CN110763674A - 一种快速检测蔬菜和水果中维生素c含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及维生素C含量的检测方法，具体涉及一种快速检测蔬菜和水果中维生素C含量的方法。本方法利用维生素C将Fe(Ⅲ)定量还原为Fe(Ⅱ)，Fe(Ⅱ)与邻二氮菲反应生成稳定的橙红色络合物。使用摄像头获取已知浓度的标准维生素C溶液图像，处理图像得到对应的RGB值，将RGB值转化为XYZ值，再将XYZ值转化为Lab值；将Lab值与维生素C标准溶液的浓度进行多元数据拟合，建立维生素C标准溶液浓度和颜色分量的标准曲线和多元拟合表达式。实际测定蔬菜水果中维生素C含量时，只需将果蔬提取液显色后的图像的Lab值代入建立的多元拟合表达式，即可得到浓度检测值，根据浓度计算水果中维生素C的含量。该方法设计简单，操作便捷，可代替传统分光光度计测定水果、蔬菜中维生素C含量。
Description
技术领域
本发明涉及维生素C含量的检测方法，具体涉及一种快速检测蔬菜和水果中维生素C含量的方法。
背景技术
维生素C又称为抗坏血酸，是一种水溶性维生素，具有较强的抗氧化性。维生素C能够优化细胞和组织水平，从而预防和治疗呼吸道和全身感染。高剂量的维生素C可作为一种廉价、高效和多方面的抗氧化剂，可以预防或恢复微循环障碍，同时对缺血、败血症或烧伤引起的过度氧化应激反应具有保护作用，减轻器官损伤和功能障碍。缺乏维生素C会导致免疫力受损和更高的感染易感性，大多数哺乳动物可由肝脏中葡萄糖合成维生素C，但人类、非人类灵长类和豚鼠不能自身合成维生素C，当人类通过饮食摄入的维生素C不足时，会导致坏血病的产生，严重威胁人类的生命，因此人类必须摄入维生素C才能生存。但过量的摄取维生素C会引起继发性草酸中毒，造成肾损害，同时过量的摄取维生素C可能会诱发肥胖。因此为了有效的控制日常维生素C的摄取，定量的测定食品中的维生素C含量具有重要意义。
目前，测定维生素C量的方法主要有滴定法，分光光度法，荧光法，高效液相色谱法，电化学分析法等。其中滴定法主要包括直接碘量法，2，6-二氯靛酚法。该方法简便、快速，但测量精度较低，分光光度法、荧光法和高效液相色谱法具有灵敏度高、选择性好、测定迅速、不受颜色影响等优点。但所需设备价格昂贵，体积庞大，需要专业人士进行操作。电化学方法简单易行，但传感器容易被污染，更换传感器成本较高。
发明内容
为解决上述背景中的技术问题，本发明提供了一种利用普通的数字摄像头结合有色化合物显色反应快速测定食品中维生素C浓度的方法。
S1，将邻二氮菲溶液、硫酸铁铵溶液和缓冲溶液加到维生素C溶液中进行显色反应；
S2，采集显色的维生素C标准溶液的彩色图像，获取彩色图像的Lab值；
S3，按照S1-S2的步骤测定一组已知维生素C标准溶液的Lab值，然后以已知维生素C标准溶液的浓度为横坐标，各浓度对应Lab值为纵坐标进行多元拟合，得到维生素C标准溶液的浓度与Lab值的多元二阶拟合表达式；
S4，采用国标法食品安全国家标准：食品中抗坏血酸的测定GB5009.86—2016中的方法提取待测果蔬的维生素C，得到待测维生素C溶液，按照S1-S2步骤获得待测果蔬维生素C溶液的Lab值，将Lab值代入S3的多元二阶拟合表达式，得到待测果蔬中维生素C的浓度检测值，根据浓度计算水果中维生素C的含量。
进一步的，S1具体过程为：
向8.8mL浓度0-20μg/mL的维生素C标准溶液中依次加入0.6mL浓度4.0mg/mL的邻二氮菲溶液和0.6mL浓度2.4mg/mL硫酸铁铵溶液，最后加入醋酸钠缓冲液，调整pH至4-5，进行显色反应。
