量的决定因素和最重要的感官特征2。早期人们对牛肉品质的评定主要是通过感官评定，是有经验的专业评判人员对牛肉的重要参数如色泽、气味、硬度、弹性和性等进行主观评定，这无法避免感官评定人员带有群体倾向性和个人主观性，容易导致不客观的评判。然而仪器检测具有良好的客观性，解决了感官评定人员的无法避免的个人主观性。 关于牛肉嫩度检测方式主要有剪切力测定技术、NIR 光谱分析技术、机器视觉技术。而牛肉的嫩度主要决定于肌肉组织各组分的生物化学变化对各组分特性的改变。通过剪切力测定技术，借助仪器来衡量切断力、穿透力、咬断力、 剁

2、碎力、压缩力、弹力和拉力等指标更能实际的反应牛肉嫩度3。 2.关于牛肉嫩度的各类检测方法2.1 牛肉嫩度的近红外光谱法检测技术研究使用由 Nicolet 生产的 Nexus670 型傅里叶近红外光谱分析仪器研究。仪器的光谱范围 110003800cm-1，选用 InGaAs 检测器。光谱扫描时，使近红外光线照射在与肌纤维相垂直的横截面上，以 8cm-1 的分辨率进行 64 次扫描。得到 3 条光谱曲线分别对应于样本上 3 个不同的位置，用这 3 条光谱曲线求平均形成一条平均光谱曲线。扫描时避免近红外光束照在脂肪区域4。 扫描结果与剪切力试验对比，结论如下： （1） 在波数为 400010000

3、cm-1 范围内，近红外光吸收上，老牛肉一般要比嫩牛肉大。 （2） 用多元线性回归法对牛肉在波数为400010000cm-1 范围内建立模1 得到相关系数为 0.1806。用此模型对牛肉进行预测，正确率为 84.121%。 （3）用近红外光谱技术可以对牛肉屠宰厂中的牛肉进行非破坏性检测。2.3 牛肉嫩度的高光谱法检测技术高光谱系统能获取被测物质大量的空间和波长信息5，可视为分光计的补充，在分光方向的每一组像素代表着某一空间位置的光谱，是充分解析各种理化性质固有光谱极其有效的工具。 试验用高光谱成像系统主要由 1 台高性能 CCD 相机(Sencicam QE 型， Germany)、1 台光谱

4、摄制仪(ImSpector V10E 型，Spectral Imaging Ltd，Finland)、卤钨灯直流光源(Oriel Instruments，U.S.A.)、图像采集卡和控制计算机组成。该系统的光谱摄制仪可以采集波长 4001100nm 范围内的反射光谱，光谱分辨率为 218nm。为避免测量过程中外界光干扰，将整个系统置于铝合金框架组成的封闭箱体内6。结论显示，在 4001000nm 波长范围内，反射光谱与嫩度有较好的相关性。利用逐步回归方法选择特征波长，建立了牛肉嫩度预测模型, 全交叉验证作为模型的检验方法，模型交叉验证相关系数 RCV=0.196，验证标准残差 SECV=0.1

5、64 kg，准确性是可以接受的。特征波长处反射值作为输入变量，用正则判别法对牛肉嫩度分级。正则判定结果较嫩一组分类准确率是 83.13%，粗糙一组分类准确率为 90.19%7。 2.4 质构仪质构仪是高校、科研院所、食品企业、质检机构实验室等部门研究食品物性学有力的分析工具。质构仪可应用于肉制品、粮油食品、面食、谷物、糖果、果 蔬、凝胶、果酱等食品的物性学分析，对于肉制品嫩度的测定，通常采用的是单刀和多刀剪切的方法8。单刀剪切的方法通常适合于均质、易切割、形状比较规则的样品测试，否则就需要经过大量的前处理进行规则取样；对于生牛肉、猪肉等肉质纤维韧性比较大、形状不规则、不易取样的样品，单刀剪切9

