沈慧星 陶涵虓 潘慧瑤 張?zhí)焯?滕卓然 周 梅

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

目前，市場上出售的冷藏魚有冰鮮魚和解凍魚兩種。冰鮮魚是指捕獲后一直保藏在4℃以下而未凍結(jié)的魚，通常貯藏時(shí)間在10 d以內(nèi)；解凍魚是指捕獲后經(jīng)過冷凍貯藏(-18℃以下)一段時(shí)間再解凍的魚，魚在冷凍貯藏時(shí)可以貯藏6～12個(gè)月，具有較長的貯藏期[1]。冰鮮魚的肉質(zhì)風(fēng)味和口感較佳，且營養(yǎng)價(jià)值較高，通常市場價(jià)格高于解凍魚[2-3]。一些經(jīng)銷商為了追求利潤，將解凍魚作為冰鮮魚銷售，嚴(yán)重?fù)p害了消費(fèi)者利益。因此有必要對冰鮮魚和解凍魚進(jìn)行鑒別[4]。人工鑒別這兩種魚較為困難，且目前還沒有快速有效的鑒別方法。因此，快速、有效地鑒別冰鮮魚和解凍魚成為急需解決的技術(shù)問題。

關(guān)于魚類等水產(chǎn)品的品質(zhì)檢測國內(nèi)外已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[5-14]。這些研究能較為直觀地檢測魚類等水產(chǎn)品的鮮度，但是大多是從生物化學(xué)角度出發(fā)[15-18]，對魚體貯藏方式(冷凍和冰鮮)的檢測尚未見報(bào)道。

魚體凍結(jié)后，由于冰晶的形成而擠壓細(xì)胞，造成魚體部分細(xì)胞的破裂，導(dǎo)致解凍后部分液汁流失。而液汁中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味物質(zhì)(如游離氨基酸、肌苷酸等物質(zhì))，因此導(dǎo)致魚的口感和營養(yǎng)品質(zhì)顯著降低[19-20]。與解凍魚不同，冰鮮魚魚體一直貯藏在0～4℃的條件下，魚體沒有經(jīng)過凍結(jié)，較好地保持了魚肉的營養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味物質(zhì)。

生物體由大量細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞之間的液體可視為電介質(zhì)。當(dāng)直流或低頻電流施加于魚體時(shí)，電流主要流經(jīng)細(xì)胞外液；當(dāng)頻率增加，部分電流將穿過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)液，阻抗變小。阻抗隨頻率的增大而減小，反映了魚體細(xì)胞膜的電容特性[21-22]。因此，可以通過魚體的阻抗判別魚體的貯藏方式。

由于單片機(jī)系統(tǒng)具有集成度高、使用方便、可靠性高、處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快等優(yōu)勢，本文采用單片微控制器系統(tǒng)Arduino開發(fā)板作為中央處理器，提出一種基于Arduino單片機(jī)系統(tǒng)和生物阻抗的魚體貯藏方式檢測技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用魚體于2019年6月10日在北京市農(nóng)貿(mào)市場和大型超市購買，有鯽魚和鯉魚兩個(gè)品種。每條魚質(zhì)量為200～1 000 g，體長為16～45 cm。將鮮活魚擊打致死后在0～4℃的環(huán)境中貯藏9 d，以此作為試驗(yàn)中的冰鮮魚。將鮮活魚擊打致死后置于-18℃冰箱中分別冷凍1、5、10、30 d，再在0～4℃的環(huán)境中解凍，以此作為試驗(yàn)中的解凍魚。

1.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中采用的單片機(jī)系統(tǒng)是Arduino單片機(jī)系統(tǒng)。Arduino是一款開源電子原型平臺，包含硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。Arduino單片機(jī)系統(tǒng)的核心是ATMEGA系列單片機(jī)，搭配一些周邊器件，安裝在印刷電路板上，能夠獨(dú)立完成設(shè)定的功能。

該檢測系統(tǒng)如圖1所示，由信號發(fā)生電路、測量電路、信號采集電路、中央處理器、顯示終端等5個(gè)模塊構(gòu)成。

信號發(fā)生電路：由Arduino Uno開發(fā)板構(gòu)成，編寫程序可利用Arduino Uno開發(fā)板產(chǎn)生不同頻率的PWM(脈沖寬度調(diào)制)波，作為整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號。

測量電路：由200 Ω定值電阻、金屬夾、導(dǎo)線等構(gòu)成，與信號發(fā)生電路串聯(lián)在一起，當(dāng)魚接入金屬夾兩端時(shí)，電路形成通路，產(chǎn)生電流。

信號采集電路：由兩個(gè)高頻交流電壓傳感器構(gòu)成，將兩個(gè)高頻交流電壓傳感器分別并聯(lián)在定值電阻和魚體兩端，可測量定值電阻和魚體兩端的高頻電壓信息。

