惠鵬飛， 王艷春， 夏 穎， 周喜權(quán)

(齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006)

0 引言

豆?jié){凝結(jié)是國際研究的熱點課題，豆?jié){加入催化劑后在熱力的作用下形成豆腐，豆?jié){的凝膠過程對豆腐的質(zhì)量影響很大。分析豆?jié){凝結(jié)過程的方法有:超聲波法、分形幾何法、流變法、電子掃描法、光散射法等等［1-5］。但是，這些方法需要昂貴的設(shè)備和復雜的程序，且豆?jié){膠體具有破壞性又不能做到實時分析。為了不破壞豆?jié){凝結(jié)過程，本文采用表面紋理分析法。該方法是用攝像機一直拍攝豆?jié){凝結(jié)過程，將拍攝的視頻直接送入電腦中，并每隔15 s對視頻進行一次截圖，用Matlab程序?qū)D像做表面紋理分析。這種方法最大的好處就是可以實時分析豆?jié){的變化且不破壞豆?jié){成分，具有簡便、價格低廉、快速等優(yōu)點，可以在實際的生產(chǎn)生活中加以應(yīng)用，得到優(yōu)質(zhì)的豆腐。

1 大豆蛋白的凝結(jié)機理

大豆蛋白中蛋白質(zhì)分子包含了酸性和堿性兩性基團，在不同的pH值條件下，蛋白質(zhì)分子帶有不同性質(zhì)和不同電荷量的電荷。在豆?jié){溶液pH 4．5時，蛋白質(zhì)分子所帶總電荷為零，該值被稱為大豆蛋白等電荷點［6］。在加入鹽類催化劑(如二水硫酸鈣)前，豆?jié){的pH值為7．1，遠大于pH4．5，豆?jié){中的蛋白質(zhì)電荷呈負電(即堿性)，蛋白質(zhì)分子間的靜電斥力占主導地位，因此相互難以靠近，不能結(jié)合在一起。加入鹽類催化劑后，一方面豆?jié){中的pH降低;另一方面鹽中的正離子(如:Ca+，Mg+)屏蔽了蛋白質(zhì)的部分負電荷，從而使蛋白質(zhì)間的靜電斥力減弱，隨著鹽離子濃度的增加，豆?jié){的pH向大豆蛋白等電荷點方向降低，同時對蛋白分子的靜電屏蔽作用增強，使得大豆分子間的斥力進一步降低，引力增加，結(jié)合速率加快。當分子間的斥力(靜電作用)大于引力(疏水作用、氫鍵)時，蛋白質(zhì)分子形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［7］。隨著凝固物的進一步收縮，大量水被排出，結(jié)塊出現(xiàn)。當凝膠介質(zhì)的pH降低到大豆蛋白的等電荷點時，凝膠速率達到最大值;之后，鹽類催化劑繼續(xù)水解，使分子間重新產(chǎn)生靜電斥力，于是豆?jié){凝結(jié)速率降低;之后溶液逐漸趨于穩(wěn)定。

2 實驗設(shè)計

2．1 實驗材料與儀器

(1)材料。精選優(yōu)質(zhì)大豆，石膏(CaSO4·2H2O)，常溫下的純凈水。

(2)儀器。恒溫磁力攪拌器，超級恒溫水浴，豆?jié){機，電磁爐，酸度計，pH試紙，天平，燒杯。

圖2 加入石膏前后的豆?jié){圖像

2．2 實驗方法

(1)豆?jié){溶液制備。室溫下，取300 g除雜后的精選大豆，水洗后在室溫下浸泡6～8 h，經(jīng)磨碎后得到漿渣混合物，稱為豆糊。加入熱水(95℃)并攪拌浸出蛋白質(zhì)，過濾除渣，通過加入適量的水得到濃度為6%的生豆?jié){;生豆?jié){以0．38℃/s持續(xù)加熱到95℃，恒溫5 min后，再冷卻至常溫便可得到熟豆?jié){［8］。

(2)石膏溶液的制作。在60℃的恒溫水中加入粉碎的石膏，攪拌至完全溶解，配置成濃度為0．5 g/ml的石膏溶液。

(3)蛋白質(zhì)聚集體的制作。在100 mL熟豆?jié){中，加入0．5 g/mL石膏溶液5 g后，在恒溫磁力攪拌器下攪拌5 min，然后放入95℃恒溫水浴鍋中加熱30 min，此時凝結(jié)開始，可以進行下一步的觀測實驗。

2．3 蛋白質(zhì)凝結(jié)過程的測定

實驗裝置如圖1所示，將熟豆?jié){倒入95℃恒溫水浴鍋中加熱，上方為CCD攝像頭，兩邊為日光燈，攝像頭拍攝的視頻直接錄入電腦中。

圖1 實驗原理圖

2．4 實驗結(jié)果

從加入催化劑后開始錄制，錄制30 min，15 s截取一幅圖像，共120幅圖像。從這120幅圖像中分別挑出不同時間的具有代表性的圖像，如圖2所示。

2．5 實驗結(jié)果分析

從圖2可以看出，剛開始豆?jié){反應(yīng)不劇烈，5 min時出現(xiàn)微小顆粒，10 min后出現(xiàn)明顯沉淀，20 min出現(xiàn)較大顆粒，30 min后出現(xiàn)絮狀物，即出現(xiàn)凝膠狀態(tài)。