进一步的，S2中，用于采集显色的维生素C标准溶液的彩色图像的设备具体结构如下：
包括黑色亚克力板粘接而成的外壳，所述外壳顶部活动连接有黑色塑料盖，所述外壳内部设置有样品槽、摄像头、恒光强电路和背光板，所述样品槽的顶部和一个侧壁开口，与所述样品槽开口相对的侧壁上设置有提供光源的背光板，背光板由导光板、粘贴在导光板正反两面的均光膜和嵌入到导光板底边上的两个0.3W白色LED组成，所述外壳内、与所述背光板相对的一侧设置有摄像头，背光板的LED和恒光强电路板连接，恒光强电路板由摄像头的USB提供电源。
进一步的，S2中，获取彩色图像的Lab值具体步骤如下：
步骤1，提取彩色图像中心区域的400个像素点的RGB值；
步骤2，计算RGB均值；
步骤3，通过颜色空间转换将RGB均值转化为XYZ值，再将XYZ值转化为相应的Lab值。
进一步的，S3中维生素C标准溶液的浓与Lab值的多元二阶拟合表达式为y＝-0.0039x1 2+0.2490x1+0.0071x2 2+0.0252x2+0.0037x3 3-0.2192x3+9.1526，x1、x2、x3依次为L、a、b值。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本文的测量方法是利用了维生素C的还原性，维生素C能够定量的将Fe(Ⅲ)还原成Fe(Ⅱ)离子，邻二氮菲作为测定Fe(Ⅱ)的良好试剂，与Fe(Ⅱ)离子生成稳定的橙红色化合物，维生素C检测的原理图如图1所示。该反应快速稳定，且不受氨基酸，柠檬酸，糖类，淀粉以及常见的金属离子干扰。所以应用摄像头结合有色化合物显色反应测量维生素C，提高了测量的准确度，降低了测量成本。使用本文方法与分光光度法分别测定实际蔬菜水果中维生素C含量，通过对比测定结果并进行了独立样本t检验，p为0.949(>0.05)，与分光光度法无显著性差异。该方法设计简单，操作便捷，可代替传统分光光度计测定水果、蔬菜中维生素C含量，在食品、化工和医疗领域具有重大应用。
附图说明
图1为本发明维生素C检测的原理图。
图2为图像采集装置结构示意图。
图3为背光板和电路图。
图4为摄像头结构图。
图5为软件界面图(a为摄像头获取维生素C溶液图像的固定参数设置，b为软件界面和按键功能)。
图6为实施例1获得的维生素C标准溶液的颜色和颜色分量。
图7为不同浓度的维生素C标准溶液与R、G、B、L、a和b值拟合关系(a为R、G、B与浓度拟合关系，b为L、a、b与浓度拟合关系)。
图8为不同拟合曲线的预测值与实际维生素C浓度比较(a为RGB线性拟合，b为Lab线性拟合，c为RGB一阶多项式拟合，d为Lab一阶多项式拟合，e为RGB二阶多项式拟合，f为Lab二阶多项式拟合)。
图9为部分样品的颜色信息。
图10为实施例2中分光光度法的标准曲线。
图11为实施例1方法与分光光度法部分检测结果比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不应理解为本发明的限制。如未特殊说明，下述实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一种快速检测蔬菜和水果中维生素C含量的方法，包括如下步骤：
S1，向8.8mL浓度0-20μg/mL的维生素C标准溶液中依次加入0.6mL浓度4.0mg/mL的邻二氮菲溶液和0.6mL浓度2.4mg/mL硫酸铁铵溶液，最后加入醋酸钠缓冲液，调整pH至4-5，进行显色反应，使用相同剂量及浓度的邻二氮菲溶液和硫酸铁铵溶液制备空白溶液。
S2，采集显色的维生素C标准溶液的彩色图像，获取彩色图像的Lab值，具体步骤如下：