中央處理器：由Arduino Mega 2560開發(fā)板構(gòu)成，該模塊與高頻交流電壓傳感器相連，可獲取定值電阻和魚體兩端的電壓信息，并按照事先燒錄的程序進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。

顯示終端：由LCD顯示屏構(gòu)成，該模塊與Arduino Mega 2560開發(fā)板相連，獲取開發(fā)板傳輸?shù)慕Y(jié)果信息，將判斷結(jié)果顯示在顯示屏上。

其中，將高頻交流電壓傳感器與Arduino Mega 2560開發(fā)板共地連接，保證傳感器中的信息能夠傳輸?shù)紸rduino Mega 2560開發(fā)板中。用12 V直流電源給高頻交流電壓傳感器供電，用5 V直流電源給Arduino Uno和Arduino Mega 2560開發(fā)板供電，保證系統(tǒng)電路的正常工作。12 V和5 V直流電源的按鈕開關(guān)可控制整個(gè)系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

利用1.2節(jié)設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)，利用Arduino Uno開發(fā)板產(chǎn)生不同頻率的輸入信號，采集不同頻率下的魚體阻抗，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。關(guān)于輸入信號頻率范圍的選取，大量的預(yù)試驗(yàn)表明：直流和低頻電流很難穿過細(xì)胞膜，最低頻率選為1 kHz比較合適；頻率超過16 kHz時(shí)，魚體的阻抗隨頻率增大變化不明顯，頻率越高對儀器的要求也越高。因此基于魚體的導(dǎo)電機(jī)理，輸入信號的頻率范圍選為1～16 kHz最為合適。對于魚體阻抗的測量，采用伏安法，將待測魚體接入檢測系統(tǒng)后，通過兩個(gè)高頻交流電壓傳感器分別采集魚體和定值電阻兩端電壓信息，并傳送到Arduino Mega 2560單片機(jī)系統(tǒng)中。由歐姆定律算出魚體阻抗，并將結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。數(shù)據(jù)采集與處理的具體步驟如下：將魚體接入檢測系統(tǒng)，并打開電源開關(guān)；利用Arduino Uno開發(fā)板產(chǎn)生1～16 kHz的交流信號，根據(jù)LCD顯示屏上顯示的結(jié)果記錄不同頻率下的魚體阻抗，并描繪出阻抗與頻率的關(guān)系曲線；計(jì)算并記錄當(dāng)頻率從1 kHz到16 kHz時(shí)魚體阻抗的相對變化率。阻抗相對變化率的計(jì)算公式為：(ZL-ZH)/ZH，其中，ZL和ZH分別表示電路頻率為1 kHz和16 kHz時(shí)所對應(yīng)的魚體阻抗。

1.4 檢測技術(shù)及方法

按照1.3節(jié)所述方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理并繪圖之后，分析并總結(jié)圖中規(guī)律，并以此規(guī)律進(jìn)一步設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)，改善程序，最終實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)系統(tǒng)和生物阻抗的魚體貯藏方式檢測技術(shù)。

該魚體貯藏方式的檢測步驟如下：用金屬夾夾住待測魚兩端，金屬夾緊貼于待測魚表面，使魚體接入電路；打開12 V和5 V直流電源開關(guān)，使電路通電；利用信號發(fā)生電路分別產(chǎn)生頻率為1 kHz和16 kHz的交流信號；信號采集電路分別采集定值電阻和魚體兩端的電壓信號；中央處理器接收信號采集電路收集的電壓信號，按照事先燒錄的程序，進(jìn)行分析計(jì)算，得出魚體阻抗的相對變化率，并與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，最終判定出魚的貯藏方式，其中，設(shè)定的參數(shù)由1.3節(jié)的試驗(yàn)及分析結(jié)果確定；中央處理器將信息傳輸給顯示終端，儀器頂部的顯示終端顯示出檢測結(jié)果。

該檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：將魚體接入電路后即可實(shí)現(xiàn)檢測，對魚體沒有損傷；用編程代替復(fù)雜的人工計(jì)算，結(jié)果更加穩(wěn)定可靠；利用單片機(jī)搭建電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動檢測，方便快捷、簡單實(shí)用。

2 結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)中對鯽魚和鯉魚兩個(gè)品種進(jìn)行了檢測，為排除其他因素干擾，使得試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，分別測定了冰鮮1、3、5、7、9 d和冰凍1、5、10、30 d后解凍的鯽魚和鯉魚在不同頻率下的魚體阻抗。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理、繪圖，分析并總結(jié)規(guī)律，進(jìn)一步設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)，改善程序，得到最終的魚體貯藏方式檢測系統(tǒng)。用最終的檢測系統(tǒng)檢測另外200條魚的貯藏方式，其中冰鮮鯉魚、解凍鯉魚、冰鮮鯽魚、解凍鯽魚各50條。將檢測結(jié)果與實(shí)際貯藏方式進(jìn)行對比，計(jì)算出檢測的準(zhǔn)確率，并對該方法的可靠性進(jìn)行分析。

