CN111766209A - 基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法与装置 - Google Patents

基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法与装置，属于农产品品质检测领域。解决的技术问题是提供一种低成本、便携式牛乳成分分析方法与装置。本发明包括显示器、外壳、比色皿、光源、准直镜、比色皿支架、光谱检测模块、供电模块、运算控制模块。光源发出的紫外/可见光通过准直镜传递至装有用去离子水稀释100倍的牛乳的比色皿并与牛乳相互作用，光谱检测模块接收到透射光信号并将其转换为数字信号然后传递给运算控制模块，运算控制模块计算出牛乳的脂肪、蛋白质、乳糖、总固形物含量并通过显示器反馈给用户，电源模块为装置供电。本发明可用于检测牛乳中脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量。

Description

基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法与装置
技术领域
本发明涉及农产品品质检测领域，尤其涉及一种基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法与装置。
背景技术
牛乳营养丰富，是人类最重要的营养来源之一，牛乳的商品价值和营养价值由其脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量决定，因此监测乳成分已经成为现代乳厂日常管理的重要一环。传统的乳成分含量检测方法，如测量脂肪含量的索氏提取法，测量蛋白质含量的凯氏定氮法，测量乳糖含量的高效液相色谱法，测量总固形物含量的烘干法均存在检测成本高、仪器体积大的问题，因此研发一种成本低、便携式乳成分分析方法与装置很有必要。
中国专利公告号CN101769866A，公告日2010年7月7日，专利名称为“一种牛奶成分的检测装置和方法”该申请公开了“一种牛奶成分的检测装置和方法”，其特征在于：“包括建立模型步骤和牛奶检测步骤，所述的建立模型步骤用于建立并存储近红外光谱分类校正模型，利用超声波自激频率对不同类型牛奶的近红外光谱进行分类并建立与所述不同类型牛奶对应的近红外光谱分类校正模型；所述牛奶检测步骤根据待测牛奶样品的超声波自激频率及近红外光谱信息，对应所述近红外光谱分类校正模型得到所述牛奶样品的成分含量”；所述“牛奶成分检测装置，包括建立模型模块和牛奶检测模块，其特征在于，所述建立模型模块，用于建立并存储近红外光谱分类校正模型，利用超声波自激频率对不同类型牛奶的近红外光谱进行分类并建立与所述不同类型牛奶对应的近红外光谱分类校正模型；所述牛奶检测模块，用于根据待测牛奶样品的超声波自激频率及近红外光谱信息，对应所述近红外光谱分类校正模型得到所述牛奶样品的成分含量”，其“采用检测波长范围是900～1700nm”，该专利“实现了牛奶常规成分的快速、准确、自动以及高效检测”，但受限于采用的检测波长范围以及需要同时采集超声波信号和光谱信号，该专利所述“牛奶成分的检测装置和方法”存在成本高、仪器无法便携的问题，从检测原理来看，该发明所采用的近红外光谱技术的基本原理是牛乳中各种成分对近红外光的倍频吸收，而本发明采用的紫外/可见光谱的基本原理是待测物质受到紫外/可见光照射后发生了原子能级跃迁，二者存在本质不同。
中国专利公告号CN107389599A，公告日2017年11月24日，专利名称为“一种针对牛奶成分检测的近红外漫反射型光谱仪”，该申请公开了“一种针对牛奶成分检测的近红外漫反射型光谱仪”，其特征在于：“仪器包括光源系统、分光系统、积分球样品池、探测器、数据采集器、嵌入式系统及电源装置”，“所述光源系统中的光源才采用溴钨灯，溴钨灯强度高，性能稳定，光谱可覆盖整个近红外谱区”，“所述探测器采用非制冷型单点扩展型InGaAs探测器”，该专利“采用多元线性回归的方法对牛奶中蛋白质、脂肪、乳糖成分进行预测”，但由于检测装置中使用了积分球和InGaAs探测器导致该发明成本高、体积大，从检测原理来看，该专利所采用的近红外漫反射技术的基本原理是牛乳中各种成分对近红外光的倍频吸收，而本专利采用的紫外/可见光谱的基本原理是待测物质受到紫外/可见光照射后发生了原子能级跃迁，二者存在本质不同。
综上所述，现有技术存在成本高、无法便携的问题。
发明内容
解决的技术问题是提供一种低成本、便携式乳成分分析方法与装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置，其特征在于：包括显示器、外壳、比色皿、光源、准直镜、比色皿支架、光谱检测模块、供电模块、运算控制模块；
所述显示器、光源、比色皿支架、光谱检测模块、供电模块、运算控制模块均固定在所述外壳上，方便携带；
所述显示器、光谱检测模块、供电模块通过电缆与所述运算控制模块相连；
所述光源与所述比色皿支架用准直镜相连，所述准直镜与所述光源水平高度一致；
所述光谱采集模块（7）的传感器采用硅基多通道阵列探测器，其光谱采集波长范围为紫外/可见波段183-650 nm；
所述比色皿支架、光谱检测模块通过光纤连接；
所述光源与所述供电模块用电缆连接；
所述显示器安装在所述外壳顶端；
所述外壳分布有散热通风孔；
所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置，其特征在于：长、宽、高分别不大于30cm，20 cm和15 cm。