3 圖像紋理分析

像素是一副圖像的基本組成要素，有兩種信息包含在每個像素點上:亮度和位置，這兩種要素分別代表了圖像的顏色和形狀。但圖像還包含有一種重要的信息:紋理，它們反映了物體表面顏色和灰度的某種變化。這些變化與物體本身的屬性相關(guān)。紋理分析是指用圖像像素亮度的變化來度量圖像的粗糙、平滑、柔軟和起伏等等［9］。紋理分析可分為:①統(tǒng)計紋理分析;②結(jié)構(gòu)紋理分析;③基于模型的紋理分析;④基于轉(zhuǎn)換的紋理分析［10］。

計算圖像紋理特征的方法有很多種，本文選用改進后的Laws紋理能量測量法［11］，這種方法是基于轉(zhuǎn)換的紋理分析技術(shù)，是一階統(tǒng)計方法。所謂一階統(tǒng)計方法是根據(jù)某個像素單元及其鄰域的灰度分布或某種屬性去做紋理測量。而對一對像素單元及其鄰域的灰度組合分布作紋理測量的方法，常稱為二階統(tǒng)計分析方法，比如灰度共生矩陣［12］。顯然一階統(tǒng)計方法比二階簡單。因此一階統(tǒng)計方法是人們研究的熱點。Laws紋理測量的基本思想是設(shè)置2個窗口:1個是微窗口，可為3×3、5×5或7×7矩陣，常取3×3矩陣用來測量以像元為中心小區(qū)域的灰度的不規(guī)則性，以提取圖像屬性，稱為微窗口濾波;另一個為宏窗口，為15×15或32×32矩陣，用來在更大的窗口上求屬性的一階統(tǒng)計量(均值和標準偏差)，又稱之為能量變換。Laws研究了如何對每個像素做濾波的模板f(x，y)→微窗口濾波→F(x，y)→能量轉(zhuǎn)換→E(x，y)→分量旋轉(zhuǎn)→C(x，y)→分類→M(x，y)［13］，并研究了濾波模板的選定。首先定義了一維濾波模板，然后通過卷積形成系列一維濾波矩陣和二維濾波矩陣，用來檢測和度量紋理的結(jié)構(gòu)信息。他選定的三組一維濾波模板是:

0°、45°、90°和 135°這 4 個方向的卷積矩陣如圖 3所示。本文選擇0°和90°進行轉(zhuǎn)換，即坐標軸的x軸和 y軸，0°和90°2 個矩陣又叫 Sobel算子［14］。

y方向的Sobel算子:

x方向的Sobel算子:

圖3 灰度共生矩陣的參數(shù)矩陣

將原圖像中的每個像素點和這2個矩陣進行卷積，卷積的結(jié)果就是該點在x、y方向上的梯度。通過得到該點的梯度值，利用Ti=mean(Gi)將每點的梯度相加取平均后得到該幅圖像的梯度值Ti，每幅圖像的梯度值就是我們要提取的這幅圖像的紋理特征。該梯度值也就代表了凝結(jié)速率值［15］。

利用Matlab 2010作為圖像數(shù)據(jù)分析工具，對實驗過程的每幅圖像進行計算分析。120幅圖像輸入到Matlab中得到120個值，其隨時間在圖中表示出后，可以得到豆?jié){在凝結(jié)過程中的一些基本信息，凝結(jié)豆?jié){圖像紋理變化曲線如圖4所示。

圖4 凝結(jié)豆?jié){紋理變化曲線

從圖4可以看出，剛開始梯度值是減小的，這是因為在高溫下大量的脂肪球先流動到溶液表面，影響了觀察。而表面下蛋白質(zhì)開始逐漸凝結(jié)，隨著蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的形成，脂肪粒也逐漸被包含到網(wǎng)絡(luò)中，豆?jié){凝結(jié)逐漸顯現(xiàn)，梯度值開始增大。圖中綠點(約2．5 min處)代表梯度最小值，可以認為從該點開始蛋白質(zhì)分子開始凝聚，溶液pH逐漸降低;在紅點處(約10 min處)凝結(jié)速率達到最大，在該點曲線的斜率也最大，此時蛋白凝結(jié)介質(zhì)的pH降低到大豆蛋白的等電荷點，溶液呈中性。之后溶液逐漸呈正電性，分子間斥力加大，蛋白凝結(jié)速率降低，但蛋白質(zhì)依然在凝結(jié)中，所以梯度值依然在上升。從圖中可以看出，由灰度共生矩陣提取的梯度能近似地反映大豆蛋白的凝結(jié)過程。

4 結(jié)語

提出一種能夠監(jiān)測豆?jié){凝結(jié)特性的新方法，利用紋理分析法對豆?jié){凝結(jié)特性進行分析和計算，表面紋理分析是基于自由運動理論，類似于布朗運動，分子的運動是不受限制的。該方法避免了對豆?jié){膠體產(chǎn)生破壞，具有實時分析、簡單快速、價格低廉等優(yōu)點。

紋理分析法同樣可用于其他有關(guān)蛋白質(zhì)凝結(jié)的實驗，如:血漿凝結(jié)實驗、牛奶凝結(jié)實驗等等，若對該方法做更深入的研究，則需要加入其他變量，如凝結(jié)過程中酶濃度的變化，凝結(jié)過程中脫水的多少等等。

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