CN102169092B - 一种基于光子辐射检测禽蛋新鲜度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于光子辐射检测禽蛋新鲜度的方法，用蒸馏水洗净待测禽蛋，并对表面消毒，在黑暗中放置1-10分钟，应用基于单光子检测的测量系统测定禽蛋的自发光子辐射ISL；将禽蛋用外来强激发光照射一定时间，用基于单光子检测的测量系统测定其受光激发后在一定时间T内的延迟发光，经过数学拟合获得在该时间T内的延迟发光积分强度I(T)；定义禽蛋的状态参量Q值和新鲜度K，根据禽蛋的新鲜度K值的大小评价该禽蛋的新鲜程度，评价标准如下：K值的大小在0～1之间，禽蛋的K值越接近于0，该禽蛋越新鲜；K值越接近于1，该禽蛋的新鲜度越差。本方法具有快速、精确、无损的特点，并通过实验证明了这种方法的可靠性和可操作性。

Description

一种基于光子辐射检测禽蛋新鲜度的方法

技术领域

本发明属于生物检测技术领域，涉及一种评价和检测禽蛋新鲜度的方法，具体涉及一种基于光子辐射检测禽蛋新鲜度的方法。

背景技术

禽蛋具有很高营养价值，是人类的主要食品之一。目前国内外市场上禽蛋消费以鲜蛋为主，占总蛋品消费的90％以上。由于禽蛋是生物体，容易受内外环境因素的影响而发生品质劣变，因此，在禽蛋的存储、运输、加工和销售中必须对禽蛋新鲜度进行检测与分级。国际上衡量禽蛋新鲜度的指标有哈夫单位、气室高度、蛋黄指数、蛋白高度和整蛋密度等生物学指标。其中，哈夫单位是根据蛋白高度与禽蛋质量之间的回归关系计算出的一个指数，美国农业部将其规定为蛋品新鲜度的指标，用来反映禽蛋的新鲜度。哈夫单位已成为国际上评定蛋品新鲜度的主要标准。但是，由于哈夫单位等生物学指标的获得具有测量周期长和破坏性测量等缺点，并且对于成批蛋品只能进行抽样测量，因此，如何利用各种高新技术实现禽蛋新鲜度快速、无损检测成为有关检测技术的发展方向。目前，利用禽蛋的电学性质(电导率)、光学性质(红外光谱和荧光光谱)和声学性质(振动)以及计算机视觉、电子鼻等技术检测禽蛋新鲜度都有研究，但是至今没有形成成熟的技术指标和测量方法。

我们的研究发现，禽蛋作为一个生物体系，其在储存过程中会发射出生物光子，这种生物光子与禽蛋新鲜度(哈夫单位)之间存在着必然联系。如果能够找出存储过程中禽蛋光子辐射特征与禽蛋新鲜度之间的相互关系，就可以通过测量禽蛋光子辐射实现禽蛋新鲜度的无损检测。根据这一思路，本发明提出一种基于光子辐射的禽蛋新鲜度描述、分析和测量方法，该方法具有快速、精确、无损的特点，并通过实验证明了这种方法的可靠性和可操作性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光子辐射检测禽蛋新鲜度的方法，解决现有的检测禽蛋新鲜度的方法具有破坏性、测量周期长、定性分析和检测不准确的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于光子辐射检测禽蛋新鲜度的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：用蒸馏水洗净待测禽蛋，并对表面消毒，在黑暗中放置1-10分钟，应用基于单光子检测的测量系统测定禽蛋的自发光子辐射I_SL；

步骤2：将禽蛋用外来强激发光照射一定时间，用基于单光子检测的测量系统测定其受光激发后在一定时间T内的延迟发光，经过数学拟合获得在该时间T内的延迟发光积分强度I(T)；

