楊 彪 王 凱 韓天宇 朱新華 郭文川,2

(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(yè)農村部農業(yè)物聯網重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

牛乳是人類利用最多的動物乳，占乳品消費量的95%[1]。蛋白質含量是牛乳最重要的品質指標之一，因此備受牛乳生產者、加工者和消費者的關注。文獻[2]規(guī)定：生鮮乳蛋白質含量(質量比)應在2.8 g/(100 g)以上。因而檢測牛乳中的蛋白質含量成為牛乳品質檢測的一個常規(guī)項目。文獻[3]中規(guī)定了兩種牛乳蛋白質含量檢測方法，分別是凱氏定氮法和分光光度法。雖然這兩種方法具有檢測結果穩(wěn)定和檢測精確的優(yōu)點，但所需儀器昂貴、操作繁瑣、費時、需要專業(yè)人員操作，而且不能用于現場檢測。

為了探索新型的蛋白質檢測方法，國內外研究者分別采用近紅外光譜法[4-6]、中紅外光譜法[7-8]、拉曼光譜法[9-10]、激光散射法[11]、紫外分光光度法[12]、超聲波法[13]、杜馬斯燃燒法[14]、染色法[15]、介電特性法[16-18]等檢測乳中的蛋白質含量，取得了較好的研究結果。其中超聲波技術的檢測精度有限[19]，而其他檢測技術所需的儀器依舊比較龐大和昂貴，也僅局限于實驗室檢測。雖然目前有快速的乳成分檢測儀，例如MilkoScan FT+[20]、MilkoScan FT6000[8](丹麥FOSS分析儀器有限公司)，Lactoscan Milk Analyzer[21](保加利亞Milkotronic有限公司)等，但同樣存在儀器價格昂貴，清洗儀器費時，只能用于實驗室檢測等缺點。因此，設計一種價格低廉、檢測迅速、結果可靠、能用于現場檢測的便攜式牛乳蛋白質含量檢測儀對于牛乳生產、加工和消費均有重要的作用。

由于考馬斯亮藍G-250染料中的疏水基團在酸性(磷酸)條件下與蛋白質的疏水微區(qū)具有親和力，通過疏水作用與蛋白質相結合，使得反應后的混合溶液在595 nm處有最大吸光度[22]，基于此，本文以單片機為控制器，設計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驗證。

1 便攜式牛乳蛋白質含量檢測儀設計

1.1 硬件設計

圖1是牛乳蛋白質含量檢測儀的硬件結構圖。該檢測儀主要由單片機、光源模塊、光傳感器模塊、電源模塊和輸入輸出模塊組成。單片機負責數據處理，并控制系統中的其他模塊。光源模塊負責產生光強穩(wěn)定且波長為590～595 nm的入射光；光傳感器模塊將穿過待測樣本的光信號轉換為數字信號，并將攜帶有牛乳蛋白質含量相關信息的數字信號傳送給單片機；電源模塊為整個系統提供穩(wěn)定的電源；輸入輸出模塊完成輸入信息的處理，并將光傳感器的檢測數據和蛋白質含量檢測值反饋給用戶。

圖1 牛乳蛋白質含量檢測儀的硬件結構框圖Fig.1 Structure diagram of portable milk protein content detector

1.1.1單片機

本設計采用STC89C52單片機作為控制核心，該單片機具有512B的數據存儲器和8KB的flash可擦寫程序存儲器。與之配套的電路包括時鐘電路、復位電路、串口通信電路。時鐘電路采用11.059 2 MHz的晶振，串口通信電路采用CH340芯片，用于實現單片機與計算機之間的數據交換。單片機的引腳分配如圖2所示。

圖2 單片機引腳分配圖Fig.2 Pin assignment diagram of single-chip micro-computer

1.1.2光源模塊

由于考馬斯亮藍G-250染料與牛乳中的蛋白質反應后，在595 nm處有最大吸收峰，因此光源模塊的作用是輸出波長為595 nm的光。本設計采用XP-E 3533型LED燈珠(美國CREE公司)作為光源。該燈珠工作電壓為2.0～2.5 V，工作電流350～500 mA，輸出光的波長范圍為590～595 nm，可滿足設計需求。