步骤1，提取彩色图像中心区域的400个像素点的RGB值；
步骤2，计算RGB均值；
步骤3，通过颜色空间转换将RGB均值转化为XYZ值，再将XYZ值转化为相应的Lab值。
运用以下公式将RGB值转化为XYZ值：
然后，用以下公式将XYZ值转化为CIELab值：
图像采集装置如图2所示，包括黑色亚克力板粘接而成的外壳，所述外壳顶部活动连接有黑色塑料盖，保证采样区域密闭，不受外部光源干扰。所述外壳内部设置有样品槽、摄像头、恒光强电路和背光板，所述样品槽的顶部和一个侧壁开口，与所述样品槽开口相对的侧壁上设置有提供光源的背光板，背光板由导光板、粘贴在导光板正反两面的均光膜和嵌入到导光板底边上的两个0.3W白色LED((色温5700K))组成，导光板和均光膜都是市售的产品，均光膜是一面雾一面光的均光膜，厚度0.21mm，型号LGT188-N；导光板是激光打点导光板，昆山莱泽光电科技有限公司的产品，厚度3mm。外壳内、与所述背光板相对的一侧设置有摄像头，背光板的LED和恒光强电路板连接，恒光强电路板由摄像头的USB提供电源。背光板与样品槽紧密相连，当背光板发出白光时，光通过显色溶液进入摄像头；溶液反射并传输自身波长的光，吸收其他波长的光。因此，摄像头获取显色后溶液的图像，其中包含维生素C浓度信息。所述外壳内、与所述背光板相对的一侧设置有摄像头，背光板的LED和恒光强电路板连接，恒光强电路板由摄像头的USB提供电源。
背光板和恒光强电路原理如图3所示。背光板光源均匀，成像质量好，电路由USB供电。通过光电二极管D2采集背光板的光强度产生电压信号来控制背光板的工作电流，使光源的光强度恒定。电路工作原理是光电二极管D2采集背光板D1的光强信号转换为电压信号经过U1B缓冲后送到U1A的2脚，与U1A的3脚输入的基准电压信号比较，比较后的电压信号控制三极管Q1的通断来达到恒定光强的效果。调节W1可以改变LED的工作电流，实验中LED的工作电流为12mA。这是一个闭环控制电路，恒定光强效果很好。恒光强电路设计为一个独立电路板，由摄像头的USB供电，连接背光板和光电二极管。
为了确保实验的准确性和精度，摄像头在校准和测定的过程中应该具有统一的参数。因此摄像头必须禁用自动功能，同时能够手动调节焦距、曝光、亮度和白平衡，禁用了自动曝光、自动亮度和自动白平衡功能，以确保整个测量过程中参数一致。本实施例中使用的摄像头型号为JD300，可以实现图像处理、图像压缩和USB数据传输等功能；摄像头的传感器为CMOS传感器，其结构如图4所示。
RGB值的提取采用VC溶液图像采集程序采集摄像头的数据，并对数据进行处理，得到溶液对应的颜色分量值；VC溶液图像采集程序的编程思路是应用C#结合DirectShow和Camera_NET获取摄像头的视频流，实现摄像头设备的读取，图像的获取以及摄像头的参数设置等。流程是首先获取系统已安装摄像头，然后显示主界面，界面上的功能包括相机设置、分辨率设定、取景框显示、获取一帧图像和保存图片功能。选择使用的摄像头并设置分辨率后，设置摄像头参数，包括设置合适的亮度、对比度和曝光等，而且必须关闭自动亮度、对比度和曝光等自动设置的功能。点击获取图像按钮获取一帧图像，计算该帧图像中心区域400个像素点的RGB的平均值，然后通过颜色空间转换，得到对应的Lab值，并显示界面上。显示界面如图3所示。
软件界面如图5所示，操作环境是运行Windows 7以上操作系统的计算机。软件的主要功能是获取摄像头图像，处理后得到所需的颜色分量。图5(a)是摄像头获取维生素C溶液图像的固定参数设置，固定参数以确保整个测量过程中参数一致。提取图像的RGB颜色值时，只提取图像中心区域400个像素点的RGB，避免了图像周围区域的亮度干扰。然后计算RGB的平均值，并通过RGB颜色空间到Lab颜色空间的转换，得到溶液对应的Lab值。此外，需要调整摄像头的位置和焦距，获得清晰的溶液图像。软件界面和按键功能如图5(b)所示，界面中包含了溶液图像的RGB值和Lab值。