步骤3：定义禽蛋的状态参量Q值和新鲜度K为：

$Q=\frac{I\left(T\right)}{I_{\mathrm{SL}}T},$

$K=1-\frac{Q}{Q_0},$

其中，T为延迟发光的测量时间，I_SL为禽蛋单位时间的自发光子辐射，Q₀为禽蛋初态的状态参量，Q为禽蛋在存贮过程中某一天的状态参量，将延迟发光积分强度I(T)、禽蛋单位时间的自发光子辐射I_SL、禽蛋在存贮过程中某一天的状态参量Q、禽蛋初态的状态参量Q₀代入上式，得到禽蛋的新鲜度K，根据禽蛋的新鲜度K值的大小评价该禽蛋的新鲜程度，评价标准如下：K值的大小在0～1之间，禽蛋的K值越接近于0，该禽蛋越新鲜；K值越接近于1，该禽蛋的新鲜度越差。

本发明的特点还在于，

其中步骤2中的经过数学拟合获得在该时间T内的延迟发光积分强度I(T)，具体按照以下步骤实施：

a.将禽蛋系统延迟发光动力学方程表达为

$I\left(t\right)=\frac{I_0}{{(1+\frac{t}{\mathrm{\τ}})}^{\mathrm{\β}}},$

其中，β、τ和I₀为常量，t为测量时间，

将上式在一个测量周期T内积分得到延迟发光积分强度I(T)的表达式：

$I\left(T\right)=\frac{\mathrm{\τ}{I}_0}{\mathrm{\β}-1}[1-\frac{1}{{(1+T/\mathrm{\τ})}^{\mathrm{\β}-1}}];$

b.将待测禽蛋用外来激发光照射后，用基于单光子检测的测量系统测量禽蛋受光激发后延迟发光随时间t的变化曲线；

c.将上步得到的延迟发光随时间的变化曲线按步骤a中的延迟发光动力学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数：I₀、τ和β；

d.将一个测量周期T和延迟发光特征参数I₀、τ和β代入步骤a中I(T)的表达式，得到延迟发光积分强度I(T)。

其中步骤2中的经过数学拟合获得在该时间T内的延迟发光积分强度I(T)，具体按照以下步骤实施：

a.将延迟发光动力学方程表达为

$I\left(t\right)=I_0+I_1{e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_1}+I_2{e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_2},$

其中，I₀、I₁、I₂和τ₁、τ₂为常量，将上式在一个测量周期T内积分得到I(T)的表达式：

$I\left(T\right)=I_{0}T+I_1{\mathrm{\τ}}_1[1-\exp (-\frac{T}{{\mathrm{\τ}}_1})]+I_2{\mathrm{\τ}}_2[1-\exp (-\frac{T}{{\mathrm{\τ}}_2})];$

b.将待测禽蛋用外来激发光照射，用基于单光子检测的测量系统测量该禽蛋受光激发后的延迟发光随时间t的变化曲线；

c.将上步得到的延迟发光随时间的变化曲线按步骤a中的延迟发光动力学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数：I₀、I₁、I₂、τ₁、τ₂；

d.将一个测量周期T和延迟发光特征参数I₀、I₁、I₂、τ₁、τ₂代入步骤a中I(T)的表达式，得到延迟发光积分强度I(T)。

其中步骤3中的Q₀的获得，具体按照以下步骤实施：

步骤1：将刚产下的新鲜禽蛋用蒸馏水洗净，并对表面消毒，在黑暗中放置1-10分钟，应用基于单光子检测的测量系统测定禽蛋单位时间的自发光子辐射I_SL；

步骤2：将该禽蛋用外来激发光照射一定时间，用测量系统测定其受光激发后在一定时间T内的延迟发光，经过数学拟合获得在该时间T内的延迟发光积分强度I(T)；

步骤3：将上述得到的刚产下禽蛋单位时间的自发光子辐射I_SL、延迟发光积分强度I(T)和延迟发光测量时间T代入公式

得到刚产鲜蛋的状态参量Q₀。

本发明的有益效果是，提出基于光子辐射的禽蛋新鲜度的描述、分析和测量方法，并通过实验证明了这种方法的可靠性和可操作性，为开发相应的技术应用奠定了基础。

附图说明

图1是本发明实施例中得到的基于光子辐射的新鲜度指标K值与现有指标哈夫单位H_u的关系曲线；

图2是本发明实施例中得到的基于光子辐射的新鲜度指标K值与蛋黄指数YI的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于光子辐射检测禽蛋新鲜度的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：用蒸馏水洗净待测禽蛋，并对表面消毒，杀死表面微生物。在黑暗中放置几分钟，应用基于单光子检测的测量系统测定禽蛋的自发光子辐射I_SL；