1.1.3光傳感器模塊

采用GY-30型數字光照傳感器模塊檢測透射光照度。該傳感器模塊采用分辨率為16位的數字型光傳感器芯片BH1750FVI檢測透射光照度，其響應波段為400～700 nm，峰值響應波段為500～600 nm，輸入電壓為3～5 V，滿足設計要求。該傳感器模塊共有5個接口，其中：VCC和GND用于供電；ADDR為器件選擇端口，低電平有效，接GND即可；SCL、SDA分別為串行時鐘線和串行數據線，分別與單片機的P1.0、P1.1接口相連接。單片機與傳感器模塊之間通過I2C協議通信，電路原理圖如圖3所示。

圖3 光傳感器模塊電路原理圖Fig.3 Schematic of used light sensor model

1.1.4電源模塊

為了減輕儀器質量，提高儀器便攜性，采用18650型鋰電池配合DD06CVSA電源管理模塊為整個儀器供電。DD06CVSA電源管理模塊可以將鋰電池輸出的3.6～4.2 V電壓轉換為穩(wěn)定的5.0 V，并輸出2.1 A的電流。

1.1.5輸入輸出模塊

綜合考慮儀器的功能和便攜性，本檢測儀只設計了兩個按鍵，分別是開關鍵和復位鍵。顯示器為液晶顯示器LCD1602，顯示器的電路原理圖如圖4所示，其數據線與單片機P0.0～P0.7接口相連，控制線RS、RW、E分別與單片機P2.0、P2.1、P2.2相連，電阻R1用于控制顯示器的亮度。

圖4 顯示器電路原理圖Fig.4 Schematic of used display

1.1.6整體結構設計

檢測儀整體結構用SolidWorks軟件設計，尺寸為120 mm×90 mm×65 mm，外殼用3D打印技術制作，耗材采用PLA(聚乳酸)。牛乳與考馬亮藍的混合溶液盛于比色皿內，而比色皿置于設計的比色皿支架上。圖5是便攜式牛乳蛋白質含量檢測儀樣機。

圖5 便攜式牛乳蛋白質含量檢測儀樣機Fig.5 Prototype of developed portable milk protein content detector1.外殼 2.顯示器 3.單片機 4.比色皿支架 5.待測樣本

1.2 軟件設計

本檢測儀的軟件在Keil μVision4中使用C51語言編寫。主要包括主函數以及光照度數據采集、數據預處理、蛋白質含量計算和顯示子函數等。其中，主函數，主要完成光傳感器模塊等主要元器件的初始化、協調各子函數運行等；光照度數據采集子函數和數據預處理子函數，主要完成光傳感器與單片機數據交換和光照度數據的預處理；蛋白質含量計算子函數負責根據光傳感器輸出的數據計算出樣本的蛋白質含量；顯示子函數負責將檢測結果顯示至顯示器?？刂栖浖鞒倘鐖D6所示。

圖6 檢測儀軟件流程Fig.6 Program flow chart of developed detector

2 試驗材料與方法

2.1 材料

試驗用牛乳樣本購自陜西省楊凌區(qū)某牛場，奶牛品種為“荷斯坦”。每天隨機采集4～6頭奶牛的牛乳，共采集35份牛乳樣本。樣本采集后30 min內帶回實驗室置于4℃環(huán)境下冷藏。試驗前將樣本取出恢復至室溫(25℃)時進行試驗。所有樣本在采集后10 h內完成試驗。