本步骤获得的维生素C标准溶液的颜色和颜色分量如图6所示。
S3，将不同浓度的维生素C标准溶液与R、G、B、L、a和b值拟合。结果如图7所示。拟合结果的表达式见表1。
表1 R、G、B、L、a、b值与维生素C浓度的拟合表达式
图7和表1显示，R、G、B、L、a、b的值与维生素C浓度呈非线性关系。其中采用指数拟合，R值与维生素C浓度的拟合曲线相关系数为0.9961，效果最好。
RGB值和Lab值与维生素C浓度进行多元函数拟合，其中分别采用线性和非线性的方法。得到了相应的关系曲线，如表2所示。
表2维生素C浓度与GRB和Lab值的多元拟合表达式
由表2可知，Lab值与维生素C浓度的多元二阶多项式拟合曲线的相关系数达到0.9994，拟合效果最好。
对不同的已知浓度的标准维生素C溶液进行测量，将测定值与实际值进行比较，结果如图8所示。
在图8中，Lab值与维生素C浓度的多元函数拟合的测定值与实际浓度值的趋势一致，误差较小。通过Lab值和维生素C浓度的多元二阶多项式拟合得到的测定值最接近实际浓度值。选择Lab值与浓度的多元二阶多项式拟合曲线作为标准曲线。
S4，采用国标法(食品安全国家标准：食品中抗坏血酸的测定GB5009.86—2016)提取维生素C，将番茄、桃子、苹果、黄瓜等食用部位称重40g，放入均质机中，加入1％草酸提取液40g，快速捣碎成匀浆。在烧杯中准确称量匀浆样品(10-40g，精确至0.01g)，然后将其转移至100ml容量瓶中，加入1％草酸提取液，稀释至刻度，摇匀，并过滤。如果滤液着色，每克样品中可加入0.4g高岭土脱色，然后对加入高岭土的滤液进行再过滤，消除果蔬自身颜色对显色反应的干扰。将15mL滤液置于离心管中，4000r/min离心5min，得到果蔬中维生素C的样品8.8mL。将从果蔬中提取的8.8mL样品上清液加入15mL试管中，然后加入0.6mL的4.0mg/mL邻二氮菲溶液和0.6mL的2.4mg/mL硫酸铁铵溶液。待溶液反应稳定后，将溶液置于比色皿中。将比色皿置于图像采集装置的采样槽中，采集显色溶液的图像，获取显色溶液的图像Lab值，将Lab值代入S3的多元二阶拟合表达式中，得到果蔬维生素c浓度的检测值，根据浓度计算水果中维生素C的含量。部分样品的颜色信息如图9所示。
对比例1
为了验证提出方法的准确性，设计了标准维生素C溶液的对比实验，该对比实验使用的分光光度计为典型的可见分光光度计(721G分光光度计，上海仪电科学仪器股份有限公司，http://www.inesa-instrument.com)。在475nm波长下测定不同浓度维生素C标准溶液的吸光度。将分光光度计测定的吸光度与不同浓度的维生素C标准溶液进行线性拟合，得到标准曲线，如图10所示。
标准曲线为y＝0.1221x+0.0287，R2＝0.9968，在浓度范围为0～20μg/ml维生素C溶液里，其浓度与吸光度具有良好的线性关系，保证了后续对比实验中测得维生素C浓度的准确性。
用分光光度法和实施例1方法测定了不同浓度的维生素C标准溶液。部分比较结果见表3。
表3不同方法测定维生素C标准溶液浓度的部分结果
与分光光度法相比，实施例1的方法对比标准溶液具有较小的标准偏差和较高的准确度。本法是测定蔬菜水果中维生素C的最佳方法。此方法和分光光度法对比所得的部分结果如图11所示。由图11可以看出，实施例1的方法测定的维生素C浓度趋势与标准浓度一致，符合度高，测量误差小于分光光度法。