步骤2：将禽蛋用外来强激发光(激光、日光灯、自然光等各种外来光源)照射一定时间，用上述测量系统测定其受光激发后在一定时间T内的延迟发光，经过数学拟合获得在该时间T内的延迟发光积分强度I(T)；具体按照以下步骤实施：

一种方法为：

a.将禽蛋系统延迟发光动力学方程表达为

$I\left(t\right)=\frac{I_0}{{(1+\frac{t}{\mathrm{\τ}})}^{\mathrm{\β}}}---\left(1\right)$

其中，β、τ和I₀为常量，t为测量时间。

将式(1)在一个测量周期T内积分得到延迟发光积分强度I(T)的表达式：

$I\left(T\right)=\frac{\mathrm{\τ}{I}_0}{\mathrm{\β}-1}[1-\frac{1}{{(1+T/\mathrm{\τ})}^{\mathrm{\β}-1}}]---\left(2\right)$

b.将待测禽蛋用外来激发光(激光、日光灯、自然光或其他各种外来光源)照射后，用步骤1中的基于单光子检测的测量系统测量禽蛋受光激发后延迟发光随时间t的变化曲线；

c.将上步得到的延迟发光随时间的变化曲线按步骤a中的延迟发光动力学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数：I₀、τ和β；

d.将一个测量周期T和延迟发光特征参数I₀、τ和β代入步骤a中I(T)的表达式，得到延迟发光积分强度I(T)。

另一种方法为：

a.将延迟发光动力学方程表达为

$I\left(t\right)=I_0+I_1{e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_1}+I_2{e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_2}---\left(3\right)$

其中，I₀、I₁、I₂和τ₁、τ₂为常量，将式(3)在一个测量周期T内积分得到I(T)的表达式：

$I\left(T\right)=I_{0}T+I_1{\mathrm{\τ}}_1[1-\exp (-\frac{T}{{\mathrm{\τ}}_1})]+I_2{\mathrm{\τ}}_2[1-\exp (-\frac{T}{{\mathrm{\τ}}_2})]---\left(4\right)$

b.将待测禽蛋用外来激发光照射，用步骤1中的基于单光子检测的测量系统测量该禽蛋受光激发后的延迟发光随时间t的变化曲线；

c.将上步得到的延迟发光随时间的变化曲线按步骤a中的延迟发光动力学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数：I₀、I₁、I₂、τ₁、τ₂；

d.将一个测量周期T和延迟发光特征参数I₀、I₁、I₂、τ₁、τ₂代入步骤a中I(T)的表达式，得到延迟发光积分强度I(T)。

步骤3：定义禽蛋的状态参量Q值和新鲜度K为：

$Q=\frac{I\left(T\right)}{I_{\mathrm{SL}}T}---\left(5\right)$

$K=1-\frac{Q}{Q_0}---\left(6\right)$

其中，T为延迟发光的测量时间，I_SL为禽蛋单位时间的自发光子辐射，Q₀为禽蛋初态(即刚产下时)的状态参量，Q为禽蛋在存贮过程中某一天的状态参量。将延迟发光积分强度I(T)、禽蛋单位时间的自发光子辐射I_SL、禽蛋在存贮过程中某一天的状态参量Q、禽蛋初态的状态参量Q₀代入上式，得到禽蛋的新鲜度K，根据禽蛋的新鲜度K值的大小评价该禽蛋的新鲜程度，评价标准如下：K值的大小在0～1之间，禽蛋的K值越接近于0，该禽蛋越新鲜；K值越接近于1，该禽蛋的新鲜度越差。