6、的 方法就很难得到稳定有效的实验结果，选用多刀剪切的方法就可以充分避免样 2 品外形对检测结果的影响，如结果为最大力与样品重量的比值，此比值会非常 稳定并反映了样品的嫩度特性。 2.5 C 一 LM3 型数显式肌肉嫩度仪C 一 LM3 型数显式肌肉嫩度仪基于 WarnerBratzler 剪切仪的工作原理， 结合传感器、微电子技术与计算机控制技术于一体，肌肉嫩度测量系统采用单片机控制技术进行检测分析10。工作过程：标准剪切器剪切肌肉试样产生的力值通过力传感器转换成电信号，通过电信号放大电路将电信号放大，通过A/D 转换器将模拟量转换成数字量由单片机处理。通过主机系统配备的按键显 示窗口实现人机

7、对话。 2.6 仿生食品质构仪仿生食品质构仪是根据牙齿感知食物质地的机理，通过仿生技术全面模仿牙齿、牙周膜、咀嚼运动、口腔温度以及唾液分泌而设计的仿生食品质构仪， 在食品质地测试中能为食品质地的客观、准确、快速评价提供一种新仪器11。 仿生食品质构仪包括仿生咀嚼装置、仿生牙周膜、信号调理电路、测试软件等重要部分构成。仿生咀嚼装置由仿生牙齿、仿生颞下颌关节、仿生上下颌、仿咀嚼肌弹簧、动力系统、装卸料机构、支撑架等构成，能够实现三维咀嚼运动，完成压碎、磨细食物的功能。仿生牙周膜是牙根周围的纤维组织薄膜，在设计上， 要求极为敏感的机械感受器，能够感知齿面上微小的触压力。PVDF 压电薄膜作为本装置的

8、敏感元件来模仿牙周膜机械感受器。信号调理电路依据PVDE 压电薄膜和信号采集卡而设计，采用了两级信号放大电路，放大的信号可以通过电路调节，放大电路输出的电压与仿生牙周膜所受压力呈线性关系。测试软件实现了食品质地信号的自动采集和分析处理以及信号曲线图的绘 制。 3 2.7 机器视觉技术2.7.1 颜色 通过图像处理技术进行牛肉颜色特征的测定具有重要的应用价值。Beriain 等12研究了计算机图像处理技术测定牛肉背长肌区域颜色特征的方法，试图通过牛肉的颜色特征对牛肉的品质进行预测。实验结果显示，在 CIELab 颜色系统，宰杀后 45min 的热鲜牛肉和经过 24h 成熟的冷鲜牛肉的亮度均与 W

9、BSF 值呈线性相关。但基于颜色特征的牛肉品质预测模型同时显示，颜色特征只能解释牛肉嫩度的 20%。Jeyamkondan 等13的研究结果表明，肌肉颜色 R 分量的均值与牛肉的颜色等级高度相关，以 R 均值为变量建立牛肉颜色等级预测模型，决定系数高达 0.86。若仅以牛肉大理石花纹的丰富程度对牛肉的质量等级进行预测，模型的决定系数为 0.64，在模型中加入颜色特征参数后，模型的决定系数可提高至 0.72。因此，利用图像处理技术抽取颜色特征进行牛肉颜色等级的预测，被认为是一种十分有效的方法。 2.7.2 大理石花纹 等14牛肉大理石花纹的丰富程度，是影响牛肉口感的重要指标。Shiranita利

10、用计算机图像处理技术提取牛肉眼肌图像大理石花纹的面积比、脂肪颗粒总数、大脂肪颗粒数、小脂肪颗粒数以及脂肪颗粒分布系数等 5 个参数建立牛肉质量等级的多元线性预测模型，并将模型的预测结果与专业分级员的感官评定结果进行比较，结果显示，所有模型预测结果与人工评定结果之差均小于 1。表明采用计算机图像处理技术提取牛肉的脂肪特征并据此对牛肉品质进行预 测，具有很大的发展潜力。 2.8 人齿咀嚼仿真模型食品咀嚼机器人能够仿类的方式进行咀嚼，我们可以在其咀嚼过程中收集食品颗粒，并分析被咀嚼食品的属性特点15。2002 年，梅西大学开始对食品咀嚼机器人进行研究，通过六自由度的并联机构来仿的咀嚼动作，采 用神经