基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法，其特征在于，光源发出的紫外/可见光通过准直镜传递至装有用去离子水稀释100倍的牛乳的比色皿并与牛乳相互作用，光谱检测模块接收到透射光信号并将其转换为数字信号然后传递给运算控制模块，运算控制模块计算出牛乳的脂肪、蛋白质、乳糖、总固形物含量并通过显示器反馈给用户，电源模块为所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置供电；
所述于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法包括以下步骤：
（1）样本准备：取牛乳样本1 mL，倒入盛有100 mL去离子水的烧杯中，充分搅拌均匀，得到稀释牛乳样本；
（2）设置参考光谱：通电预热所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置20分钟，关闭光源（4），采集并保存暗光谱T d ，打开光源，将盛有去离子水的比色皿（3）放入所述比色皿支架（6）中，采集并保存参考光谱T w ；
（3）采集待测牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱：将稀释牛乳样本加入所述比色皿（3）中，将所述比色皿（3）放入所述比色皿支架（6）中，采集并计算待测牛乳样本的透射光谱T s 并计算出待测牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱；
所述牛乳紫外/可见吸光度光谱A的计算方法为：A=log（（T w -T d ）/(T s -T d );
所述牛乳紫外/可见吸光度光谱A的波长范围为183-650 nm；
（4）分析待测牛乳样本乳成分：用偏最小二乘回归算法计算出牛乳的脂肪、蛋白质、乳糖、总固形物含量；
所述偏最小二乘回归算法计算公式为：
Y=B·A+c
式中Y是算法的输出值，是一个四维矩阵，每一维依次是待测牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量，B是系数矩阵，A是待测牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱矩阵，c是常数项；
算法中系数矩阵B和常数项c的确定方法包括以下步骤：
a.样本准备，取乳成分含量分布范围较广的牛乳样本大于100个，每个样本取1 mL，倒入盛有100 mL去离子水的烧杯中，充分搅拌均匀，得到稀释牛乳样本；
b.数据采集：用所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置采集每个牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱，用标准方法分别测出每个牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值；
c．确定模型参数B和c：以牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱和用标准方法测得的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值为输入量，用偏最小二乘回归算法计算出系数矩阵B和常数项c；
（5）显示计算结果。
本发明的检测原理是：
牛乳中的各种物质被紫外/可见光照射后发生了原子能级跃迁和散射现象，这种紫外/可见光在微观层面上与牛乳中物质的相互作用反映在了宏观的紫外/可见吸光度光谱中，因此通过测量牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱就可以计算出其各种组成成分的含量，用本发明所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法与装置可以自动完成测量牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱，计算出牛乳中脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
a.本发明光谱采集模块的传感器采用硅基多通道阵列探测器，成本低；
b.本发明大多数部件都集成在便携式牛乳成分分析装置内部，体积小巧，便于携带。
附图标记
1、显示器；2、外壳；3、比色皿；4、光源；5、准直镜；6、比色皿支架；7、光谱检测模块；8、供电模块；9、运算控制模块。
附图说明
图1是本发明的组成结构图
图2是牛乳成分分析软件主界面
图3是光谱采集软件主界面
图4是总固形物含量不同的牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱图
图5是总固形物含量测量值和真实值关系图。
具体实施方式
下面结合一个优选实施例和附图对本发明作进一步说明：
如图1所示基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置组成结构图，组成包括显示器1、外壳2、比色皿3、光源4、准直镜5、比色皿支架6、光谱检测模块7、供电模块8、运算控制模块9；显示器1、光源4、比色皿支架6、光谱检测模块7、供电模块8、运算控制模块9均固定在所述外壳2上，方便携带；显示器1光谱检测模块7供电模块8通过电缆与所述运算控制模块9相连；光源4与所述比色皿支架6用准直镜5相连，准直镜与所述光源4水平高度一致；光谱采集模块7的传感器采用硅基多通道阵列探测器，其光谱采集波长范围为紫外/可见波段183-650nm；比色皿支架6、光谱检测模块7通过光纤连接；光源4与所述供电模块8用电缆连接；显示器1安装在所述外壳2顶端；外壳2分布有散热通风孔；基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置长、宽、高分别不大于30 cm，20 cm和15 cm。