Q₀的获得具体按照以下步骤实施：

步骤1：将刚产下的新鲜禽蛋用蒸馏水洗净，并对表面消毒，杀死表面微生物。在黑暗中放置几分钟，应用基于单光子检测的测量系统测定禽蛋单位时间的自发光子辐射I_SL；

步骤2：将该禽蛋用外来激发光(激光、日光灯、自然光或其他各种外来光源)照射一定时间，用上述测量系统测定其受光激发后在一定时间T内的延迟发光，经过数学拟合获得在该时间T内的延迟发光积分强度I(T)；

具体按照以下步骤实施：

一种方法为：

a.将禽蛋用外来激发光(激光、日光灯、自然光或其他各种外来光源)照射后，用前述的基于单光子检测的测量系统测量禽蛋受光激发后延迟发光随时间t的变化曲线；

b.将上步由测量仪器得到的延迟发光随时间的变化曲线按式(1)进行数学拟合，得到式(1)中的延迟发光特征参数：I₀、τ和β；

c.将延迟发光的测量时间T和延迟发光特征参数I₀、τ和β代入式(2)，得到延迟发光积分强度I(T)。

另一种方法为：

a.将禽蛋用外来激发光照射，用前述的基于单光子检测的测量系统测量该禽蛋受光激发后的延迟发光随时间t的变化曲线；

b.将上步得到的延迟发光随时间的变化按式(3)进行数学拟合，得到延迟发光特征参数：I₀、I₁、I₂、τ₁、τ₂；

c.将延迟发光的测量时间T和延迟发光特征参数I₀、I₁、I₂、τ₁、τ₂代入式(4)，得到延迟发光积分强度I(T)。

步骤3：将上述得到的刚产下禽蛋单位时间的自发光子辐射I_SL、延迟发光积分强度I(T)和延迟发光测量时间T代入式(5)得到刚产鲜蛋的状态参量Q₀。

实施例

取体表整洁光滑的鸡蛋若干，用蒸馏水洗去表面污垢，再用5％高锰酸钾溶液消毒，清洗后晾干。在40℃无菌恒温箱存贮，每天定时测量鸡蛋的光子辐射、哈夫单位和蛋黄指数。

自发光子辐射I_SL的测量采用BPCL-4微弱发光测量仪(中国科学院生物物理研究所研制)，测量前暗处理5min，放入仪器样品室，测定自发光子辐射，用单位时间的光子数表示自发光子辐射强度(counts/s)。

延迟发光的测量是在一个封闭空间内用光强为7000lx的高压汞灯对鸡蛋光照10秒钟，然后立即放入BPCL-4微弱发光测量仪样品室采集延迟发光信号。每次测量40s，每次测量重复三次，取平均。

哈夫单位的测量按照常规方法，先称量蛋重，然后打破鸡蛋，测出蛋黄周围浓蛋白的高度，再根据公式：

H_u＝100×log(H+7.57-1.7W^0.37)       (7)

计算哈夫单位。式(7)中，H_u为哈夫单位，H为浓蛋白高度(mm)，W为鸡蛋质量(g)。重复三次，取平均值。

蛋黄指数的测定也按照常规方法，将鸡蛋按横向敲开倒于水平玻璃板上，用游标卡尺测量蛋黄高度及宽度，按下式计算蛋黄指数：

重复三次，取平均值。

图1和图2分别为实验得到的本发明定义的基于光子辐射的新鲜度指标K值与现有指标哈夫单位H_u和蛋黄指数(YI)的相互关系。由图1可见，在存贮过程中，K值的变化和哈夫单位的变化呈现良好的线性关系(R²＝0.90005)；图2显示，K值的变化和蛋黄指数的变化也呈现良好的线性关系(R²＝0.93286)。因此，在存储过程中，鸡蛋的新鲜度可以用本发明定义的K值来表征。由于K值的获得不需要打破鸡蛋，直接用仪器测量其光子辐射即可，具有无损伤检测的优点。因而，本发明方法相对于现有方法是有益的。

以下从原理方面说明本发明的发明点所在：

从能量角度来看，离体禽蛋的生命有序程度(即新鲜度)是由自身存贮的能量维持的。在存贮过程中，伴随禽蛋体内能量的耗散，禽蛋有序程度越来越低。因此，禽蛋的新鲜度取决于自身存贮的能量E和耗散出去的能量ε的比值大小，即