11、振荡器产生类似肌肉的节律运动，取得了良好的效果。 4 基于 Stewart 平台的食品咀嚼机器人采用 6 自由度的并联机构作为它的机械结构，将颅骨作为静平台，下颌骨作为动平台与之配合16。该机器人是根据人的颌骨结构和咀嚼肌肉的生物力学模型建立的。各主要闭口肌都是由线性执行器代替，肌肉之间用球形连接，每一个线性执行器的运动方向都与人在咀嚼过程中肌肉伸缩的方向一致。在该咀嚼机器人机构中，一个线性执行器代表一个肌肉群，其中执行器的长度和闭口状态下相应肌肉群的肌肉长度一致。咀嚼力通过在额叶和矢状面的力矢量计算得出，每个执行器的插入坐标为通过扫描下颌骨得到17。该模型能够模拟人类咀嚼的真实性，但是直线电

12、机的驱动力受限于模型的尺寸，并不能达到真实的人类咀嚼运动所需的咬合力。 基于 6RSS 并联机构的咀嚼机器人是基于 Stewart 平台机构的变形，驱动器由直线式转变为旋转式。咀嚼机器人的每个 RSS 支路都由直流旋转电机、曲柄和联轴器组成，曲柄通过旋转副连接在静平台，联轴器通过一个球副联接曲柄和下颚18。联接件的尺寸、位置、动作及需求的力和先前模型中用于线性执行机构条件相似，该机器人的运动控制系统采用 PC+运动控制卡的方式搭 建，控制算法采用了传统的 PID 控制实现咀嚼动作19。 2.2 原子力显微镜在牛肉嫩度测定中的应用用 100、150、200mmol/L不同浓度氯化钙(CaCl2)

13、处理牛肉，肉样真空包装后于 4下成熟 72h 后测定剪切力、肌原纤维指数(MFI)，并用原子力显微镜观察肌原纤维小片20，比较三者结果。结果显示：三种测定方法结果基本相同，原子力显微镜观察肌原纤维小片直观地反映了肌原纤维小片化程度。原子力显微镜能直观地反映肉的嫩度情况，是对剪切力和 MFI 测定方法在形态 学上的完善，可作为研究牛肉嫩度有力的辅助工具21。 5 3.自动控制在牛肉嫩度检测中的应用目前对自动化检测设备的研究主要集中在以下几个方面：机械结构的设计、传感系统的设计和控制系统的设计及控制算法的研究。如何使得检测装置的测定结果更具有参考意义是研究的核心内容。 3.1机械结构的设计对于自动

14、化检测设备22都包括控制器、被控对象、执行机构和变送器四 个部分，根据前文所述，可以设计成质构仪模型和仿齿触觉咀嚼模型，前者是现在使用较广泛的食品物性检测设备，后者更具有可靠性。 3.2传感系统的设计传感系统大多采用多传感器信息融合的综合性传感系统23。多传感器信息融合技术是协调使用多个传感器，把分布在不同位置的多个同质或异质传感器所提供的局部不完整测量及相关联数据库中的相关信息加以综合，消除多传感器之间可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，降低其不确定性，获得对物体或环境的一致性描述的过程24。多传感器信息融合通过增加各类传感器信息的互补性，对环境变化的适应性，使检测设备能够获取完成某一任务所需