显示器采用3.5英寸LCD触摸屏。
外壳采用塑料材质。
比色皿为石英材质，其光程为2mm。
光源采用DD2.5TZ型氘灯。
供电模块采用WXDY01302.5型氘灯专用电源。
运算控制模块采用树莓派3B+。
图2是牛乳成分分析软件主界面，该软件能够自动测量待测牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量。
图3是光谱采集软件主界面，该软件控制基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置采集牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱，用于确定牛乳成分分析算法中系数矩阵B和常数项c。
基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法包括以下步骤：
（1）样本准备：取牛乳样本1 mL，倒入盛有100 mL去离子水的烧杯中，充分搅拌均匀，得到稀释牛乳样本；
（2）设置参考光谱：通电预热所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置20分钟，关闭光源4，打开图2中光谱采集软件，点击“Updata DarkSpec”采集并保存暗光谱T d ，打开光源4，将盛有去离子水的比色皿3放入所述比色皿支架6中，点击“Updata RefSpec”采集并保存参考光谱T w ；
（3）采集待测牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱：将稀释牛乳样本加入所述比色皿3中，将所述比色皿3放入所述比色皿支架6中，点击“Analysis”按钮，图2所示牛乳成分分析软件自动采集并计算待测牛乳样本的光谱T s ，然后计算出待测牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱；
牛乳紫外/可见吸光度光谱A的计算方法为：A=log（（T w -T d ）/(T s -T d );
牛乳紫外/可见吸光度光谱A的波长范围为183-650 nm；
（4）分析待测牛乳样本牛乳成分：点击“Analysis”按钮后，图2所示牛乳成分分析软件自动用偏最小二乘回归算法计算出牛乳的脂肪、蛋白质、乳糖、总固形物含量；
所述偏最小二乘回归算法计算公式为：
Y=B·A+c
式中Y是算法的输出值，是一个四维矩阵，每一维依次是待测牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量，B是系数矩阵，A是待测牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱矩阵，c是常数项；
算法中系数矩阵B和常数项c的确定方法包括以下步骤：
a.样本准备，取乳成分含量分布范围较广的牛乳样本200个，每个样本取1 mL，倒入盛有100 mL去离子水的烧杯中，充分搅拌均匀，得到稀释牛乳样本；
b.数据采集：打开图3所示光谱采集软件，设置好参数之后依次点击“Get Spec”和“Save Spec”采集每个牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱，用MilkScan FT1乳成分分析仪分别测出每个牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值；
c．确定模型参数B和c：以牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱和用MilkScan FT1测得的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值为输入量，用偏最小二乘回归算法计算出系数矩阵B和常数项c，然后将计算出的系数矩阵B和常数项c导入到图2所示乳成分分析软件中，使其具备分析牛乳中脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量的能力；
（5）显示计算结果：如图2所示，检测出的牛乳中脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量显示在了显示器1上。
图4是用本实施例所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置测量的总固形物含量不同的牛乳样本的紫外/可见光谱图，在240-560nm区间，牛乳样本的总固形物随着其吸光度光谱上升而上升。
图5是用本实施例所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置测量的总固形物含量测量值和真实值关系图，数据点均匀地分布于坐标轴45°线附近，二者之间的均方根误差（RMSE）为0.29，说明本实施例所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置对牛乳中总固形物含量具有良好的准确性。