$Q=\frac{E}{\mathrm{\ϵ}}---\left(9\right)$

Q值越大，禽蛋的新鲜度越好。

将禽蛋用一定强度的外来光激发，如果在激发光停止后的一定时间T内禽蛋发出的光子数越多，表明其能量存储能力越强。因此，将禽蛋在外来光激发下在一定时间T内发出的所有光子数的总和称为延迟发光积分强度I(T)，用某一测量周期T内延迟发光的积分强度I(T)可以计算禽蛋的能量存储能力，而禽蛋耗散出去的能量可以通过黑暗中禽蛋在单位时间内发出的光子辐射I_SL来测量。这样，禽蛋的新鲜度可以用下式定义的状态参量来获得：

$Q=\frac{I\left(T\right)}{I_{\mathrm{SL}}T}---\left(10\right)$

其中，Q是一个无量纲的纯数。

另一方面，生物光子学的研究已经确认，延迟发光积分强度I(T)与细胞代谢强度有关，光子辐射I_SL是细胞过氧化程度的标志，细胞代谢维持细胞的有序状态，而细胞过氧化促使细胞走向无序和死亡，细胞有序程度取决于细胞代谢与细胞过氧化水平的平衡，而禽蛋本身就是一个卵细胞，因此，从生理角度来看，用式(10)描述禽蛋的新鲜度也是合理的。

由于在存储过程中，随着禽蛋自身能量的耗散和过氧化水平的提高，禽蛋的Q值将越来越小，禽蛋的新鲜度也就越来越差，因此，禽蛋的新鲜度可以用禽蛋Q值的大小来量度。但是，不同的禽蛋，Q值是不同的。为了消除新鲜度评价中的个体差异，我们进一步将存储过程中每个禽蛋Q值的相对变化率定义为禽蛋的新鲜度，用K表示，即

$K=1-\frac{Q}{Q_0}---\left(11\right)$

其中，Q₀为某个禽蛋初态(即刚产下时)的状态参量，Q为该禽蛋在存贮过程中某一天的状态参量。由于初态时的Q₀最大，在存储过程中随着禽蛋能量的耗散，Q变小，K值变大，禽蛋的新鲜度也变差。

用K值表示新鲜度的显著优点在于每个禽蛋的K值是一个无单位的纯数，其变化均在0～1之间，K值越小，表明禽蛋的新鲜度越好；K＝0，表明禽蛋新鲜度最高；K＝1，表明禽蛋完全腐败，从而消除了个体差异，使得每个禽蛋的新鲜度评价有了统一标准。

Claims (1)

1.一种基于光子辐射检测禽蛋新鲜度的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：用蒸馏水洗净待测禽蛋，并对表面消毒，在黑暗中放置1-10分钟，应用基于单光子检测的测量系统测定禽蛋的自发光子辐射I_SL；

步骤2：将禽蛋用外来强激发光照射一定时间，用基于单光子检测的测量系统测定其受光激发后在一定时间T内的延迟发光，经过数学拟合获得在该时间T内的延迟发光积分强度I（T），具体按照以下步骤实施：

a.将禽蛋系统延迟发光动力学方程表达为

$I\left(t\right)=\frac{I_0}{{(1+\frac{t}{\mathrm{\τ}})}^{\mathrm{\β}}},$

其中，β、τ和I₀为常量，t为测量时间，

将上式在一个测量周期T内积分得到延迟发光积分强度I（T）的表达式：

$I\left(T\right)=\frac{{\mathrm{\τI}}_0}{\mathrm{\β}-1}[1-\frac{1}{{(1+T/\mathrm{\τ})}^{\mathrm{\β}-1}}];$

b.将待测禽蛋用外来激发光照射后，用基于单光子检测的测量系统测量禽蛋受光激发后延迟发光随时间t的变化曲线；

c.将上步得到的延迟发光随时间的变化曲线按步骤a中的延迟发光动力学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数：I₀、τ和β；

d.将一个测量周期T和延迟发光特征参数I₀、τ和β代入步骤a中I(T）的表达式，得到延迟发光积分强度I（T）；

或者，具体按照以下步骤实施：

a.将延迟发光动力学方程表达为

$I\left(t\right)=I_0+I_1{e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_1}+I_2{e}^{-t/{\mathrm{\τ}}_2},$