15、的完 备信息，实现各种复杂、动态、不确定条件下的自主性，提高决策的正确性。3.3控制系统的设计3.3.1 质构仪 质构仪25通常有力量感应系统、检测探头、分析控制软件三个部分，其中力量感应系统决定了力量测试精度和应用范围，规格越多，越可以保证特点范围的高精度测试。检测探头与样品接触的作用方式，决定了分析样品的角度， 其种类越多，越能够保证多种作用方式研究样品。分析控制软件决定了仪器应 6 用的分析能力和分析的灵活性，具有良好的控制功能和数据分析功能可以大大提高仪器的应用价值。 3.3.2 人齿咀嚼仿真装置 咀嚼装置的控制器是咀嚼装置的核心设备，承担着处理传感信息、咀嚼轨迹、执行机构控制等任务2

16、6。咀嚼装置的性能很大程度上取决于其控制方式的选择与实施。 目前，控制模式主要有分布式控制和单处理器式控制。分布式控制的结构特点是若干下位机结合单个或多个上位机。每个相对独立的模块，如传感模块、驱动模块等，均搭载下位机对数据进行初步的处理，并为上位机提供信息27； 上位机接收各下位机的数据信号进行核心运算处理。在某些高级的分布式控制器中，下位机也可通过系统总线进行交流与通信。分布式控制的特点是分布性、通信性和稳健性。单处理式控制中，处理器可直接接收传感器信号和输出驱动控制信号，自带D/A 转换等功能，具有可靠性高、维护简便、操作容易和开发周期短等诸多优点。咀嚼装置需处理的信息量适中，在初期样机

17、开发阶段时需要处理器具有较灵活的反馈能力，比较适合采用中高档单处理器式控制28。目前，咀嚼装置可用的集中式控制器主要有 ARM、PMAC 和 DSP 等控制器。 模糊 PID 控制： 模糊控制建立在人工控制经验的基础上，具有两个优点：（1）模糊控制在许多场合可以使人工控制策略和控制经验得到最大的发挥；（2）模糊控制不需要知道被控对象的精确数学模型就能够实现比较理想的控制29。模糊控制器一般由模糊化接口、知识库、模糊规则库、推理机和解模糊接口组成30。 结合传统 PID 控制与先进的专家系统，以实现系统的最佳控制。将操作人员长期实践积累的经验知识用控制规则进行模型化。模糊理论解决了操作人员不易进

18、行精确描述的实践经验。因此运用模糊数学把规则的条件、操作用模糊集来表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息作为知识规律存入知识库中，然后计算机根据控制系统的实际情况，运用模糊推理，即可自动实现对PID 参数的最佳调整，这就是模糊自适应 PID 控制31。 利用模糊 PID 控制器对咀嚼装置的咀嚼轨迹进行跟踪的仿真。咀嚼装置的轨迹通过下颌骨平台上的一个参考点的运动轨迹来定义。仿真结果显示：各 7 个参考点中切牙处的位移最大，磨牙处其次，髁突处最小，似香蕉的扁圆空间曲线，这与人类咀嚼时的真实轨迹是相似的，仿真中，形状为类驱动杆的位置误差没有随时间而消减，这是由于咀嚼机器人的并联结构具有强祸合性和非线

19、 性，模糊 PID 不能够完全解决这一问题，而只能使误差减小到一定范围32。 4.结论和展望本文介绍了牛肉嫩度的自动化检测设备的研究现状，以及研究内容。食品咀嚼装置是新型的仿真检测设备，代替了传统人工的食品评估工作，真实可靠性更强。对食品仿真咀嚼装置进行深入的研究能进一步推进我国食品业机械装备自动化的发展。但是到目前为止，咀嚼装置普遍存在模拟人类咀嚼的真实程度不高的问题，同时咀嚼装置的适应性和自动化水平还不够高，不能够适应形态、质地各异的食品。如何提高模拟的真实度，且能够自主可靠地完成咀嚼评 估减少人的参与将是咀嚼装置研究的重要方向。 8 参 考 文 献1麻海峰，杨光辉. 牛肉的营养价值及排酸

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