用分光光度法和实施例1方法测定果蔬样品中维生素C的含量，结果见表4。
表4两种方法测定实际果蔬中维生素C含量的结果
实施例1的方法与分光光度法的误差较小。采用spss软件对两种方法的结果进行独立样本t检验。结果见表5。
表5两种方法的独立样本t检验结果
表5显示了两种方法的独立样本t检验结果；p值为0.949(>0.05)，表明两种方法之间没有显著差异。该方法的测定结果与分光光度法的测定结果趋势一致。
本发明的一种快速检测蔬菜和水果中维生素C含量的方法，与分光光度法无显著性差异。同时该方法设计简单，操作便捷，可代替传统分光光度计测定水果、蔬菜中维生素C含量，在食品、化工和医疗领域具有重大应用。
需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种快速检测蔬菜和水果中维生素C含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将邻二氮菲溶液、硫酸铁铵溶液和缓冲溶液加到维生素C溶液中进行显色反应；
S2，采集显色的维生素C标准溶液的彩色图像，获取彩色图像的Lab值；
S3，按照S1-S2的步骤测定一组已知维生素C标准溶液的Lab值，然后以已知维生素C标准溶液的浓度为横坐标，各浓度对应Lab值为纵坐标进行多元拟合，得到维生素C标准溶液的浓度与Lab值的多元二阶拟合表达式；
S4，提取待测果蔬的维生素C，得到待测维生素C溶液，按照S1-S2步骤获得待测果蔬维生素C溶液的Lab值，将Lab值代入S3的多元二阶拟合表达式，得到待测果蔬中维生素C的浓度检测值，根据浓度计算水果中维生素C的含量。
2.根据权利要求1所述的一种快速检测蔬菜和水果中维生素C含量的方法，其特征在于，S1具体过程为：
向8.8mL浓度0-20μg/mL的维生素C标准溶液中依次加入0.6mL浓度4.0mg/mL的邻二氮菲溶液和0.6mL浓度2.4mg/mL硫酸铁铵溶液，最后加入醋酸钠缓冲液，调整pH至4-5，进行显色反应。
3.根据权利要求1所述的一种快速检测蔬菜和水果中维生素C含量的方法，其特征在于，S2中，用于采集显色的维生素C标准溶液的彩色图像的设备具体结构如下：
包括黑色亚克力板粘接而成的外壳，所述外壳顶部活动连接有黑色塑料盖，所述外壳内部设置有样品槽、摄像头、恒光强电路板和背光板，所述样品槽的顶部和一个侧壁开口，与所述样品槽开口相对的侧壁上设置有提供光源的背光板，背光板由导光板、粘贴在导光板正反面的均光膜和嵌入到导光板底边上的两个0.3W白色LED组成，所述外壳内、与所述背光板相对的一侧设置有摄像头，背光板的LED和恒光强电路板连接，恒光强电路板由摄像头的USB提供电源。
4.根据权利要求1所述的一种快速检测蔬菜和水果中维生素C含量的方法，其特征在于，S2中，获取彩色图像的Lab值具体步骤如下：
步骤1，提取彩色图像中心区域的400个像素点的RGB值；
步骤2，计算RGB均值；
步骤3，通过颜色空间转换将RGB均值转化为XYZ值，再将XYZ值转化为相应的Lab值。
5.根据权利要求1所述的一种快速检测蔬菜和水果中维生素C含量的方法，其特征在于，S3中维生素C标准溶液的浓与Lab值的多元二阶拟合表达式为y＝-0.0039x1 2+0.2490x1+0.0071x2 2+0.0252x2+0.0037x3 3-0.2192x3+9.1526，x1、x2、x3依次为L、a、b值。
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