其中，I₀、I₁、I₂和τ₁、τ₂为常量，将上式在一个测量周期T内积分得到I（T）的表达式：

$I\left(T\right)=I_{0}T+I_1{\mathrm{\τ}}_1[1-\exp (-\frac{T}{{\mathrm{\τ}}_1})]+I_2{\mathrm{\τ}}_2[1-\exp (-\frac{T}{{\mathrm{\τ}}_2})];$

b.将待测禽蛋用外来激发光照射，用基于单光子检测的测量系统测量该禽蛋受光激发后的延迟发光随时间t的变化曲线；

c.将上步得到的延迟发光随时间的变化曲线按步骤a中的延迟发光动力学方程表达式进行数学拟合，得到延迟发光特征参数：I₀、I₁、I₂、τ₁、τ₂；

d.将一个测量周期T和延迟发光特征参数I₀、I₁、I₂、τ₁、τ₂代入步骤a中I（T）的表达式，得到延迟发光积分强度I（T）；

步骤3：定义禽蛋的状态参量Q值和新鲜度K为：

$Q=\frac{I\left(T\right)}{I_{\mathrm{SL}}T},$

$K=1-\frac{Q}{Q_0},$

其中，T为延迟发光的测量时间，I_SL为禽蛋单位时间的自发光子辐射，Q₀为禽蛋初态的状态参量，Q为禽蛋在存贮过程中某一天的状态参量，将延迟发光积分强度I（T）、禽蛋单位时间的自发光子辐射I_SL、禽蛋在存贮过程中某一天的状态参量Q、禽蛋初态的状态参量Q₀代入上式，得到禽蛋的新鲜度K，根据禽蛋的新鲜度K值的大小评价该禽蛋的新鲜程度，评价标准如下：K值的大小在0～1之间，禽蛋的K值越接近于0，该禽蛋越新鲜；K值越接近于1，该禽蛋的新鲜度越差；所述的Q₀的获得，具体按照以下步骤实施：

步骤1）：将刚产下的新鲜禽蛋用蒸馏水洗净，并对表面消毒，在黑暗中放置1-10分钟，应用基于单光子检测的测量系统测定禽蛋单位时间的自发光子辐射I_SL；

步骤2）：将该禽蛋用外来激发光照射一定时间，用测量系统测定其受光激发后在一定时间T内的延迟发光，经过数学拟合获得在该时间T内的延迟发光积分强度I（T）；具体按照以下步骤实施：

a.将禽蛋用外来激发光照射后，用基于单光子检测的测量系统测量禽蛋受光激发后延迟发光随时间t的变化曲线；

b.将上步由测量仪器得到的延迟发光随时间的变化曲线按公式

进行数学拟合，得到延迟发光特征参数：I₀、τ和β；

c.将延迟发光的测量时间T和延迟发光特征参数I₀、τ和β代入公式得到延迟发光积分强度I（T）；

或者，具体按照以下步骤实施：

a.将禽蛋用外来激发光照射，用基于单光子检测的测量系统测量该禽蛋受光激发后的延迟发光随时间t的变化曲线；

b.将上步得到的延迟发光随时间的变化按公式

进行数学拟合，得到延迟发光特征参数：I₀、I₁、I₂、τ₁、τ₂；

c.将延迟发光的测量时间T和延迟发光特征参数I₀、I₁、I₂、τ₁、τ₂代入公式 $I\left(T\right)=I_{0}T+I_1{\mathrm{\τ}}_1[1-\exp (-\frac{T}{{\mathrm{\τ}}_1})]+I_2{\mathrm{\τ}}_2[1-\exp (-\frac{T}{{\mathrm{\τ}}_2})],$ 得到延迟发光积分强度I（T）；

步骤3）：将上述得到的刚产下禽蛋单位时间的自发光子辐射I_SL、延迟发光积分强度I（T）和延迟发光测量时间T代入公式

得到刚产鲜蛋的状态参量Q₀。

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