2.2 試驗方法

2.2.1牛乳蛋白質含量測量

牛乳樣本蛋白質含量用Kjeltec 8400型全自動凱氏定氮儀(丹麥FOSS分析儀器有限公司)測量，具體測量方法參考文獻[3]。

2.2.2考馬斯亮藍溶液配制

使用FA2104N型電子分析天平(上海菁海儀器有限公司)準確稱量100 mg的粉末狀考馬斯亮藍G-250染料(安徽酷爾生物工程有限公司)，將其加入50 mL 95%的酒精中，待充分溶解后，再向該酒精溶液中加入100 mL 85%的磷酸，用蒸餾水將反應后的溶液稀釋并定容至1 000 mL，最后用中性濾紙過濾，從而得到考馬斯亮藍溶液[23]。

2.2.3牛乳-考馬斯亮藍混合液制備

當蛋白質含量為0～0.18 g/(100 g)時，考馬斯亮藍法對蛋白質的檢測精度較高[24]。由于牛乳中蛋白質含量通常為2.8～3.6 g/(100 g)，因此用去離子水對牛乳樣本進行稀釋，稀釋比例為1∶50。進而用移液槍吸取5 mL稀釋后的牛乳和20 mL考馬斯亮藍溶液放入試管中搖勻，靜置1 min后得到牛乳-考馬斯亮藍混合液。

2.2.4透射光照度測量

打開牛乳蛋白質含量檢測儀的電源，預熱2 min。然后用移液槍取適量的牛乳-考馬斯亮藍混合溶液加入10 mm比色皿(12.5 mm×12.5 mm×45 mm) 中，將比色皿放入檢測儀的比色皿座內，蓋上比色皿蓋和儀器蓋，觀察并記錄顯示屏上給出的透射光照度。每個樣品重復3次，3次測量結果的平均值作為該樣品的測量結果。

3 試驗結果分析與建模

圖7是35個牛乳樣本的蛋白質含量與由檢測儀測得的透射光照度之間的關系。由圖7可知，透射光照度隨牛乳中蛋白質含量的增加而減小，說明牛乳樣本中的蛋白質含量越高，對波長595 nm處的光的吸收作用越強，而透射光照度越小[25]。對牛乳中的蛋白質含量與透射光照度進行線性擬合，決定系數為0.872，可見二者相關性較好，擬合關系式為

P=-0.004 78L+3.27 (R2=0.872)

(1)

式中P——蛋白質含量，g/(100 g)

L——透射光照度，lx

圖7 牛乳蛋白質含量與透射光照度之間的關系Fig.7 Relationship between protein content of milk and illuminance of transmitted light

根據式(1)中牛乳的蛋白質含量與透射光照度之間的關系調整程序，使得該檢測儀直接輸出基于透射光照度計算得到的牛乳蛋白質含量。

4 儀器性能檢驗

為了對設計的便攜式牛乳蛋白質含量檢測儀的性能進行驗證，另取21份牛乳樣本分別用凱氏定氮法和本儀器測量其蛋白質含量，測量結果如圖8所示。圖8說明，測量結果緊密地分布在45°線的附近。同凱氏定氮法的測量結果相比，當牛乳蛋白質含量在2.54～2.95 g/(100 g)范圍內時，本檢測儀的絕對誤差范圍是±0.08 g/(100 g)，平均絕對誤差為0.05 g/(100 g)?？梢姳緝x器對于牛乳中蛋白質含量的檢測具有良好的檢測精度。此外，該儀器測量每個樣品蛋白質含量的時間小于2 s。

5 結論

(1)基于考馬斯亮藍染色法原理設計了由單片機、光源模塊、光傳感器模塊、電源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，用C51語言編寫了儀器的控制軟件，實現了檢測透射光照度和牛乳蛋白質含量的功能。

(2)透射光照度與蛋白質含量之間具有良好的線性關系，線性決定系數為0.872。

(3)對本儀器的檢測性能驗證試驗結果表明，與基于凱氏定氮法測量牛乳中蛋白質含量的結果相比，本檢測儀的絕對誤差范圍是±0.08 g/(100 g)，平均絕對誤差為0.05 g/(100 g)，可以較準確地檢測牛乳中的蛋白質含量。此外，該檢測儀的檢測時間小于2 s。