此外本实施例对牛乳中脂肪、蛋白质和乳糖的测量均方根误差分别为0.20%，0.07%和0.06%。
以上实施例仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法，其特征在于，光源发出的紫外/可见光通过准直镜传递至装有用去离子水稀释100倍的牛乳的比色皿中并与牛乳相互作用，光谱检测模块接收到透射光信号并将其转换为数字信号然后传递给运算控制模块，运算控制模块计算出牛乳的脂肪、蛋白质、乳糖、总固形物含量并通过显示器反馈给用户，电源模块为所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置供电；
所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析方法包括以下步骤：
（1）样本准备：取牛乳样本1 mL，倒入盛有100 mL去离子水的烧杯中，充分搅拌均匀，得到稀释牛乳样本；
（2）设置参考光谱：通电预热所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置20分钟，关闭光源（4），采集并保存暗光谱T d ，打开光源，将盛有去离子水的比色皿（3）放入所述比色皿支架（6）中，采集并保存参考光谱T w ；
（3）采集待测牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱：将稀释牛乳样本加入所述比色皿（3）中，将所述比色皿（3）放入所述比色皿支架（6）中，采集并计算待测牛乳样本的透射光谱T s 并计算出待测牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱A；
所述牛乳紫外/可见吸光度光谱A的计算方法为：A=log（（T w -T d ）/(T s -T d );
所述牛乳紫外/可见吸光度光谱A的波长范围为183-650 nm；
（4）分析待测牛乳样本乳成分：用偏最小二乘回归算法计算出牛乳的脂肪、蛋白质、乳糖、总固形物含量；
所述偏最小二乘回归算法计算公式为：
Y=B·A+c
式中Y是算法的输出值，是一个四维矩阵，每一维依次是待测牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量，B是系数矩阵，A是待测牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱矩阵，c是常数项；
算法中系数矩阵B和常数项c的确定方法包括以下步骤：
a.样本准备，取乳成分含量分布范围较广的牛乳样本大于100个，每个样本取1 mL，倒入盛有100 mL去离子水的烧杯中，充分搅拌均匀，得到稀释牛乳样本；
b.数据采集：用所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置采集每个牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱，用标准方法分别测出每个牛乳样本的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值；
c.确定模型参数B和c：以牛乳样本的紫外/可见吸光度光谱和用标准方法测得的脂肪、蛋白质、乳糖和总固形物含量真实值为输入量，用偏最小二乘回归算法计算出系数矩阵B和常数项c；
（5）显示计算结果。
2.基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置，其特征在于：包括显示器（1）、外壳（2）、比色皿（3）、光源（4）、准直镜（5）、比色皿支架（6）、光谱检测模块（7）、供电模块（8）、运算控制模块（9）；
所述显示器（1）、光源（4）、比色皿支架（6）、光谱检测模块（7）、供电模块（8）、运算控制模块（9）均固定在所述外壳（2）上，方便携带；
所述显示器（1）光谱检测模块（7）供电模块（8）通过电缆与所述运算控制模块（9）相连；
所述光源（4）与所述比色皿支架（6）用准直镜（5）相连，所述准直镜与所述光源（4）水平高度一致；
所述光谱采集模块（7）的传感器采用硅基多通道阵列探测器，其光谱采集波长范围为紫外/可见波段183-650 nm；
所述比色皿支架（6）、光谱检测模块（7）通过光纤连接；
所述光源（4）与所述供电模块（8）用电缆连接；
所述显示器（1）安装在所述外壳（2）顶端；
所述外壳（2）分布有散热通风孔。
3.根据权力要求2所述基于紫外/可见光谱的牛乳成分分析装置，其特征在于：长、宽、高分别不大于30 cm，20 cm和15 cm。
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CN113252628A (zh) * 2021-05-12 2021-08-13 中国科学技术大学 一种荧光光谱水质监测装置及其监测方法
CN113418871A (zh) * 2021-05-08 2021-09-21 中国农业大学 一种便携式谷物品质快速无损检测鉴定装置

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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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