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

不同貯藏時(shí)間解凍和冰鮮魚的阻抗-頻率曲線如圖2所示。

由圖2可知，無論是冰鮮還是解凍魚，在同一頻率下的阻抗均隨著貯藏時(shí)間的延長而降低；在同一貯藏時(shí)間下，解凍與冰鮮魚的阻抗均隨著頻率的增大而減小，但冰鮮魚阻抗隨頻率的減小幅度明顯高于解凍魚。因此，按照1.3節(jié)和1.4節(jié)的步驟，本試驗(yàn)進(jìn)一步研究阻抗隨頻率變化的幅度，即阻抗的相對變化率。圖3是不同品種的冰鮮魚和解凍魚的阻抗相對變化率-貯藏時(shí)間關(guān)系曲線。

由圖3可知，雖然不同種類魚的阻抗相對變化率不同，但從總體上看，冰鮮魚的阻抗相對變化率均明顯大于解凍魚的阻抗相對變化率。冰鮮魚的阻抗相對變化率均大于100%，而解凍魚的阻抗相對變化率均小于100%。因此，可以以魚體的阻抗相對變化率是否大于100%來鑒別魚的貯藏方式，若魚體的阻抗相對變化率大于100%則為冰鮮魚，若魚體的阻抗相對變化率小于100%則為解凍魚。

2.2 系統(tǒng)檢測技術(shù)流程

根據(jù)1.4節(jié)的檢測方法，并結(jié)合2.1節(jié)得出的結(jié)論，本試驗(yàn)進(jìn)一步完善系統(tǒng)和程序。其中，中央處理器接收到電壓信號后，計(jì)算出頻率從1 kHz到16 kHz時(shí)魚體阻抗的相對變化率，并與100%進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷出是冰鮮魚還是解凍魚并輸出最終結(jié)果。完整的魚體貯藏方式檢測技術(shù)流程如圖4所示。

將金屬夾夾在魚體兩端即可實(shí)現(xiàn)自動檢測，該系統(tǒng)顯示的檢測結(jié)果如圖5所示，有“冰鮮魚”和“解凍魚”兩種檢測結(jié)果。當(dāng)放入魚體時(shí)，系統(tǒng)能夠快速顯示出是冰鮮魚或解凍魚的檢測結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了魚體貯藏方式的自動檢測。

2.3 檢測驗(yàn)證試驗(yàn)

本試驗(yàn)另外選取200條不同種類的草魚和羅非魚(冰鮮魚與解凍魚各100條)作為樣本，利用系統(tǒng)對其進(jìn)行檢測，將顯示的檢測結(jié)果與其實(shí)際貯藏方式進(jìn)行記錄與比對，分別統(tǒng)計(jì)冰鮮魚和解凍魚的檢測正確條數(shù)、檢測錯(cuò)誤條數(shù)，計(jì)算出檢測的準(zhǔn)確率(正確檢測條數(shù)占總條數(shù)的比例)，并以檢測的準(zhǔn)確率作為指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

對200條魚檢測和統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，檢測的準(zhǔn)確率為95%，其誤差的產(chǎn)生可能由于魚體表面未清理干凈，如表面的粘液對結(jié)果產(chǎn)生影響，也可能存在一些未探究到的原因。由操作過程和試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)放上魚體后能夠迅速顯示出檢測結(jié)果，且檢測準(zhǔn)確率較高，因此該方法兼具高效性與可靠性。

表1 魚體貯藏方式檢測結(jié)果Tab.1 Detection results of fish storage methods

3 結(jié)論

(1)針對魚體貯藏方式(冰鮮與冷凍)難以區(qū)分判斷的問題，提出一種基于單片機(jī)系統(tǒng)和生物阻抗的魚體貯藏方式快速檢測技術(shù)。利用Arduino單片機(jī)系統(tǒng)和其他電路元件搭建完整的電路檢測系統(tǒng)，通過大量試驗(yàn)得出魚體在信號頻率為1 kHz和16 kHz時(shí)阻抗的相對變化率與魚體貯藏方式的關(guān)系，即冰鮮魚的阻抗相對變化率大于100%，解凍魚的阻抗相對變化率小于100%。

(2)該檢測技術(shù)原理為：將待測魚體接入檢測系統(tǒng)后，改變電路輸入的交流信號頻率，分別獲取交流信號頻率為1 kHz和16 kHz時(shí)電路中的電壓信息，然后計(jì)算出信號頻率從1 kHz到16 kHz時(shí)魚體阻抗的相對變化率，當(dāng)阻抗相對變化率小于100%時(shí)檢測結(jié)果為解凍魚，反之則為冰鮮魚，并在顯示終端上輸出檢測結(jié)果。

(3)該檢測技術(shù)操作簡單、便捷，在檢測過程中對魚體沒有損傷，且識別過程準(zhǔn)確高效，檢測準(zhǔn)確率可達(dá)95%。